電話訊號-差分訊號觀察-示波器祕技上集

現在雖然已經進入無線通訊的時代，但是傳統的有線電話仍然在生活中扮演重要的角色，因為它實在很便宜，而且很多人仍然習慣家裡有一支有線電話。今天就來帶各位看看，如何用示波器來觀察有線電話的訊號，其實要觀察電話訊號是有很多眉角的喔。

有線電話系統

各位應該有看過電話線，裡面就只有兩條線，一個綠色一個紅色，綠色叫做Tip電壓是0V，紅色叫做Ring電壓是-48V，你如果拿一個LED燈跨接在Tip/Ring之間的話，只要極性接對LED燈是會亮的。如下圖，這個48V的電位差，只有在話筒掛在話機上的時候是48V，這個狀態稱為On Hook，我實際測量大約是50V左右，電話系統的容忍誤差通常很大。

如果把話筒拿起來，Tip/Ring的電壓會各自下降與上升20V，於是它們之間的電位差則變成8V，這個電壓主要用來為話機供電，而這個狀態則稱為Off Hook如下圖，我實際測量大約是10V左右。

電話Off Hook的電壓Tip:-20V Ring:-28V — 電話Off Hook的電壓 Tip:-20V Ring:-28V

由於機房端電源的串接電感很大，對交流訊號來說它就是個高阻抗，簡直就像開路一般的存在，反之電容則是像短路一般的存在，所以Tip與Ring之間的交流電流，會在機房與話機之間形成了一個閉迴路，如果交換機與另一支電話接通的話，這個閉迴路就等於在兩支電話之間，此時雙方電話的音頻擾動，無論是聲音的收或發，都會同時出現在迴路內部，所以我們在電話中才能同時說與聽，這個稱為全雙工。如果是半雙工的話，則要按下通話鈕才能發話，你在電影裡面常看到主角拿著的對講機，講完了還要補一句”Over”，這就是半雙工，這樣對方才知道主角講完了。

雖然兩條電話線的電壓不同，但你會發現即便是將Tip/Ring反接，電話還是會通，因為話機內都有整流器，所以無論正接反接電話都會動。基本上電話的運作就如上面所講的這樣，原理摘要並不難。

示波器觀察電話訊號

如果想要用示波器觀察電話訊號的話，該怎麼做呢? 是把示波器探棒的探針與GND直接掛上Ring與Tip就好了嗎? 喔! 不是這樣的喔，如果這麼接的話，話筒內會有很大的交流聲Humming，各位在下圖中看到的接法，就是我故意做的錯誤示範，如此接的話，示波器上所顯示的60Hz擾動訊號以及它的諧波，會直接送到話筒內，這樣就會聽到Humming。

那應該怎麼接呢? 我們必須利用示波器的兩個Channel，也就是用兩個探棒，分別接到Tip/Ring上面，探棒的GND就讓它空接如下圖，接著再利用示波器的數學運算Math功能，將兩個Channel相減，就可以得到電話線Tip/Ring之間的音頻訊號了。當然如果你是屬於好野人等級，你也可以使用差動探棒，只需要一個Channel就可以看到波形了，不需要再搞甚麼Math運算。

電話的音頻是存在於Tip/Ring之間的電壓，它是一種差分Differential訊號，意思就是要把Tip減去Ring才能得到音頻訊號，既然這樣為何就不能把示波器的GND接在Tip或Ring當作參考電壓呢? 這樣不也是偵測Tip/Ring之間的電壓嗎?

因為這裡還需要考慮干擾的問題，電話線通常距離很長也許有上百公尺甚至1km，Tip/Ring在經過長距離的電纜傳輸之後，纜線長度與地面之間會形成一個很大的面積如下圖，只要有電磁波在這個面積內進進出出，這個面積迴路一定會感應出電流，經過電阻後就會轉換成電壓，最常見到的電磁波頻率就是台電的60Hz電源，它佈線廣電流量大，因此Tip/Ring上面就經常會出現60Hz的擾動。

由於Tip/Ring是一組的，平時幾乎都是貼在一起，彼此靠得很近，所以它們受干擾的情況可以說幾乎一模一樣，在這種情況之下，差分訊號的優點就會浮現，試想一下，若要得到音頻訊號，只要將兩者相減就可以，這樣一來不但能得到訊號，還能順便把干擾減掉，可以說一舉兩得，真的是很巧妙地設計。

實際的觀察如下圖，黃色波形是Tip，藍色波形是Ring，紅色波形則是Tip減去Ring的結果，我僅是把電話筒拿起來，沒有撥號也沒有講話，各位可以很明顯的發現，紅色波形幾乎是一條水平線，雖然話筒內其實是有撥號音Dial Tone存在，但跟干擾訊號相比的話，基本上沒甚麼明顯變化，所以電話系統要能順利運作，對抗雜訊絕對是很重要的任務，這是一個雜訊比音頻訊號大很多的場合。

有了上述的概念之後，各位就不難理解若直接把探棒的GND接觸Tip/Ring任何一條線，為何會出現很大的雜音? 假設GND接觸的是Ring這條線，原本在Ring線上的干擾就會變成0V，這麼一來剛才那個把Tip與Ring相減的抗干擾方法，就不管用了，因為現在變成是Tip有干擾而Ring沒干擾，想也知道把兩者相減，無論怎麼減都是無法把雜訊干擾減掉的，你只能硬生生地聽到干擾出現在話筒內，所以一定不能把GND接到任何一條電話線，如此才看得到正確波形。

