ТЕЛЕФОН
ТЕЛЕФОН, электронное устройство, преобразующее звуки человеческой речи в электрические сигналы и наоборот. Такие сигналы передаются через коммутационные устройства по воздушным, кабельным и радиорелейным линиям связи между абонентскими телефонными аппаратами.
14 февраля 1876 Александр Белл подал патентную заявку на изобретение телефона (назвав его «усовершенствованием телеграфии»).
В тот же день тремя часами позднее Илайша Грей подал заявку с уведомлением о том, что работает над тем же принципом. Патентное бюро США выдало патент Беллу 7 марта 1876. Первый практичный телефон появился в 1877.
Самые разветвленные телефонные сети созданы в США (более 145 млн. телефонных линий) и Японии (более 56 млн. телефонных линий). По данным Федеральной комиссии связи США, домашними телефонами обеспечено свыше 93% населения Соединенных Штатов.
ТЕЛЕФОННЫЙ АППАРАТ
Устройство.
Обычный телефонный аппарат состоит из двух частей: корпуса и телефонной трубки. В телефонной трубке имеются два миниатюрных элемента: передающий (микрофон) и приемный (громкоговоритель). Корпус большинства таких аппаратов снабжен рычажным переключателем и дисковым или кнопочным номеронабирателем, а также внутренней электросхемой вызова и двухпроводным шнуром для подключения к абонентской телефонной линии. В некоторых моделях номеронабиратель смонтирован на телефонной трубке. В старых телефонных аппаратах электромеханического типа насчитывалось до 500 деталей, а в новых, выполненных по полупроводниковой электронной технологии, число узлов не превышает десяти.
Применяются два основных типа микрофонов – угольный и электретный; электретный значительно меньше угольного. Действие угольного микрофона основано на изменении электрического сопротивления угольного порошка, на который воздействует чувствительная к звуку мембрана. В электретном микрофоне звуковые колебания изменяют емкость конденсатора, одной из пластин которого является чувствительная мембрана. Выходной электрический сигнал микрофонов обоих типов является аналоговым (в противоположность дискретному – цифровому), т.е. он пропорционален меняющейся громкости звука. Электретный микрофон дает более чистый звук (с более низким уровнем шума) и менее чувствителен к сотрясениям.
Миниатюрный приемный элемент (динамический громкоговоритель с подвижной катушкой) устроен так же, как и более мощные громкоговорители радиоприемников и аудиоаппаратуры: его вибрирующая мембрана преобразует изменения электрического сигнала в звуковые колебания воздуха.
Передающий и приемный элементы телефонной трубки имеют по два выходных медных провода. Они присоединены к четырем внутренним медным жилам спирального шнура, соединяющего телефонную трубку с корпусом телефонного аппарата. Отдельный двухпроводной шнур, называемый телефонным сетевым, идет от корпуса телефонного аппарата к телефонной розетке или к настенной распределительной коробке. Здесь он присоединяется к двухпроводной абонентской линии, которая часто называется скрученной парой, поскольку ее снабженные изоляцией медные провода скручиваются вместе для уменьшения помех, обусловленных индукцией. Скрученная пара – это звено, связывающее телефонный аппарат абонента с телефонной сетью. В учреждениях, гостиницах, больницах телефонный аппарат часто подключается к телефонной сети через офисную телефонную станцию, к которой со стороны АТС подведена многоканальная соединительная линия.
Работа телефонного аппарата.
Каждая абонентская телефонная линия, идущая к автоматической телефонной станции, несет информацию о состоянии рычажного переключателя своего аппарата (снята или нет телефонная трубка). В зависимости от ситуации АТС отвечает вызывающему абоненту сигналом «занято» (частыми гудками) или посылает вызываемому абоненту сигнал вызова звонком.
Чтобы произвести вызов, вызывающий абонент должен снять трубку с рычажного переключателя. Непрерывный гудок (тональный сигнал готовности) говорит о том, что между телефонным аппаратом и АТС установлено соединение – замкнута двухпроводная линия с рабочим напряжением 48 В постоянного тока. Отсутствие сигнала готовности указывает на наличие неисправности. Услышав сигнал готовности, абонент может набрать номер нужного телефона.
Первый дисковый номеронабиратель появился около 1896, а аппараты с кнопочным набором промышленность начала выпускать в 1963. Некоторые телефоны с кнопочным набором дают импульсы, как и дисковые, но более распространены аппараты с технически более удобным тональным кнопочным набором. Дисковые и импульсные кнопочные номеронабиратели необходимы в тех случаях, когда АТС не модернизирована для тонального набора.
