[通訊技術]有線電話POTS運作原理-搞懂用了上百年的電話系統

家裡的市內電話是個歷史悠久的通訊系統,因為它簡單好用,自從1876年成功通話以來,已經在地球上用140多年了。那麼它是怎麼運作的呢? 阿信助教就要來告訴各位電話系統的原理。

電話系統POTS/PSTN

先來個歷史課,有線電話系統的英文稱為POTS(Plain Old Telephone Service),它是一個由銅線所構成的通訊網路,電話使用者要通話之前必須要仰賴機房的接線生將雙方的線接起來才能通話,後來接線生的工作被自動交換機取代。一旦將雙方的銅線接在一起,這整條線路就等於是通話的雙方所專屬,直到通話結束。

由於自動交換機就等同於是一個巨大的接線生機器人,它的任務就是將通話的雙方線路切換在一起,因此電話網路也稱為PSTN(Public Switched Telephone Network)。當然有人認為PSTN是包含了數據通訊服務的通訊網路,與POTS不同,這部分一直有爭論,不過既然都是過往的技術,我們知道就好也就不用太在意了。

傳遞訊號的原理

大家是否還記得一個小學生的科學實驗,用兩個紙杯串一根縫衣線就能彼此通話,電話也是利用這個原理來實現的喔,只不過電話把傳遞訊號的媒介從縫衣線改為電流迴路罷了。

下圖是個示意圖,中間有個電流迴路Current loop作為左右兩端的傳遞媒介,若Site A的喇叭若感應到聲音擾動,擾動的電子訊號會透過變壓器傳遞到中間的電流迴路,而電流迴路也同時會讓Site B的變壓器感應到訊號,並將它傳遞到Site B的喇叭,這樣的訊號傳遞過程就是電話的基本原理。

甚麼! 就這樣? 對,真的就是這樣而已,一百多年來大家都是在這個架構上想辦法把實際的通訊裝置做出來罷了,而這裝置叫做電話。

telephone-local-loop 電話迴路適意圖
利用電流迴路傳遞訊號示意圖

實際的系統

聰明的你應該很快就發現上面那個迴路在現實上是無法達到的,因為封閉迴路內既然沒有供電,哪來的電流呢? 所以實際上的電話迴路會如下圖這個樣子。

Telephone system diagram

左邊的方塊是機房Central Office,右邊的方塊是電話機Telephone,兩者之間由2條銅線形成的迴路相連接,這兩條銅線各有個名字,一條稱為Tip是綠色線,另一條稱為Ring是紅色線,這個名稱來源是有歷史典故的,如下圖,在人工接線的時代所用的接線插頭,尖端稱為Tip,中間的環稱為Ring,因此得名,接下來就來講講電話系統的各個功能吧。

Tip Ring jack plug
1: sleeve 2: ring 3: tip
(This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.)

機房供電

電信機房Central Office會提供一組直流電壓-48V給每一具電話機,當電話的話筒還沒接起來的時候(專業術語稱為on-hook),在電話線上的電位差(Tip減Ring)就是-48V。話筒一旦拿起來(專業術語稱為off-hook),電位差就變降為-8V,用來作為通訊時的直流工作電壓,通話時的交流聲音訊號就是在載這個直流電壓上傳遞的。

由於機房會供電,因此停電時市內電話不受影響,因為它沒接市電,除非機房的電池耗盡,電話才會停擺。至於為何會使用-48V? 這也有個歷史典故,因為一組傳統的鉛酸電池可以供12V,採用四組電池剛好是48V,施作上較為合理方便,而且在50V以下的電壓相對來說是安全的。

那為何是48V而不是48V呢? 因為電話公司發現,若他們使用正電壓來供電,銅線會很快的鏽蝕,因此電話公司改用48V來供電避免鏽蝕,否則上百萬用戶的銅線要更新,Wow這可是一大筆錢。事實上這樣的做法稱為陰極防蝕Cathodic Protection,在船舶與石油天然氣的管線埋設領域,都有實施。

下圖是我將tip/ring的訊號都勾出來的波形,Tip/Ring之間的電位差理論上是48V,隨著設備與距離的增加,這個誤差會越來越大,我實際量測到是41.88V,基本上電話系統的容忍度是相當大的,依照文獻,美規的容許範圍是42.6V~52.5V,大家可參考這份文件,Analog Telephony Compliance Requirements Overview

你可能會發現這個波形似乎有點怪,理論上tip應該是0V怎麼會變成-2.06V,那是因為電話公司給我們的訊號線並不包含GND,因此我改用三孔電源插座的地線來充當電話線局端的GND,所以Tip的參考電壓與0V會有些差異。

tip-ring DC waveform

振鈴Ringer

電話會響這件事情稱為振鈴Ringing,用來通知使用者有人打過來了。早期的電話裡面是真的有兩個鈴,利用交流電來驅動電磁鐵裡面的小槌子,用來敲響這兩個鈴。根據規範,振鈴訊號的電壓,大約是300Vpp以下,頻率為20Hz。我實際測量的結果是是228Vpp(約80Vrms),震盪頻率確實是20Hz。