示波器設定密技-AC Coupling

若按下電話按鈕的話，就可以在話筒內聽到一個聲音，這個聲音的波形單用Tip或Ring任何一條線來看的話，基本上是不容易看出來的，因為干擾訊號的振幅比按鈕的振幅要大很多。下圖是我按下”1″之後所呈現的波形，你可以發現原生訊號黃色與藍色的波形都無法明顯看出有擾動，但將兩者相減的Math紅色波形，則明顯可以知道有擾動現象，只不過顯示振幅比較小。

如果要將Math的紅色波形的顯示振幅調大的話，則需要把CH1與CH2的顯示振幅先調大，嚴謹一點說應該是將垂直設定每格的電壓V/div調低，這樣兩個Channel的波形所獲得的垂直解析度會比較高，如此Math在相減的時候，得到的波形也會獲得較高的垂直解析度，波形看起來會比較精緻。

但是若把CH1與CH2的顯示振幅直接放大，Tip/Ring訊號可能會跑到螢幕外面，我們就看不到波形了，這是因為我們之前用的都是DC coupling，在這個設定之下所有的電壓都是以GND為參考點作放大縮小，當然也同時包含了直流與交流訊號，偏偏Tip/Ring在話筒拿起來的時候，是帶直流電壓的，分別是-20V與-28V，當我們嘗試將電話波形的交流電壓放大的時候，直流電壓也會跟著放大，這麼一來波形就很容易出界了，只要待測訊號同時包含了直流與交流成分，就會有這種問題。

若想要只觀察交流訊號，捨去直流訊號的話，就必須將示波器設定為AC coupling，如此才能把交流電壓的中心點拉到示波器的垂直中點，才能方便觀察，關於示波器的耦合細節，各位可以參考這篇文章Coupling AC/DC/GND-示波器耦合差別在哪。

為了方便觀察Math之後的電話音頻訊號，我將CH1與CH2設定為AC coupling，同時將垂直刻度V/Div設小，這樣波形的顯示振幅看起來會較大，Math相減之後的解析度也會較高，下圖的紅色Math波形明顯可以看到按鈕的音頻波形。

加電容抗雜訊

上圖中的紅色波形雖然已經有音頻波形的樣子，但是各位會發現這個波形看起來好像滿粗的，仔細看的話原來是上面有很多鬚鬚，也就是所謂的雜訊，這些雜訊頻率很高，隨便都超過20kHz，雖然耳朵聽不到但是波器卻看得到，即便是兩個Channel相減，可能也會因為有些許的時間差，所以雜訊無法完全減掉，就是還會有一些鬚鬚存在，而且原生的CH1與CH2訊號鬚鬚更大。

為了要降低這些鬚鬚的影響，只要在示波器的探棒針尖與GND之間掛一個1uF的電容就可以了，因為高頻的雜訊遇到電容的時候，所得到的阻抗是偏小的，所以就形成了類似短路的效應，因此探針與GND之間的高頻振幅就會變小，也就是抗雜訊的意思如下圖，而一般的音頻訊號則會原封不動的被收進示波器內。

我實際把1uF電容橫跨在探棒上的樣子如下圖，各位可能有發現上頭還有電阻存在，那只是我為了拍攝另一支影片所做的準備，你們可以當作沒看到。

探棒跨接電容是不是真的有效呢? 請看下圖，它非常明顯是有效的，紅色的Math波形明顯變細很多，連原生的CH1/CH2波形也都清楚許多。

雙音複頻DTMF

既然現在已經能夠清楚的看到按鈕的音頻訊號，我們就來看一下電話的音頻訊號系統。有線電話系統的運作靠的就是音頻，因為電話線的頻寬不大，大概就3.5kHz，完全就落在人耳可以聽到的範圍，所以電話在做甚麼事情處於甚麼狀態，只要稍加注意一般都聽得出來。

當我們拿起話筒的時候，會聽到一個撥號音Dial Tone，當我們聽到這個聲音就知道電話系統是正常的，正處於等待撥號的狀態。這個Dial Tone是由兩個頻率所構成，分別是350Hz與440Hz，若把示波器的Math切換到FFT就可以看到Dial Tone的頻率分布，示波器的FFT很適合拿來當作低頻的頻譜分析儀來用。

若按下按鈕1的話，則會聽到另一個聲音，這個聲音也是由兩個頻率所組成，示波器上觀察到的分別是700Hz與1.22kHz如下圖，只要這兩個頻率被局端偵測到，系統就知道你按下的是”1″這個按鈕。其實表訂的按鈕”1″頻率成分應該是697Hz與1209Hz才對，而目前看起來有差別，是因為我是用示波器的游標Cursor手動定位，所以難免有點誤差，不過電話系統對於音頻的頻率誤差容忍度是滿高的，所以即便是有些誤差，系統還是能認得出來你按的是哪個鍵。

既然都看了按鍵”1″的頻率成分，那也順便來看看按鍵”2″的頻率成分是如何，如下圖各位可以看到它的兩個頻率，在低頻的地方與按鍵”1″相同都是697Hz，但是在高頻的地方，它的頻率比剛才按鍵”1″還要多一些，它是1336Hz，由於剛才的游標仍然停留在1209Hz，各位可以很明顯地看到目前的高頻成分位於游標的右邊，表示它是與按鍵”1″不同的頻率成分，所有12個按鍵的頻率成分我也同時貼在下圖，各位可以參考。