图解通信原理与案例分析-10：楼宇有线对讲电话机案例--模拟基带点对点通信详解

前言：

前面的几个案例，如CPU与内存外设的通信、I2C串口通信、SPI串口通信、Uart串口通信、RS232串口通信、以太网通信、SFP光通信，都是纯数字通信。

从本文开始，将拆解模拟通信，模拟通信系统分为三大类：模拟基带通信、模拟频带、数字模拟通信系统。

本案例《楼宇有线对讲机电话机案例》属于模拟基带通信，重点阐述什么是模拟基带通信这个核心的概念。

基带：Baseband 信源（信息源，也称发射端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号所固有的频带（频率带宽），称为基本频带，简称基带。

基带和高频相对应，

基带是频率范围非常窄的信号，也就是说幅度谱仅在频率原点（f= 0）附近才是非零的，其他频率几乎可以忽略。

在电信与信号处理中，基带信号是无调变传输的，即该信号的频率范围没有任何移位，而且频率很低，包含频带从接近 0Hz到更高截止频率的电信号。

有线电话的电信号就属于基带传输。然而，随着数字技术的发展，纯模拟基带传输通信系统已经非常少见。

楼宇有线对讲电话机是目前市面上少见的几个纯模拟基带传输的通信技术的应用之一。

目录：

1. 楼宇有线对讲电话机简介

2. 楼宇有线对讲电话机的工作原理

3. 话筒的工作原理：声音信号到模拟基带电信号的转换

4. 扬声器的工作原理：模拟基带电信号到声音信号的转换

5. 声音的特性

6. 音频基带电信号

7. 模拟基带通信过程

7.1 发送过程

7.2 信道

7.3 接收过程

1. 楼宇有线对讲电话机简介

楼宇对讲是一个安全防范系统。即在多层或高层建筑中实现访客、住户和物业管理中心相互通话、进行信息交流并实现对小区安全出入通道控制的管理系统，俗称楼宇对讲系统。

来访者可通过楼下单元门前的主机方便地呼叫住户并与其对话，而且在没有带钥匙的情况下呼叫物业管理人员，协助开启单元门锁，而住户在户内也可以控制单元门的启闭，住户可以操作室内分机进行呼叫物业管理人员，门口主机这也可以随时接收住户报警信号传给值班主机通知小区保卫人员，系统不仅增强了高层住宅安全保卫工作，而且大大方便了住户，减少许多不必要的上下楼麻烦，沟通更方便快捷安全可靠。

