电话的前世今生

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了电话的前世今生相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

作为一个通信人,讲一讲关于电话的故事和原理

 

这第一篇是比较通俗的,目标是每个人都看得懂。

 

一、在没有电话之前

   在没有电话之前,如果一个人想把声音传给远处的人,只有靠大声讲话了。

   后来,人们弄了一个方法,就是,两人拿一根竹筒,一个人在这头讲,另一个人在那头听。这样声音可以传得远些、清晰一些。

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   从物理学角度上看,声音是空气振动产生的机械波,称声波。 竹筒的作用是让声波在传播的途中减少衰减,从而传得更远

 

二,贝尔发明电话

    1875年,亚历山大·格雷厄姆·贝尔 (Alexander Graham Bell,英国裔美国发明家)发明了一套技术:首先把人的声波通过话筒(麦克风)转变为电磁波,再通过电话线把电磁波传递到远方,然后通过听筒(喇叭)将电磁波转变为人听得到的声波。这个技术就是电话。1892年,纽约到芝加哥的电话线路开通,第一次实现了人类声音的长距离传输。

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在这个图中,电话线就是一条管道,把双方连接。管道英文称chanel, 有时也翻译为信道。 

 

为了实现双向通话,打电话的人要同时拿着一个话筒和一个听筒。 像下图这样:

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后来把话筒和听筒做成一个手柄,就是今天的电话机话筒的样子。

 

 

三、交换

上图实现了两个地点的之间的通话,如果是多个地点间的通话,就需要一个中间人。

 

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上图有4个地点,分别用101,102,103,104表示, 如果101要打电话给103, 他先打给中间人,告诉中间人“我要接到103",中间人把101的线与103的线接通,然后就可以通话了。

中间人的作用相当于一个开关(switch), 根据打电话人的要求,把某条线与另一条线接通。

主动发起通话的人称为主叫(caller),接听电话的人称为被叫(callee)

在最开始的时侯,中间人是一个真实的人,也称话务员。 打电话的人跟他说,“我要接到103”,话务员将101的接线头拨出来,拨到103的线槽中去,就把101-103接通了。

 

后来,交换机技术出现了,就是用机器实现了这个中间人的角色 (交换英文称 switch, 就是 开关的意思)

理解一下交换的详细过程:

 

1,电话号码(number):为了识别每一个地点的话机,这个话机要有一个编号,这个编号就是电话号码。

2,拨号(dial): 打电话前首先要拨号。 由于交换机是一个机器,不能识别人的語音,所以要有一种方式,告诉交换机你要去哪个地方。这个方式就是拨号,就是由人按键、电话机向交换机发送一串特殊的声音。  这个声音称为拨号音,是一种特殊频率的声音。交换机可以识别这种特殊频率的声音代表的数字含义,从而知道你要连接哪个号码(即被叫号码)

每一个按键都是一个特殊的频率,有一个技术规范规定了这个音的频率,叫DTMF(dual-tone multifrequency,双音多频),参见点击打开链接

3,交换(switching): 交换机根据收到的被叫号码,判断接到被叫的路线(称为路由,router),然后接通那个号码的线路开关。

4,振铃(ring):  交换机通知被叫话机响铃,提醒被叫人接听电话。振铃过程中,主叫人也会听到振铃音,提示主叫人等待一下。如果振铃多次后,没人接,则交换机将不再通知被叫话机振铃,并向主叫人播放忙音,意思是“没人接听,请你挂机吧"。

5,应答(answer): 振铃过程中,被叫人提起话机接听,电话接通,开始通话。交换机在通话过程中将双方的线路持续保持接通。

6,挂机(Hangup):  无论是主叫还是被叫挂机,通话即结束。交换机将断开被叫与主叫的连接关系。

 

交换机与电话机之间要传递多种信号(signal, 也称信令): 如拨号、振铃、忙音等等,这些信号在传统电话网中都是一些音频,随用户声音一起在电话线路传送。

 

三、交换网

 

电话线能把声音传多远呢?传统的铜线电话网,从电话机到交换机的实用距离大约在5公里内。超过这个距离,电磁波会有较大衰减,影响通话质量。

要再远一些,就要在中途加一个交换机,进行接续。如图:

 

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用户较多时,多个交换机往往摆在一起,一组交换机叫做一个电话局。  

直接连接电话机的交换机,叫端局。 

把多个交换机连接在一起的交换机通常叫汇接局。

这样,一级一级连接下去, 形成了一个大的交换网,把每个地区连接起来,每个省连接起来...

 

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交换机与交换机之间的连接线路,一般称为中继线。 开始时,中继线也是电话线(铜线)。

与连接话机的电话线不同的是,中继线要在一对铜线上同时传送多路电话,一般是30路电话/线对,这种线路叫E1.

 

为了提高传输效率,现代的交换网普遍采用数据通信方式,当用户话音电磁波送到第一个交换机(端局交换机)后,交换机将话音电磁波转换为IP数据包,再通过IP数据通信方式传送到对方交换机,对方交换机收到后,将数据包转变为话音电磁波送给话机。

 

近二十年来数据通信技术的进步,中继线已全面变成了光纤。光纤数据通信能力强,一根光纤能通上万路电话。

 

三、ADSL上网

 

通达用户家中只有一对铜线, 如何即可以打电话,同时也可以上网呢?

ADSL是一种在铜线上即能打电话,同时也能高速上网的通信技术。线路长度2公里时ADSL能达到6-8M bps的上网速率。小于500米时,ADSL能达到25-30M的上网速率。

 

原理是这样的:

电话网中,人的语音频率有效范围为 0-8000 Hz, 但是电话线能传送更高的频率,利用这一特点,把电话线上的电磁波频率分成两部分,低频率(8000Hz以下)传送语音,高频率(8000Hz以上)传送数据。

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如图所示:

1, 从用户家到电信局,只有一对电话线

2,在用户家中,分频器把电话线上的频率分成两部分,低频部分送给电话机, 高频部分送给 Modem, 电脑通过Modem上网。

3,在电信局内,分频器把电话线送来的频率分成两部分,低频部分送给电话交换机, 实现打电话。高频部分送给DSLAM(这是电信局的数据接入设备),直通互联网

 

当前,ADSL是我们主要的上网方式。

 

四、光纤入户、全光网络

当前,光纤已普遍用于中继线。

随着光接入技术(PON)的进步,光纤正在进入家庭、公司,取代铜线,直达用户的桌面(电话、电脑)

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如图所示:

1, 从用户家到电信局,只有一条光纤(没有了电话铜线)

2,在用户家中,只需要放一个光猫,光猫输出两种接头,电话接头接话机,网络接口(网口)接电脑。

3,在电信局内,传统交换机没有了,只剩下数据交换机(路由器)

 

现在大约10-15%的用户光纤入户了,未来5-10年内,绝大多数的家庭将普及光纤入户。

 

没有了铜线,从到达用户的线,到电信局的中继线,全部是光纤,形成全光网络。

 

聪明的你可能会问:

1, 铜线没有了,语音去哪了,都变成IP了吗?

正确,光猫把用户的语音变成了IP数据包,从光猫开始,到电信IP网络,全部都是IP传输。

 

全光网络上传输的一切都是IP数据包。

 

2,光猫到电话机之间不是还有一条电话线吗?光猫到电脑不是还有一条网线吗?

电话接口为了兼容旧式的电话机,你完全可以采用一个IP电话机,直接接在网口上即可。

网口也是为了兼容旧式的网卡,你完全可以在电脑中采用一个光网卡,把光纤直接接到电脑中。

 

3,交换机去哪了?电话语音不需要交换了吗?

电话语音基于IP数据包进行交换, 话机(或光猫)与电信服务器之间采用SIP协议进行数据通信。

SIP(Session Initiation Protocol,会话初始协议)是国际组织定义的一个多媒体IP通信协议,支持语音、视频、多种信息等彼此通信。

如同 http协议是web的标准,SIP协议是电信网络通信的标准。

电信公司原有的多级传统交换机统统没有了,只剩下一个IMS服务器。

传统交换机是专用电路板组成的,IMS服务器则是一组通用的计算机服务器(x86的,和你的电脑一样)

IMS负责与用户终端进行SIP会话,寻找被叫终端,把数据转发给被叫。这就是交换(基于IP通信的交换)

通信系列的下一篇将深入讲讲SIP协议。

 

4,有铜线就够用了,为什么要光纤呢?

