电子学革命已渗入电话系统各部门，但仍有少数部件受其影响尚浅，其中之一就是电话机本身。集成电路电话的问世已为期不远了。

当人们在使用按钮电话，听到它所发出的电子音时，也许认为电话上的电子革命大概早已完成。其实不然，今日电话还是依据早在电话发明之前已经形成的机电原理工作的。虽然随着近年来集成电路的发展，电话系统的许多组成部件已进行了不少改革，但电话机本身却依然如故。笔者作为致力于研制电子电话的工程师，深知造成这一事态的原因，同时也能断定，电子电话将于数年内得到普及，它将大大改进目前的电话业务。

如果工艺的进步是唯一的决定因素的话，那么电子电话早该在多年前就付诸实用了。其所以迟迟不能实用的原因是错综复杂的，包括电话系统的发展要求，种种经济因素以及某些人体反应等，这些将在下面加以阐明。电子电话一旦出现，它将具有良好的音质，足以与今天的高传真度娱乐系统比美；它将使电话的具体形式发生彻底的变革；并且将给使用者提供种种方便，这又给电话本身开辟了新的业务范围。

让我花些篇幅来回顾一下现代电话系统的基本原理和发展过程，从而说明最新的电子电话所处的地位。

电话的主要目的是使声音进行长途传输。传统的方法是将发话人的声波转换成电能，通过电线传输，这一电流的波形和频率在理论上是与声源波相同，它进入受话人的听筒，重新变成与发话人声音同样的声波。

电话机除了让使用者能发话和收听外，还应使他能任意选择电话系统内的其他电话进行通话，并告诉他何时可以使用。任何电话如无联络系统的帮助是无法工作的。一个指定地区的所有电话都与一个电话局连接（通过_对称为“回路”的铜线），这个电话局就是一个交换中枢。打给本区内的电话通过该局接通，而打给外区的电话则通过局际干线接给其他局。

使用者呼话的过程是：他提起电话（甲机）的手机，然后听到电话局回复给他的拨号音，告诉他线路可供使用；接着他拨号码（乙机的号码）；电话局选好相应的线路，并给乙机发出铃信号，如乙机有人提起手机接电话时，电话局就接通甲和乙，话路就此建立。电话局了解通话结束，即将线路切断，以供他用。在进行长途通话时，电话局还自动记录下必要的数据，以便开立费用账单。局内的这些执行各种责能的设备称为监察电路。

北美通用的转盘拨号电话（包括从二十年代开始使用的200型机到500型机等一系列各种型号），代表了声音传输系统的发展过程。在北美的电话业中有一亿六千多万台这类电话机在使用。典型的电话机是由手机和机座组成，手机上装有话筒和听筒，通过可伸缩的四芯软线与机座相连。机座内装有：一个分离进出话音信号的变换系统，一个电话机与回路之间的通断开关，一个向电话局发出需接的电话号码的拨盘脉冲发生器，以及一个向用户发出接话信号的电铃。

话筒是一个传声器，受所收到的声音控制。它的工作原理是：话筒膜片的振动，引起一个充满碳粒的“碳精块”的电阻发生变化，从而使外部供给的电流强度改变。当膜片振动时，与之相连的铁芯对碳精块的压力也随着变化，它两端的总电阻发生了与输入声音几乎相同的变化；如果在碳精块两端加上一个电压，使之产生一持续的电流，那么作用于膜片上的声波就调制了这一电流。

（电话机的电能是由电话局内辅助发电机电源系统供给的，因此即使电力供应因设备故障而中断，电话业务仍能照常进行。）

听筒的接收器内有一片膜片和一个绕有线圈的永久磁铁。输入的信号电流通过线圈绕阻，造成磁铁磁场的扰动，使膜片振动，产生与发话者相同的声波。

话筒与听筒是通过一个通话电路，与回路连接，这个电路称为“二线——四线”网络，因为从手机来的四根线，在与回路接通时减少为二根。通话电路的主要作用是把发话电路和收话电路分离开来，以限制发话人听筒内自身话音（侧音）的强度。从人体反应的观点看，侧音的大小是很重要的。侧音太大，容易使听觉疲劳，造成发话声音降低，因而减小了受话人听到的声音强度，它也造成受话人听筒里的室内噪音的再现而使发话清晰度下降。侧音太小，则使电话产生不自然的“闷”音，造成用户发话声音太响。

