56Научно-технические разработки

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Телефония в кабеле


А.Бителева Теле-Спутник - 3(65) Март 2001 г.


Мы начинаем публикацию серии статей,
посвященную основам телефонной передачи,
транспортировки данных и вариантам внедрения услуг телефонии
в ТВ кабельную сеть.

Любой из нас много раз поднимал телефонную трубку, набирал номер и подключался к абоненту на другом конце провода. При этом мы обычно не задумываемся, что происходит с сигналом, после того как он уходит из нашей квартиры. Поэтому начнем с краткого изложения азов телефонии.

АТС

Все начинается на телефонном коммутаторе — устройстве, установленном на центральной или местной АТС, — который после набора последовательности цифр соединяет наш телефон с любым другим.

Структура современного коммутатора показана на рис. 1. Основой коммутатора является коммутаторная матрица, реализующая все соединения. Ниже матрицы можно видеть различные интерфейсы, использующиеся для связи с внешним миром. Справа показаны магистральные интерфейсы. Они поддерживают взаимодействие с другими коммутаторами и обеспечивают связь с телефонами, подключенными к этим коммутаторам.

Подключение телефона к коммутатору может производиться двумя путями. Первый путь — через аналоговый интерфейс, реализуемый контроллерами линии. Второй — через систему DLC (Digital Loop Carrier), перемещающую контроллеры линии ближе к абоненту. Эти интерфейсы показаны слева и в центре.

Вариант слева иллюстрирует традиционный способ подключения, при котором провода от телефона непосредственно доходят до коммутатора. Интерфейс соединения в этом случае — чисто аналоговый.

Если трубка положена, на паре телефонных проводов присутствует постоянное напряжение. Когда трубка снимается, между проводами замыкается контакт и появляется ток. Контроллер линии улавливает течение тока и передает коммутатору сигнал о снятии трубки.

Затем к контроллеру подключается генератор тоновых сигналов (на рисунке он не показан). По мере того как абонент набирает телефонный номер, контроллер линии перекодирует его и посылает информацию встроенному в коммутатор процессору, а процессор в свою очередь решает, что с ней делать. Этот интерфейс хорош для обслуживания небольшого числа телефонов, к тому же расположенных близко к коммутатору. В остальных случаях гораздо экономичнее и технологичнее перенести контроллеры линии ближе к телефонам и подключать их к коммутатору через различные цифровые интерфейсы.

При использовании DLC можно перенести контроллеры из коммутатора в небольшой шкаф (концентратор), расположенный поблизости от группы абонентов. Для соединения DLC концентратора с коммутатором требуется единственная пара медных проводов, или оптический кабель.

Рис. 1. Включение в систему цифровой технологии DLCРис. 2. Телефонный коммутатор

DLC — общие представления

Концентратор DLC — это нечто аналогичное оптическому узлу. Оптический кабель доводится до узла, расположенного поблизости от группы абонентов, там оптический сигнал преобразуется в электрический и по коаксиальному кабелю пересылается абонентам.

Аналогично DLC по оптическим или медным проводам перегоняет сигналы к группе абонентов и по медным проводам рассылает их к телефонам в аналоговом виде.

В зависимости от формата передачи между коммутатором и концентратором, число поддерживаемых линий может колебаться от 30 (для формата Е1) или 24 (для формата Т1) до нескольких тысяч.

Цифровая сигнализация несет информацию о том, что концентратор должен передать на телефонные аппараты.

На время отсутствия связи концентратор налагает на соответствующую медную пару некоторое постоянное напряжение. При снятии трубки концентратор улавливает ток и передает сообщение коммутатору, который, в свою очередь, дает команду концентратору переслать на телефон тоновый сигнал.

Когда у коммутатора запрашивается соединение с телефоном, он посылает концентратору команду сформировать напряжение для звонка. Концентратор умеет также формировать сигналы "занято" и "заняты все магистрали". В большинстве случаев он выполняет и более сложные функции, такие как поддержка АОН — для этого требуется между сигналами звонка пересылать номер телефона, запрашивающего соединение.

