[转帖]电信系统的模拟信号基础知识...

在数据和语言通信领域中，最容易被混淆的地方之一是在“模拟”和“数字”两个词之间。大部分人知道“数字”是指信息以1和0的形式存在，但很少有人能将这一事实和以1 和0的格式移动语音信号这一现实需要这两者之间作心理上的联系。关于“模拟”这个词，人们可能只谈及到语言通信。这里将帮助你作出并理解这两个术语之间的联系。读完后，你可以知道你不仅将成为一名电气工程师，并且能很好地理解它们。如果我们必须理解某件东西的话，那是：模拟和数字方式是在任意媒介中传送信息的方法。有些媒介主要适用于模拟，还有一些适用于数字，而其他的两者都合。这有助于理解使用不同传输系统的原因。正如前面提及的，“网络”最初的发展只是为了提供语音通信业务。AT＆T通过Bell公司及其通信能力而建立的通信电路严格地使用了模拟技术。确实，它变成了一个数字世界，但它是围绕着语言模拟通信而建造的。那这一切是什么意思呢？在模拟通信系统中，原始信号（在这儿是指声音）被直接转化成了电信号。模拟信号的特性与两个常变量有关：信号的幅度和频率。电信号的强度（幅度）随声音的大小而变化，而电信号的频率随声音的音质或音调而改变。两个可变量（幅度和频率）的变化与原始声波成正比。一个更生动的例子是设想一些迪土高中的视觉显示，光的显示中能够反映音乐并随着音乐而变化。在模拟通信系统中，电信号（不是光）是不断改变的。迪士高演奏设备的灯光随着音乐节拍而改变和闪烁。在这儿，灯光随着信号的电气特性而改变。在电信术语中，可以说真正的声音是由撞击声波而产生的。这种声波的撞击实际上是空气分子的移动。专业术语称为压缩和膨胀。人声是一种很特殊的事物。当我们说话时将产生声音。在一个相对很短的时间周期内，我们实际上将空气波撞击到一起许多次。举个例子,先产生一个模拟正弦波，然后将其转化为电当量。很简单，假如能得到语音产生的声音并基于音质和强度对其进行修改，就可以得到这个正弦波，如果用磁场将声音转化为电，这个波形就将被产生。在零电压基准线附近将电流作360度的旋转。零线周围这个360度的波形被称为一个赫兹——得名于指明这一概念的电气工程师。波形在零线开始，并随着能量的增加而上升，最终达到一个峰值后便开始下降；电能也将从这一高度下降至零线，且继续在零线下降．直到零线下的一点（这被称为波形的负侧）。继续至这一侧的峰值电压后能量也将到达峰值，并开始向零线回升。波形完成了一个360度的完整周期，一个完整的周期构成一赫兹。人的声带能以每秒100到5000次的速度将声波撞击到一起。简而言之就是人声每秒可产生高达5000个周期。当转化为电当量后就有5000HZ。为了避免麻烦可简写为5kHZ(意味着“干”）。有了电当量，我们就有了声波的类比或模拟。这是一个不停变化的值或电能。幅度和频率每秒都将变化100～5000次。这是电话公司在电信业的开始时所会处理的。然而后来他们又发现人声每秒将产生300～3300个周期变化，或者以3kHZ的电周期作为标准。和任何通信信道容量一样，电话公司不想也没必要给用户提供得太多，刚好满足能运载语音对话就可以了。这些年来，随着网络的扩展，电话公司将通话带宽限制在3kHz信道容量。这主要是基于成本上的考虑。给定了受限的带宽，我们怎样经过网络进行对话并产生合适的原始语言复原信号呢？并且怎样做才更便宜呢？产生的频率范围是从300～33001KHZ。电话公司因此也限制我们仅在此范围内使用信道。在使用射频（RF）频谱时，电话公司将所有容量分为4kHz的块。在每一个41KHZ块（电线或无线电信道）上，他们安装了300到 3300的频率带通滤波器。落入RF频谱分配区内的任何信号都可以通过。区域外的任何信号都将被滤除掉。这称为限带信道。因为语音最高可达51’riz，所以也存在对话中超过了这一频率范围（如有S和P音的单词）并被滤波器削平的情况。这可能听起来不太合理，但它确实会使线路有点不清楚。人耳和电话机都没有足够的灵敏度，因而也不会有太大的问题。一旦声音的电当量被产生了（通过电话机或其他设备），电就被送到了线路。当通话在线路上进行时，线路对电信号的电阻将减小它的幅度。信号会变得越来越弱。能量的损失将最终导致电能全部被吸收，或使信号不能被识别，这称为电信号的“衰减”。在信号被消耗完和消失之前只能传输一定的距离。可比喻为一个接力运动员的训练，运动员尽全力地绕着 1／4英里的跑道跑，当运动员到达 1／4英里的终点时，所有的力量和能量已经耗尽，运动员也精疲力竭了。假如没有人去接棒，他不得不绕着跑道再跑下去，那么第二圈将永远跑不完。也就是说这个运动员将绕着跑道跑直到失去知觉倒在地上为止。为了保持信号在线路上传输，人们使用放大器来增强信号强度。这些放大器通常的间隔为 15000～18000英尺。一般情况下，在用户位置和电话中心局之间只需要一个放大器（最多两个）。中心局通常离用户位置较近，平均只有5～7英里。只有在偏远的位置才离中心局较远。发生在线路上的第二种现象与传输同在。噪声（由线路损耗、电线破损、闪电、电感应、热等因素引入的）以白噪声或懂懂声的形式存在。它们同时开始并导致信号的变差。