Абонентские устройства телефонной связи

             Для преобразования речевого акустического сигнала в электрический обычно применяют телефонные аппараты. В настоящее время широко используют три типа телефонных аппаратов: телефонная трубка, гарнитура; громкоговорящая связь и терминалы для компьютера. Первый и второй тип обычно совмещают в одном аппарате. Рассмотрим каждый из этих типов телефонных аппаратов более подробно.

       Телефонный аппарат простейшего типа. Схема такого аппарата приведена на рис 1. В таком телефонном аппарате можно выделить следующие цепи, определяющие режимы его функционирования: цепь вызова абонента, разговорная цепь и цепь набора номера.

       Цепь вызова абонента состоит из звонка, разделительного конденсатора и рычажного переключателя. Звонок в исходном положении включен по этой цепи в абонентскую линию. При снятии трубки цепь звонка отключается от линии контактом рычажного переключателя (РП). Конденсатор С1 предназначен для того, чтобы через звонок не проходил постоянный ток от стационарной батареи с напряжением -60 В, который необходим для электропитания микрофона в режиме “разговор”.

       Сигнал посылки вызова представляет собой синусоидальный сигнал с частотой 25 Гц и амплитудой 90 В. Такие параметры работы телефонного аппарата были определены при создании телефонов. Переменное напряжение вырабатывалось специальным генератором – индуктором, поэтому сигнал посылки вызова называют индукторным, а часть аппаратуры, обеспечивающей прием и обработку этого сигнала – индукторными цепями.

       После снятия трубки конденсатор С1 переключатся на сопротивление R1, образуя искрогасящий контур для контакта номеронабирателя н2. При наборе номера контакт н1 на все время вращения дисконабирателя замкнут, а контакт н2 пульсирует в соответствии с цифрой набираемого номера.

       Для работы микрофона требуется, чтобы через него проходил ток определенной величины, для чего со станции на контакты а и б (рис. 1) подают постоянное напряжение с заземленной положительной полярностью величиной -60 В. Ток электропитания микрофона протекает через следующие элементы телефонного аппарата:

- контакт рычажного переключателя – РП, который обеспечивает наличие тока только при поднятой трубке;

- обмотку трансформатора I;

- контакт номеронабирателя н2, который при работе диска номеронабирателя передает импульсы набора номера на станцию, контакт н1 шунтирует телефон на время набора номера и тем самым исключает треск в телефоне.

      В телефоне предусмотрено исключение прослушивания сигнала местного микрофона в местном телефоне (исключение “местного эффекта”). На рис.2 рассмотрена схема построенная по принципу компенсации и реализованная в телефоне рис.1. Ток, порождаемый микрофоном в линейной цепи, в обмотке I, передается трансформатором в цепь телефона (обмотка Ш). Одновременно в обмотке П возбуждается компенсирующее воздействие, передается ток обратного направления.

       Для обеспечения громкоговорящей связи используют усилители как микрофона, так и телефона. Структурная схема такого устройства приведена на рис. 3. Эта схема содержит два варианта реализации: один предназначен для телефонной трубки, второй – для обеспечения разговора “без рук”.

Принцип действия микрофона состоит в том, что в электрическую цепь включается прибор, изменяющий свои параметры (сопротивление, иногда емкость) под действием звука. Первым таким элементом был угольный микрофон, который широко используют и в настоящее время. Позднее в качестве материала для микрофона применялся кварц, световые преобразователи. Рассмотрим некоторые применяемые микрофоны.

 

Рис.1 Принципиальная схема телефонного аппарата: R1=200 Oм; R2=820 Ом; R3=130 Ом; C1=1 пФ; C2=0,5 мкФ

        

           

 

 

 

Рис. 2 Принципиальная схема устранения местного эффекта

 

Угольный микрофон. Принцип действия угольного микрофона представлен на рис. 4. Он содержит угольный порошок, который под влиянием звуковой энергии меняет свою плотность, изменяя сопротивление протекающему току. Для нормальной работы угольного микрофона требуется ток 30 мА. При напряжении -60 В, которое обычно применяют на российских телефонных станциях, такой ток соответствует сопротивлению 2 кОм. Это сопротивление включает в себя сопротивление шлейфа (шлейф – это пара проводов, соединяющая телефонный аппарат со станцией) и сопротивление цепей электропитания – 2х500 Ом. Это эквивалентно расстоянию 5-7 км при использовании медной жилы диаметром 0,4 мм.

       Минимальное значение тока в линии составляет около 15 мА, что соответствует сопротивлению около 4 кОм и дает возможность обслужить абонента на расстоянии около 10 км. Для больших расстояний иногда используют повышенное значение напряжения питания.

