VoIP電話接口設(shè)計(jì)

在開發(fā) VoIP 系統(tǒng)時(shí)，主要考慮的一個(gè)方面就是連接到模擬電話的接口。設(shè)計(jì)人員必須了解 PSTN 中存在的電話接口要求，因?yàn)樗鼈儽仨氃?VoIP 系統(tǒng)中得到支持。本文將重點(diǎn)介紹連接到標(biāo)準(zhǔn) POTS 電話的兩種最常用接口：Foreign eXchange Subscriber (FXS) 與 Foreign eXchange Office (FXO)。重點(diǎn)說明了設(shè)計(jì)人員在為 VoIP 小區(qū)網(wǎng)關(guān)的模擬電話接口提供支持時(shí)可能面臨的某些挑戰(zhàn)。
FXS 與 FXO 是模擬電話領(lǐng)域的常用術(shù)語，它們?yōu)槭裁磳?duì) VoIP 應(yīng)用如此重要呢？就 PSTN 上的傳統(tǒng)電話連接而言，電話局端交換提供電源與電話振鈴。電話本身提供塞尖 (tip) /振鈴電路，以請(qǐng)求服務(wù)或應(yīng)答來自 PSTN 的呼叫。對(duì)于通過因特網(wǎng)撥打的呼叫，F(xiàn)XS 電路將模擬電話局端交換的功能。小區(qū)網(wǎng)關(guān)虛擬為交換機(jī)，為電話提供電源并進(jìn)行振鈴，并檢測(cè)環(huán)路電流。而在另一方面，F(xiàn)XO 電路則模擬電話功能，提供環(huán)路關(guān)閉功能并檢測(cè)來話振鈴。

圖1  雙線至四線轉(zhuǎn)換的線路回聲

圖2  本地環(huán)路的線路回聲

模擬電話與 PSTN 接口
FXS電路包括兩部分：CODEC 與 SLIC(用戶線路接口電路)。CODEC由 ADC與 DAC構(gòu)成。ADC 將來自模擬電話的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可通過VoIP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)。DAC將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電平，以驅(qū)動(dòng)模擬電話。為了實(shí)現(xiàn) 4kHz的音頻帶寬，ADC與DAC的采樣速率通常約為8kHz。SLIC器件模擬PSTN電壓電平。它必須檢測(cè)電話掛機(jī)還是摘機(jī)，并生成高達(dá)120V的振鈴電壓。
FXO電路包括CODEC與數(shù)據(jù)存取裝置(DAA)。CODEC與 FXS的功能相同，將模擬語音轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，隨后再轉(zhuǎn)換回來。DAA模擬(POTS)電話功能，其重要作用是去除高電壓直流偏置，將PSTN環(huán)路關(guān)閉，從而僅傳送來自PSTN的模擬交流信號(hào)。

圖3  PSTN 交換/傳輸網(wǎng)絡(luò)