Тональные кнопочные номеронабиратели имеют цифровые кнопки от 1 до 9 и 0, а также кнопки «звездочка» (*) и «решетка» (#) для обращения к особым видам обслуживания в цифровых АТС. В тех случаях, когда принят метод т.н. двухтональной многочастотной сигнализации, при нажатии каждой кнопки вырабатывается уникальная пара электронных тонов, выбранных из двух взаимоисключающих групп по четыре частоты в каждой.
В некоторых телефонных аппаратах предусматриваются дополнительные кнопки, программируемые: 1) на выключение микрофона (чтобы, например, откашляться или сказать что-то другому лицу в помещении), 2) на автоматическое повторение набора последнего вызывавшегося номера, 3) на перевод вызова в режим ожидания при пользовании другой линией, 4) на автоматический набор часто вызываемых номеров и 5) на автоматический набор срочных вызовов (полиции, пожарной службы, скорой помощи и т.д.).
На предприятиях и в учреждениях ручную телефонную станцию, т.е. миниатюрный коммутатор (с числом добавочных номеров до 100) обычно обслуживает секретарь или работник службы безопасности. Такие ручные телефонные станции снабжаются телефонной трубкой, лежащей сбоку на пульте, и дополнительными соединительными гнездами для автоответчика, факса, наушников, компьютерного модема, устройства световой или звуковой сигнализации. При пользовании каким-либо из телефонов с добавочным номером горит соответствующая кнопка на пульте станции.
РАДИОТЕЛЕФОНЫ
«Домашний» радиотелефон.
В телефонную трубку такого «бесшнурового» телефона встроен миниатюрный батарейный приемопередатчик, работающий на той же волне, что и другой приемопередатчик, который находится в корпусе телефонного аппарата, подключенного к сети электропитания и к телефонной сети. В корпусе телефонного аппарата имеются звонок вызова и зарядное устройство для аккумулятора питания приемопередатчика.
Приемопередатчик телефонной трубки может работать на расстояниях, немногим меньших 1 км, а в некоторых моделях – до 3,5 км. Емкость питающего его аккумулятора достаточна для разговора в течение 45 мин и в течение 6 ч обеспечивает готовность телефона со снятой трубкой. Когда трубка положена, ее аккумулятор автоматически подзаряжается.
Основное преимущество домашнего радиотелефона – возможность свободного перемещения абонента в радиусе действия приемопередатчика. Главный недостаток – незащищенность (большинства моделей) от несанкционированного подключения к телефону посторонних лиц.
Радиотелефон сотовой связи.
С радиотелефоном сотовой связи абонент может на протяжении сеанса связи перемещаться из зоны действия (сотовой ячейки) одной антенны в зону действия другой, затем третьей и т.д. Такая техника, предложенная фирмой «Белл лэбораторис» в 1971, была введена в коммерческую практику в 1983. Каждая из антенн сотовой связи может поддерживать одновременно сотни отдельных двусторонних телефонных переговоров (или передач по радиофаксу). Вызов занимает одну из 666 частотных полос антенной ячейки и при перемещении телефона автоматически переключается на любую свободную частотную полосу следующей ячейки. При этом частотная полоса предыдущей ячейки освобождается и может быть занята другим абонентом.
Имеются три основных вида радиотелефонов сотовой связи: 1) мобильные, устанавливаемые в автомобилях и питаемые от автомобильных аккумуляторов, 2) переносные с отдельной переносной батареей питания, которые можно использовать отдельно или включать в гнездо электрозажигалки в автомобиле, и 3) карманные (со встроенной батареей питания) массой около 100 г.
Новые виды карманных телефонов сотовой связи будут использоваться в «сетях персональной связи» (PCN). Сигнал в таких телефонах будет более слабым, чем в существующих телефонах сотовой связи, а антенна – меньших размеров. Антенны персональной связи будут, вероятно, монтироваться на уличных фонарных столбах и на фасадах зданий, а также внутри автобусов, железнодорожных вокзалов, аэровокзалов. Антенны персональной связи, как и антенны другой сотовой связи, подключаются проводными или оптическими кабелями к коммутационной подстанции АТС. Сети персональной связи разрабатываются на основе цифровой техники (см. ниже Цифровые телефоны).
ТЕЛЕФОНЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Громкоговорящие телефонные аппараты.
Абонент включает ручным выключателем более мощную систему микрофона с громкоговорителем для двусторонней телефонной связи, когда в переговорах необходимо участвовать одновременно нескольким лицам, находящимся в помещении. Такое устройство выполняется, как правило, в виде отдельной или встраиваемой приставки к корпусу обычного шнурового телефонного аппарата. Для его работы нужно, чтобы телефонная трубка лежала на рычажном переключателе аппарата.
Видеотелефонные аппараты.
В видеотелефоне передача речи дополняется передачей изображения. Телевизионная камера одного видеотелефона формирует сигнал изображения абонента, участвующего в сеансе связи, и его изображение высвечивается на небольшом телевизионном экране (75–100 мм по диагонали, на жидких кристаллах) другого видеотелефона. Видеоизображение, передаваемое одновременно с речевым сигналом по обычным телефонным линиям, оказывается менее качественным, чем изображение широковещательного телевидения. Дело в том, что слишком мала ширина частотной полосы одного телефонного канала: для передачи качественного изображения нужно около 1400 речевых каналов.
Неподвижные видеоизображения могут передаваться с гораздо большей четкостью, но для полного формирования одного кадра требуется заметное время, примерно 2–3 с (для передачи движущегося изображения нужна скорость передачи не менее 10 кадров в секунду). Такие телефоны довольно дороги, однако для некоторых организаций это приемлемо, когда по телефону обсуждаются копии чертежей, рентгенограммы, модели изделий, недвижимое имущество и т.д.
Телефонные приставки для глухих.
Для абонентов с недостатком слуха созданы приставки к телефону, позволяющие обмениваться текстовыми сообщениями. В приставке имеются клавиатура и дисплей, на котором может высвечиваться строка текста длиной 20 или более знаков. В сеансе связи между двумя такими приставками один абонент набирает слова с помощью клавиатуры и на дисплее другого появляется текст. Исходящие сообщения даются строчными буквами, а входящие – прописными. Текст «прокручивается» на дисплее. Приставка, снабженная мигающей сигнальной лампой вызова, может работать с обычным телефонным аппаратом.
Телефоны общего пользования.
Такие телефонные аппараты, называемые таксофонами (или телефонами-автоматами), доступны для всех, кто деньгами или кредитной карточкой оплачивает вызов. Некоторые новые модели таксофонов, введенные в 1990-х годах, снабжены 24-см цветным экраном монитора и позволяют передавать и принимать речь, данные в цифровой форме через дорожный компьютер, портативный факс или встроенную клавиатуру самого таксофона, а также текстовые сообщения – через приставку для глухих.
Современные таксофоны, устанавливаемые в открытых или полуоткрытых боксах в шумных местах (на улицах, в аэропортах), сконструированы так, чтобы свести к минимуму влияние внешнего шума. На телефонных трубках предусматриваются ручки регулировки громкости, микрофоны снабжаются специальными фильтрами. Для защиты от вандализма в местах повышенного риска применяются бронированные шнуры и поликарбонатные телефонные трубки. Предусматриваются также средства защиты от оплаты поддельными монетами и от других незаконных действий.
ЦИФРОВЫЕ ТЕЛЕФОНЫ
Значительная часть телефонов, используемых в системах связи, представляет собой аналоговые устройства: они передают и принимают непрерывно меняющийся электрический сигнал, соответствующий плавно меняющимся звуковым частотам речи. Аналоговая электрическая передача – естественное продолжение человеческого речевого общения, которое тоже представляет собой аналоговый процесс, основанный на возбуждении и восприятии колебаний со звуковыми частотами. Однако у аналоговой передачи есть свои недостатки, которые особенно существенны, когда один кабель служит общим звеном для большого числа разговорных трактов. Кроме того, затруднена аналоговая передача цифровых сигналов компьютера – их приходится преобразовывать в квазиречевые сигналы.
По этим причинам все шире начинают применяться цифровые телефонные сети. Цифровой телефон подключается к цифровой телефонной линии (см. ниже Линии передачи). Речевые же телефонные аппараты, которые можно было бы подключать непосредственно к волоконно-оптической линии, не выпускаются промышленностью, хотя некоторые персональные компьютеры могут иметь волоконно-оптические порты для локальных вычислительных сетей (ЛВС). Офисные цифровые телефонные станции могут допускать использование в учреждении аналоговых линий, но цифровые телефоны и в этом случае следует подключать только к цифровым линиям.
