Symbian.net.ua

Телефонная сеть общего пользования, ТСОП, ТфОП (англ. PSTN, Public Switched Telephone Network) — это сеть, для доступа к которой используются обычные телефонные аппараты, мини-АТС и оборудование передачи данных.

PSTN-Секция телефонной инфраструктуры, ведущая от Class-5 офисов и осуществляемая ICX(англ. interexchange carriers)

В PSTN передача сигналов (в том числе и настройка соединения) и сам разговор осуществляется через одну и ту же универсальную линию связи (магистраль) от Системы Коммутации источника к СК адресата. Этот процесс занимает каналы связи всех задействованных при соединении СК. То есть если вызываемый адресат занят, все эти соединения окажутся напрасными.

Обычно PSTN используют звездовидную конфигурацию (главный элемент соединён с множеством второстепенных). Но это не единственный метод. К примеру, CATV (компании кабельного телевидения) используют древовидную конфигурацию. В сетях TCP/IP используются различные протоколы.

Исторический обзор

Конец XIX века ознаменовался рядом революционных технических открытий и изобретений. Одним из них было изобретение в 1876г Беллом телефонного аппарата и телефонной связи. В 1878г в городе Нью-Хевене (США, штат Коннектикут) стали строить первую в мире ручную телефонную станцию. Естественно, для увеличения надёжности телефонной связи, её удешевления, начали пытаться автоматизировать процесс установления и обслуживания соединений. Было предложено много разных проектов построения Автоматических Телефонных Станций (АТС), однако, не так много оказались достаточно надёжными, получившими народное признание.

В 1889г Строуджеру (США) пришла идея создания декадно-шагового искателя (ДШИ). России настолько понравилось изобретение г. Строуджера, что до сегодняшнего дня около 25% парка московской ГТС - это АТС декадно-шагового типа (АТС ДШ). Типичный декадно-шаговый искатель, это довольно сложное электро-механическое устройство, этакое доработанное электро-механическое реле, ориентированное на передачу и преобразование информации о вызываемом номере в виде декадных шлейфовых импульсов тока. Стандартно, ДШИ имеет 2 электромагнита, подавая последовательно на которые от 1-го до 10 импульсов тока можно осуществить выбор одного из 100 доступных соединений (коммутируются не только разговорные линии, поэтому ДШИ коммутирует больше, чем просто 2 провода от Вашего телефонного аппарата). Поскольку ДШИ имеет механические контакты, которые постоянно движутся, то их износ и окисление приводит к тому, что сопротивление в месте контакта со временем повышается. Все бы ничего, но мощные электромагниты ДШИ вызывают вибрацию стоек, в которых их установлено очень много, что в свою очередь приводит к тому, что эти контакты имеют к тому же и переменное сопротивление. Как следствие - в процессе разговора появляются посторонние трески и шумы, создающие большие помехи для современных систем передачи дискретной информации (например, модемов).

В 1914 году Бетлаундер (Швеция) изобрел многократный координатный соединитель (МКС). Так появились АТС координатного типа (АТСК). Таких устройств в Москве ещё больше - около 40%. Одним из достоинств МКС является то, что в процессе установления соединения контакты МКС не трутся друг о друга при замыкании, а замыкаются как в стандартном электро-механическом реле (контакты давления). Поскольку трение скольжения всегда больше трения качения, то изобретение МКС, в каком то смысле, аналогично изобретению колеса. Контакты значительно меньше изнашиваются, механических вибраций меньше, качество связи выше. В 1939 году в США была введена в эксплуатацию первая АТСК. 25 лет потребовалось с момента изобретения МКС. Это связано с тем, что в АТСК производится довольно сложная обработка управляющей информации. В первых станциях это делалось исключительно на реле.

В ряду аналоговых станций стоят ещё и так называемые квази-электронные и электронные станции. Коммутация в таких станциях осуществляется с помощью герметизированного контакта (геркон) или электронного ключа, управляемого микропроцессором. Революционное внедрение микропроцессоров сильно повысило эффективность АТС, позволило оснастить рядом приятных дополнительных функций (дополнительные виды обслуживания или ДВО). Современная АТС в частности и связь вообще немыслимы без микропроцессорной техники.

Однако, начиная со времён Белла и до электронных АТС, не менялся сам принцип коммутации сигнала - это всегда был аналоговый сигнал с пространственной коммутацией, а значит качество канала с увеличением точек коммутации падало, а каждая точка коммутации требовала соответствующего физического элемента, а, соответственно, и вся станция имела гигантские размеры. Ситуация кардинально изменилась с появлением цифровых АТС.