楼宇有线对讲电话机，特别适应于楼宇来宾呼叫对讲通话。有线对讲机的连接线可达1000M以上。

安装简便：

有线对讲机，分室内机和室外机，两话机通过有线电话线连接，然后在室内话机装上4节5号电池，两对讲机就可以通信了。

两个话机连接线为低电压几伏而已，使用安全，本机为有线信号传输，通话清晰抗干扰性能安全可靠。

使用简单：

呼叫对方时，只需在室外机上按下呼叫按钮，双方响起呼叫铃声，对方提话筒时铃声停止，此时即刻通话，通话完毕将话筒放回挂好即可。

（1）室外楼宇有线对讲机

（2）室内家用有线电话机

（3）有线电话线

电话线一般分为2芯，4芯,(4芯适用于公司或部分集团电话使用)，6芯(6芯适用于数字电话使用)。

两芯标准的电话水晶头是RJ32。2芯是走模拟电话信号，分别称为A线、B线，没有正负极的区别。

注意：

楼宇有线对讲电话机不同于家用电话，它比家用电话要简单，没有拨号系统，只能进行一对一的双向通信！

本文借用此案例介绍模拟基带通信的基本原理。

2. 楼宇有线对讲电话机的工作原理

实际版本的基带通信模型：

拾音器：又叫受话器，话筒，是把空气中的震动语言信号转换成电路中微软的模拟电流信号。

前置放大器：把微弱的模拟电流信号，进行放大，便于变线路上进行传输。

侧音消除器：侧音通常指在终端设备（例如电话机）中，发端信号经处理后，其中一部分回馈到自身接收电话的那部分信号，侧音消除器，就是消除侧音。

音频放大器：把接收到的模拟电信号进行放大，以便于送话器把电信号转换成声音信号

放大倍数通过调制电阻和电容的数值来完成。

听筒：又称为送话器，扬声器，把模拟的电流信号转换成空气中震动的声音信号。

上述通信中，有一个关键的信号和两个关键的部件

（1）模拟基带信号：声音信号对应的模拟电流信号，在上图中，模拟基带信号经过两次放大，

在发送端，经过前置放大电路放大，以应对传输线路的信号损耗。

在接收端，经过音频放大器放大，便于有足够大的电流还原成合适音量的声音信号。

（2）两个关键的部件：话筒和听筒，完成声音信号到电信号的转换。

简化版本的基带通信模型：

话筒把空气中震动的语音信号，转换成线路模拟的电流信号。

听筒把模拟的电流信号还原成空气中震动的语音信号。

3. 话筒的工作原理：声音信号到模拟基带电信号的转换

受话器也叫听筒，英文为Receiver。

一种在无声音泄漏的条件下将音频电信号转换成声音电信号的电声器件，广泛用于移动电话、固定电话及助听器等通信终端设备中，实现音频（语音、音乐）重放。

方案1：ECM(驻极体电容器)麦克风

传统的麦克风多数是驻极体电容传声器，俗称咪头，是一种声电转换器件。

驻极体电容又称为为永电体，是一种自身带有电荷的介电材料。永电体可以只带有单一电荷，也可以带有等量的异号电荷。

永电体带有单一电荷的时候，例如正电荷，则其电场方向由自身指向无穷远或者等效的无穷远处；

带有等量异号电荷的永电体通过内部的电荷对的相同指向，可以形成等效的两端分别带正负电荷的物体，此种情形下永电体与磁铁非常相似。

驻极体电容传声器的内部采用了可储存电荷的驻极体材料（俗称永电体）作为振膜或背极，因此无需外加极化电源。

同时，由于驻极体电容传声器内置了场效应管，输出灵敏度得到大幅提升。而且驻极体电容传声器采用了超小型零部件，使得产品体积很小。

利用驻有永久电荷的聚合材料振动膜的震动完成声音信号到电信号的转换。

其工作原理如下图所示：

这种传声器由一个开有若干小孔的金属电极(称为背极)和一片一面敷有金属的驻极体薄膜构成。

背极与驻极体面相对，中间有一空气隙。

这实际上构成了一个以空气和驻极体作绝缘材料为介质，以背极和驻极体上的金属层作为两个电极的介质电容器。电容器的两极之间接有一个电阻，这个电阻是传声器的前置放大器或是阻抗变换器的输入电阻。

由于驻极体薄膜(通常为10~12μm厚)上有自由电荷，因此，当声波的作用而使振膜产生振动时，电容器两极之间就有了电荷量，于是改变了静态电容。电容量的改变使电容器的输出端之间产生了相应的交变电流信号，从而完成了声电转换任务。

方案2：铝带麦克风

对于铝带麦克风来说，其使用的铝带既是麦克风膜片，又是在磁场中运动的导体。

铝带通常由铝帛制成，厚0~1毫米，宽2毫米~4毫米，质量仅为0.2毫克，以求达到较好的瞬态反应。为了取得在2kHz~4kHz之间较理想的共振频率，铝带被制成皱折状以保持一个精确的张力值。