另有一个必须重视的因素是关于电话与电话局间的距离，它们之间的距离可以短至几呎，长达数哩。回路铜线的实际电阻与长度成正比，因此信号在线路上要发生衰减。另一问题是，当供碳精话筒的电流由于线路电阻的增加而减小时，话筒的效果也相应下降。

标准电话机的设计中使用了一些补偿措施。补偿就是均衡，就是在通话网络内增加两个变阻器，即可变电阻来进行调节。它们在直流电流值较小时取阻值较高，否则反之，从而使电话局来的直流电压保持不变。在短回路中电流相对地较大，易造成声音太响；而长回路中电流相对地较小，而使说话人不得不提高嗓音；变阻器的作用就在于改善上述情况。

电话的鸣铃器是通常的机电断续电路，它驱动铃舌敲击两铃。钩开关的作用是当电话机停止使用时，切断通话网络和拨号电路。手机搁在摇篮架上，以其重量使开关开路。当手机被提起时，通话网络即与回路连接，使直流电流接通，该电流带动局内继电器，把回路与监察电路连接。电话局回输一个音频信号，通知呼话人一切就绪，准备接收他拨的号码。

发出号码信号的传统方法是人们熟悉的转盘拨号。如果呼话人把对着6字的孔转到一端，弹簧就被上紧、各个触头打开；当放松拨盘，即由调节器控制它的返位速度，于是六个脉冲以正确的速率送到电话局，一般是每秒十个脉冲，每二个脉冲的间隔为六十分之一秒。

按钮式拨号的工作过程是不同的。每按动一下按钮，晶体管振荡器就接通一次，发出一对音频（每次认八个领率中选择二个，从而得到不同的复合双音）。局内的译码机即接收并且译出这二个音频。

从1953年以来，北美的标准电话机，除按钮拨号外，其他主要的设计和性能均无改变。因此，目前加拿大贝尔公司研制的全电子电话的出现是一个重大的进展。在这种电话机内，通常的机电构件如鸣铃器，变压器耦合的通话网络和晶体管音频拨号器等均由集成电路“晶片”代替，每片执行一种功能。（集成电路能把上千个相互连接的晶体三极管，二极管和电阻制作在一片仅0.15平方时的硅片上。）这三片电路与一些外部元件相连接，就构成了电话机的主体。电动话筒代替了碳精话筒和磁铁听筒。

电动话筒的工作原理是这样的，当导体在磁场中振动，它的两端就产生一个电压。该话筒是由一薄膜片，上面附着一个线圈组成的。声波作用在膜片上，造成线圈在永久磁铁的磁场中运动，而产生一交变信号电流。虽然声音推动电动元件（它不像碳精话筒那样需要供给一电流），输出的信号很弱，但它通过一个放大电路的放大后就能输出足够的音量。

在通话网络集成电路的设计中，考虑到电动话筒的特点，因而它包括有听筒和话筒两者的放大器。回路长短引起了回路电流的变化，放大器的放大系数也相应地自动调整，这样就补偿了回路长度的变化，使音量保持不变。通话网络中的平衡电路还输出适当的侧音电平。其他电路则起与音频发生电路“交连”的作用。