В 1933г. В.А.Котельников сформулировал теорему, носящую теперь его имя. В 1938г А.Х.Риверс запатентовал тот метод преобразования аналоговых сигналов цифровой временной коммутации, который мы теперь называем ИКМ. Теорема Котельникова является краеугольным камнем цифровизации сигналов, а следовательно, математической базой для работы цифровых АТС при передачи, в первую очередь, речи. В Европе и США то же самое связывают с именем Найквиста. Во Франции в 1975 году бала введена первая в мире цифровая АТС типа Е10 и через двадцать с небольшим лет после этого события, в настоящее время завершается реконструкция сетей на основе цифрового стандарта.

В цифровой АТС сигнал коммутируется и передаётся в цифровом виде, то есть в виде последовательности нулей и единиц. Коммутация осуществляется, как правило, пространственно - временным способом. Именно появление интегральных коммутаторов от 256 до 4096 неблокированных каналов сделали цифровые методы коммутации доступными . Это всего лишь одна микросхема. Подробнее об интергальных коммутаторах можно посмотреть у фирм MITEL и SIEMENS. Стандартным объектом коммутации является цифровой канал со скоросттью 64кбит/сек. Более подробно о преобразовании аналогового речевого сигнала в цифровой речь пойдёт ниже.

Важным достоинством цифровых АТС является то, что с помощью них можно очень легко передавать любые виды информации в цифровой форме, что очень сложно сделать на аналоговых АТС, а это является необходимым условием создания ISDN (Integrated Services Digital Network или Цифровая сеть с Интегрированными Услугами) сетей. ISDN - это сеть связи, обеспечивающая полностью цифровые соединения между абонентскими устройствами для поддержания возможности передачи как речевых, так и неречевых данных с помощью стандартизированных многофункциональных интерфейсов. Это очень интересное и перспективное направление в развитии сетей связи, имеющее, однако, на сегодняшний день малое практическое значение, особенно для России.

Проблемы стандартизации в телефонии

Если Вы съедите нестандартный по форме бутерброд, то ничего не произойдет. Если вы будете писать нестандартной ручкой, то в этом также нет ничего страшного. Если Вы оригинально (нестандартно) видите мир, то это даже хорошо - может быть из Вас получится модный писатель, журналист или модельер (если, конечно, не имеется в виду простой дальтонизм). Для связи же малейшая нестандартная работа отдельных узлов - и вот Вы уже никак не можете дозвониться абоненту. Или Вы с ужасом думаете, как же этот прекрасный, красивый телефонный аппарат с маленькой, элегантной и надёжной вилочкой RJ-11 подключить советской телефонной розетке. Увы никак, только с помощью хирургического вмешательства.

Для преодоления подобных смешных проблем, и проблем значительно более серьёзных, создана Международная консультативная организация по телефонии (ITU-T). Когда ещё в 1995 году специалисты рекомендовали Вам подождать с выбором высокоскоростного модема на скорость больше 20000 бит/сек, они на самом деле ждали утверждения стандарта V34. Значимость стандартизации в области связи трудно переоценить. Кратко можно сказать так. Если вы работаете в области связи, а тем более что-то разрабатываете и хотите заработать деньги - придерживайтесь стандартов, прежде всего национальных, а если их нет или они малодоступны, то международных. Прочитать о стандартах в области телефонии можно на сервере ITU-T или на сервере Европейского института стандартизации в области связи. К сожалению, эта информация почему-то считается коммерческой.

Стандартизацией телефонии в России занимается Министерство связи и их головной институт в этом вопросе - ЛОНИИС. Первичным источником всех стандартов в России, в котором, впрочем, непосвящённому человеку невозможно разобраться, является так называемый Руководящий Документ по построению Общегосударственной Системы Телефонной связи (ОгСТфС). Лицензию на проведение сертификационных испытаний (процедуры, призванной установить соответствие некоторого устройства стандартам) имеет и ряд других подразделений Министерства связи и ГосСтандарта.