Рис. 3. Изменение архитектуры DLC для кабельной телефонии Рис. 4. Принцип оцифровки

Внедрение телефонии в кабельную сеть

Теперь, имея базовые знания, мы сможем понять, как система кабельного телевидения стыкуется с системой телефонии. Посмотрим на рис. 2. Для стыковки с кабельной сетью можно построить такой интерфейс, который будет восприниматься коммутатором как концентратор. На рис. 3 показано, как нужно изменить архитектуру DLC, при добавлении к общей картине кабельной сети. DLC интерфейс на телефонном коммутаторе общается с устройством, установленным на головной станции, так называемым головным цифровым терминалом — HDT (host digital terminal). HDT — очень широкий термин. Он используется в промышленности для обозначения аппаратов, размещенных на головной станции и взаимодействующих как с системой кабельного ТВ, так и с какой-то внешней системой, например с телефонным коммутатором.

Интерфейс между HDT и коммутатором аналогичен одному из стандартных телефонных интерфейсов. Коммутатор может размещаться на головной станции или в каком-то другом месте. HDT состоит из радиочастотного передатчика, пересылающего сигналы абонентам, и приемника, принимающего их сигналы.

В квартире для разделения телефонных и телевизионных сигналов устанавливается обычный направленный разветвитель, один из выходов которого подается на телевизор, а другой — на аппарат, выполняющий роль телефонного интерфейса. В технической литературе это устройство называется по-разному, но чаще всего — устройством сетевого интерфейса — NID (network interface device). В состав NID входят приемник и передатчик, осуществляющие взаимодействие с HDT, а также телефонные интерфейсы, аналогичные тем, которыми оборудованы DLC концентраторы. Сегодня NID, как правило, устанавливаются за пределами дома или квартиры. В некоторых случаях их располагают в кладовках внутри дома, а иногда прикрепляют под телефоном в плоской коробке.

Таким образом, стандартный телефонный DLC интерфейс заменяется системой транспортировки по кабельной ТВ сети. При этом добавляется этап радиочастотной передачи, отсутствующий в большинстве DLC систем.

Разумеется, в NID встроена и логическая начинка, управляющая подключением к HDT и интерпретирующая команды, поступающие с головной станции. Но, тем не менее, для коммутатора и телефонов кабельная система ничем не отличается от DLC.



Рис. 5. Мультиплексирование в прямом и обратном канале

Оцифровка сигналов

Предварим этот параграф небольшим ликбезом на тему эха и бокового тона — двух в чем-то схожих явлений, возникающих в телефонном тракте. Несмотря на то что кабельным операторам вероятно не придется корректировать их проявления — эхо ликвидируется на телефонном коммутаторе или возле него, а боковой тон формируется телефонным аппаратом — следует иметь представления об этих явлениях, так как они влияют на качество голосового сигнала, принимаемого абонентом.

Оба — эхо и боковой тон — возникают за счет того, что человек слышит в трубке собственный голос. Однако эхо, приходящее с задержкой, вызывает раздражающее двоение, в то время как боковой тон смягчает звук голоса и делает его в трубке более естественным.

Эхо образуется за счет отражения голосового сигнала на другом конце провода и его возврата на телефон абонента. В протяженных линиях задержка отраженного голоса очень заметна, поэтому в них необходимо использовать механизмы эхоподавления. Такой механизм может сводиться к понижению уровня усиления в направлении противоположном передаче голосового сигнала. Во время разговора это направление постоянно меняется. Могут использоваться и более сложные механизмы — разные системы эхокомпенсации, основанные на математическом моделировании канала.



Рис. 6. Асинхронная цифровая иерархия

Дискретизация

После того как сигнал выходит из телефонного аппарата, он, еще до попадания на коммутатор, преобразуется в цифровую форму. Для такого преобразования сигнал нужно предварительно продискретизировать, а затем зафиксировать уровень каждого отсчета на время, необходимое для его оцифровки, в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Самая общая схема оцифровки показана на рис. 4.

Дискретизатор-фиксатор состоит из переключателя и емкостной схемы. Переключатель при замыкании подает входной сигнал на конденсатор, который заряжается, и после размыкания переключателя поддерживает на входе АЦП постоянный уровень напряжения. Он сохраняется на все время цикла аналого-цифрового преобразования, занимающего около 10 мкс.

После прохождения телефонного тракта сигнал, непосредственно перед подачей на телефон, преобразуется обратно в аналоговую форму.

Основы теории дискретизации

Дискретизация любого сигнала основывается на теореме Найквиста (Котельникова), определяющей частоту отсчетов, необходимую для точного воспроизведения сигнала после обратного преобразования. В соответствии с теоремой частота дискретизации должна как минимум вдвое превышать верхнюю частоту спектра преобразуемого сигнала. На практике частота дискретизации должна быть несколько выше.