       Максимальный ток, допустимый в угольном микрофоне, - 60 мА. Большее значение тока может привести к спеканию порошка в микрофоне. Чтобы ограничить максимальное значение тока на станции включают две обмотки реле с сопротивлением 500 Ом каждая. Это дает возможность ограничить ток даже на самой короткой линии.

 

Рис. 3 Структурная схема включения в телефонный аппарат устройств организации громкоговорящей связи

           

 

 

Рис. 4 Принцип построения угольного микрофона

        

       Электретные и конденсаторные микрофоны. (Электреты – твердые диэлектрики, электрические аналоги магнитов, сохраняющие наэлектризованное состояние.) Одно из направлений совершенствования микрофона – использование материалов, которые при звуковом давлении вырабатывают ЭДС, зависящая от величины звукового давления. На рис.5 приведена схема электретного микрофон. Поскольку вырабатываемая ЭДС мала, ее подают на усилитель, который построен на базе МОП-транзистора и получает питание от абонентской линии.

       Принцип построения микрофона на основе конденсатора пояснен схемой рис. 6. Одна обкладка конденсатора подвижна и меняет величину емкости в зависимости от звукового давления.

 

                  
              Рис.5 Схема электретного микрофона

 

Основным недостатком этого принципа является необходимость подключения источника электропитания.      

 

Рис. 6 Схема конденсаторного микрофона

 

Принцип построения электромагнитного телефона. Такой телефон является наиболее распространенным (рис. 7). Телефон содержит электромагнит, состоящий из обмотки, сердечника и железной пластины. Под влиянием тока, приходящей из линии, в телефоне вырабатывается электромагнитная энергия, которая приводит в движение электромагнитную пластину. Движение этой пластины порождает звук. Однако в том случае, когда пластина перемещается только под действием переменного тока, звук получается искаженным, так как пластина смещается в одну и туже сторону как от положительного, так и от отрицательного напряжения (рис. 6а). Для исключения этого искажения необходимо “подмагничивание” – рис. 6б. Пластина при этом от подмагничивания получает прогиб, а действие переменного потенциала изменяет

величину этого прогиба.

 

Рис. 7 Принцип построения электромагнитного телефона

 

       Набор номера и номеронабиратели. Долгое время единственным способом передачи номера абонента был импульсный набор. Цифры передавались с помощью периодического разрыва шлейфа. Требования к временным параметрам импульсов следующие. Скорость передачи – 10 имп/с. Время замыкания и размыкания, отводимое на один импульс, t _и = 100 мс. При этом время размыкания равно t _разм = 60 мс, а время замыкания равно t _зам = 40 мс. Межсерийная пауза (пауза между последовательными цифрами – время взведения диска номеронабирателя) t _мп = 200…500 мс. Время отбоя – t _отб > 200 мс. На рис.8 приведена диаграмма, отображающая набор цифр 22.

 

 

 

Рис.8 Диаграмма набора номера: 1- исходное положение; 2 – два импульса; 3 – межсерийная пауза; 4 - отбой

 

       Частотный номеронабиратель. Этот способ набора номера состоит в том, что информация о набранном номере передается с помощью комбинации двух частот. Такой способ передачи ускоряет набор номера и уменьшает вероятность ошибки при передаче цифр выбранного номера. Комбинации частот, соответствующие набираемым номерам, приведены в таблице 1.

       Физические характеристики линий связи с абонентами. При определении качества передачи сигналов сообщений по линиям связи весьма важными являются такие характеристики как прямое и переходное затухание, помехи, задержки сигналов, рабочее затухание на различных частотах, переходное затухание и ряд других.

       Рабочее затухание определяется в децибелах как отношение мощности сигнала на входе к мощности сигнала на выходе. Для удобства использования в случае больших величин принята логарифмическая шкала с десятичным основанием,

 

.                                                                                        (1)

 

       На практике удобно измерять не мощность, а напряжение, которое подается на эталонное сопротивление, принятое равным 600 Ом.

       Тогда при эталонной мощности, принятой равной 1 мВт, эталонное значение напряжения   составляет 0,775 В. Тогда, подставляя в (1) значение мощности через эталонное напряжение, получим

 

.

 

       Измерение затухания можно осуществить с помощью измерения тока. Тогда

 

 

.

 

Из равенства  эталонное значение тока составляет 1,29 ма.

       Влияние одной цепи на другую характеризуется переходным затуханием – отношением мощности сигнала, передаваемой в одной цепи, к мощности сигнала, наведенной в другой цепи.