В цифровом телефонном аппарате микросхема преобразует аналоговый речевой сигнал, вырабатываемый электретным микрофоном в частотной полосе шириной 4000 Гц, в цифровой сигнал 64 Кбит/с для передачи по цифровому речевому каналу. Таким образом, аналоговый электрический сигнал с непрерывно изменяющейся интенсивностью заменяется последовательностью кодированных двоичных чисел (битов).
Хотя для цифрового телефона подходит только цифровая телефонная линия, он может быть соединен с аналоговым телефоном, подключенным к сети. Цифровые линии стыкуются с аналоговыми на АТС, где осуществляется преобразование цифровых сигналов в аналоговые и наоборот.
ФАКС И ТЕЛЕФОННАЯ СЕТЬ
С помощью факса (факсимильного аппарата) по телефонной сети передаются и принимаются изображения документов, рукописных и печатных текстов, графиков, карт, чертежей, фотографий и пр. Сканирующее устройство факса считывает исходящий материал и преобразует аналоговое изображение в цифровой код. Встроенный модем (см. ниже Модем и телефонная сеть) преобразует цифровой сигнал в аналоговый, соответствующий стандарту местной телефонной сети. Модем преобразует также входящие сигналы от других факсов в цифровой сигнал для печатающего устройства. См. также ОРГТЕХНИКА И КАНЦЕЛЯРСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ; ФАКСИМИЛЬНАЯ СВЯЗЬ.
МОДЕМ И ТЕЛЕФОННАЯ СЕТЬ
Модем (модулятор-демодулятор) необходим для подключения портативного или настольного компьютера через ЛВС к другим компьютерам, а через телефонную сеть общего пользования (по запрограммированным номерам вызова) – к различным компьютерным сетям, таким, как системы электронной почты. Модем преобразует цифровой сигнал факса или персонального компьютера в аналоговый сигнал, совместимый с системами передачи и коммутации аналоговой местной и цифровой междугородной телефонной сети. Модем принимает также входящие аналоговые сигналы и преобразует их в цифровые, совместимые с подключенным к нему факсом или компьютером. См. также КОМПЬЮТЕР.
В факсах обычно предусматривается встроенный модем, но для многих персональных компьютеров требуются отдельные модемы. В настоящее время выпускаются модемы размером не более кредитной карточки, встраиваемые в оборудование либо вставляемые в гнездо (для сменной платы) портативного факса или ноутбука.
ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
Сигналы, вырабатываемые абонентской аппаратурой, передаются по проводной, радиорелейной или волоконно-оптической линии на ближайшую АТС. Все АТС, через которые устанавливается соединение с другим абонентом, связаны между собой соединительными линиями передачи с большим числом каналов.
Проводные линии.
Местная сеть начинается с двухпроводных абонентских линий, обслуживаемых АТС. Число таких линий может составлять 80 000 и более. В районе с высокой плотностью населения на АТС может быть несколько блоков коммутации абонентских линий. Для вызова абонента, обслуживаемого другим коммутационным блоком, нужен свободный канал в многоканальном кабеле, называемом соединительной линией (внутри- или межстанционной).
Телефонные линии, которыми оборудуются почти все жилые дома, выполняются из медного провода с пластмассовой изоляцией. Источником электропитания абонентских линий служит центральная аккумуляторная батарея АТС с напряжением 48 В постоянного тока, непрерывно подзаряжаемая выпрямителем сетевого тока. При временном отключении сетевого напряжения батарея может в течение 3 ч обеспечивать нормальную работу АТС. Предусматривается резервный электрогенератор для подзарядки батареи в аварийном режиме.
В самых современных системах абонентских линий до 96 соседних скрученных пар объединяются в телефонной подстанции. Подстанция преобразует аналоговые сигналы абонентских скрученных пар в цифровые, которые объединяются методом мультиплексирования с временн
м уплотнением, благодаря чему снижается стоимость линейного строительства. (В аналоговых межстанционных соединительных линиях применяется метод мультиплексирования с частотным уплотнением.) На АТС производится демультиплексирование сигналов для адресации на те или иные контакты блока коммутации абонентских линий.
Электрический речевой сигнал постепенно ослабляется («затухает») в процессе прохождения разговорного тракта и поэтому требует усиления в критических точках тракта. Аналоговый промежуточный усилитель усиливает не только полезный речевой сигнал, но и наложившийся на него шум. Поэтому в цифровых линиях связи, особенно междугородных, применяется т.н. регенератор. Он не просто усиливает сигнал, имеющий вид последовательности несколько искаженных из-за пройденного расстояния цифровых импульсов, а восстанавливает их первоначальную прямоугольную форму, устраняя шумовые искажения. Он восстанавливает также временные интервалы между импульсами, так что к следующему регенератору сигнал посылается уже без искажений.
Радиорелейные линии.
Радиорелейная линия представляет собой цепочку ретрансляторов для радиоволн СВЧ-диапазона. Ретрансляторы устанавливаются на высоких башнях на расстояниях 50–70 км. По радиорелейной линии могут передаваться как аналоговые, так и цифровые сигналы. Атмосферные и промышленные помехи не оказывают значительного влияния на радиорелейную связь. См. также СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН.
Промежуточным пунктом радиорелейной линии может служить геостационарный искусственный спутник Земли (см. также СПУТНИК СВЯЗИ). Поскольку расстояние до него составляет около 35 000 км, при двусторонних переговорах возникает заметная задержка. В настоящее время спутниковая связь используется в основном для телевизионного вещания и односторонней передачи данных. В некоторых районах без кабельной телефонной сети, например на Аляске, имеются компактные цифровые системы спутниковой связи, обслуживающие небольшие поселки с сотней телефонных аппаратов.
Волоконно-оптические линии.
В 1980-х годах появилась новая телефонная подстанция, соединяемая с АТС оптическим кабелем. В ней по двум парам (одна – резервная) стеклянных оптических волокон толщиной с волос передается до 96 одновременных двусторонних переговоров. Дополнительная электронная аппаратура повышает емкость такой подстанции до 768 каналов одновременной цифровой телефонной связи.
Оптический кабель содержит от 2 до 12 стеклянных оптических волокон в плоском формате и 144 – в жгутовом. Каждое волокно имеет на одном конце источник света, а на другом – фотоприемник. Источником света обычно служит полупроводниковый лазер или миниатюрный светодиод. Используется свет инфракрасной части спектра. Лазер преобразует цифровые электрические сигналы в последовательность импульсов инфракрасного света со скоростью следования от 45 млн. до 3,5 млрд. бит/с. Фотоприемник снова преобразует последовательность световых импульсов в цифровой электрический сигнал. См. также ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА.
В оптических регенераторах процесс регенерации несколько осложняется необходимостью преобразования оптических сигналов в электрические и обратно. Оптические регенераторы особенно важны для межконтинентальных подводных оптических кабелей, прокладываемых по дну океана. Самый длинный такой кабель (25 000 км) был проложен в середине 1990-х годов через Тихий океан. Для оптических подводных кабелей нужно меньше регенераторов (встраиваемых непосредственно в кабель до его прокладки), чем этого требовали ранее коаксиальные кабели.
Подводный оптический кабель обычно представляет собой медную трубу, покрытую снаружи слоем полиэтиленовой изоляции. Труба заполнена эластомером, отделенным от ее стенок оболочкой из стальных проволок. По оси кабеля проходит стальная проволока, а вокруг нее в эластомер вделаны шесть стеклянных оптических волокон связи. Два из них являются резервными на случай выхода из строя любой другой пары. Медная труба, напрессованная на плетеную проволочную оболочку, обеспечивает герметизацию и служит одним из проводников цепи электропитания для всей электроники кабеля. Оптический кабель не воспринимает электрических помех.
Такой кабель считается «супермагистралью» систем связи, поскольку обладает очень большой информационной пропускной способностью. Если для кабеля с медными проводниками максимальная скорость передачи цифровых данных составляет около 1,5 Мбит/с и необходима регенерация сигнала через каждые 3 км, то оптический кабель способен передавать информацию со скоростью 3,4 Гбит/с при расстоянии между регенераторами, достигающем 70 км. В пересчете на телефонные линии дуплексной (двусторонней) связи частота 1,5 Мбит/с соответствует 24 речевым каналам, а частота 3,4 Гбит/с – 48 384 цифровым речевым каналам.
Применение волоконной оптики в абонентских линиях может дать абоненту эквивалент нескольких высококачественных двусторонних видеосигналов, а также компьютерных услуг в диалоговом режиме и факсимильной передачи.
КОММУТАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Соединение абонентов для телефонных переговоров осуществляет посредством коммутационных устройств автоматическая телефонная станция (АТС). Телефонный аппарат через скрученную пару абонентской линии подключается к коммутационному блоку ближайшей АТС с контактами для обслуживания до 512 абонентских линий. Несколько смонтированных вместе блоков коммутации абонентских линий составляют электронную коммутационную систему, которая может быть запрограммирована на предоставление абонентам наряду с обычными дополнительных видов обслуживания. Среди них наибольшее распространение получили ждущий вызов (уведомление абонента, говорящего по телефону, о поступлении нового вызова), переадресация вызова при отсутствии вызываемого абонента, конференц-связь (одновременное соединение с несколькими абонентами), сокращенный набор номера и т.д.
Одна АТС может обслуживать многие тысячи подключенных к ней абонентов. Если вызываемый абонент подключен к той же самой АТС, то путь соединения не выходит за пределы абонентской сети данной АТС. Если же вызываемый абонент подключен к другой АТС, то соединение устанавливается через многоканальную соединительную линию. В случае междугородного вызова соединение устанавливается через междугородную телефонную станцию (МТС), которая обычно не имеет подключенных непосредственно к ней абонентских линий. Международные вызовы осуществляются через станции межсетевого сопряжения, снабженные специальным оборудованием для преобразования сигналов и различных параметров передачи.
Электронные АТС.
Коммутационная техника телефонных станций прошла через шесть фаз развития: ручное переключение, панельный коммутатор, шаговый искатель, координатный искатель, аналоговая электронная АТС и цифровая электронная АТС. Последние два вида доминируют в настоящее время в мировом телефонном сетевом трафике. В конце концов, как ожидается, вся телефонная нагрузка будет обслуживаться цифровыми электронными АТС. В более отдаленном будущем, возможно, появятся фотонные АТС.
Первая аналоговая электронная АТС (на 4000 абонентов, с компьютерным управлением) была введена в действие в 1965 (Сакасанна, шт. Нью-Джерси). Она действовала на основе принципа коммутации с пространственным разделением каналов; все изменения видов обслуживания и других характеристик коммутации производились путем программных, а не аппаратных изменений.
Линии цифровой передачи мультиплексированных речевых сигналов начали действовать в 1962 в Чикаго. Такая передача требует преобразования аналоговых по своей природе звуков речи в цифровой сигнал методом импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Непрерывно меняющаяся интенсивность звука определенной частоты заменяется тысячами ее отдельных значений в секунду. Каждое дискретное значение (для основной телефонной полосы частот 4000 Гц их 8000 в секунду) преобразуется в 8-разрядный двоичный код, что дает стандартный цифровой речевой сигнал с частотой следования 64 Кбит/с. Однако для коммутации этот цифровой сигнал приходится преобразовывать в аналоговый.
Первая цифровая электронная АТС, введенная в действие в 1982 в Сенеке (шт. Иллинойс), допускала прямое подключение оптических кабелей к абонентскому комплекту без предварительного фотонно-электронного преобразования сигнала. Такая цифровая АТС модели 5ESS стала в настоящее время одной из самых распространенных в мире. Подобные АТС обслуживают уже около 60 млн. линий. В некоторых странах они используются в качестве станций сопряжения с международными сетями.
Эффективность ИКМ-преобразования повышается компандированием – сжатием динамического диапазона сигнала при передаче и расширением при приеме. В разных странах применяются два несовместимых друг с другом метода ИКМ-компандирования. В США, Канаде и немногих других странах используется закон компандирования с мю-характеристикой, тогда как в остальных странах мира – с A-характеристикой. По международной договоренности страны с мю-законом осуществляют преобразование кода, или транскодирование, мю-A.
Введение новых иерархий волоконно-оптических сетей в странах с мю- и A-законами компандирования вносит дополнительные усложнения. Различия уже имеются в цифровых иерархиях проводных сетей Северной Америки, Европы и Азии. Японская цифровая система представляет собой вариант североамериканского стандарта. Остальные страны мира пользуются стандартами, разработанными Конференцией европейских управлений почты и телефонно-телеграфной связи (CEPT).
