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环路和干线

环路和干线:二线制和四线制
       在讨论PSTN的应用之前还应当首先对环路和干线作些讨论。虽然用于本地环路(接入线路)和干线(交换机之间复用的话路)的介质在物理上没有什么差别,但这并不意味着环路和干线之间的工作方式也没有差别。本地环路通常在一对双绞线上承载一个话路,而干线则可以在同样类型的双绞线上(虽然一般使用两对)复用多个话路。实际上,这就是在PSTN中双绞线用于环路和干线的主要区别所在。
双绞线
       一个本地环路通常只有两条线:即一对双绞线。在电气特性上,本地环路使用直流电(在中心局中使用简单的蓄电池为接入线路供电)、操作方式为全双工(通话双方可以同时发话和接听),而且绝大多数情况下不使用放大器。与之相比,在同轴电缆、微波站和光缆出现之前所使用的最简单的十线则包括四条线(两对双绞线),在电气特性方面,干线使用交流电(交流电在没有品贵的放大器出现时也比直流电传输距离远)、采用半双工方式工作(一对用于传送,一对用于接收),而且还使用放大器(般来说,干线要比环路距离长许多)。为什么本地环路使用二线制,而干线使用四线制呢?原因很简单:那就是在购买和安装上二线制环路价格便宜,而且与干线相比本地环路数量要多很多。
       有意思的是,在电话装置内部除了不使用交流电之外,话音一直是按四线方式处理的。如果像电话、传真机或调制解调器这样的电话装置需要使用交流电,通常除了把这些装置与电话网络相连接还有别的需要,在这里交流电的主要用途是用来存储所拨号码、显示数字等等。
       为了能够在二线和四线操作之间转换,在本地环路和干线之间的接口处必须使用一种叫做混合线圈的电子设备。混合线圈是一种非常简单的电子设备,它可以使二线和四线电路彼此隔离,起到一种阻抗平衡的作用。但使用混合线圈会带来一些负面影响,最大的影响就是回音。电话用户在听到他们自己带有延迟时的回音会分散注意力,也就是说,回音在很大程度上降低了通话质量。
       在电话终端的混合线圈并不会带来什么问题,电话终端混合线圈可以用来提供侧音。侧音和回音不同,它是很有用的话音反馈,能够阻止用户由于听不清而冲着电话机大喊。由于发话者自己的话音造成的侧音延迟基本察觉不到,所以对心理的作用与回音完全不同。
       本地环路各端的混合线圈是产生回音的主要地方,此处的混合线圈是交换机之间的干线和:线环路相连接的地方。通常无论何时只要在电子系统中出现阻抗失配现象,就会产生回音(信号反射)。在PSTN中,这两种干线上的回音来源叫做近端回音和远端回音。带有回音源的环路和干线的端到端结构如图3-6所示。
环路干线和回音
图3-6  二线环路、四线干线和回音
       即使干线使用同轴电缆、微波站或光缆,它们所承载的话路也要模仿同等的四线制,而且也必须使用混合线圈。实际应用中,当使用数字式电话交换机时,线路卡就会提供混合线圈功能把二线本地环路连接到数字交换机上,这一点相当重要,因为数字交换机不能处理本地环路上的模拟话音。通常使用首字母缩写词BORSCHT来描述这些数字线路卡的功能,BORSCHT的含义为:B代表蓄电池(为本地环路提供直流电);0代表过压保护(如果闪电击中本地环路,有过压保护就不会损坏中心局脆弱的数字芯片而保护电路);R(即为用户电话振铃);S代表监视(现在称作信令,表示所有的挂机、摘机及其他功能);H代表混合线圈(在电气上平衡环路);:T代表测试(线路卡上有一个测试端接口)。很显然,任何接在本地环路上的设备也必须能够执行以上的功能,即使是IP路由器和VoIP服务器也不例外。