       Рассмотренный телефонный аппарат предназначен в системах проводной связи для использования с двухпроводными линиями. Это следует из схемы рис. 1 и 2. Однако в системах подвижной связи “четырехпроводную” систему передачи от телефонного аппарата аналоговых речевых сообщений: сигнал с выхода микрофонного усилителя подают на вход модулятора радиостанции, а выход демодулятора радиостанции подключен ко входу телефонного усилителя (рис. 3). Аналогичная ситуация имеет место и при использовании дискретных каналов передачи речевых сообщений.

С опряжение абонентов с коммутационными станциями посредством беспроводных телефонов. Системы беспроводных телефонов (СТ – Сordless Telefon) получили широкое распространение как в качестве систем специального назначения, так и для применения в быту. Первые СТ, появившиеся в 70-х годах в Европе, Азии и Северной Америке, работали в диапазоне частот 27-50 МГц. Передачу аналоговых сообщений осуществляли с помощью частотной модуляции, количество рабочих каналов не превышало десяти. Дальность связи канала “подвижная станция – базовая станция” составляла 200-300 м.

       В 1985 году CEPT (Conference of European Postal and Telecommunications Operators – Европейская конференция администраций почт и связи) разработан первый стандарт СТ1 на системы беспроводных телефонов в полосе частот 900 МГц с 40 дуплексными каналами и частотным разделением каналов (FDMA). Связь осуществлялась через индивидуальную базовую станцию посредством своего идентификационного кода. Общее количество кодов – более миллиона. В Германии, Австрии и Швейцарии был принят модифицированный стандарт – СТ1+, обеспечивающий 80 дуплексных каналов. Недостаток этих стандартов – не обеспеченность секретности передачи речевых сообщений.

       Следующее поколение систем беспроводной связи разработано в Великобритании – СТ2. Этот стандарт обеспечивает конфиденциальность, более высокое качество, чем у стандарта СТ1. Частотное разделение заменено на временное дуплексное (TDD), при котором на одном временном интервале передают от абонента, на следующем временном интервале – прием пакета от базовой станции – рис. 10.

 

       Рис.10 Пояснение принципа формирования каналов дуплексной связи стандарта СТ2

 

       Обмен пакетами сообщений осуществляется на одной частоте. Стандарт CT2 принят за основу при создании системы Telepoint, предназначенной для одночастотной связи подвижных объектов с абонентами фиксированной телефонной сети. Для совместной работы телефонных аппаратов в этой системе 10 стран Европы приняли единый СТ2-радиоинтерфейс, получивший название CRI (Common Radio Interface) – общий радиоинтерфейс.

       В 1992 году ETSI принят стандарт ETS-300 175 на общеевропейскую систему беспроводных телефонов DECT (Digital European Cordless Telecommunication), предназначенную для передачи речевых сообщений и данных.

       В стандарте DECT используют временное разделение каналов в сочетании с временным дуплексным разделением режимов приема и передач, аналогично предыдущим стандартам. Многие опции данного стандарта близки к опциям стандарта GSM. Так предусмотрена связи с цифровыми сетями ISDN, подключение к абонентскому аппарату терминала ввода данных, применение интеллектуальных абонентских карт.

       Принцип пакетной передачи в DECT и DCD-900 (близкая к DECT разработка фирмы Ericsson-Швеция) пояснен на рис. 11 и 12.

 

 

 

       Рис.11 Иллюстрация работы системы DCD-900: ТА – телефонный аппарат; 1, 2 … 8 – временные “окна” дуплексного канала связи базы с ТА

 

 

 

 

       Рис.12 Иллюстрация работы системы DECT: ТА – телефонный аппарат; 1, 2 … 12 – временные “окна” дуплексного канала связи базы с ТА

 

 

       Внедрение систем беспроводных телефонов рассматривается в рамках реализации концепции персональной связи (PCN – Personal Communication Network), предусматривающей предоставление услуг “всегда и в любом месте” при использовании легких малогабаритных абонентских терминалов в рамках микросотовых и пикосотовых сетей связи.

       Фактором, ограничивающим внедрение единых технологий и стандартов PCN, является ограниченность и несовместимость спектра частот, выделенного для этих целей в Европе, США, Японии и России.

       Европа является мировым лидером в раcпределении спектра. Европейское Сообщество (EC) выделило участки спектра частот для стандарта СТ2 – (864-868) МГц, для стандарта DECT – (1880-1900) МГц, для стандарта микросотовой персональной связи DCS 1800 – (1700-1880) МГц.

       В США Федеральная комиссия связи (FCC) выпустила распоряжение, согласно которому службам персональной связи отводится полоса частот 220 МГц в диапазоне 1800- 2200 МГц.

