电子设备最重要的一个功能就是传输、计算、控制、存储信息。信号的传递发展经历了一个漫长而复杂的过程,从古老的烽火台到现代的移动通信,每一步都是人类智慧的结晶。目前来说,硬件需要做的一件重要的事情就是把信号处理好,包括模拟信号、数字信号。
如果说到传统的信号传递,我们会想到“烽火台的狼烟”:烽火台使用火焰或烟雾作为信号,点燃火焰或燃烧特殊材料以产生大量浓烟。
狼烟
原理: 使用火焰或烟雾作为信号。点燃火焰或燃烧特殊材料以产生大量浓烟。
传输方式: 相邻的烽火台看到信号后,立即点燃自己的烽火,传递信号。
优缺点: 简单快速,但易受天气和环境条件影响,信号内容有限。只能表达“有”或者“没有”这类简单的“数字信号”。
其实狼烟是一种“数字信号”,他只能表达“有”或者“没有”。如果我们用两个狼烟信号,或者更多的狼烟信号,能够表达多种含义,其实也是“数字信号”,对数字信号进行编码。狼烟在使用的过程中,有着数字信号一样的问题:
1、 上升沿时间问题:狼烟如果太慢,比敌军推进速度还慢,就失去意义了。
2、 电平标准的问题:如果狼烟前面有一座山,狼烟在超过山的高度是否有足够的浓度,以足够能量传递信息。
3、 抗干扰的问题:狼烟在传递过程中,抗风、防雨、大雾……
当然除了狼烟,还有其他传递信号的方式:邮差、千里马、信鸽等等。
邮差、千里马和信鸽邮差、千里马和信鸽: 通过人力或动物传递信息,速度较慢,受地理条件限制。
电报第二个典型的发展阶段就是“电报”19世纪电报的发明,第一次将人类的信息传递速率提升至每秒30万公里。接收方的电报机将电信号解码为摩尔斯电码,解码员再将其翻译回原始信息。1825年2月,有一位名叫萨缪尔·摩尔斯(Samuel Morse)的美国画家,当时正在为华盛顿市政府作画。
有一天,他收到了家人寄来的信,说他的妻子即将分娩,而她的身体状况并不是很好。
于是,摩尔斯准备暂时放下工作,返回康涅狄格州的家。临行前,他又收到了自己父亲的信件,告诉他家里一切安好,妻子正在康复。但是,6天后,当摩尔斯赶回家中的时候,发现妻子已经去世了。
这件事给萨缪尔·摩尔斯带来很大的打击。悲痛之余,他意识到,纸质信件作为当时传递消息的唯一方式,在时效性上实在是太滞后了。
时间到了1832年,摩尔斯乘坐“萨丽号”邮轮,从法国返回纽约。在这次旅途中,他结识了一位名叫杰克逊的医生。杰克逊不仅是一位医生,而且是一位电学博士,刚出席了在巴黎召开的电学研讨会。
双方闲聊过程中,杰克逊介绍了很多关于电磁感应的知识。正是这些知识,极大地震撼了摩尔斯,给他打开了一扇通往新世界的窗户。着迷的摩尔斯,连续几个晚上都失眠,脑子里全是和电有关的东西。
从此,摩尔斯走上了科学发明的艰辛之路。
没有电学基础,他就从零开始学起。遇到一些自己不懂的问题,他便向大电学家亨利等请教。他的画室也成了电学试验室——画架、画笔、石膏像等都被堆在角落,电池、电线以及各种工具成了房间的“主角”。
功夫不负有心人,经过5年的研究,到了1837年,摩尔斯终于发明了一种新型的电报机,还有与之对应的编码系统。
在摩尔斯的系统中,用不同的点、横线和空白组成来代表26个英文字母和10个阿拉伯数字。
按下电报机的电键,便有电流通过。按的时间短促表示“•”(嘀),按的时间长表示“-”(嗒),比较常用的字母E便只用“•”表示,而用的相对较少的Q则用“- -•-”表示。这套编码系统,就是著名的“摩尔斯电码”,也称为“摩斯电码”。 “SOS”是国际通用的紧急求救信号,之所以如此,就是因为SOS用摩尔斯电码表示,是:“•••- - -•••”(嘀嘀嘀哒哒哒嘀嘀嘀)。
看到摩斯码表,是不是有种似曾相识的感觉?如果你熟悉串口打印数据的话,你一定知道在串口工具中有一个选项,选择是ASCII码,还是16进制的数据。
基本原理是一样的,摩斯电码使用“滴答”来实现两种信息传递,然后组合成N种形态,可以翻译成字母和数字;ASCII码,也是:使用7位二进制数来表示所有的大写和小写字母、数字0到9、标点符号以及在美式英语中使用的特殊控制字符。ASCII码表中共有128个字符,其中0到31及127是控制字符,用于控制计算机的基本操作,如换行(LF)、回车(CR)等。。
电报的发明,正式开启了人类用电进行通讯的历史。随后,摩尔斯电码和电报机得到了迅速推广和普及。早期的电报只能在陆地上通讯。后来,海底电缆被成功敷设,越洋电报投入使用。再后来,1895年,意大利人马可尼首次成功收发无线电电报。人类第一次实现了“可以移动的通讯”。
