Принципы телефонной передачи

 
• речь человека - совокупность звуковых колебаний;
• процесс преобразования речевых сигналов в электрические, передача их на расстоянии и преобразование последних вновь в речевые сигналы называется телефонной передачей речи;
• совокупность устройств, входящих в систему электрической передачи речи от рта говорящего до уха слушающего, образует тракт телефонной передачи или телефонный тракт. В начале речевые сообщения , передавались без преобразования частотного спектра. Такая передача- называлась аналоговой.
Специально, для организации телефонного тракта необходимо было иметь:
1. аккустико-электрические преобразователи - микрофоны М;
2. электро-аккустические преобразователи - телефоны Т - это составные части телефонного аппарата ТА;
3. линейные сооружения - АЛ-абонентские линии и СЛ - соединительные линии;
4. телефонные станции РТС , а позже АТС.
 
Телефонные тракты могут быть:
- двухпроводными;
- трехпроводными;
- четырехпроводными;
- совокупность 2-х и 4-х проводных линейных участков.
 
АЛ - как правило, 2-х проводная линия (а,в), которая соединяет ТА с оборудованием АТС. На ГТС она не является очень длинной (около 2 км), причина вносимое затухание.
СЛ - 2-х, 3-х, 4-х проводные линии, которые соединяют между собой АТС (если их на сети более одной).
1. Если длина СЛ>5 км., но <= 10-12 км., то в целях экономии целесообразно использовать 2-х проводные физические СЛ.
 
При этом в телефонный тракт необходимо ввести 2-х обмоточный или 3-х обмоточный (с балансным контуром) трансформатор, чтобы развязать тракт приема и тракт передачи.(Это дифференциальные трансформаторы  ДС системы)
2. Если длина СЛ<=5 км., то экономически целесообразно использовать 3-х проводные СЛ (а,в,с), о чем речь будет идти в дальнейшем.
3. Если длина СЛ>10-12 км., то экономически целесообразно на телефонных сетях использовать аппаратуру передачи данных АПД (аппаратуру уплотнения) и тогда необходим 4-х проводный телефонный тракт, который практически состоит из 2-х проводных телефонных трактов одностороннего действия и обеспечивает двустороннюю передачу речи. На первых порах системы передачи были аналоговыми, с использованием несущих частот модуляции)
 
Такой телефонный тракт имеет ряд преимуществ (устойчив против самовозбуждения), но более дорогой. Более поздние АТС ,назывались- ЦСК- цифровые системы коммутации. В них,  предусматривались только такой. 4-х проводный телефонный тракт для -DX-220 использовавшихся на ГТС. Для малых сетей, поставляли DX-210.
4. Реально на сетях в чистом виде 4-х проводный телефонный тракт не используется, а осуществляется на АТС с помощью ДС (диф. систем) переход от 4-х проводной СЛ к 2-х проводной АЛ.
 
 
2. Характеристики звуковой речи

- звук - колебательное движение частиц упругой среды, вызывающее слуховое ощущение.
Источником звуковых колебаний является колеблющееся тело, голосовые связки   говорящего, либо звуки музыки. Звуковые колебания могут быть периодическими и непериодическими. Периодические могут быть синусоидальные и несинусоидальные (примером несинусоидальных периодических колебаний является звуки музыкальных инструментов). Звуки разговорной речи относятся к непериодическим колебаниям.
- звуковое поле - это пространство, в котором распространяется звуковые волны. Звуковое поле распространяется от источника звука во все стороны в виде звуковых волн.

Характеристики:

- скорость распространения звукового поля в воздухе при нормальном атмосферном давлении и t=20° C составляет 343 м/с.
- интенсивность звука - количество звуковой энергии, проходящей за 1 сек. через площадку в 1м2, расположенную перпендикулярно к направлению звуковой волны.

I=R*P2, где: Р- звуковое давление(Па)

Р=Рш/ 2 , 
Рш - амплитудное значение волны звукового давления
К=2,41*10-3

В технике телефонной связи приходится иметь дело с величинами интенсивностей отличающихся друг от друга в 1010-1012 раз. Поэтому для удобства расчетов пользуются не абсолютными значениями, а их уровнями.
- уровнем интенсивности звука называется логарифм отношения интенсивности рассматриваемого звука к интенсивности звука, принятого за начало отсчета.