如果铜线比作一条乡村公路的话,光纤就是一条信息高速公路。

光纤的通信能力是铜线的数千倍到几十万倍。

当前,电信公司已向企业推出1G bps 速度的光纤上网服务(这个速度超过USB2.0,接近硬盘读写速度了),未来1-2年将向家庭推出1G速度。

未来给用户的一条光纤达到10-100G速度也完全不在话下(电信公司中继用的光纤的速度目前在40-100G)

未来20年是物联网(internet of things, 万物互联),每个人有20-30件物品联网,每个家有50-100个物品联网。 

 

五、移动电话

移动电话,即手机,是一种无线通信

(一)  最早的无线通信是广播电台。

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播音员对话筒讲话,话筒把声波转变为电磁波,通过发射机变成无线电波发射出去。

收听人用收音机接收无线电波,收音机通过喇叭,把电磁波转变为声波,收听人就听到声音了。

电台是单向的,就是只能播音员说话,收听人接听。

如果两个人都同时有一个发射机和一个收音机,即是播音员又是收听人,则他们就可以隔空讲话了,这种方式就是对讲机。

 

用对话机作手机是可以的,但是有几个问题

问题一: 无线电波能传多远? 不够远怎么办?
问题二: 对方动来动去,如何找到对方呢?
问题三: 很多人同时打电话,如何在一个频点上传多路声音呢?
问题四: 如何不让我的声音被别人偷听?

移动通信的出现就是要解决以上问题的。

 

(二)基站(base station)

 首先,我们建立一些基站,就是我们能经常见到的铁塔。

 手机只与最近的基站进行无线电通信,无线电波只需要传输到基站就可以了。基站与基站之间用光纤连接在一起。

这样就解决了无线电传得不够远的问题。

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全国三大运营商有一百多万个基站。形成对广大地区的连续覆盖。
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一个基站的覆盖范围是一个圆形。很多个基站覆盖范围彼此边缘重叠,从空中看起来,就像一个蜂窝,所以,移动网络也称为蜂窝式移动网络。
 

每个基站间有多远呢?  在密集城市,隔500-800米有一个基站。农村山区,可能十公里一个基站。

事实上,手机无线通信的距离只是手机到基站的距离(可能只有几百米),到基站后就下地了,成为了有线通信。

有线通信与固定电话网是一致的。

 

(三)HLR(host location register)

对方手机动来动去,如何才能找到对方呢?我们引进了HLR(host location register, 主位置寄存器)

HLR 是一个计算机服务器,记录着当前某一个手机在哪个基站范围内。

当一个手机开机时,它会向HLR登记自己的位置(在哪个基站内)

当一个手机移动到另一个基站内时,它向HLR登记自己的新位置(换到哪个基站了)

当一个手机要呼叫另一个手机时,就会问HLR,被叫手机在哪个基站?然后,交换机就把话路转接到那个基站,基站再找到被叫手机。

 

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如果一个手机没有在HLR登记位置(比如说:手机关机了),则它作为被叫时,主叫将听到 ”对不起,你所拨打的电话不在服务区“

 

(四)编码、调制

打电话时,一个手机要完成三个工作: 一是把声波转成数据,二是对数据进行编码,三是通过无线电波发射出去。

 

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为什么要编码呢? 
1,为了在一个频率上传多路电话 (频率复用,提高频率使用效率)
2,为了:提高数据传输速度、提高稳定性、加密 …


不同的数字化编码方式,就是不同的手机网络制式:  GSM, CDMA,  WCDMA, LTE
数字编码就好像人类的语言,只有讲相同语言的人才能沟通
采用相同制式的手机与基站才能互相通信

 

(五)3G (3th Generation, 第三代移动通信)

第一代手机是模拟移动电话,俗称大哥大,现在已经不用了。

第二代(2G)手机是数字式移动电话,国内有GSM, CDMA 1x两种制式。

     2G手机工作频率为800-900Mhz, 原本的设计是在这个频段传语音,采用GPRS技术也能传数据,速率约300K bps.

     后来手机上网越来越多,GPRS的信道太狭窄,传输速度很慢。看个网页还可以,下载图片、音乐太慢了。
     

     于是技术人员提出:单独设立一条频率,形成一条不走语音的宽的数据通道,上网速度提高几十倍,数据通道多人共用提高使用率。

     这就是3G技术(即,第三代移动电话)

 

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    3G手机制式有 WCDMA, CDMA-2000 两种

    3G手机支持两个频率,数据走WCDMA,语音走GSM
    多个手机上网用户共用一条数据通道,多人同时传数据时,速率被平分

 

(六) 4G (4th Generation, 第四代移动通信)

移动互联网时代,为满足更高速、更大容量的上网需求,提出了4G LTE技术

4G LTE制式 ,在空中又增加了一条新的频率,形成一条新的数据通道

4G上网速率提高到140M,是3G的几十倍,2G的约一千倍

 

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4G的下一个演进版本是 VoLTE( Voice over LTE, 就是把语音跑在LTE数据通道上)

把一切变成数据,一切变成IP。  至此 GSM语音通道可以不要了。

 

转自:http://blog.csdn.net/c80486/article/details/43370979

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