При попытках дискретизировать сигнал, спектр которого содержит частоты выше половинной частоты дискретизации, происходит срез спектра сигнала, приводящий к возникновению артефактов, сильно искажающих сигнал.

Установлено, что спектр человеческой речи в основном умещается в полосе до 3 кГц. Поэтому при использовании идеального фильтра низких частот (ФНЧ) голосовой сигнал можно дискретизировать с частотой 6Ч103 отсчетов в секунду. На практике, как правило, используют дискретизацию с частотой 8Ч103 отсчетов в секунду. Этот вариант больше соответствует возможностям реальных ФНЧ и в случае появления частот выше 3 кГц позволяет воспроизводить голос более естественным образом.



Рис. 7. SONET

Теория побитного квантования

Следующий вопрос — какое количество бит должно отражать величину каждого отсчета. То есть надо определить количество дискретных уровней, выделяемых в аналоговом сигнале. Число уровней квантования напряжения, обозначаемых n-битным числом, составляет 2n. Так, если при квантовании мы используем 4 бита, то с их помощью мы сможем отразить 24=16 дискретных состояний. Если сигнал имеет уровень, отличный от этих 16, то после дискретизации он будет округлен до одного из них. При этом погрешность квантования может составлять до половины разности между соседними уровнями. Эта погрешность создает определенный шум. Отношение сигнал/шум в этом случае определяется как:

S/N= 20Чlg24 = 24 дБ

4-битная оцифровка не обеспечивает уровня сигнал/шум, необходимого для целей передачи данных.

8-битное квантование позволяет увеличить этот уровень до 48 дБ. Эта значение уже удовлетворяет требованиям, предъявляемым в линиях передачи голоса.

Для улучшения значения сигнал/шум можно на разных уровнях использовать разные шаги квантования. Если на нижних уровнях использовать более мелкие шаги, то шум будет не так заметен.

Итак, если голосовой сигнал дискретизировать с частотой 8Ч103 отсчетов в секунду и каждый отсчет кодировать 8-битным словом, то скорость передачи составит 8Ч103Ч8=64 кбит/с. Поток 64 кбит/с является базовым элементом цифровых систем транспортировки телефонии и других данных. Он называется DS-0 (digital signal — 0). При иерархическом мультиплексировании потоков DS-0 формируются потоки DS-x , с более высокими индексами.

При передаче к битам голосовой информации добавляются служебные биты, несущие номер запрашиваемого телефона, различную сетевую информацию, иногда данные об условиях оплаты.

На все это накладываются слой контрольной информации, позволяющей поддерживать нужные уровни сигнала при обратной передаче, стабильные частоты в прямом и обратном направлениях и т.д.

В широкополосных сетях, например в СКТВ, для повышения эффективности использования каналов желательно в одном потоке передавать несколько голосовых сообщений. Для их объединения существуют разные способы, но наиболее распространенным является мультиплексирование с временным уплотнением — time division multiplexing — TDM.

Мультиплексирование в прямом канале

На рис. 5 изображен способ объединения 24-х разных телефонных потоков (DS-0). Это стандартный формат DS1, применяемый в Cеверной Америке. Аббревиатура DS (digital signal) — характеризует способ мультиплексирования потока. Если этот сигнал затем передается по медной паре, то он именуется T1. Термины DSх и Tх часто путаются. В Европе существует аналогичный стандарт на мультиплексирование 32-х телефонных потоков. Он называется Е1.

24 потока могут быть мультиплексированы на головной станции и на одной несущей передаваться к 24 NIDам.

Напомним, что каждый телефонный разговор требует потока скоростью 64 кбит/с. При использовании временного уплотнения в потоке поочередно передается по 8 бит (по одному частотному отсчету) для каждого потока. Так происходит 8 раз. Передача 8 отсчетов для всех 24-х потоков составляет один кадр данных.

Телефонный кадр по своему смыслу аналогичен телевизионному, несущему информацию о цельной картинке.

Для обеспечения непрерывности голосового потока кадр надо посылать каждую миллисекунду.

Можно высчитать суммарную скорость получившегося потока. Скорость потока по американскому стандарту Т1 составит 64Ч24Ч103 = 1.544 Мбит/с, а по европейскому Е1 — 64Ч32Ч103 = 2.048 Мбит/с. В силу того, что передача телефонии по ТВ кабельным сетям сопровождается большим количеством служебной информации, там обычно используется стандарт Е1.

Однако при выходе с головной станции телефонные потоки могут быть перепакованы по стандарту DS1 (1.544 Мбит/с).