噪声总是存在干线路上，电缆故障会使它增大，进而导致信号变差。不幸的是，随着信号在线路上的传输，噪声和倍号开始混杂在一起。放大器不能从实际的对话中将噪声辨别出来。因此放大器不仅增强了信号，它也增强了噪音。这样就产生了更强、但也更嘈杂的信号。而这些信号又导致极为嘈杂的电路。放大的结果随着距离而积累。放大器使用得越多，最终得到的信号就越差。许多长话线路被不断地放大。这并不意味着电话公司不想做得更好，而是与设备、电气性能和经济三者的组合有关系。有意思的是如果模拟技术仍然正在被广泛使用的话，一些数字信号处理（DSP）中的最新进步可以用来在一定程度净化被放大的语音传输。但一种产生纯信号的更好的方法在许多年以前就得到了发展。数字信号由1和0组成。但这一陈述也有点使人迷惑本解：一个人怎样才能将“1”或者“0”插入到线路上去呢？跟模拟传输中使用的变化电平不一样，数字电路中的信号方式非常简单，两个不同的电平被发送以代表 1（如±3V），而没有电压代表0。这称为单极性信号。接收设备每个一位时间测量一次电平。一位时间是发送一位所需的时间。例如，在每秒9600位时，一位时间等于 1／9600秒（约为104um）。测量是在一位时间的中心位置进行的，此时得到准确电子的可能性最大。实际上存在有两种数字信号方式。前面描述的是一种用于本地（即非电话公司的）数字信号方式的一种信号，传号交替反转（AMI）或双极性信号的方式稍微要成熟一点，可以用于宽域数字传输。因为语音的本质特性是模拟的（也就是说它连续地变化，而不是以离散、数字方式产生的），所以如果要数字化传输语音必须要做模数（A／D）转换。后面的段落将讲述如何将模拟信号变为数字形式。但首先我们必须回答一个重要的问题：“为什么要如此麻烦去转化为数字？”答案是高品质。假如模拟信号的路径很长，必须使用放大器。但放大器保留甚至增强了对话中的噪声，所以传输路径中使用的放大器越多，背景也就越嘈杂。因此当你想用模拟线路给在古老乡村的祖父祝福生日快乐的时候，最幸运的事莫过于你们能在背景噪声下相互听懂。为了解决越洋（或长途）电话中的这一问题，我们可以使用一种老掉牙的办法：拼命叫喊！靠对着电话叫喊来克服噪声，这解决不了多少问题。当我们把音量提高到一个新的高度时也就是加大了幅度。这使得信号幅度很强（比电话公司所预期的还要强）。电话公司在线路上安装了设备以将音量保持在一定的电平以下。这些“衰减器”，正如其名称一样，能检测到幅度比正常值要大得多，因此它们将产生衰减使幅度降低。这只会加重这个问题，因为以分贝（dB）计算的衰减削减幅度而对噪声没有什么影响。因此，我们得不到明显的效果数字系统中取代放大器的是中继器。我们通常称它为“疯狂的甜饼怪物”。为什么呢？下面我们来解释一下。当数字脉冲加到线路上时，只需考虑 1（＋3V）。但脉冲一加到线路上，它立即开始沿着电线传播。电线也将立即开始削减脉冲的强度。结果是一个不断衰弱的电脉冲。因为衰减过程是立即开始的，所以脉冲落入模糊区的可能性很大。因此“甜讲怪物” 被放置到相距约5000到6000英尺的连接点上。随着脉冲强度的变弱，它必须保持足够的强度以便能被识别出来，而不会误认为是噪声。信号应该保持的强度称为脉冲检测门限值。假如信号强度落入了检测门限，脉冲将会被误认为噪声而被忽略。当脉冲到达中继器后，中继器将充当甜饼怪物。它完全将信号吸收——吃光它，使它消失。甜饼怪物已经完成了这个任务，但同时另一方面也将疯狂。因此它将说：“那儿有一个脉冲，因此我将成为一个讨人喜欢的人。将在线路的原来位置放置一个新的脉冲”。因此，一个新的3V脉冲被产生了。这个信号立即开始沿着线路的下一部分传播。并且这一过程又重新开始。放大器只能增强输入信号的幅度，而一个中继器能检测原始信号的1和见并在另一例将它们作为新信号重新传输出去，特别是信号和中继器之间的任何噪声只要低于容许值将会被完全忽略。两个中继器之间信号幅度仍将衰减，并且噪声也将产生，但只要中继器能识别出原始信号的脉冲，它们只是用于构造输出信号和输入信号的一部分。因此，假如通信线路中使用了数字技术，那么完全有可能使最终接收机收到的信号和线路上第一个数字发射机的信号相同。脉冲的持续时间很短，并且能量值是离散的，没有连续变化的电平，因此在书案局需要更多的中继器。在本地回路中，相同距离的线路若使用数字通信则需要电话公司三到四倍的设备。注意到上段中讲的：“…线路上第一个数字发射机…”。因为语音是模拟信号，所以许多地方需要转换。从语音源到第一个转换点将会引入噪声并且加到了信号中。显然，A／D转换离语音源越近效果越好。假如你与其他州或其他国家的人通话，而效果与你们面对面地谈话一样清晰，那么你可以肯定其中的大部分（如果不是全部的话）技术是数字而不是模拟的。这样的通话质量使顾客更高兴，传输更清晰，数据通信得到了提高，并且载波公司也就更高兴。这就是为什么工业中关于胜字传输的利益存在着狂热的原因。使用数字代替模拟传输还有一个好处：数字技术使信号的结合和操作更简便，也使载波公司使用的将信号从源移送到目的地的方式具有更大的灵活性。当然这主要使业务提供者直接受益，而对顾客没有太多的影响。