信号音是根据国际公认的频率标准确定的，包括四个低频音和三个高频音（第四个高频音组准备为以后第四列按钮使用，那时键盘上的按钮不是12个而是16个）。

假定呼话人按动5号按钮，这时高频音组是1336赫兹（周/秒），低频音组是770赫兹。在电话机的使用年限内的任何温度条件下，这些频率必须准确地保持在规定值的上下1.5%范围内。集成电路应用数字划分的方法来达到这个精确度。作为主脉冲源的高频振荡器分接两个计算器，每个计算器划分一组频率。划分过程由一个数字编码器控制，用特定的程序使计算器工作，产生正确的音频。键盘的作用是每按一次按钮，接通两对触头，集成电路内的译码器随之发出相应的划分程序。该电路内还包括一个数字——模拟转换器，它能把划分出来的频率从一长串0和1的数字译成交变的音频信号，即可听见的声音。

为了说明音频发生电路与通话网络的交连，让我们来观察产生音频信号的典型过程。当按动键盘上的按钮，音频发生电路内的键盘译码器向网络电路内的“公共开关”发出信号。这个开关所以这样命名，是因为每当按动按钮，它都执行同样的动作：给音频发生器提供电能，启动主脉冲振荡器和划分电路。同时它将话筒断开，并把信号音频送入话筒放大器，这样可防止噪音窜入线路，与信号音混杂，扰乱电话局内信号接收器的正常工作。公共开关实际上也抑低了听筒放大器的放大系数，使呼话人不至于在听筒内听到一个突如其来的声音。当按钮松开，整个过程即复原。

铃电路实际上并不发出铃声，而是二个频率略异的声音。（频率的选择也存在人体反应的问题：声音必须悦耳；但也应该急促一些，能够催人接电话，而不至于听得顺耳而迟迟不接。）

北美大部分地区使用的机电电话是十分成熟的机器，是百余年改进的结果。回顾一下发展过程中的概况，就能知道为什么只有到目前电子电话才能取机电电话而代之。

不容忽视的事实是，各电话公司掌握着大部分电话设施的产权。各公司在他们现有的设施中有大量的投资，任何公司只有了解了在成本和性能方面的实际收益，才愿意更换现有设备。总之，任何新的设计必须完全适合于现有的系统。

促使大量投资的另一重要因素是设备必须长期保持高度的可靠性，一般应能超过四十年。例如1930年建立的许多电话局至今仍在使用。新的设计在制造厂家也会遇到同样的障碍，工厂自然不乐意废弃现有的生产工艺。然而在电话机的发展中如何使工艺进步适应这种种的因素呢？

电话的发话、收话、发送信号和鸣铃等主要功能都是1890年前由A. G. 贝尔和他的同时代人发明的。到25年后，电话的这些主要设计方才第一次发生了重大的改革，出现了转盘拨号电话。这个改革并非由于工艺上的原因造成的，（实际上人工呼号系统比拨号系统来得好）而是因为电话系统的迅速扩展造成操作人员日益短缺的缘故。

听、话两筒装在一起的单柄电话经历的时间更久，虽然它在1900年以前就已发明，但直到1920年代还没有被大量采用。为什么实施这一具有明显优点的改革却费时这么长久？这个问题为当时的儿童们十分熟悉的，他们把听、话筒分开的双筒电话的听筒贴近话筒，就能使电话机“唱歌”。造成哨音的原因是听、话筒通过侧音电路发生音的耦合。在试图把听、话筒装在同一手机上时，这一效应越发强烈，因为声音通过手柄直接耦合。这需要认真探索，以便造出无哨音电话。

着重对听、话筒输出部分的进一步改进，产生了500型机。1963年出现的按钮电话，除拨号盘外，其他部件都与500型机基本相同。然而按钮电话却代表了电子电话时代的起点，因为它的音频发生电路内用了一个晶体管。

1967年一个挪威人的发明给通常的电话机指出了新的发展前景，他用电动话筒和一个电子放大电路代替了碳精话筒。1973年一家丹麦电话公司又作了进一步的改革，采纳了电子通话网络。