Информация для управления и синхронизации добавляется в начале кадра. Там, в частности, передается метка нулевого времени, от которого приемник отсчитывает нужное количество бит и выделяет в кадре свои слоты для приема и передачи.

Мультиплексирование в обратном канале

Пересылка информации в обратном канале происходит аналогично описанному выше, но с одной существенной разницей. Ввиду того, что сигналы обратного направления отправляются разными передатчиками, следует дать каждому передатчику возможность включиться, выдать в канал информацию и затем отключиться, с тем чтобы следующий передатчик мог занять соседний временной слот.

Разновидность временного уплотнения, при которой в поток включаются сигналы от разных передатчиков, называется TDMA (time-division multiple access). Идея уплотнения та же, что при TDM, с той разницей, что передача идет от нескольких передатчиков к одному приемнику, а не наоборот. Невозможно мгновенно запустить передатчики на рабочую мощность. Поэтому между временными слотами, отведенными разным передатчикам, следует оставить холостой промежуток, во время которого один передатчик отключается, а другой — включается.

Каждый NID занимает один из 24-х временных слотов.

Так как разные NIDы могут обслуживаться разными оптическими узлами и к тому же подключаться к ним коаксиальными отрезками разной длины, то при передаче следует учитывать относительную задержку сигналов, поступающих от разных мест. Она высчитывается в момент инициализации NIDов. На головной станции определяется время прохождения сигнала, посланного к каждому NIDу, и на основании этого вычисляется то опережение, с которым он проводит передачу, с тем чтобы она пришла на станцию в нужном временном слоте. Для проведения этого измерения, так называемой пристрелки по дальности, каждый NID передает головной станции очень короткое сообщение, размещаемое в середине своего слота. Краткость сообщения предотвращает возможность его сползания в соседний временной слот.

Иерархическое мультиплексирование

Рассмотренные выше форматы относятся к нижнему уровню иерархического мультиплексирования, применяемого в телефонии и других системах передачи данных. Для мультиплексирования большего количества сигналов предусмотрены более высокие уровни иерархии, однако на распределительных участках СКТВ они пока не используются. На рис. 6 изображена цифровая иерархия, применяемая в Северной Америке. Аналогичная система используется в Европе и на других континентах. Аналоговый голосовой поток поступает на кодек, преобразующий его в цифровой поток скоростью 64 кбит/с — DS-0 (digital signal). 24 потока DS-0, объединенные с потоком служебной информации в 8 кбит/с, образуют поток DS1.

Поток DS2 в основном используется во внутренних схемах мультиплексоров. Следующий распространенный формат, DS3, переносит 672 телефонных потока или соответствующее количество других данных. Иногда в электрических сетях можно встретить и более высокие уровни иерархии, однако в современной практике в таких случаях чаще используют оптоволокно.

Американские и европейские стандарты для оптики тоже несколько различны. Северная Америка использует стандарт SONET (Synchronous Optical NETwork), Европейский стандарт называется SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Кабельным операторам важно представлять эти технологии, так как они используются для передачи потоков телефонии и данных с головной станции в транспортную сеть. Эти же стандарты могут использоваться в каналах, соединяющих головную станцию с оптическими узлами распределительного тракта.

Иерархия SONET показана на рис. 6. Она во многом схожа с асинхронной цифровой иерархией. Основная разница заключается в том, что в асинхронной иерархии любой фрагмент потока может быть заменен произвольным фрагментом от другого источника. Единственное требование, предъявляемое при такой замене, — сохранение общей скорости потока. При синхронной иерархии фрагменты от разных источников имеют свое неизменное место в общем потоке. Это облегчает процедуру их последующего выделения.

Скорость передачи данных в SONET несколько выше, чем в асинхронной иерархии. Цифра после OC (optical carrier) указывает на число мультиплексированных потоков ОС-1 со скоростью 51.84 Мбит/с. Так, например, OC-3 переносит 155.52 Мбит/с, или 2016 телефонных разговоров. На сегодняшний день серийно выпускается оборудование, поддерживающее скорости до OC-192 (9.953 Гбит/с).

На коммутаторах обычно устанавливаются интерфейсы, способные работать как с оптическими, так и электрическими линиями. Североамериканская версия интерфейса называется TR-303, а на других континентах используется аналогичный интерфейс V5.2. К сожалению, эти два стандарта несовместимы.

По материалам зарубежной прессы.



 
Теле-Спутник Март 2001
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт