...хорошая связь - это достаточно сложно,
а плохая -
никому не нужна
В этом обзоре рассматриваются основные принципы построения и функционирования проводных систем связи и коммутации, а так же их основных узлов с точки зрения разработчика. Эта информация будет полезна всем имеющим некоторое образование в области электроники для быстрого понимания устройства отдельных узлов АТС и возможности быстрого создания широкого спектра устройств, включаемых в телефонную сеть общего пользования (ТфОП или Public Switching Telephone Network - PSTN).
Конец прошлого века ознаменовался рядом революционных технических открытий и изобретений. Одним из них было изобретение в 1876г Беллом телефонного аппарата и телефонной связи. Предпреимчивые американцы, незамедлительно, в 1878г в городе Нью-Хевене стали строить первую в мире ручную телефонную станцию. Естественно, для увеличения надежности телефонной связи, ее удешевления, тут же начали пытаться автоматизировать процесс установления и обслуживания соединений. Было предложено много разных проектов построения Автоматических Телефонных Станций (АТС), однако, не так много оказались достаточно надежными, получившими народное признание.
В 1889г, господину Строуджеру (почему-то опять из 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 продвинутое 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 шнуров (коммутируются не только разговорные провода, 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, являющиеся смертью для современных систем передачи дискретной информации (например модемов).
В 1914 году Бетлаундер (на этот раз Швеция) изобрел многократный координатный соединитель (МКС). Так появились АТС координатного типа (АТСК). Этих в Москве еще 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. Целых 25 лет потебовалось 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 стройном ряду аналоговых станций стоят еще и так называемые квази-электронные и электронные станции. Коммутация в таких станциях осуществляется с помощью герметизированного контакта (геркон) или электронного ключа, а управлением ведает микропроцессор. 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 старика 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 соответсвующего физического элемента, а, соответсвенно, и вся станция имела гиганские 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. К сожалению, на Западе то же самое связывают с именем Найквиста, ну да Бог им судья, отмечаем же мы День Радио с именем Попова, а не Маркони. Однако, Запад не дремал, и коварно использовав имя Найквиста ввел в эксплуатацию в 1975 году первую в мире цифровую АТС типа Е10 (это произошло во Франции) и через двадцать с небольшим лет после этого знаменательного события, в настоящее время, благополучно завершает реконструкцию своих сетей на базе цифрового стандарта.
В цифровой АТС сигнал коммутируется и передается в цифровом виде, то есть в виде последовательности нулей и единиц. Коммутация осуществляется, как правило, пространственно - временным способом. Именно появление интегральнных 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 пойдет ниже.
Важным достоинством цифровых АТС является то, что с помощью них можно очень легко передавать любые виды информации в цифровой форме, что очень сложно было 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 очень малое практическое значение, особенно для России.
Если Вы съедите нестандартный по форме бутерброд, то ничего не произойдет. Если вы будете писать нестандартной ручкой, то в этом так же нет ничего страшного. Если Вы оригинально (нестандартно) видете 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 любимой бабушке. Или Вы с ужасом думаете, как же этот прекрасный, красивый телефонный аппарат с маленькой, элегантной и надежной вилочкой RJ-11 подключить монстроидальной советской телефонной розетке. Увы никак, только с помощью хирургического вмешательства.
Для преодоления подобных смешных проблем, и проблем значительно более серьезных, связисты давно создали Международную консультативную организацию по телефонии (ITU-T). Когда еще 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, в духе нашего времени, можно сказать так. Если вы работаете в области связи, а тем более что-то разрабатываете и хотите заработать много денег - придерживайтесь стандартов, прежде всего национальных, а если их нет или они малодоступны, то международных. Почитать немного 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 Россиии занимается Министерство связи и их головной институт в этом вопросе - ЛОНИИС. Первичным источником всех стандартов в России, в котором, впрочем, непосвященному человеку невозможно разобраться, является так называемый Руководящий Документ по построению Общегосударственной Системы Телефонной связи (ОгСТфС). Лицензию на проведение сертификационных испытаний (процедуры, призванной установить соотвествие некоторого устройства стандартам) имеет и ряд других подразделений Министерства связи и ГосСтандарта.
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. Это патриарх телефонный связи. Стандарт на него сформировался еще в 30-е годы и с тех пор претерпел весьма незначительные изменения. На нем лежит отпечаток уровня техники и технологий тех лет. И, как часто это бывает, то что на уровне стародавних 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 приема речевой информации используются всего 2 провода. По ним же осуществляется дистанционное питание оконечного абонетского 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 длиные 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 областе полосы рабочих частот. Чем больше коэффициент затухания ассиметрии, тем менее абонентская линия чувствительна к внешним помехам. Следствием недостачной 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 абонетская линия традиционно двухпроводная. То есть для передачи и приема информации используются одни и те же провода. Это еще 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 приема. 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 - прием 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 приема. Однако, учитывая то, что импеданс со стороны абонетской линии в общем случае величина переменная, достижение больших заначений 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 присутсвует 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 приема и передачи в 4-х проводной части приводит к появлению так называемого электрического эха. Это создает 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 приема 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 путем подачи вызывного напряжения частотой 50Гц или используя чисто прямоугольный сигнал несут собой возникновение ряда неприятных последствий в ряду которых наиболее серьезным 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 еще определенные ньюансы в построении этого генератора, которые вообще 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, выполненых как правило по гибридной тнехнологии, 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 фнкционально 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 тов. 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 создает 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 примерно 12 разрядов для передачи речи с требуемым в телефонии качеством. Тем не менее кофидеки обходятся восмью при том же, практически, качестве. Это достигается путем 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 абонетского 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 свое сопротивление при превышении определенных 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 еще 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 еще ряд мелких проблем. Все это, к сожалению, сильно портит всю розовую картину телефонного изобилия.
