電信系統的模擬信號基礎知識


在數據和語言通信領域中，最容易被混淆的地方之一是在“模擬”和“數字”兩個詞之 間。大部分人知道“數字”是指信息以1和0的形式存在，但很少有人能將這一事實和以1 和0的格式移動語音信號這一現實需要這兩者之間作心理上的聯系。關于“模擬”這個詞， 人們可能只談及到語言通信。這里將幫助你作出并理解這兩個術語之間的聯系。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，還有一些適用于數字，而其他的兩者都合。這有助于理解使用不同傳輸系統的原因。 正如前面提及的，“網絡”最初的發展只是為了提供語音通信業務。AT＆T通過Bell公 司及其通信能力而建立的通信電路嚴格地使用了模擬技術。確實，它變成了一個數字世界， 但它是圍繞著語言模擬通信而建造的。那這一切是什么意思呢？

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

一個更生動的例子是設想一些迪土高中的視覺顯示，光的顯示中能夠反映音樂并隨著音 樂而變化。在模擬通信系統中，電信號（不是光）是不斷改變的。迪士高演奏設備的燈光隨著音樂節拍而改變和閃爍。在這兒，燈光隨著信 號的電氣特性而改變。在電信術語中，可以說真正的聲音是由撞擊聲波而產生的。這種聲波的撞擊實際上是空氣分子的移動。專業術語稱為壓縮和膨脹。

人聲是一種很特殊的事物。當我們說話時將產生聲音。在～個相對很短的時間周期內， 我們實際上將空氣波撞擊到一起許多次。舉個例子。先產生一個模擬正弦波，然后將其轉化為電當量。很簡單，假如能得到語音產生的聲 音并基于音質和強度對其進行修改，就可以得到這個正弦波，如果用磁場將聲音 轉化為電，這個波形就將被產生。在零電壓基準線附近將電流作360”的旋轉。零線周圍這 個360o的波形被稱為一個HZ——得名于指明這一概念的電氣工程師。波形在零線開始，并 隨著能量的增加而上升，最終達到一個峰值后便開始下降；電能也將從這一高度下降至零線，且繼續在零線下降．直到零線下的一點（這被稱為波形的負側）。繼續至這一側的峰值電壓后能量也將到達峰值，并開始向零線回升。波形完成了一個360o的完整周期，一個 完整的周期構成一HZ。

人的聲帶能以每秒100到5000次的速度將聲波撞擊到一起。簡而言之就是人聲每秒可 產生高達5000個周期。當轉化為電當量后就有5000HZ。為了避免麻煩可簡寫為5kHZ （意 味著“干”）。有了電當量，我們就有了聲波的類比或模擬。這是一個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的開始時所會處理的。然而 后來他們又發現人聲每秒將產生300～3300個周期變化，或者以3kHZ的電周期作為標準 。和任何通信信道容量一樣，電話公司不想也沒必要給用戶提供得太多，剛好滿足能 運載語音對話就可以了。這些年來，隨著網絡的擴展，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，我們怎樣經過網絡進行對話并產生合 適的原始語言復原信號呢？并且怎樣做才更便宜呢？產生的頻率范圍是從300～33001KHZ。電話公司因此也限制我們僅在此范圍內使用信道。在使用射頻（RF）頻譜時，電話公司 將所有容量分為4kHz的塊。在每一個41KHZ塊（電線或無線電信道）上，他們安裝了300到 3300壓的頻率帶通濾波器。落入RF頻譜分配區內的任何信號都可以通過。區域外的任何信號 都將被濾除掉。這稱為限帶信道。因為語音最高可達51’riz，所以也存在對話中超過了這一頻 率范圍（如有S和P音的單詞）并被濾波器削平的情況。這可能聽起來不太合理，但它確實會 使線路有點不清楚。人耳和電話機都沒有足夠的靈敏度，因而也不會有太大的問題。一旦聲音 的電當量被產生了（通過電話機或其他設備），電就被送到了線路。

當通話在線路上進行時，線路對電信號的電阻將減小它的幅度。信號會變得越來越弱。 能量的損失將最終導致電能全部被吸收，或使信號不能被識別，這稱為電信號的“衰減”。 在信號被消耗完和消失之前只能傳輸一定的距離。可比喻為一個接力運動員的訓練，運動員 盡全力地繞著 1／4英里的跑道跑，當運動員到達 1／4英里的終點時，所有的力量和能量已經 耗盡，運動員也精疲力竭了。假如沒有人去接棒，他不得不繞著跑道再跑下去， 那么第二圈將永遠跑不完。也就是說這個運動員將繞著跑道跑直到失去知覺倒在地上為止。 為了保持信號在線路上傳輸，人們使用放大器來增強信號強度。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 放大器（最多兩個）。中心局通常離用戶位置較近，平均只有5～7英里。只有在偏遠的位置才離中心局較遠。

發生在線路上的第二種現象與傳輸同在。噪聲（由線路損耗、電線破損、閃電、電感 應、熱等因素引入的）以白噪聲或懂懂聲的形式存在。它們同時開始并導致信號的變差。噪 聲總是存在干線路上，電纜故障會使它增大，進而導致信號變差。不幸的是，隨著信號在線 路上的傳輸，噪聲和倍號開始混雜在一起。放大器不能從實際的對話中將噪聲辨別出來。因 此放大器不僅增強了信號，它也增強了噪音。這樣就產生了更強、但也更嘈雜的信號。而這 些信號又導致極為嘈雜的電路。放大的結果隨著距離而積累。放大器使用得越多，最終得到的信號就越差。許多長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，而是與設備、電氣性能和經濟三者的組合有關系。

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