FXO鏡像FXO
在VoIP網(wǎng)關(guān)中，F(xiàn)XS電路是在分組網(wǎng)絡(luò)上建立去話呼叫與接收來話呼叫的基本接口。在局端應(yīng)用中，POTS線路卡上的雙線SLIC接口發(fā)揮FXS接口的作用。在用戶端(CPE)應(yīng)用中，F(xiàn)XS電路存在于網(wǎng)關(guān)中，可提供撥號(hào)音、電池電流與振鈴電壓的功能，并檢測(cè)來自電話的環(huán)路關(guān)閉。由于該交換功能處于 CPE級(jí)，因此不必與PSTN建立直接連接。不過，有時(shí)用FXO接口建立到PSTN的連接也是有用的。這與普通的POTS電話連接到局端的接口類型相同，不過有一些改進(jìn)。FXO 端口的重要用途包括：
?停電時(shí)的重要通信線：如語音網(wǎng)關(guān)停電，則網(wǎng)關(guān)無法連接至分組網(wǎng)絡(luò)，也就不能發(fā)出或接收呼叫。在這種情況下，可以用中繼將模擬電話直接連接至 PSTN。如果發(fā)生這種情況，那么 FXO 電路非常智能，能夠檢測(cè)正在進(jìn)行的呼叫，從而避免電源恢復(fù)時(shí)呼叫中斷。
?呼叫重定向：當(dāng)分組網(wǎng)絡(luò)由于網(wǎng)絡(luò)擁塞而無法使用時(shí)，F(xiàn)XO 電路可記住用戶撥打的號(hào)碼，并通過 FXO 電路將此呼叫發(fā)送至 PSTN 完成呼叫。該方法使得客戶不必在分組網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)重新?lián)艽螂娫捥?hào)碼。
?遠(yuǎn)程VoIP呼叫：當(dāng)VoIP客戶不在家時(shí)，他們?nèi)钥赏ㄟ^ PSTN 網(wǎng)絡(luò)撥打自己的住宅號(hào)碼進(jìn)行VoIP 呼叫。語音網(wǎng)關(guān)通過FXO端口接收呼叫并將其前轉(zhuǎn)至VoIP網(wǎng)絡(luò)。
FXS線路饋電接口中的用戶饋電功能：FXO 接口中的互補(bǔ)功能為電池受電 (battery sink)。局端的塞尖引線與振鈴線之間通過 FXO 摘機(jī)中繼連接，而 FXO 提供電流限制。
過壓保護(hù)：由于可能暴露于閃電與電力干擾的條件下，因此 FXO 必須提供過壓保護(hù)。SLIC 的塞尖與 FXS 電路中的振鈴輸入經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可提供額外的過壓保護(hù)。
振鈴：振鈴由局端提供，但 FXO 必須能夠檢測(cè)振鈴并前轉(zhuǎn)此信息。FXS 電路必須向電話提供振鈴。CODEC 或 SLIC 生成的低壓振鈴信號(hào)由 SLIC 放大，并通過本地環(huán)路使電話振鈴。
信令：信令是指FXO能夠接收掛機(jī)/摘機(jī)信息并根據(jù)要求向局端提供摘機(jī)指示。它還必須檢測(cè)振鈴與其它情況并傳輸有關(guān)信息。FXS 必須能夠檢測(cè)掛機(jī)/摘機(jī)狀態(tài)，檢測(cè)并生成 DTMF信號(hào)音以及主叫用戶 ID 信號(hào)。
編碼：編碼是 CODEC 器件的功能之一，該器件是 FXS 與 FXO 接口的一部分。它指的是語音信號(hào)的模數(shù)編碼與數(shù)模編碼。
混合功能：混合功能對(duì)穩(wěn)定性與高質(zhì)量語音至關(guān)重要，對(duì) FXO 與 FXO 接口也同樣重要。

