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VoIP电话接口设计

作者:德州仪器公司时间:2004-11-20来源:电子设计应用2004年第10期收藏

在开发 系统时,主要考虑的一个方面就是连接到模拟电话的接口。设计人员必须了解 PSTN 中存在的电话接口要求,因为它们必须在 系统中得到支持。本文将重点介绍连接到标准 POTS 电话的两种最常用接口:Foreign eXchange Subscriber (FXS) 与 Foreign eXchange Office (FXO)。重点说明了设计人员在为 小区网关的模拟电话接口提供支持时可能面临的某些挑战。
FXS 与 FXO 是模拟电话领域的常用术语,它们为什么对 VoIP 应用如此重要呢?就 PSTN 上的传统电话连接而言,电话局端交换提供电源与电话振铃。电话本身提供塞尖 (tip) /振铃电路,以请求服务或应答来自 PSTN 的呼叫。对于通过因特网拨打的呼叫,FXS 电路将模拟电话局端交换的功能。小区网关虚拟为交换机,为电话提供电源并进行振铃,并检测环路电流。而在另一方面,FXO 电路则模拟电话功能,提供环路关闭功能并检测来话振铃。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/3916.htm

图1  双线至四线转换的线路回声

图2  本地环路的线路回声

模拟电话与 PSTN 接口
FXS电路包括两部分:CODEC 与 SLIC(用户线路接口电路)。CODEC由 ADC与 DAC构成。ADC 将来自模拟电话的模拟信号转换为可通过VoIP网络传输的数字信号。DAC将数字信号转换为模拟电平,以驱动模拟电话。为了实现 4kHz的音频带宽,ADC与DAC的采样速率通常约为8kHz。SLIC器件模拟PSTN电压电平。它必须检测电话挂机还是摘机,并生成高达120V的振铃电压。
FXO电路包括CODEC与数据存取装置(DAA)。CODEC与 FXS的功能相同,将模拟语音转换为数字信号,随后再转换回来。DAA模拟(POTS)电话功能,其重要作用是去除高电压直流偏置,将PSTN环路关闭,从而仅传送来自PSTN的模拟交流信号。

图3  PSTN 交换/传输网络

FXO镜像FXO
在VoIP网关中,FXS电路是在分组网络上建立去话呼叫与接收来话呼叫的基本接口。在局端应用中,POTS线路卡上的双线SLIC接口发挥FXS接口的作用。在用户端(CPE)应用中,FXS电路存在于网关中,可提供拨号音、电池电流与振铃电压的功能,并检测来自电话的环路关闭。由于该交换功能处于 CPE级,因此不必与PSTN建立直接连接。不过,有时用FXO接口建立到PSTN的连接也是有用的。这与普通的POTS电话连接到局端的接口类型相同,不过有一些改进。FXO 端口的重要用途包括:
?停电时的重要通信线:如语音网关停电,则网关无法连接至分组网络,也就不能发出或接收呼叫。在这种情况下,可以用中继将模拟电话直接连接至 PSTN。如果发生这种情况,那么 FXO 电路非常智能,能够检测正在进行的呼叫,从而避免电源恢复时呼叫中断。
?呼叫重定向:当分组网络由于网络拥塞而无法使用时,FXO 电路可记住用户拨打的号码,并通过 FXO 电路将此呼叫发送至 PSTN 完成呼叫。该方法使得客户不必在分组网络出现故障时重新拨打电话号码。
?远程VoIP呼叫:当VoIP客户不在家时,他们仍可通过 PSTN 网络拨打自己的住宅号码进行VoIP 呼叫。语音网关通过FXO端口接收呼叫并将其前转至VoIP网络。
FXS线路馈电接口中的用户馈电功能:FXO 接口中的互补功能为电池受电 (battery sink)。局端的塞尖引线与振铃线之间通过 FXO 摘机中继连接,而 FXO 提供电流限制。
过压保护:由于可能暴露于闪电与电力干扰的条件下,因此 FXO 必须提供过压保护。SLIC 的塞尖与 FXS 电路中的振铃输入经过精心设计,可提供额外的过压保护。
振铃:振铃由局端提供,但 FXO 必须能够检测振铃并前转此信息。FXS 电路必须向电话提供振铃。CODEC 或 SLIC 生成的低压振铃信号由 SLIC 放大,并通过本地环路使电话振铃。
信令:信令是指FXO能够接收挂机/摘机信息并根据要求向局端提供摘机指示。它还必须检测振铃与其它情况并传输有关信息。FXS 必须能够检测挂机/摘机状态,检测并生成 DTMF信号音以及主叫用户 ID 信号。
编码:编码是 CODEC 器件的功能之一,该器件是 FXS 与 FXO 接口的一部分。它指的是语音信号的模数编码与数模编码。
混合功能:混合功能对稳定性与高质量语音至关重要,对 FXO 与 FXO 接口也同样重要。

