電信系統(tǒng)的模擬信號(hào)基礎(chǔ)知識(shí)


在數(shù)據(jù)和語(yǔ)言通信領(lǐng)域中，最容易被混淆的地方之一是在“模擬”和“數(shù)字”兩個(gè)詞之 間。大部分人知道“數(shù)字”是指信息以1和0的形式存在，但很少有人能將這一事實(shí)和以1 和0的格式移動(dòng)語(yǔ)音信號(hào)這一現(xiàn)實(shí)需要這兩者之間作心理上的聯(lián)系。關(guān)于“模擬”這個(gè)詞， 人們可能只談及到語(yǔ)言通信。這里將幫助你作出并理解這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)之間的聯(lián)系。讀完后，你可以知道你不僅將成為一名電氣工程師，并且能很好地理解它們。如果我們必須理解 某件東西的話，那是：模擬和數(shù)字方式是在任意媒介中傳送信息的方法。有些媒介主要適用 于模擬，還有一些適用于數(shù)字，而其他的兩者都合。這有助于理解使用不同傳輸系統(tǒng)的原因。 正如前面提及的，“網(wǎng)絡(luò)”最初的發(fā)展只是為了提供語(yǔ)音通信業(yè)務(wù)。AT＆T通過(guò)Bell公 司及其通信能力而建立的通信電路嚴(yán)格地使用了模擬技術(shù)。確實(shí)，它變成了一個(gè)數(shù)字世界， 但它是圍繞著語(yǔ)言模擬通信而建造的。那這一切是什么意思呢？

在模擬通信系統(tǒng)中，原始信號(hào)（在這兒是指聲音）被直接轉(zhuǎn)化成了電信號(hào)。模擬信號(hào)的特性與兩個(gè)常變量有關(guān)：信號(hào)的幅度 和頻率。電信號(hào)的強(qiáng)度（幅度）隨聲音的大小而變化，而電信號(hào)的頻率隨聲音的音質(zhì)或音調(diào) 而改變。兩個(gè)可變量（幅度和頻率）的變化與原始聲波成正比。

一個(gè)更生動(dòng)的例子是設(shè)想一些迪土高中的視覺(jué)顯示，光的顯示中能夠反映音樂(lè)并隨著音 樂(lè)而變化。在模擬通信系統(tǒng)中，電信號(hào)（不是光）是不斷改變的。迪士高演奏設(shè)備的燈光隨著音樂(lè)節(jié)拍而改變和閃爍。在這兒，燈光隨著信 號(hào)的電氣特性而改變。在電信術(shù)語(yǔ)中，可以說(shuō)真正的聲音是由撞擊聲波而產(chǎn)生的。這種聲波的撞擊實(shí)際上是空氣分子的移動(dòng)。專業(yè)術(shù)語(yǔ)稱為壓縮和膨脹。

人聲是一種很特殊的事物。當(dāng)我們說(shuō)話時(shí)將產(chǎn)生聲音。在～個(gè)相對(duì)很短的時(shí)間周期內(nèi)， 我們實(shí)際上將空氣波撞擊到一起許多次。舉個(gè)例子。先產(chǎn)生一個(gè)模擬正弦波，然后將其轉(zhuǎn)化為電當(dāng)量。很簡(jiǎn)單，假如能得到語(yǔ)音產(chǎn)生的聲 音并基于音質(zhì)和強(qiáng)度對(duì)其進(jìn)行修改，就可以得到這個(gè)正弦波，如果用磁場(chǎng)將聲音 轉(zhuǎn)化為電，這個(gè)波形就將被產(chǎn)生。在零電壓基準(zhǔn)線附近將電流作360”的旋轉(zhuǎn)。零線周圍這 個(gè)360o的波形被稱為一個(gè)HZ——得名于指明這一概念的電氣工程師。波形在零線開(kāi)始，并 隨著能量的增加而上升，最終達(dá)到一個(gè)峰值后便開(kāi)始下降；電能也將從這一高度下降至零線，且繼續(xù)在零線下降．直到零線下的一點(diǎn)（這被稱為波形的負(fù)側(cè)）。繼續(xù)至這一側(cè)的峰值電壓后能量也將到達(dá)峰值，并開(kāi)始向零線回升。波形完成了一個(gè)360o的完整周期，一個(gè) 完整的周期構(gòu)成一HZ。