Были спроектированы три поколения подводных оптических кабелей с последовательно повышающейся скоростью мультиплексной передачи. Кабели первого поколения (введенные в действие в конце 1988 и начале 1989) обеспечивают передачу со скоростью 280 Мбит/с на одну волоконно-оптическую пару, а кабели второго поколения (введенные в действие в 1992) – со скоростью 560 Мбит/с на пару. Кабели третьего поколения (введенные в действие в середине 1990-х годов) обеспечивают скорость передачи, равную 5 Гбит/с на одну волоконно-оптическую пару. В кабелях третьего поколения применено промежуточное оптическое усиление, исключающее необходимость в преобразовании импульсного светового сигнала в электрический для регенерации. Благодаря этому дополнительно повысились надежность, пропускная способность и экономичность системы.
В настоящее время для волоконно-оптических систем вводятся новые иерархии стандартов цифрового мультиплексирования: в США – синхронная сеть оптической связи (SONET), в других странах мира – система синхронной цифровой иерархии (SDH), причем первая из них основана на мю-законе, а вторая – на A-законе кодирования–декодирования. Самый низкочастотный мультиплексированный сигнал оптической несущей в системе SONET соответствует скорости передачи, равной 52 Мбит/с, а самый высокочастотный – 2,5 Гбит/с. Такого же порядка уровни иерархии SDH. В ближайшие годы должны быть добавлены дополнительные промежуточные и более высокие уровни.
Такие синхронные цифровые сигналы получаются мультиплексированием плезиохронных или асинхронных сигналов, поступающих из менее скоростных частей сети. Исходящие цифровые сигналы абонентской аппаратуры по большей части являются асинхронными, т.е. данные вводятся нерегулярными группами, как, например, при вводе текста с клавиатуры для передачи на другой компьютер.
Пакетная коммутация.
Передача цифрового сигнала по единому и непрерывному тракту – не единственный возможный вариант. Метод пакетной коммутации, первоначально разработанный в США для государственной компьютерной сети ARPANET (созданной по заказу ARPA – управления перспективного планирования научно-исследовательских работ министерства обороны США), составляет техническую основу глобальной сети INTERNET, которой в настоящее время пользуются миллионы владельцев персональных компьютеров. При таком методе единое сообщение, передаваемое в цифровой форме, разбивается на многочисленные малые пакеты, и каждый из них снабжается идентифицирующими данными начальной и конечной точек соединения. Устройство пакетной коммутации направляет эти пакеты в сеть общего пользования по различным трактам в зависимости от занятости цепей. Адресная информация пакетов обеспечивает их прохождение по сети до оконечной точки соединения. Хотя пакеты достигают этой точки по разным трактам, собираются они здесь в нужной последовательности.
В телефонии такой вид соединения называется виртуальной цепью, поскольку сообщение в конце концов выдается целиком, как если бы оно передавалось по единому и непрерывному тракту. Пакетная коммутация позволяет намного увеличить полезную нагрузку имеющейся системы цепей, так как пакеты «вставляются» всякий раз, как только устройство пакетной коммутации обнаруживает переговорную паузу в имеющихся цепях.
Метод пакетной коммутации необычайно быстро распространяется, но имеет свои недостатки. При двусторонних речевых переговорах, осуществляемых пакетным методом, возникают трудности с обеспечением непрерывности, а для передачи движущихся телевизионных изображений скорость передачи оказывается недостаточной. Один из новых подходов к пакетной коммутации основан на использовании значительно больших пакетов с более подробными данными вызова, сопровождающими сообщение абонента. Эти дополнительные данные помогают пакету «проскочить» по трактам с повышенной скоростью передачи, таким, как волоконно-оптические системы с иерархией SONET и SDH. Более высокая скорость передачи может обеспечить более гладкую сборку пакетов в полные сообщения в конечной точке соединения.
Еще одно усовершенствование – интеллектуальная сеть, в которой не только телефонная компания, но и ее абоненты сами могут управлять сетью дальней связи, пользуясь компьютерами (со специальными программами), установленными в коммутационных системах и стратегических точках сети. Привилегированный абонент может, не обращаясь к персоналу телефонной компании, только программными средствами устанавливать и аннулировать временные сетевые конфигурации или виды обслуживания. Компьютерные системы контролируют такое обслуживание и выписывают соответствующие счета оплаты. Самый последний вариант интеллектуальной сети – глобальная интеллектуальная сеть, в которой могут временно устанавливаться международные цепи и особые виды обслуживания. При этом используются международные межсетевые коммутирующие интерфейсы, благодаря чему такие абоненты, как международные компании и организации, получают возможность пользоваться для своих надобностей виртуальными некоммутируемыми сетями при нормальном функционировании коммутируемых сетей общего пользования.
