電話技術-類比電話系統詳情大解密

電話技術 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。

電話技術 訊號-撥號與連線

電話系統如何讓使用者知道目前的狀態呢? 每當你拿起話筒就會聽到嘟~~的聲音，對方忙線時會 嘟-嘟-嘟，電話系統就是靠這些讓你知道目前系統的狀態，而這些各式各樣的聲音，就稱為狀態音頻Call Progress Tone(CPT)，CPT的中文是我自己翻譯的，我找不到這個中文叫甚麼，總之它用來告訴你電話連線的狀態，這些狀態都是電信機房的交換機負責處理。

你在戰爭電影裡面看到那美麗動人的接線生，就是在自動交換機還沒問世之前，以人工接線的方式讓兩方能夠通話，想也知道這份工作十分枯燥無味，當然這種需要大量人力的工作，也很快的就被自動交換機給取代了，所以我們家裡的電話只是整個系統的一台終端機而已，所有的功能都決定在交換機。

所以自家的電話最厲害也就是通訊錄、答錄機而已，即便是來電顯示Caller ID，也是需要交換機有支援才有這項服務，不然你就只能講電話而已。

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，使用正48V再正常不過了，但實際上為何使用負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，光是維修銅線就會花掉不少錢，但若以負電壓供電，銅線的鏽蝕會延緩很多，這樣利潤就增加了。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。

電話技術-降低迴音

根據規格書，電話的阻抗需要設計在600ohm，因為電話傳輸線的特徵阻抗是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。

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。

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。

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有線電話-POTS運作原理-搞懂用了上百年的電話系統。

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