铝带作为导体和麦克风膜片被悬挂于两磁极面中间的磁场中，随入射声波频率而振动，同时在铝带两端产生一定的电流输出。

4. 扬声器的工作原理：模拟基带电信号到声音信号的转换

简介：

扬声器，又称为听筒，又称“喇叭”。是一种把电信号转变为声信号的换能器件。

扬声器的结构和工作原理：

目前使用最为广泛的是电动式扬声器，它由振动膜、音圈、永久磁铁、支架等组成。

这里的核心组件有：

（1）振动膜/纸盘：是通过振动膜/纸盘的震荡，产生声音的机械装置。

（2）音圈（又称为声音线圈）：用于传输代表声音的模拟基带电流信号，在物理上，音圈与振动膜连接在一起。

现在的问题是：当代表声音的模拟基带交流电流信号通过线圈时，如何带动振动膜振动？

这就要靠永久磁铁了！

（3）永久磁铁：交变的电流，交变的磁场，该交变的磁场与永久磁铁的静态磁场产生相互的磁力作用，带动音圈的交变振动，带动振动膜进行交变的震荡，从而产生振动的声音信号。

其他附属组件：

（1）T型铁：增加静态磁场的强度

（2）华斯：一种金属垫片，增加加静态磁场的强度

（3）盘架：用于支撑振动膜/纸盘的机械结构

（4）防尘盖：防止灰层进入

（5）弹波：

上图黄色的组件就是弹波。书面名称(定心支片)英文称为 damper，在日文称"中心保档部" ,国内有地方称"弹波"、"弹拔"，是扬声器系统的重要组成部分。弹波的相关震动系数对扬声器的音质有一定的影响。

弹波的作用：

a 保持音圈在磁隙中的正确位置　

b 保证音圈在受力时,振动系统沿轴向往复运动　

c 和振动系统的音圈,振膜共同决定扬声器的谐振效率　

d 防止灰尘进入磁隙

详细的流程如下：

（1）永久磁铁自身也会产生一个大小和方向不变的恒定的磁场。

（2）当扬声器的音圈通入音频电流后音圈在电流的作用下便产生一个交变的磁场，音圈所产生磁场的大小和方向随音频电流的变化不断地在改变。

（3）这样两个磁场的相互作用使音圈作垂直于音圈中电流方向的运动。

（4）由于音圈和振动膜相连，从而带动振动膜产生振动，

（5）振动膜振动引起空气的振动而发出声音。

因此，当输入音圈的电流越大，其磁场的作用力就越大，振动膜振动的幅度也就越大，声音则越响。

扬声器发出高音的部分主要在振动膜的中央，当扬声器振动膜的中央材质越硬，则其重放的声音效果越好。

扬声器发出低音的部分主要在振动膜的边缘，如果扬声器的振动膜边缘较为柔软且纸盆口径较大，则扬声器发出的低音效果越好。

5. 声音的特性

（1）声音的定义：

声音（sound)是由物体振动产生的声波。

声音是通过介质（空气或固体、液体）传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。

最初发出振动（震动）的物体叫声源。

声音以波的形式振动（震动）传播。

声音是声波通过任何介质传播形成的运动。

声音在不同介质中传播速度一般是固体>液体>气体

（2）声音的传播：

声音的传播需要物质，物理学中把这样的物质叫做介质，这个介质可以是空气，水，固体.

当然在真空中，声音不能传播。

声音在不同的介质中传播的速度也是不同的。

声音的传播也与温度和阻力有关。

质	速度	介质	速度
空气（15℃）	340m/s	空气（25℃）	346m/s
水（常温）	1500m/s	海水（25℃）	1530m/s
钢铁	5200m/s	冰	3160m/s
软木	500m/s	松木	3320m/s
尼龙	2600m/s	水泥	4800m/s

（3）声音的特性：

音调，响度，音色是乐音的三个主要特征，人们就是根据他们来区分声音。

响度（loudness）：人主观上感觉声音的大小（俗称音量），由“振幅”（amplitude）和人离声源的距离决定，振幅越大响度越大，人和声源的距离越小，响度越大。（单位：分贝dB）
音调（pitch）：声音的高低（高音、低音），由“频率”（frequency）决定，频率越高音调越高（频率单位Hz（hertz），赫兹
频率：是每秒经过一给定点的声波数量，它的测量单位为赫兹，是以海因里希·鲁道夫·赫兹的名字命名的。此人设置了一张桌子，演示频率是如何与每秒的周期相关的。1千赫或1000赫表示每秒经过一给定点的声波有1000个周期，1兆赫就是每秒钟有1,000,000个周期，等等。

