电信系统的模拟信号基础知识

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～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”的旋转。零线周围这 个360o的波形被称为一个HZ——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360o的完整周期，一个 完整的周期构成一HZ。

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压的频率带通滤波器。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 15 000～18 000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。