       混合线圈的使用会产生回音,但是对于回音该怎样处理呢?一种选择是什么也不做。如果回音延迟时间非常短,那么它与用户所需用的侧音区别不开。通常在环路一端的近端混合线圈所产生的回音延迟时间不是很长,不会造成什么影响,也就不必处理。研究表明回音只有在往返时延达到50ms、与侧音相比可察觉的时候才会带来影响。
       回音带来的主要问题是远端混合线圈产生的回音所造成的。如果想要有效地使用话音业务,就必须消除这种回音。回音的一部分泄漏到半双工的干线中,又回到发话者处,并且回音随着远端话音一起得到放大,这就造成了不良的影响。如果线路上的传输时延和交换机的节点处理时延超过某一阀值(通常设定45ms),这种发话者的回音必须得到处理。这样,依据混合线圈之间交换元件的数量和速率,某些情况下需要消除长距离线路上的回音,某些情况下也要消除短距离线路上的回音。
       现在回音的消除是通过在十线上使用特殊的电于回音消除器米元成的。回音消除器的具体操作细节并不重要,重要的是回音消除器已经普遍地使用在国际线路上了,但基本上都是用于一些像美国、巴西、加拿大、中国和俄罗斯(有时也包括澳大利亚)这样的领土大国之内,而在其他国家的国内线路中很少使用。只有在这些大国中,国内电话才有明显的往返延迟,需要使用回音消除器。
回音消除
       回音消除也是VoIP系统必须提供的另一个PSTN所拥有的功能。令人奇怪的是,当电路有回音消除器时,全双工的调制解调器就不能用了,其中的原囚非常复杂。总之回音消除器的使用可能带来一些负面作用,会删除一部分数据信号,这样在PSTN干线网络上的回音消除器与其说是对全双工操作的一种帮助,还不如说是一种障碍。于是为模拟调制解调器的操作设计了一个能够切断回音消除器的系统(如果电路中使用回音消除器的话)。当有人错误地使用了传真机时,调制解调器就会产生2100Hz的振鸣声,所有的回音消除器得到这一频率在2010Hz到2240Hz之间持续超过400ms特殊信号时(大多数调制解调器产生的振鸣声持续大约1秒钟),这些回音消除器就自动失效。当调制解调器使用完毕后(确切的说,大约是信号消失100ms之后)回音消除器又会重新起作用,但这时偶尔也会发生回音消除器没有及时重新启动阻碍而妨碍下一个电话用户使用线路的情况。图3-7表示了回音消除器在干线上的功能。我们知道由于干线是以半双工方式工作的,而且每一条千线都有一个扬声器,所以每一个四线制干线都要有一个回音消除器。
回音消除器
图3-7  回音消除器
       为什么用这么多时间来研究语音的二线和四线的区别呢?这是因为用来连接Internet路由器的绝大部分数字链路已经是等效的四线电路了。如果为了传递VoIP,而在Internet路由器上一直挂接一个模拟本地环路,那么在路由器中必须完成把模拟二线制话音转换为数字四线制电路所要做的所有功能,其中包括回音消除功能。路由器就相当于电话交换机,而IP网络则相当于PSTN的干线网络。即使是模拟本地环路最终要接于一个特殊的VoIP服务器,那么这个服务器也就相当于PSTN中的交换机。举个例子来说,如果路由器或服务器把固定比特速率的数字化话音映射到一个T-1链路上,就与PSTN交换机之间干线上所支持的对等四线电路没有什么区别。
       当然,在分组交换网上直接传输固定比特速率的语音也有一些文章,但这是下一章要讨论的主题。在这里我们只要知道这一点是可以完成的就行了。
       到此为止,本章已经讨论了不少PSTN的物理组成情况,特别是干线,原因是这些干线的非信道形式可以用做Internet上路由器之间的链路。这样,许多VoIP网络基本上使用如Internet一样的分组交换网络取代了干线网络,它们使用的就是和主干链路完全一样的干线技术的非信道形式,现在我们来看一看当用户打电话时在PSTN上是怎样进行的。