人耳听觉范围为20～20KHz，即声音的带宽为约为20kHz。

20Hz以下称为次声波，也亚音信号，或次音信号

人的发音器官，发出的声音频率在：80-3400Hz

人正常说话时，发出的声音频率在：300-3000Hz，也称为话音信号。

20KHz以上称为超声波，也称为超音频信号。

音色（Timbre）：又称音品，波形决定了声音的音色。声音因物体材料的特性而不同，音色本身是一种抽象的东西，但波形是把这个抽象直观的表现。波形不同，音色则不同。不同的音色，通过波形，完全可以分辨的。

乐音：有规则的、让人愉悦的声音。

噪音：从物理学的角度看，由发声体作无规则振动时发出的声音；从环境保护角度看，凡是干扰人们正常工作、学习和休息的声音，以及对人们要听的声音起干扰作用的声音。

（4）时域信号与频域信号

f(t)=A1sin（w1t）+ A2sin（w2t）+ .....

所谓频域：就是信号f(t)中，包含的周期信号的频率与幅度的关系, A1: W1, A2:W2.....

所谓时域：就是信号f(t)，随着时间的推移，信号的幅度与时间的关系，它是所有频率分量信号在幅度上的叠加。

以钢琴为例：

每个钢琴的按键，代表某一种频率的声音信号，即音符，钢琴键盘就是频域，按照频率的高低进行排序。

当仅仅按下一个键盘时，就得到某个频率声音信号的时域信号。

当同时按下多个键盘时，就得到多个频率声音信号的时域信号，也就混合信号，也称为“和”声。

而弹出的整个音乐信号就是所谓的时域信号：

每个音符就是频率，听到的声音效果就是时域。

6. 音频基带电信号

基带信号（信息源，也称发终端）指发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低，

信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。

音频基带电信号（acoustic signals）是带有语音、音乐和音效的有规律的声波的频率、幅度变化信息的电信号，其频率和震荡幅度与原始的声音信号一致，但幅度的大小与声音不完全相等。

（1）敲钟的时域图与频谱图

频率集中在两个地方：

一个是0.2 * 10^4 = 20Hz

一个是2.1 * 10^4 = 21KHz

（2）鸟叫的时域图与频谱图

频率集中在高频段：2.3 * 10^4 = 23KHz左右。

7. 模拟基带通信过程

7.1 发送过程

（1）信源：帅哥A

（2）信息：对美女的爱慕之情

（3）消息：通过口腔，把爱慕之情通过模拟的声音信号表达出来：“I Love you"

（4）信源编码：通过话筒，声音信号转换成模拟的基带电信号

（5）信号发送：通过前置信号放大器，把模拟的基带信号进行放大，就可以直接在线路中进行传输了。

7.2 信道

信道是指通信的通道，是信号传输的媒介。

这里就是二线制的电话线：

7.3 接收过程

（1）信宿：美女B

（2）模拟的基带电信号通过信道传输到接收端

（3）信号接收：通过音频放大器对接收到的模拟基带电信号进行放大

（4）信源解码：通过听筒，把模拟的基带电信号转换成空气震动的声音信号。

（5）消息：美女B通过耳朵把空气震动的声音信号转换成：“I Love you"消息，即听到了帅哥A的电话表白。

（6）信息：美女B根据亲耳听到的“I Love you”语音信号或消息，感受到了帅哥A对自己的爱慕之情。

至此，帅哥A通过模拟的基带电信号，把自己对美女的爱慕之情传递给了远处的美女B。

有线双向对讲电话机原理图：有线双向对讲电话机原理图

电话机原理简介：百度文库

有线对讲机的设计与实现设计：百度文库