回聲
不管是通過 PSTN 還是分組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行呼叫，穩(wěn)定性與高質(zhì)量語音都至關(guān)重要?；芈暤臐撛谟绊憣?duì) FXS 與 FXO 接口功能也至關(guān)重要。普通 POTS 電話在 200W~400W之間的阻抗相對(duì)來說不加控制。由于從局端到用戶的電流為雙線，而且增益不增加，因此所遇到的阻抗變化通常不會(huì)影響性能。不過，如果載波通信系統(tǒng)在每端都使用雙線至四線的音頻混合電路，那么就可能出現(xiàn)穩(wěn)定性與線路回聲問題，此外還可能會(huì)出現(xiàn)四線通道增益。
在混合(雙線至四線轉(zhuǎn)換點(diǎn))端上將語音信號(hào)傳輸?shù)浇邮胀ǖ赖臐B通(breed-though)延遲，或由于阻抗不匹配使本地環(huán)路發(fā)生反射，均會(huì)產(chǎn)生線路回聲。PSTN中始終存在線路回聲，但不一定是問題。事實(shí)上，電話傳輸信號(hào)中的一部分會(huì)耦合到接收通道生成側(cè)音，使講話者可在聽筒中聽到自己的聲音。沒有側(cè)音，講話人就不清楚對(duì)方能否聽到自己說話，這樣對(duì)話可能就相當(dāng)尷尬。但是，如果不加控制的話，線路回聲過大又會(huì)在以下兩方面影響主叫用戶的通話體驗(yàn)：
?回聲越大，語音呼叫過程中受的干擾就越大。雖然許多情況下，線路上都存在較低的回聲，但用戶并不會(huì)察覺到。
?回聲的延遲時(shí)間會(huì)大幅影響語音質(zhì)量。延遲是指用戶說話與用戶聽到自己回聲之間的時(shí)間。往返程回聲延遲大于 25ms 的話，就會(huì)影響語音質(zhì)量。
混合電路完成了雙線至四線轉(zhuǎn)換，反之亦然，其主要作用是限制“滲透”到來話接收通道的輸出傳輸信號(hào)量。由于傳輸混合不平衡(混合組件不理想、阻抗不匹配等)，始終有一定量的 Tx 信號(hào)會(huì)進(jìn)入 Rx 通道(見圖1)。
除了傳輸混合不平衡產(chǎn)生的回聲外，混合終端阻抗不匹配也會(huì)產(chǎn)生線路回聲。如果線路終端的特性阻抗不正確，則會(huì)生成回聲。雙線本地環(huán)路的來話信號(hào)遇到混合終端電阻，并反射回線路，這就產(chǎn)生了回聲(見圖2)。如果終端連接不恰當(dāng)?shù)?CPE 設(shè)備(如電話或調(diào)制解調(diào)器)也可能在本地環(huán)路生成回聲。
為了更好地了解回聲來源，還需要知道一些PSTN的背景信息。電話網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)基本部分：交換與傳輸內(nèi)核，以及本地環(huán)路。
交換與傳輸部分負(fù)責(zé)傳輸并路由呼叫、呼叫服務(wù)、催款等。在這部分中，所有語音與數(shù)據(jù)信號(hào)均以數(shù)字方式傳輸，Tx與Rx信號(hào)采用不同的通道。這就使得傳輸長(zhǎng)途信號(hào)更加方便，也可以使用中繼器、微波傳輸塔等。本地環(huán)路包括“最后一英里”銅線，它實(shí)現(xiàn)了局端與用戶的連接。
 跟蹤圖3中電話A的Tx信號(hào)，假定EGP產(chǎn)生的回聲很大，從圖中可以看到，電話 A 在三個(gè)地方產(chǎn)生回聲(EGP 2、3 與 4)。EGP 2 處的回聲由線路混合阻抗不匹配造成，并導(dǎo)致回聲返回電話 A。由于往返程延遲不是很長(zhǎng)，所以該回聲不是什么問題，最終用戶也不會(huì)察覺到。有時(shí)側(cè)音也能掩蓋該回聲。造成問題的回聲是在EGP 3與4處生成的，因?yàn)槠渫党萄舆t相當(dāng)大(大于25ms)。網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端生成的回聲影響最大。EGP 3處的回聲是由于傳輸混合不平衡造成的，而EGP 4處的回聲是由電話連接到線路的阻抗不匹配造成的。
為了消除有害回聲，電話服務(wù)提供商一般會(huì)在 PSTN中安裝回聲抵消器。為了消除電話A連接上的回聲，回聲抵消器應(yīng)剛好安裝在 2 號(hào)5類開關(guān)之前或之內(nèi)，插入網(wǎng)絡(luò)的四線部分。回聲抵消器的作用是為包含EGP 3與EGP 4的本地環(huán)路部分的回聲特性建模，加上電話A的Tx信號(hào)的有關(guān)知識(shí)，就可在將電話 B 的 Tx 信號(hào)傳輸回電話 A 之前消除 EGP 3與 EGP 4 產(chǎn)生的回聲。在 VoIP 系統(tǒng)中，對(duì)于 VoIP CPE 網(wǎng)關(guān)發(fā)出與終止的呼叫而言，回聲必須完全在 VoIP 網(wǎng)關(guān)中處理。對(duì)于必須路由至 PSTN 的呼叫而言，PSTN 將繼續(xù)處理回聲抵消功能。

標(biāo)準(zhǔn)
盡管通過分組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 VoIP 呼叫不需要直接連接至 PSTN，但這并不意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以不考慮PSTN的要求。VoIP小區(qū)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)人員必須了解目前已有的電話技術(shù)要求，并將其應(yīng)用于系統(tǒng)的FXS與FXO接口。對(duì)于了解 PSTN 的行為以及要求而言，以下四大標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要：
1. GR57 指定了從局端塞尖/振鈴對(duì)到系統(tǒng)用戶端塞尖/振鈴對(duì)的數(shù)字環(huán)路載波通信系統(tǒng)的行為。
2. TA909 描述了從局端數(shù)字接口(北美為T1)到系統(tǒng)用戶端塞尖/振鈴接口的光纖到路邊系統(tǒng)的行為。光纖到路邊系統(tǒng)通常為16~24信道的系統(tǒng)。
3. GR303 討論的是集成數(shù)字環(huán)路載波通信系統(tǒng)的行為。對(duì)從局端 (T1) 數(shù)字接口到系統(tǒng)用戶端塞尖/振鈴接口的行為均作了規(guī)定。這類系統(tǒng)通常在用戶端有數(shù)百塞尖/振鈴對(duì)的較大接口。
4. GR1089 指定北美電話基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，包括抗閃電性、抗電源交擾以及 EMC。它還規(guī)定了意外 RF 放射的極限。

結(jié)語
隨著人們對(duì)VoIP服務(wù)的興趣不斷增強(qiáng)，專門為通過分組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語音呼叫而設(shè)計(jì)的電話(即 IP電話)將最終取代標(biāo)準(zhǔn)的模擬 POTS 電話。但在此之前，VoIP網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)人員必須考慮如何使其設(shè)備與上述標(biāo)準(zhǔn)的模擬電話相連。FXS 與 FXO 電路為此提供了一條有效途徑。■