В=10lg(I/I0) [ дБ]

I0=10-12 Вт/м2 - интенсивность, принятая за начало отсчета.

I-интенсивность звука, уровень которого мы определим.

Основные свойства звуковой речи:

Звуки речи образуются в речевом аппарате человека: из легких поступает воздух, который встречает голосовые связки и приводит их в колебательные движения.
1. Колебание голосовых связок создает звуковое колебание.
f = 80Гц – 12000Гц – частный спектр звуковых колебаний голосовых связок.
2. Тип голоса говорящего:
• бас: 80 – 320 Гц;
• баритон: 100 – 400 Гц;
• сопрано: 250 – 1200 Гц;
• дисконт: до 2500 Гц.
3. Форманты - усиленные области частот. При разговоре полость рта усиливает аккорды одних частот и ослабевает другие. Каждому звуку речи соответствует усиление нескольких областей частот (до 6), но выбираются две максимальные, их и называют формантами:
• звук У - форманты вблизи частот f = 400 и f = 800;
• звук А - форманты вблизи частот f = 800 и f = 1200;
• звук И - форманты вблизи частот f = 400 и f = 2500;
• звук С - форманты вблизи частот f = 4200 и f = 8600;
Звук не свойственен русскому языку: Ф - форманты вблизи частот f = 7000 и f = 12000.
4. Большинство формант человеческой речи расположено в спектре частот 300–3400Гц, поэтому МККТТ рекомендует для телефонной связи передачи полосы частот 0,3–3,4кГц.
5. Звуковое поле обладает определенной мощностью, зависящей от громкости разговора:
• при средней громкости 10 мкВт - возле рта говорящего;
• при крике 1000-5000 мкВт;
• при шепоте 0,01 мкВт.
6. Диапазон изменения громкости звуковой речи выражается в логарифмическом масштабе и называется динамическим диапазоном речи.

Д=10lg Imax/Imin=10lg 1000/0,01=50Дб

Динамический диапазон телефонной передачи составляет всего 25-30 дБ.

Слуховое восприятие звуковых колебаний:

На слух могут быть восприняты звуковые колебания в пределах 16-20000Гц.</P >
Колебания с f < 16Гц – инфразвуковые
f > 20000Гц – ультразвуковые
Изменение частоты колебаний и изменение амплитуды колебаний воспринимается как изменение громкости звука.
Для каждой частоты имеется порог слышимости - это минимальная интенсивность звукового колебания, при котором звук слышен.

Увеличение интенсивности звуковых колебаний воспринимаются на слух как увеличение громкости. Максимально допустимая интенсивность звука, при некотором ощущении звука переходит в ощущение боли - порог болевого ощущения.

Область звукового восприятия - между ними.
Ухо человека максимально чувствительно к частотам 1000–5000 Гц. На этих частотах воспринимаются звуковые колебания с очень малыми интенсивностями. 
При организации телефонной связи необходимо учитывать некоторые особенности слухового восприятия:
1. Маскировка звуков - уменьшение уровня ощущения звука при одновременном воздействии передаваемого сигнала и мешающего звука. Звуки с большой интенсивностью маскируют звуки с меньшей интенсивностью. Если мешающие звуки более низкой частоты, чем передаваемые, также уменьшается чувствительность к передаваемому сигналу.
2. Адаптация слуха - способность уха приспосабливаться к интенсивности воздействующих на него сигналов. Если вслед за громким звуком сразу последует слабый, то ухо не успевает сразу приспособиться к его восприятию (порог слышимости восстанавливается через 10-15 секунд после прекращения воздействия громкого внешнего звука). Адаптация практически зависит от частоты.
3. Устройство, принцип действия, характеристики электромагнитного телефона
Акустическим преобразователем,преобразующим электрическую энергию в звуковую является телефон.
По принципу преобразования электрической энергии телефоны могут быть:
• электромагнитные;
• электродинамические;
• пьезоэлектрические.
Но в телефонных аппаратах общего пользования наиболее широкое применение получили электромагнитные телефоны, отличающиеся простотой конструкции, высокими акустическими данными и устойчивостью в работе.
Все электромагнитные телефоны по устройству магнитной системы могут быть разделены на две основные группы:
1. телефоны с простой магнитной системой;
2. телефоны с дифференцированной магнитной системой.
Устройство и принцип действия телефона с простой магнитной системой:
• постоянный магнит (ПМ);
• катушки с сердечниками (полюсные надставки (ПН));
• металлическая мембрана (М);
• обмотки.