回声
不管是通过 PSTN 还是分组网络进行呼叫,稳定性与高质量语音都至关重要。回声的潜在影响对 FXS 与 FXO 接口功能也至关重要。普通 POTS 电话在 200W~400W之间的阻抗相对来说不加控制。由于从局端到用户的电流为双线,而且增益不增加,因此所遇到的阻抗变化通常不会影响性能。不过,如果载波通信系统在每端都使用双线至四线的音频混合电路,那么就可能出现稳定性与线路回声问题,此外还可能会出现四线通道增益。
在混合(双线至四线转换点)端上将语音信号传输到接收通道的渗通(breed-though)延迟,或由于阻抗不匹配使本地环路发生反射,均会产生线路回声。PSTN中始终存在线路回声,但不一定是问题。事实上,电话传输信号中的一部分会耦合到接收通道生成侧音,使讲话者可在听筒中听到自己的声音。没有侧音,讲话人就不清楚对方能否听到自己说话,这样对话可能就相当尴尬。但是,如果不加控制的话,线路回声过大又会在以下两方面影响主叫用户的通话体验:
?回声越大,语音呼叫过程中受的干扰就越大。虽然许多情况下,线路上都存在较低的回声,但用户并不会察觉到。
?回声的延迟时间会大幅影响语音质量。延迟是指用户说话与用户听到自己回声之间的时间。往返程回声延迟大于 25ms 的话,就会影响语音质量。
混合电路完成了双线至四线转换,反之亦然,其主要作用是限制“渗透”到来话接收通道的输出传输信号量。由于传输混合不平衡(混合组件不理想、阻抗不匹配等),始终有一定量的 Tx 信号会进入 Rx 通道(见图1)。
除了传输混合不平衡产生的回声外,混合终端阻抗不匹配也会产生线路回声。如果线路终端的特性阻抗不正确,则会生成回声。双线本地环路的来话信号遇到混合终端电阻,并反射回线路,这就产生了回声(见图2)。如果终端连接不恰当的 CPE 设备(如电话或调制解调器)也可能在本地环路生成回声。
为了更好地了解回声来源,还需要知道一些PSTN的背景信息。电话网络包括两个基本部分:交换与传输内核,以及本地环路。
交换与传输部分负责传输并路由呼叫、呼叫服务、催款等。在这部分中,所有语音与数据信号均以数字方式传输,Tx与Rx信号采用不同的通道。这就使得传输长途信号更加方便,也可以使用中继器、微波传输塔等。本地环路包括“最后一英里”铜线,它实现了局端与用户的连接。
 跟踪图3中电话A的Tx信号,假定EGP产生的回声很大,从图中可以看到,电话 A 在三个地方产生回声(EGP 2、3 与 4)。EGP 2 处的回声由线路混合阻抗不匹配造成,并导致回声返回电话 A。由于往返程延迟不是很长,所以该回声不是什么问题,最终用户也不会察觉到。有时侧音也能掩盖该回声。造成问题的回声是在EGP 3与4处生成的,因为其往返程延迟相当大(大于25ms)。网络远端生成的回声影响最大。EGP 3处的回声是由于传输混合不平衡造成的,而EGP 4处的回声是由电话连接到线路的阻抗不匹配造成的。
为了消除有害回声,电话服务提供商一般会在 PSTN中安装回声抵消器。为了消除电话A连接上的回声,回声抵消器应刚好安装在 2 号5类开关之前或之内,插入网络的四线部分。回声抵消器的作用是为包含EGP 3与EGP 4的本地环路部分的回声特性建模,加上电话A的Tx信号的有关知识,就可在将电话 B 的 Tx 信号传输回电话 A 之前消除 EGP 3与 EGP 4 产生的回声。在 VoIP 系统中,对于 VoIP CPE 网关发出与终止的呼叫而言,回声必须完全在 VoIP 网关中处理。对于必须路由至 PSTN 的呼叫而言,PSTN 将继续处理回声抵消功能。

标准
尽管通过分组网络进行 VoIP 呼叫不需要直接连接至 PSTN,但这并不意味着系统设计人员可以不考虑PSTN的要求。VoIP小区网关设计人员必须了解目前已有的电话技术要求,并将其应用于系统的FXS与FXO接口。对于了解 PSTN 的行为以及要求而言,以下四大标准至关重要:
1. GR57 指定了从局端塞尖/振铃对到系统用户端塞尖/振铃对的数字环路载波通信系统的行为。
2. TA909 描述了从局端数字接口(北美为T1)到系统用户端塞尖/振铃接口的光纤到路边系统的行为。光纤到路边系统通常为16~24信道的系统。
3. GR303 讨论的是集成数字环路载波通信系统的行为。对从局端 (T1) 数字接口到系统用户端塞尖/振铃接口的行为均作了规定。这类系统通常在用户端有数百塞尖/振铃对的较大接口。
4. GR1089 指定北美电话基础设施的环境标准,包括抗闪电性、抗电源交扰以及 EMC。它还规定了意外 RF 放射的极限。

结语
随着人们对VoIP服务的兴趣不断增强,专门为通过分组网络进行语音呼叫而设计的电话(即 IP电话)将最终取代标准的模拟 POTS 电话。但在此之前,VoIP网关的设计人员必须考虑如何使其设备与上述标准的模拟电话相连。FXS 与 FXO 电路为此提供了一条有效途径。■



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