       Японские стандарты предусматривают использование диапазонов 800 и 1500 МГц.

       В системах беспроводных телефонов микросотовая и пикосотовая топологии сетей с радиусом сот до 100 м позволяют обеспечить плотность трафика до 10000 Эрл/кв.км, что значительно выше, чем в сотовых сетях.

       Перспективность развития сетей DECT в значительной степени связывают с возможностью объединения с сетями GSM и применения двухмодовых абонентских терминалов, работающих в двух стандартах.

Преобразования речевой информации в каналах подвижной связи. Увеличение объема передаваемой информации без увеличения линейной скорости – одна из основных проблем передачи сообщений по радиоканалам. Так известны многоуровневые сигналы (многофазные, многочастотные, с амплитудно-фазовым кодирование). Однако эффективность использования этих сигналов ограничена действием помех. Более целесообразным является обработка информации перед передачей сообщений по каналам связи. Это, например, алгоритм сжатия данных (протокол V.42), сжатие неподвижных изображений (протокол JPEG – Joint Photographic Expert Group). Эти алгоритмы основаны на сокращении объема передаваемой информации благодаря повторяющимся элементам текста или изображения. Этот же принцип лежит в основе сжатия подвижных изображений (MPEG – Motion Picture Expert Group), основанного на передаче только изменений соседних кадров.

Для передачи речи используют другие алгоритмы. Рассмотрим два из них, широко применяемые в подвижной связи сотовых систем.

Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ) применяется для уменьшения скорости передачи дискретной речи. Функциональная схема такого преобразователя приведена на рис. 13. На рисунке представлено суммирующее устройство, которое позволяет получить разность входного сигнала и его предыдущего значения. Затем эта разность кодируется в цифровую форму и передается в линию. Одновременно эти значения преобразуются в аналоговую форму посредством ЦАП, суммируются с предыдущим значением и в следующем такте передают на вход сумматора для получения разности.

Более предпочтительным является второй вариант (рис. 14), основанный на том, что преобразования в цепи обратной связи делаются в цифровой форме. Систему ДИКМ рассматривают как систему предсказания первого порядка, исходят из предположения, что в следующем такте сигнал не изменится. При этом разность сигналов в соседние моменты времени рассматривается как ошибка предсказания.

Рассмотренные варианты ДИКМ позволяют обеспечить высокие характеристики передачи речевых сообщений. Причем этот принцип является более предпочтительным по сравнению с ИКМ преобразованием и последующим использованием вокодерной структуры сигнала речи.

Высокое качество передачи речевых сообщений, в частности используемое в сотовых системах связи, продиктовано коммерческим применением систем и сетей. Для коммерческой связи характерно более высокое требование к разборчивости и узнаваемости передачи речевых сообщений и характерным для этого типа связи является высокий уровень конкуренции поставщиков аппаратно-программных средств, широко производимых различными фирмами.

Можно увеличивать степень предсказания, используя модель сигнала. Рассмотрим некоторые приемы снижения требований к скорости передачи речи. Одним из них является компандирование мощности сигнала.

                  

 

Рис. 13. Структурная схема ДИКМ с использованием аналогового суммирования

 

Компандирование мощности. Этот прием позволяет снизить пик-фактор речевого сигнала, полученного после усиления и фильтрации исходного, с выхода микрофона. Компандирование осуществляет усиление сигнала с низким уровнем и ослабление сигнала с высоким уровнем. При этом сужается диапазон мощности. При снижении амплитуды передаваемых сигналов требуется меньше уровней для квантования и, следовательно, снижается разрядность кодирования. Принцип компандирования мощности пояснен на рис. 15.

       На приемный конец передают сигналы об изменении уровня мощности и смене шага квантования. Передающий полукомплект кодирует и передает в сторону приемного полукомплекта значение коэффициента, на которое настроено усиление. Затем на приемной стороне осуществляется подстройка уровня мощности, формируемого на выходе декодера. Поскольку уровень мощности может при произнесении слога оставаться постоянным в течение ста и более дискрет, то размеры шага квантования изменяются редко (например, каждые 5-10 мс), что уменьшает требования к скорости передачи информации о коэффициенте усиления. В связи с тем, что данный способ связан с продолжительностью слога, он получил название “слоговое компандирование”. Это отличает его от рассмотренного ранее мгновенного компандирования.

 

 

Рис.15 Компандирование сигнала по мощности: а) принцип компандирования; б) реализация компандирования

 

На входящем конце (рис. 15) сигнал поступает на вход устройства кодирования и измерения мощности. После измерения мощности выбирается коэффициент усиления сигнала и устройство кодирования периодически передает по каналу на приемник коэффициент усиления.