電話-類比電話技術摘要-那些年有線電話教我們的事

電話堪稱是人類史上最偉大的發明之一,要把聲音傳這麼遠還真是不容易,既要傳得遠、又要音質好,這也太為難工程師了。事實上電話系統在當初設計的時候,就已經考慮到如何撥號、防腐蝕、抗回音、降雜訊這些問題,因此在當時可說是通訊領域的先鋒,這些技術有些仍然沿用到現在,甚至也延伸到其他領域喔。

電話-撥號-連線

電話系統如何讓使用者知道目前的狀態呢? 就是依靠狀態音頻Call Progress Tone(CPT)來達成,CPT的中文是我自己翻譯的,我找不到這個中文叫甚麼,但各位一定知道它,每當你拿起話筒就會聽到嘟~~的聲音,這個稱為Call Progress Tone,用來告訴你連線的狀態。

常用的狀態音頻Call Progress Tone有很多,有單一頻率構成,也有雙頻率所構成,而且每個國家的頻率都不盡相同,台灣是採用美國規格的系統,我舉其中3種CPT,你可以播放來聽聽相信您一定有聽過:

  1. Dial Tone

    撥號音,表示你可以開始撥號,它是由350 Hz與440 Hz共同疊加組成
  2. Busy Tone

    忙線音,表示對方忙線中,它是由480 Hz與620 Hz組成,並且以0.5 sec ON, 0.5 sec OFF的循環表示
  3. Ringback Tone

    振鈴音,表示線路已接通正在呼叫對方,它是由440 Hz與480 Hz,組成,並且以2 sec ON, 4 sec OFF的循環表示

另外用來撥號的按鈕,是由一種稱為Dual Tone Multi Frequency(DTMF)的裝置所產生的雙頻率信號,用來告知機房你要撥號到哪裡,音頻樣本如下:

  • DTMF Tone 

負電源-防蝕

市內電話的電話線在話筒還沒拿起時(on hook),會有-48V的電壓在上面,若你拿個LED去接是會亮的。直觀的來說,使用48V再正常不過了,但實際上為何使用48V呢?

因為當年電話公司發現,若銅線的對地電壓為正電壓時,銅線會很快地銹蝕,但若以負電壓供電,銅線的鏽蝕會延緩很多,這部分與電化學有關,採用負電壓防鏽的技術稱為陰極防蝕Cathodic Protection,在船舶與石油天然氣的管線埋設領域,都有這樣的做法存在。

降低迴音

根據規格書,電話的阻抗需要設計在600ohm,因為電話線的特徵阻抗是600ohm,若電話的阻抗沒有與600ohm相等,由於介質阻抗不同就會產生訊號反射,若通訊路徑長一些,配上電路處理的延遲,你就會聽到迴音。這個議題稱為阻抗匹配,介面兩邊的阻抗要相同才能達到最大的功率傳輸,否則就會產生反射與折射。

雖然電話線的阻抗固定為600ohm但話筒的喇叭與麥克風的阻抗可不見得相同,因此需要用變壓器Hybrid Transformer將不同阻抗的裝置橋接在一起,這就是為何電話機內總是會看到變壓器的原因,但近幾年來有漸漸被半導體取代的趨勢。

雙絞線降雜訊

既然電話是要讓遠方的人們彼此通話,因此工程師們發現把電話線的兩條銅線絞在一起,可以降低外來的雜訊,讓訊號傳得更遠。當雜訊穿過絞線時,雜訊的電場會在金屬線之間製造感應電流,由於電話線彼此絞在一起,因此會讓感應電流彼此抵消,這樣的方式確實讓電話線能傳遞更長的距離。

事實上若各位有將網路線割開的話,也會發現裡面的銅線也是兩兩絞在一起的喔。

電話-雙絞線-感應電流互相抵消
電話-雙絞線-感應電流互相抵消

隔離電源雜訊

下圖是電話系統的方塊圖,左邊是機房,會供給-48V給右邊的話機,但是在電源進入電話線之前,會先經過一組L=5H與R=200ohm組成的濾波器,用來濾除來自電源端的雜訊,尤其是在300Hz~3.4KHz這段頻率的訊號,因為這個頻段是人類聲音的頻段。

電話-類比電話系統方塊圖
類比電話系統方塊圖

我就實際來模擬一下,這樣的LR濾波器到底能濾掉甚麼訊號。模擬之前先來介紹一下各個元件,像5H這麼大的電感,主要是為了抵擋雜訊Noise造成的電流變化,這種電感稱為Choke,配上200ohm的電阻就形成了一個低通濾波器,Tip/Ring各有一組所以共有電感10H, 電阻共400ohm,另外根據規格,從電話線的Tip/Ring看進去,電話的負載端必須是600ohm,依照這些條件,可以得到下圖的頻率響應。

電話機房的電源濾波器能阻隔電源的音頻噪音
電話機房的電源濾波器能阻隔電源的音頻噪音

你會發現300Hz以上的訊號急遽降低,表示都被濾掉了,這意思是說在300Hz~3.4KHz的音頻範圍內,Tip/Ring之間的電流迴路將不會受到電源端雜訊干擾,畢竟任何在電流迴路的擾動都會變成聲音出現在話筒內,我們當然會希望電流迴路的擾動只來自人們講話的聲音。

有線電話雖然簡單又沒有安全性可言,因為沒加密經常被竊聽,但是它在歷史上可說是讓通訊科技邁向一大步的里程碑,若想了解更深入可以參考這篇電話-POTS運作原理-搞懂用了上百年的電話系統

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