Телефонные сети и их использование для передачи данных

Традиционные телефонные сети сокращенно называют ТфОП (телефония общего пользования). В зарубежной литературе они именуются PSTN (Public Switched Telephone Network – коммутируемая телефонная сеть общего пользования) или POTS (Plain Old Telephone Service – старый "плоский" телефонный сервис). Совместимость телефонных сетей на международном уровне обеспечивается благодаря усилиям Международного комитета по стандартизации в области телефонии и телеграфии МККТТ (CCITT, ныне ITU).

Аналоговые телефонные сети относятся к глобальным сетям с коммутацией каналов, которые создавались для предоставления общедоступных телефонных услуг населению. Аналоговые телефонные сети ориентированы на соединение, которое устанавливается до начала ведения разговоров (передачи голоса) между абонентами. Телефонная сеть образуется (коммутируется) с помощью коммутаторов автоматических телефонных станций.

Аналоговая телефонная сеть с коммутацией каналов предоставляет для пакетной сети услуги физического уровня, которая после коммутации является физическим каналом "точка-точка".

Обычная телефонная сеть обеспечивает пропускание голосового сигнала между абонентами с диапазоном частот до 3,1 кГц, что является вполне достаточным для нормального разговора. Для связи с абонентами используется двухпроводная линия, по которой сигналы обоих абонентов во время разговора идут одновременно во встречных направлениях. Телефонное оборудование имеет специальные средства разделения сигналов и эхоподавления (echo cancellation), которые препятствуют прослушиванию абонентом сигнала от собственного микрофона. Кроме передачи звукового сигнала, телефонная сеть поддерживает определенную систему сигнализации, обеспечивающую, по крайней мере, элементарные функции – определение снятия трубки абонентом, отработку набора номера, коммутацию, вызов, установление соединения по ответу абонента (собственно разговор), разъединение. Есть и дополнительные функции (например, определение номера).

Телефонная сеть состоит из множества станций, имеющих иерархические соединения между собой. Коммутаторы этих станций прокладывают путь между АТС вызывающего и вызываемого абонента под управлением информации, предоставляемой системой сигнализации. Магистральные линии связи между телефонными станциями должны обеспечивать возможность одновременной передачи большого количества информации (поддерживать большое количество соединений). Выделять для каждого соединения отдельную линию крайне расточительно, и для более эффективного использования физических линий применяют несколько методов. Раньше всех начали использовать метод частотного уплотнения каналов (FDM – Frequency Division Multiplexing) – по одному кабелю стали передавать множество каналов, в которых низкочастотный голосовой сигнал модулировал сигнал высокочастотного генератора. Каждый канал имеет собственный генератор, и частоты этих генераторов разнесены друг от друга настолько, чтобы передавать сигналы в полосе до 3,1 кГц с приемлемым уровнем разделения друг от друга. Аналоговые схемы уплотнения весьма капризны и критичны к уходу параметров элементов (от изменения температуры, влажности и просто старения), в результате чего страдает качество передачи, возрастает уровень перекрестных помех.

Впоследствии для магистральных передач стали применять цифровые методы. Для этого аналоговый сигнал от абонентской линии на телефонной станции оцифровывается и далее в цифровом виде доставляется на телефонную станцию адресата. Там он обратно преобразовывается и передается в аналоговую абонентскую линию. Для обеспечения двусторонней связи на телефонной станции каждое окончание абонентской линии имеет пару преобразователей – АЦП (аналого-цифровой) и ЦАП (цифро-аналоговый). Цифровые "путешествия" сигналов по сложным телефонным сетям гораздо меньше подвержены помехам, причем качество связи в отличие от аналоговых методов теоретически не ухудшается с увеличением дальности передачи. Для голосовой связи со стандартной полосой пропускания (3,1 кГц) принята частота квантования 8 кГц. Приемлемый динамический диапазон (отношение максимального сигнала к минимальному) обеспечивается при 8-битном преобразовании. Итого получается, что каждый телефонный канал требует скорости передачи данных в 64 кбит/с (8 бит х 8 кГц). Такой способ оцифровки речевого сигнала закреплен стандартом G.711.

Часто для передачи сигнала ограничиваются и 7-битными отсчетами, а восьмой (младший) бит "крадут" для целей сигнализации. В таком случае чисто голосовой поток сокращается до 56 кбит/с. В сетях ISDN преобразователи (ЦАП и АЦП) вынесли в абонентские телефонные аппараты, в результате по всем линиям связи этой сети передается только цифровая информация, что и обеспечивает высокое качество связи (отсутствие помех) практически независимо от дальности (в пределах охвата сети).

Выделенные физические линии имеют полосу пропускания гораздо более широкую, чем коммутируемые. Для них выпускаются специальные модемы, обеспечивающие передачу данных со скоростями до 2048 кбит/с и на значительные расстояния.