Как устроен абонентский комплект

Для подключения оконечного аналогового телефонного устройства к телефонной станции используется аналоговая абонентская линия, имеющая более строгое название - Z-интерфейс. Именно сюда Вы включаете свой обычный телефонный аппарат с помощью 2-х проводов. Стандарт на него сформировался ещё в 30-е годы и с тех пор претерпел весьма незначительные изменения. На нем лежит отпечаток уровня техники и технологии тех лет. И, как часто это бывает, то что на уровне устаревших технологий реализовывалось сравнительно просто, а может быть и вообще было единственным разумным способом реализации, через некоторое время превратилось в технологический архаизм. Однако, деваться некуда - существуют миллиарды абонентских устройств, работающих в этом стандарте.

Полный стандарт на Z-интерфейс содержит достаточно много информации.

Остановимся на ключевых моментах.

Для передачи и приёма речевой информации используются всего 2 провода. По ним же осуществляется дистанционное питание оконечного абонентского устройства и вся сигнализация - трубка снята, трубка опущена и набор номера. Согласно требованиям на телефонные аппараты абонентская линия должна обеспечивать ток не менее 18 мА. Для создания такого тока используется станционная линейная батарея с номинальным значением напряжения -60В или -48В. Легко заметить, что чем больше напряжение станционной батареи, тем более длинные абонентские линии будут поддерживаться. Для рационального использования энергоресурсов, уменьшения тепла, выделяемого в абонентских комплектах и увеличения допустимой длины абонентской линии современные АТС используют схемы со стабилизацией тока питания абонентского шлейфа. Номинальное значение тока, в этом случае, обычно делается равным 25-30 мА. Замыкание/размыкание абонентского шлейфа, с помощью контакта телефонного аппарата, используется и для передачи информации в станцию о том что трубка телефонного аппарата снята и о наборе номера.

Другой непременный атрибут абонентской линии - электрическая симметрия проводов. В общем случае, для количественной оценки симметрии служит так называемый коэффициент затухания ассиметрии. Это частотно зависимый параметр, нормируемый в области полосы рабочих частот. Чем больше коэффициент затухания ассиметрии, тем менее абонентская линия чувствительна к внешним помехам. Следствием недостаточной симметрии абонентской линии является прослушивание посторонних сигналов - других разговоров, фона переменного тока 50Гц, канала радиотрансляции и т.д. Для выполнения данного параметра электрическая схема абонентского комплекта должна обеспечивать достаточно высокий модуль комплексного сопротивления каждого из проводов относительно земли во всем диапазоне рабочих частот.

В первых АТС коммутация разговорного тракта осуществлялась двумя проводами. Поэтому абонентская линия традиционно двухпроводная. То есть для передачи и приёма информации используются одни и те же провода. Это ещё и большая экономия меди. Однако, за все нужно платить. Платить приходится тогда, когда становится необходимостью к такой линии подключать 4-х проводные устройства, то есть устройства, в которых отдельно обрабатывается канал передачи и канал приёма. Это и каналообразующая аппаратура и 4-х проводные схемы коммутации (все цифровые схемы работают по 4-х проводной схеме), да и практически любые современные абонентские устройства. Схема, которая преобразует 2-х проводную линию в 4-х проводную так и называется схема преобразования 2-4 или противоместной схемой. Обычно она выполняется на базе мостовой схемы. Одно плечо моста - 2х проводная линия, противоположное плечо (или, вобщем случае, одно из плеч моста) балансный контур, а диагонали моста - приём и передача 4-х проводной части. Балансный контур призван обеспечить балансировку моста и максимум затухания в 4-х проводной части со стороны передачи на сторону приёма. Однако, учитывая то, что импеданс со стороны абонентской линии в общем случае величина переменная, достижение больших значений этого затухания не представляется возможным. Более того, этот импеданс является переменной величиной, изменяющейся как в процессе установления соединения, так и от одного соединения к другому.

С целью увеличения затухания в 4-х проводной части во всей полосе рабочих частот балансный контур рекомендуется делать с комплексным импедансом, поскольку в импедансе стандартной абонентской линии присутствует и реактивная составляющая. Нормируется, однако, не импеданс балансного контура а входное сопротивление абонентского комплекта, которое является, в общем случае, производным от первого.

Конечное затухание между каналами приёма и передачи в 4-х проводной части приводит к появлению так называемого электрического эха. Это создаёт ряд очень крупных проблем для телефонной связи, которые решаются в разных случаях по разному. Например в современных модемах, где очень важно иметь хорошее разделение между каналами приёма и передачи в дополнение к описанной выше схеме делается так называемый эхокомпенсатор. Для спутниковых каналов, где временная задержка распространения сигнала достигает сотен миллисекунд и больше и эхо становится уже заметным для слуха человека, так же устанавливаются эхокомпенсаторы или, что хуже, эхозаградители.