Принцип действия основан на взаимодействии 2-х магнитных потоков: создающего постоянным магнитом Ф0;Ф=;ФCONST и переменным магнитным потоком Ф~- созданного при протекании по обмоткам переменного тока.
Под действием постоянного магнита мембрана (не закреплена) в исходном положении находится в притянутом состоянии и имеет изгиб ;.
Когда направление переменного магнитного потока Ф~ совпадает с направлением Ф0,то результирующий магнитный поток воздействующий на мембрану увеличивается и мембрана сильнее притягивается к полюсным надставкам.
При встречном направлении магнитных потоков, сила притяжения мембраны уменьшается и мембрана, под воздействием силы упругости, отходит от полюсных надставок, следовательно, мембрана совершает колебательные движения.
Если в обмотки телефона подавать разговорный ток, то колебания мембраны будут воспроизводить передаваемую речь, т.к создаваемые колебания воздуха воспринимаются ухом человека,как звук.

Сила,воздействующая на мембрану,обусловлена суммой магнитных потоков и определяется по формуле:
F=K(Ф0+Ф~)2 , где
К - коэффициент, зависящий от конструкции магнитной системы телефона;
Ф~=Фм• sin ;t
Фм - амплитуда переменного магнитного потока.
Назначение постоянного магнита: наличие постоянного магнита позволяет увеличить чувствительность телефона и создать условие, при котором частота воспроизводимого звукового сигнала совпадает с частотой принимаемого разговорного тока.
 
Если Ф0=0,то частота колебания мембраны будет в 2 раза выше,чем частота подаваемого разговорного сигнала. При этом, ток передаваемой речи повышается на одну октаву и передача сообщения будет происходить с большими искажениями.
 
При наличии Ф0 частота колебаний воспроизводимого сигнала совпадает с частотой подаваемого разговорного тона. Величина Ф0 должна быть оптимальной, т.к. увеличение Ф0 приводит к ухудшению условия приема (в следствии насыщения магнитной системы).
Назначение полюсных надставок: делает невозможным насыщение магнитной системы, т.к выполнен из материала, обладающего малой остаточной магнитной индукцией.                Их сечение рассчитано так, чтоб это не произошло, да и отодвигают мембрану от постоянного магнита.
Устройство и принцип действия телефонов с дифференциальной системой:
1. постоянный магнит ПМ;
2. полюсные надставки ПН;
3. каркас катушки;
4. мембрана М;
5. якорь внутри катушки Я.
При прохождении через катушку переменного тока возникающий магнитный поток взаимодействует с потоком постоянного магнита. В один полупериод происходит сложение Ф0 и Ф~ через верхний полюсной наконечник и Я и М смещаются вверх; во второй полупериод усиливается поток через нижний ПН и Я перемещается вниз.
Преимущества:
- чувствительность значительно выше;
- не вносит нелинейных искажений.
Недостатки:
- сложны по конструкции;
- более дорогие;
- используют там, где высокие шумы: корабль, шахта - это капсюли ДЭМК-7.
Частотная характеристика чувствительности телефона.
Чувствительностью телефона называют отношение волны звукового давления, развиваемого испытуемым телефоном, к волне переменного напряжения на его зажимах:
ST=P/U (Н/м2•В) (Па/В)
Зависимость SТ от звуковой частоты называется частотной характеристикой телефона.
Чувствительность телефона не является величиной постоянной, а зависит от частоты. Неравномерность характеристики объясняется резонансными свойствами М и той акустической нагрузки, на которой работает телефон:
1. собственная частота колебаний М совпадает с частотой звукового колебания (собственная частота зависит от размеров, толщины, упругости самой мембраны)
2. частота колебаний воздушных объемов заключается между мембраной и ухом, может совпадать с определенной частотой разговорного сигнала и возникает резонансное явление.
Электромагнитный телефон является обратимым устройством.(Его можно использовать и , как телефон, и как -микрофон)