Метод виртуальной, т.е. программно-определяемой, сети позволяет снижать сетевые расходы абонентов за счет автоматического выбора наинизшего тарифа для конкретной функции. К этому могут добавляться возможности специализированной маршрутизации вызова. Арендуемые сети с т.н. закрепленными линиями могут также приобретаться в собственность для длительного пользования.
Коммутация сотовой связи.
В сотовой телефонной связи используется особый вид коммутации. В крупном городе такая связь может осуществляться с помощью 10–20 приемно-передающих антенн. Все они подключены наземными линиями к коммутационной подсистеме, которая может быть либо централизованной, либо распределенной по зоне обслуживания в соответствии с потребностями трафика. Коммутационная подсистема соединяет каждый вызов с АТС обычной телефонной сети. Эта подсистема контролирует операции в сотовой ячейке, осуществляет соединения и разъединения и регистрирует данные вызова для оплаты. Сотовая сеть следит за перемещением телефона абонента, продолжающего телефонный разговор, и определяет, когда следует переключить вызов с одной сотовой ячейки на другую, чтобы не снизилось качество приема и передачи.
НОВЫЕ ВИДЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ
Стандарты SONET и SDH призваны обеспечить широкополосную цифровую передачу по национальным и глобальным сетям телефонной связи. (Широкополосным обычно считается сигнал, требующий скорости передачи более 1,5 Мбит/с.) Широкополосность не только увеличивает число каналов передачи по данной линии, но и открывает возможности новых видов обслуживания.
Один из таких видов обслуживания – виртуальная реальность (или синтезированное окружение, дистанционное присутствие). Программа-максимум такой техники – обслуживание телефонного абонента не только по части речевого общения, но и в сфере всех пяти органов чувств: слуха, зрения, осязания, обоняния и вкуса. Ведутся изыскания в области интерактивной конторской деятельности (виртуального офиса) и интерактивных игр с использованием телефонной сети для создания иллюзии обстановки, общей для двух лиц, фактически находящихся далеко друг от друга. Так, разрабатываются устройства с динамометрическими датчиками для передачи ощущения прикосновения. Для создания виртуальной реальности компьютер подключается к надетому абонентом устройству, например шлему, который формирует стереоскопическое изображение в поле его зрения и стереофонический звук в наушниках. При повороте головы абонента изображение и звук соответствующим образом изменяются.
Еще один вид обслуживания, возможный в недалеком будущем, – перевод с иностранных языков в реальном времени. Например, когда один абонент говорит по-английски, а другой – по-японски, компьютерная система должна переводить речь с обоих языков одновременно и синтезировать голоса, воспроизводящие голосовые и речевые особенности обоих абонентов. В некоторых телефонных системах уже осуществляется компьютерный перевод с ограниченным набором слов.
Во многих странах Европы (во Франции, Италии, Германии и др.) аналоговая техника сотовой телефонной связи заменяется цифровой на основе метода «многостанционного доступа с временнм разделением каналов». В США, где такой метод, не допускающий взаимодействия с аналоговыми системами, не подходит, предлагается использовать вместо него метод «многодистанционного доступа с кодовым разделением каналов». Он основан на принципе «расширенного спектра», используемом в технике военно-полевой связи США, и обещает более чем десятикратное увеличение числа каналов линий передачи.
Благодаря принципу «информационной супермагистрали» в ближайшие годы, по-видимому, появятся экономически доступные мультимедийные терминалы, интерактивно объединяющие звуки с изображениями. На телеэкран такого компьютера будет одновременно выводиться несколько разных изображений – текста, фотоснимков, диаграмм, – а также движущееся телевизионное изображение с комментарием диктора. Абонент из другого города сможет, например, получить доступ к различным базам данных в крупных библиотеках страны. В связи с этим вскоре можно ожидать появления разных новых видов информационной техники и ее применений при условии, что владельцы информации – издатели, библиотеки, авторы, художники и разработчики компьютерных программ – смогут выработать подходящие способы оплаты их продукции и услуг.
Румпф К.-Г. Барабаны, телефон, транзисторы. М., 1974
Ковалева В.Д. и др. Квазиэлектронные и электронные АТС. М., 1982
Дубровский Е.П. Основы телефонии и телефонные аппараты. М., 1985
Бунин С.С. и др. Телефонные аппараты с кнопочными номеронабирателями. М., 1987