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： 通过人力或动物传递信息，速度较慢，受地理条件限制。

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：

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：

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。

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：

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。

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。

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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