當別人打電話來的時候,會由機房發出振鈴Ringing的訊號到電話,所以電話會響,當你接起電話的同時(hook-off),機房會偵測到你接起來了,於是停止振鈴訊號,換由傳遞聲音訊號的電流迴路current loop接手。

以下是Ringing訊號的波形,雖然平時Tip/Ring的-48V不會對人造成影響,甚至沒感覺。但有人打電話來時,Ringing的電壓有上百伏,若剛好你的手與電話線有接觸,那可是會觸電的,只不過安全疑慮很小,因為Ringing訊號是2sec on與4sec off交替循環,你有很多機會可以放開電話線,而且它功率也不大,若你真的觸碰到Ringing訊號,是真的會很痛但不會致命。

Telephone ringing signal  (ch1: Tip,  ch2: Ring,  Math F1: ch1-ch2)

通話迴路Subscriber Loop

通話迴路其實就是用戶端與機房之間的電流迴路,它的英文Subscriber loop原意是”訂戶迴路”我認為很貼切。當你把電話接起來的那一瞬間,原本-48V的電位差,會降為-8V,若電話原本正在響,則機房會停止Ringing訊號,並將電話線間的電位差降為-8V,最後就會以這個低電壓當作話機的工作電壓,並開始通話。

一旦進入通話迴路模式,話機的功能就是將聲音傳入與傳出,這部分以往是用變壓器來達成,這種變壓器能將話筒的訊號傳入Current loop,也能將Current loop內的訊號傳到聽筒,這種具有雙向功能的變壓器稱為Hybrid Transformer,除了能傳遞訊號之外,也能做到阻抗匹配,因為電話線路的阻抗為600ohm,但是喇叭的阻抗通常很低也許4ohm/8ohm之類,所以需要有個元件來做橋梁,不過現在用半導體就能達成了。

我在方塊圖中的喇叭與麥克風線路,是從這裡看來的Telephone line audio interface circuits,話筒的喇叭與麥克風要如何與Tip/Ring的迴路橋接,每個人設計的電路都不相同,我這裡只取較容易說明的線路。

撥號Dial

既然是電話那一定要有撥號功能,那電話是依靠甚麼來撥號的呢? 有兩種撥號方式,脈衝撥號Pulse Dialing與雙音多頻撥號DTMF dialing。

脈衝撥號Pulse Dialing

不知各位的家中是否曾經擁有過這樣的電話,這種轉盤電話的撥號方式正是採用Pulse dialing,若你要撥”5″就需要把手指伸進對應的洞內,順時針轉到底,放開手指後,轉盤就會慢慢歸位,在歸位的過程中話筒內會傳來嗒.嗒.嗒.的聲音,這就是脈衝波的聲音。以這個例子來說,你會聽到5個滴答聲,這樣機房就知道你撥的是”5″。

想當然爾,如果你家的電話號碼是屬於數字偏大的組合,你每次撥電話所花的時間相對就會比較長。

Rotary dial telephone.
(This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license. )

雙音多頻DTMF Dialing

隨著時代演進,人們發展出了更快速的雙音多頻(DTMF, Dual Tone Multi Frequency)撥號系統,它賦予每個數字兩組不同的頻率組合,以此讓機房辨認你按的是甚麼鍵,從此人們撥號再也無需等待漫長的滴答聲。下圖的電話就是以DTMF作為播號裝置的電話,即便到了現在仍然有電話是Pulse Dialing與DTMF共存的喔,這種話機通常會有個開關讓你選擇要採用哪種撥號方式。

Telephone with DTMF dialing
Tehephone with DTMF dialing.
(This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International license.)

以下是DTMF的頻率成分表,每個按鈕都由兩個頻率所組成,撥號時所聽到的聲音就是這些頻率所加成的音調喔。

下圖是我按下”1″之後所得到的波形,撥號音頻的Vpp大約2.22V其實是相當高的,我們一般通話的音頻電壓大約只有200mV左右,也就是DTMF的十分之一。

DTMF signal on Tip/Ring/Diff

由於這些頻率都在音頻的範圍,而且也同樣透過Tip/Ring傳遞訊號,如果你把DTMF的聲音事先錄下來再播放,理論上應該是能透過話筒來完成撥號動作,而實際上也做得到,只要能讓Tip/Ring上面的波形達到某個level,機房就會認為你是真的在撥號。

有線電話系統其實還有很多面向可以了解,若您對電話系統有興趣,以下文章都可以參閱,希望對各位有幫助。

FCC 47 CFR Part 68  這篇是我能找到的電話系統最早的正式規格

Analog Telephony Compliance Requirements Overview  這篇是電話系統的介紹

3 Comments

  1. 實際透過話筒傳送DTMF信號是可行的,而且很容易,十幾年前還有人賣DTMF聲音產生器,用來盜打公司長途電話

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