一个新的设计必须既在性能上又在成本上提供实际的收益，否则就不会被广泛采用，因此电子电话的利益何在是值得研究的。优点确有不少，先从性能上说起。

标准电话机的碳精话筒有不少缺点。它的输出效果受到回路中的电流变化、设备的年限和使用方法的影响。（有人仍用猛击手机的方法来摇匀碳粒以减少声音失真和增加话筒声音输出。）用线性电动话筒代替碳精话筒就消除了所有这些缺点，使电话具有高传真度的通话音质。

电子电话的补偿能力比500型机强得多，部分原因是话筒效果的变化被消除了，而且电子电话也能完全补偿长回路上的衰减。另外，它还能良好地消除短回路上的回音。

电子电话的其他一些优点目前尚不明显。电子电话机在长回路中得到的电力是它需要量的五倍多，而在短回路中则有100余倍。如果监察系统也作相应的重设计，电话局在线路布局和能耗方面的经济性将会不断增加。然而从现状看，北美的拥有一亿六千多万台标准电话机的现存基础将使这些改进要推迟好多年才能实施。

电子电话的直接经济利益在于缩小了部件的实际尺寸和数量。最有意思的例子是按钮装置。标准按钮电话单是按钮部分就有120多个零件，因为要有一个包括按钮杆和弹簧在内的复杂机构来执行公共开关的作用。标准按钮机还在晶体管振荡电路内用到两个铁氧体磁芯的感应变压器，这样就使这一单元显得庞大而价格昂贵。另外，这两个变压器在制造时必须分别调整，把发音频率以不同数值调到各自不宽的频道上。而电子电话的网络电路能行使公共开关的电气功能，因此它只有一个仅包括少量零件的简单拨号机构。

电子电话的鸣铃器，通话网络和保护电路，与相应的机电构件相比，也显出零件精简，结构紧凑的特点。电子电话机总共能省去约180个零件。由于余下的大多数元件都是些成本低廉的电容、电阻和集成电路，所以日用电子工业中已发展完善的高度自动化装配线和调试方法，就能应用于电话制造业中。

虽然在降低电子电话的成本上，主要应归功于近年来集成电路工艺的发展和半导体器件的良好功能，但也有部分是由于其他元件的改革所致。例如音频发生器中的主脉冲振荡器的振荡频率必须稳定在2%之内，过去只有精确加工的石英晶体谐振器才能达到这一精确度，而这样的晶体，按不同的中心频率要求，其价格从80美分到5美元不等。近来发明的许多陶瓷谐振器的价格仅30美分，而在音频发生器内使用的效果与晶体相同。另有一个部件，是用来保护电话免受涌浪电流冲击的，在近两年内它的价格降低了三分之二。

除了改善性能和降低制造成本外，电子电话提供的好处还有很多。目前为容纳庞大机电构件而形成的电话外形，可能按各种方案重新设计，任凭设计人想象能力的发挥。电子电话不久将赋予许多新的性能，这在目前只能采用昂贵的附件才能办到。例如，采用廉价的存储集成电路后，只要按一下按钮即可找到预先存入的电话号码。这样一旦遇到紧急情况，不再需要疲于找寻警察局或救火会的电话号码；任何号码均可存储。如果一个号码一时接不进，也可以把它存入存储器，然后只要按一下按钮就可重新试打一次。

只要再花上几个美元，就可以加装类似于电子计算器上的显示板。有了它就可以计算长途电话的使用时间，核实已存入的电话号码，并能在键盘上进行计算。电子电话的用户还可根据情况选择适当的铃音量和音质。比如在卧室内需要声音柔和圆润一些，而在工厂车间内则需要它强烈和刺耳些。应用电子元件后就很容易实现电话的宅内“保持”性能使用户在将一个通话从一个分机转往另一分机时，不必转回总机，然后再改换手机。最后，每架电话还能做到“徒手”通话，即用户在发话和听话时不必老提着手机。

[译自Scientific American1978年238卷3期。沈品石、钱维光译，王绾校]