人的聲帶能以每秒100到5000次的速度將聲波撞擊到一起。簡(jiǎn)而言之就是人聲每秒可 產(chǎn)生高達(dá)5000個(gè)周期。當(dāng)轉(zhuǎn)化為電當(dāng)量后就有5000HZ。為了避免麻煩可簡(jiǎn)寫為5kHZ （意 味著“干”）。有了電當(dāng)量，我們就有了聲波的類比或模擬。這是一個(gè)不停變化的值或電能。 幅度和頻率每秒都將變化100～5000次。這是電話公司在電信業(yè)的開(kāi)始時(shí)所會(huì)處理的。然而 后來(lái)他們又發(fā)現(xiàn)人聲每秒將產(chǎn)生300～3300個(gè)周期變化，或者以3kHZ的電周期作為標(biāo)準(zhǔn) 。和任何通信信道容量一樣，電話公司不想也沒(méi)必要給用戶提供得太多，剛好滿足能 運(yùn)載語(yǔ)音對(duì)話就可以了。這些年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，電話公司將通話帶寬限制在3kHz信道容量。這主要是基于成本上的考慮。給定了受限的帶寬，我們?cè)鯓咏?jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)話并產(chǎn)生合 適的原始語(yǔ)言復(fù)原信號(hào)呢？并且怎樣做才更便宜呢？產(chǎn)生的頻率范圍是從300～33001KHZ。電話公司因此也限制我們僅在此范圍內(nèi)使用信道。在使用射頻（RF）頻譜時(shí)，電話公司 將所有容量分為4kHz的塊。在每一個(gè)41KHZ塊（電線或無(wú)線電信道）上，他們安裝了300到 3300壓的頻率帶通濾波器。落入RF頻譜分配區(qū)內(nèi)的任何信號(hào)都可以通過(guò)。區(qū)域外的任何信號(hào) 都將被濾除掉。這稱為限帶信道。因?yàn)檎Z(yǔ)音最高可達(dá)51’riz，所以也存在對(duì)話中超過(guò)了這一頻 率范圍（如有S和P音的單詞）并被濾波器削平的情況。這可能聽(tīng)起來(lái)不太合理，但它確實(shí)會(huì) 使線路有點(diǎn)不清楚。人耳和電話機(jī)都沒(méi)有足夠的靈敏度，因而也不會(huì)有太大的問(wèn)題。一旦聲音 的電當(dāng)量被產(chǎn)生了（通過(guò)電話機(jī)或其他設(shè)備），電就被送到了線路。

當(dāng)通話在線路上進(jìn)行時(shí)，線路對(duì)電信號(hào)的電阻將減小它的幅度。信號(hào)會(huì)變得越來(lái)越弱。 能量的損失將最終導(dǎo)致電能全部被吸收，或使信號(hào)不能被識(shí)別，這稱為電信號(hào)的“衰減”。 在信號(hào)被消耗完和消失之前只能傳輸一定的距離?？杀扔鳛橐粋€(gè)接力運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練，運(yùn)動(dòng)員 盡全力地繞著 1／4英里的跑道跑，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員到達(dá) 1／4英里的終點(diǎn)時(shí)，所有的力量和能量已經(jīng) 耗盡，運(yùn)動(dòng)員也精疲力竭了。假如沒(méi)有人去接棒，他不得不繞著跑道再跑下去， 那么第二圈將永遠(yuǎn)跑不完。也就是說(shuō)這個(gè)運(yùn)動(dòng)員將繞著跑道跑直到失去知覺(jué)倒在地上為止。 為了保持信號(hào)在線路上傳輸，人們使用放大器來(lái)增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。這些放大器 通常的間隔為 15 000～18 000英尺。一般情況下，在用戶位置和電話中心局之間只需要一個(gè) 放大器（最多兩個(gè)）。中心局通常離用戶位置較近，平均只有5～7英里。只有在偏遠(yuǎn)的位置才離中心局較遠(yuǎn)。

發(fā)生在線路上的第二種現(xiàn)象與傳輸同在。噪聲（由線路損耗、電線破損、閃電、電感 應(yīng)、熱等因素引入的）以白噪聲或懂懂聲的形式存在。它們同時(shí)開(kāi)始并導(dǎo)致信號(hào)的變差。噪 聲總是存在干線路上，電纜故障會(huì)使它增大，進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)變差。不幸的是，隨著信號(hào)在線 路上的傳輸，噪聲和倍號(hào)開(kāi)始混雜在一起。放大器不能從實(shí)際的對(duì)話中將噪聲辨別出來(lái)。因 此放大器不僅增強(qiáng)了信號(hào)，它也增強(qiáng)了噪音。這樣就產(chǎn)生了更強(qiáng)、但也更嘈雜的信號(hào)。而這 些信號(hào)又導(dǎo)致極為嘈雜的電路。放大的結(jié)果隨著距離而積累。放大器使用得越多，最終得到的信號(hào)就越差。許多長(zhǎng)話線路被不斷地放大。這并不意味著電話公司不想做得更 好，而是與設(shè)備、電氣性能和經(jīng)濟(jì)三者的組合有關(guān)系。

有意思的是如果模擬技術(shù)仍然正在被廣泛使用的話，一些數(shù)字信號(hào)處理（DSP）中的最新進(jìn)步可以用來(lái)在一定程度凈化被放大的語(yǔ)音傳輸。但一種產(chǎn)生純信號(hào)的更好的方法在許多年以前就得到了發(fā)展。