电报的传递速度已经达到了光速。速度快,适用于长距离传输,但需要专业设备和人员,信息传递量有限。
电话(传统的固定电话)电话的工作原理:
发送声音:
声波推动话筒中的振膜(碳粒话筒或电容话筒)。
振膜的运动产生电流信号。
转换信号:
电流信号通过电话线传输到远端电话。
可能经过放大器放大以确保信号强度。
接收声音:
电流信号通过扬声器转换回声波,复现原始声音。
双向通信:
使用两套独立电路处理发送和接收的声音信号。
信号切换:
电话信号需要经过交换机路由,从呼叫者传送到被呼叫者。
人工电话交换与程控交换机人工电话交换:
手动接线交换机: 早期电话交换需要专门的操作员手动接通。
操作员角色: 根据用户请求手动连接线路,处理复杂的连接请求。
挑战: 人为错误风险高,效率受限。
程控交换机:
工作原理:
呼叫建立: 拨号、号码分析、路由选择。
信号传输: 通过信令系统传递控制信息,建立话路。
通话进行: 语音信号传输。
呼叫拆除: 检测挂机信号,释放资源。
关键功能: 自动化控制、号码转换,提高了效率和准确性。
电话机的工作原理可以分为发送声音和接收声音两个主要部分。以下是电话机工作原理的简要描述:
1. 发送声音
当你对着电话说话时,你的声音会产生声波,这些声波会推动电话话筒中的振膜。话筒的工作原理通常有两种:碳粒话筒和电容话筒。
碳粒话筒
声波推动振膜振动。
振膜后面的碳粒受压,电阻发生变化。
电路中的电流随电阻变化而变化,产生与声波相对应的电流信号。
电容话筒
声波推动振膜振动。
振膜和固定电极之间的电容发生变化。
电路中的电流随电容变化而变化,产生与声波相对应的电流信号。
2. 转换信号
这些电流信号通过电话线传输到远端电话。
在传输过程中,信号可能经过放大器放大以确保信号强度足够。
3. 接收声音
当信号到达接收端电话时,电流信号会通过电话的扬声器(也称为听筒)转换回声波。
扬声器
电流信号通过线圈产生磁场。
磁场推动扬声器的振膜振动。
振膜振动产生声波,复现原始声音。
4. 双向通信
电话机能够同时进行发送和接收声音,这是通过使用两套独立的电路实现的:一套电路处理发送的声音信号,另一套电路处理接收的声音信号。
5. 信号切换
在电话网络中,电话信号需要经过交换机的路由,从呼叫者传送到被呼叫者。现代电话系统使用数字交换机和信号传输,但基本原理仍类似。
通过这些步骤,电话机能够实现将声波转化为电信号传输,再将电信号还原为声波,从而实现语音通信。
在程控交换机出现之前,电话交换机的操作主要依赖于人工操作,具体如下:
1. 手动接线交换机: 最早期的电话交换机是手动接线的,需要有专门的操作员来进行电话接通。操作员通过插拔电话插头和拨动开关来完成用户之间的电话连接。
2. 电话交换员: 这些操作员通常称为电话交换员或接线员。他们需要根据用户的呼叫请求,手动连接线路,使得呼叫能够顺利接通到目标用户的电话上。
3. 操作过程: 当有用户拨号呼叫时,电话交换员会接听来电,并听取用户的请求信息。然后,他们会根据用户的指示,手动将呼叫连接到目标号码或者其他操作员所负责的线路上。
4. 复杂的操作: 随着电话网络的扩展和用户的增多,操作员需要处理越来越复杂的连接请求。这包括不同的城市和国家之间的长途电话服务,需要跨地域的电话交换员来协调和完成连接。
5. 人工错误和效率: 这种方式虽然能够提供基本的电话连接服务,但是存在人为错误的风险,同时效率也受到操作员技能和处理能力的限制。
随着技术的发展,程控交换机的出现极大地提升了电话系统的自动化和效率,取代了大部分人工操作的需求。
程控交换机(Program-Controlled Switch,简称程控交换)是电话网络中用于连接呼叫者和被叫者的关键设备。它通过计算机程序自动控制电话呼叫的建立、保持和拆除。以下是程控交换机的工作原理及其关键功能的简要描述:
1. 呼叫建立
拨号:当用户拨号时,电话机会将用户输入的号码发送到本地交换机。
号码分析:交换机接收到号码后,进行号码分析,判断这是本地呼叫、长途呼叫还是国际呼叫。
路由选择:根据号码分析结果,交换机会选择最佳路由,将呼叫信号发送到目的地交换机。
2. 信号传输
