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模拟电话网络

       直接的交谈需要两人相距很近,当然,站在山上使劲喊能够增加声音传输距离,但是却降低了可听性,即让人听到也不知所云。而且也没有人能够让自己的声音穿过大西洋。到1875年,电话的发明使得人类早就幻想的“远程通信”的目标得以实现。
远程通信
       当然在电话出现之前,其他远程通信的形式也早已出现,例如信号火、镜子、电报等通信方式都为相隔很远的人们之间的相互通信提供了一定的便利,不过这些通信形式没有一个能让人们随心所欲的交谈。电话不仅仅是一种语音通信,它还是一种交互的实时通信方式。很多人都知道在麻萨诸塞州波斯顿的聋耳学生的老师贝尔的故事,他因为非常熟悉语音的产生和收听机理而碰巧发明出“协波电报”,一种在电线上利用电信号传送语音的工具。不过很少有人知道贝尔另外的一个故事,他有一位心爱的姑娘出身富足家庭,为了赚钱和她结婚,贝尔开始发明一种能在同一根电线上传输多路电报的方法。电话的发明是一件另人愉快的事件,或许也只有贝尔训练有素的耳朵才能意识到多路传真里的嘶撕声和尖鸣声都是人类的语音,只不过是被弄乱了而已。
       贝尔花了几年时间设计出这个发明,但他所做的主要是如何用电波来表示多种多样的人类语言的声波,即贝尔把声波的模拟信号转换为电波的模拟信号。在这个过程中声波振幅升降的所有信息都在电波里被模仿,电信号由一节简单的电池提供,但却可以到达几公里远。在系统的两头,有个设备(送话器)负责把模拟语音信号转换为电波模拟信号,还有一个设备(受话器)负责把电波模拟信号转换为模拟语音信号。把两者结合起来形成收发器。
        贝尔还发现人类语音的全部频率范围在10Hz到10000Hz之间,当然这并不是说要想使电话可以让人听懂必须传输这么大的带宽,实际上,要想达到让人听懂的要求只需要上述约10000Hz带宽中的一小部分,实际上,在超过4000Hz的声波中只携带了微不足道的能量,而几平有80%的能量集中在300Hz~3300Hz的范围之内。
       图2-2表示了通常所说的语音的“功率谱密度”。功率谱密度是认识语音声波的另一个途径。在这个图中,横坐标不再是时间而是频率,纵坐标不再是振幅而是功率。从技术上讲,这个图表示的是一个较长时间段内的功率谱密度,因为在一个较短的时间内,一两句话的功率分布的随机性很大,并不一定和图中的情况接近。图中功率的单位用分贝(dB)表示,分贝是通信系统中表示能量得失的一个标准单位。
语音的功率谱密度
图2  语音的功率谱密度
       由上所述,并没有必要建立一个传输10000Hz,或者甚至4000Hz频带语音的模拟网络。这一点当然可取,因为一个网络在没有大的失误的情况下,需要承载的带宽越小意味着这个网络的成本越低,而且在一个语音骨干链路上的给定带宽上能够复用的独立电话路数越多。从图2-2可以看出语音能量的峰值大约在500Hz,于是可以想到建立一个专门传输100Hz到1000Hz的语音信号的网络,这样能够节约更多的资源。
       如果把带宽压缩在从高出 300Hz以上很多到低于3300Hz.很多之间时,语音质量将会严重受损。语音质量的恶化并不是一下子突然发生的,当在传输带宽中把高频部分抽掉,结果是语音变得很断然,例如,如果把带宽的高频上限下调,声音听起来就有些机械,严重时甚至会听不清。联想一下地方快餐店的对讲机里的声音效果,它的带宽比电话里的要窄得多、大部分人在电话里都能辨认出朋友的声音,但是如果带宽降至300Hz到2700Hz(像这样的比较陈旧、比较小的电话网络仍然存在),这一点就难以做到了。甚至即使带宽在符合贝尔系统标准,即300Hz到3300Hz的情况下,如果背景里有电视或立体声系统正在播放,说话人的声音就会被明显干扰。有些人可能在电话里点播过电台的歌曲,就会知道电话里传出的音乐让人听起来怪怪的,这是因为在电话里的歌声中没有低音部(乐声的低音部远远低于300Hz),也没有高频部分的带宽,这就过滤掉了歌手和弦乐组超过3300Hz的美妙音乐。
       那么,如果我们提高系统的带宽以提高语音的质量又会如何呢?这样做对语音来说意义并不大,因为在3300Hz以上的频带对我们理解声音并不重要,而300Hz以下部分也不占多少比例。此外,300Hz到3300Hz的带宽还受到美国(有些国家的300Hz到3400Hz)公众交换电话网(PSTN的保护,而使得现有的带宽不太可能被改变。在这样的网络中,介于300Hz到33001Iz的模拟信号得到传输,而这个范围之外的部分却不能。
语音电话
       现在的电话都是全双工方式,也就是说电话两端的人能够同时说话,也能够同时听到对方说话。在这些早期的模拟网络中,不同方向的电流可以同时流过,而且当两人在说话时,电流的波形是不太一样的。说话的人能够在电话里听到自己的声音(称作“回音”)。后来先进的系统中加入了一些电路以减少回音(包括早期的模拟回音抑制器和后来的数字回音抵消器)。
       在电话发明之前,关于发明电话的传闻就开始传播,报纸里经常登着一些发明家的声明。人们疯狂地渴望电话的发明,发明家也开始做这样的实验:把电报金属丝和金属片直接放在志愿者的嘴里,并让他们说话,幸运的是这样做并没有发生过什么事故。但这些实验一直也没什么效果,直到一天,贝尔不小心把早期传送器里的硫酸溅到嘴唇上,痛得叫起来"Watson.过来,快过来!”,有意思的是他的实验那次却成功了。
       电话一旦发明成功,很快就有许多人使用,这大大出乎贝尔意料之外,因为他原来的设想是商业上找供应商,医院里叫药剂师等事件时会常常用到电话,可他做梦也没料到人们都希望在家里安一部电话,以让打电话代替写信跟朋友或家庭联系。贝尔虽然这里想错了,可是他终究富有了,并和他心爱的女孩结了婚。
       贝尔成立的电话公司后来演进为美国电话电报公司(AT&T),直到1984年被迫重组之后,AT&T实际上成为本地电话的一大块和全国性的长话公司(AT&T长话公司)的组合。不过大部分人还是把AT&T长话公司当作AT&T本身,这是因为属于AT&T的本地电话公司虽然有20个以上,但都有自己的名称,其中大部分是以洲命名的,如纽约电话公司、伊利诺斯贝尔公司等。
       有关贝尔系统1984年的波折的详细情况以及这对VoIP的影响将在第三章介绍。在这里可以指出的是,在美国并非所有电话都属于AT&T公司。因为贝尔系统最早是在美国东北部的大城市开展的,所以还有很多独立的电话公司在农村或者人口不多的地区提供电话业务服务。这些独立的电话公司主要有GTE,还有后来的Sprint公司的几部分。Sprint的前身是一个本地电话公司,它可以归潮到1899年堪萨斯Brow电话公司。和AT&T一样,GTE 和Sprint都有自己的长话公司,并与AT&T长话公司相独立。
       所有独立的公司,不管是大是小,如今都已互连成一个巨大的格状网,即使不是直接相连也是通过类似AT&T、MCI和Sprint这样的公司中继相连。实际上,最后一个没有和AT&T相连的独立公司位于新泽西洲农村,1945年已经退出商业。