Абонентский комплект должен обеспечивать посылку в абонентскую линию сигнала так называемого индукторного вызова, представляющего собой переменное напряжение синусоидальной или достаточно близкой к синусоидальной формы с частотой 25Гц и действующим значением 95В. Попытки упростить вызывное устройство путём подачи вызывного напряжения частотой 50Гц или используя чисто прямоугольный сигнал несут собой возникновение ряда неприятных последствий в ряду которых наиболее серьёзным является отказ абонентского устройства распознать такой вызывной сигнал.

Генератор индукторного вызова современной АТС, полностью соответсвующий всем требованиям, является довольно сложным устройством. Во первых, требуется обеспечить сигнал, довольно близкий к синусоиде, при достаточно точной частоте генерации. Ну и конечно, при всем при том, хочется избежать подстроечных элементов. Цифровой синтез сигнала при этом не имеет альтернатив. Есть ещё определённые нюансы в построении этого генератора, которые не оставляют шансов аналоговым генераторам (например на базе моста Вина).

Для решения описанных выше проблем при разработке схем современных абонентских комплектов существует целый класс микросхем, выполненных, как правило, по гибридной технологии, имеющих общее название SLIC (Subscriber Line Interface Circut). Если Вы никогда не разрабатывали абонентских комплектов на дискретной логике и у Вас есть необходимость быстро и хорошо это сделать, то Вам имеет прямой смысл использовать что-то вроде MH88612 или MH88617 от фирмы MITEL. Сама элементная база абонентского комплекта (собственно - одна эта микросхема) обойдется Вам в 3-4 раза дороже, чем аналогичный комплект на дискретной логике, однако позволит быстро получить гарантированно полноценно работающую схему.

В абонентский комплект современных цифровых АТС, кроме схемы преобразования 2-4, входит и устройство, обеспечивающее преобразование аналогового канала в цифровой и обратно. Такое устройство функционально состоит их следующих элементов: фильтр и кодер в канале преобразования A-D и декодер с фильтром в канале преобразования D-A. Фильтр, является необходимым компонентом для формирования канала с полосой пропускания 0.3 .. 3.4 кГц, являющегося стандартным для телефонной связи, ну и необходимым согласно теореме Котельникова. Все описанные здесь функции современная элементная база реализует на одной микросхеме, называемой обычно кофидеком. Частота дискретизации в современной телефонии выбрана равной 8 кГц. Число уровней квантования - 256 (8 разрядов). Таким образом современный кофидек создаёт цифровой поток со скоростью 64 кбит/сек. Кодирование аналогового сигнала, используемое в телефонии, принято называть ИКМ (Импульсно-Кодовая Mодуляция) или PCM (Pulse Code Modulation) кодированием

Подсчитано, что стандартный АЦП должен иметь 12 разрядов для передачи речи с требуемым в телефонии качеством. Тем не менее кофидеки обходятся восемью при том же, практически, качестве. Это достигается путём компандирования входного сигнала, то есть шкала преобразования кофидеков нелинейная. Существуют, А и МЮ законы компандирования, являющиеся стандартами, соответственно, для Европы и Америки. Стандартом на первичный цифровой канал 64 кбит/сек для России (ITU-T) является так же инверсия нечетных бит.

Непременным атрибутом абонентского комплекта являются элементы защиты от перенапряжений. Обычно их разделяют на 2 класса - элементы защиты от превышения тока и элементы защиты от превышения напряжения. Элементами защиты от тока являются токочувствительные элементы, резко увеличивающие своё сопротивление при превышении определённых значений токов в проводах абонентской линии. Это могут быть и обычные плавкие предохранители или так называемые термокатушки и автоматически восстанавливаемые современные элементы - позисторы. Для защиты абонентского комплекта от перенапряжений используются грозоразрядники или варисторы. Очень часто все эти элементы защиты устанавливаются не непосредственно в абонентском комплекте, а в кроссе АТС.

И ещё одно замечание, которое необходимо учитывать при разработке абонентских комплектов на современной импортной элементной базе. Выбор СЛИКов, представляемых ведущими производителями, Mitel, Siemens, AMD, Motorola, National и др. просто огромен. Вместе с тем, большая часть из них расчитана на питание станционной батареи 48В и более низкое, чем это принято в России, значение напряжения генератора индукторного вызова.

Есть и ещё ряд мелких проблем.

wikipedia.com