信令:交换机之间通过信令系统(如SS7)传递控制信息,确保呼叫顺利进行。信令包括呼叫建立、保持、拆除等信息。
话路建立:交换机通过一系列的开关操作,建立起呼叫者和被叫者之间的物理通道,使得语音信号可以传输。
3. 通话进行
语音传输:一旦话路建立,双方可以通过电话线进行语音通信。语音信号在传输过程中可能会经过数字化处理和压缩,以提高传输效率和通话质量。
4. 呼叫拆除
挂机检测:当一方挂断电话时,交换机会检测到挂机信号,开始呼叫拆除过程。
释放资源:交换机会释放分配给本次呼叫的线路和其他资源,使这些资源可以用于其他呼叫。
信令通知:通过信令系统通知其他相关交换机,呼叫已经结束,释放相关资源。
传统固定电话在拨号时传递的信号类型主要分为两种:脉冲拨号(Pulse Dialing)和双音多频拨号(Dual-tone Multi-frequency, DTMF)。以下是对这两种拨号信号的详细解释:
脉冲拨号原理:
脉冲拨号使用断开和闭合电话线路来传递信号。这种方式通过一系列快速的线路断开(脉冲)表示数字。
每个数字通过相应次数的脉冲来表示,例如数字“5”用5个脉冲表示,数字“0”用10个脉冲表示。
操作:
当用户拨一个号码时,电话机会短暂地断开和闭合线路。每个断开和闭合的周期就是一个脉冲。
电话交换机通过计数脉冲来确定拨的数字,并相应地连接到目的地。
示例:
拨“123”:电话机会分别产生1个、2个和3个脉冲。
双音多频拨号(DTMF)原理:
DTMF拨号使用两个不同频率的声音组合来表示每个数字。电话键盘上的每个键都对应一个特定的频率对。
这种方法比脉冲拨号更快速且可靠,因而在现代电话系统中广泛使用。
操作:
当用户按下键盘上的一个键时,电话机会产生两个不同频率的音调,这两个音调的组合代表该按键的数字或符号。
电话交换机接收到这些音调信号,并解码出相应的数字或符号。
频率对:
键盘上的每个键对应一个低频和一个高频的组合。例如,按下键“1”会产生697 Hz和1209 Hz的音调组合。
低频和高频组合的对应关系如下:
示例:
按下“123”:电话机会产生一系列的双音组合:697 Hz + 1209 Hz(1)、770 Hz + 1336 Hz(2)、852 Hz + 1477 Hz(3)。
传统固定电话的供电、声音和信令传输通过电话线的双线电路(两根导线)实现。以下是详细解释:
供电方式中央供电:
传统固定电话的电源通常来自电话交换局,而不是本地电源。这种供电方式被称为中央供电。
电话线的中央交换局提供48V DC电压,通过电话线传输到用户的电话设备。
电话在待机状态下,线路上会有直流电流保持电话设备供电。
声音传输语音信号(模拟信号):
语音信号通过模拟信号在电话线上传输。当用户讲话时,电话话筒将声波转换为相应的电流信号,这些电流信号通过电话线传输到另一端的电话。
电话接收端的扬声器将电流信号重新转换为声波,恢复原始声音。
频率范围:
传统电话系统的语音信号通常在300 Hz到3400 Hz的频率范围内。这一范围足以传输清晰的语音信号。
信令传输信令信号(呼叫控制):
信令信号用于控制呼叫的建立、保持和拆除,包括拨号信号、振铃信号和挂机信号等。
拨号信号:
脉冲拨号: 电话通过断开和闭合线路来产生一系列脉冲,这些脉冲信号被发送到交换局,交换局根据脉冲计数来识别拨号的数字。
DTMF拨号: 电话按键产生的双音多频信号(DTMF)通过电话线发送到交换局,交换局解码这些频率对以识别拨号的数字。
振铃信号:
当有来电时,交换局会在电话线上施加交流电压(通常为75V AC,20 Hz),这个振铃信号会触发用户电话机的铃声。
振铃信号在语音频率之外,因此不会干扰正在进行的通话。
挂机信号:
当用户挂机时,电话机会断开线路上的直流电流,这一变化会被交换局检测到,作为呼叫结束的信号。
电话线上的信号复用共线传输:
电话线通过共线传输方式同时承载语音信号和信令信号。直流电压用于电话供电和检测挂机信号,交流信号用于振铃,而模拟语音信号在话音频率范围内传输。
概述
硬件不是连连线
我做硬件,进阶的几个阶段
信号
为什么需要把模拟信号放大
滤波器的基本概念
一阶RC低通滤波器
为什么需要抗混叠滤波?
高速ADC基础
数字信号的本质也是模拟信号
为什么会有这么多电平标准?
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