CC BY
55
Вестник Волжского университета имени В.Н. Татищева № 2 (24) 2015
УДК: 621.391.8
ББК: 32.811.2
Анфалов К.В.
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ ЛИНИЙ В VOIP И АНАЛИЗ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Anfalov K. V.
THE POSSIBILITY OF USING ANALOG CIRCUITS IN VOIP AND ANALYSIS
OF THEIR CHARACTERISTICS
Ключевые слова: телекоммуникационный канал, наложение сообщений, системы передачи служебной информации, помехоустойчивость.
Keywords: telecommunication channel overlay massages, communications system for transmitting overhead information, noise immunity.
Аннотация: рассматривается вопрос использования занятых информационных каналов для передачи дополнительной информации в системах телефонии. Приведены варианты внедрения IP телефонии в организации и гибридные формы использования. Исследуются основные характеристики телекоммуникационных каналов, рассматриваются основные источники помех, которые могут повлиять на передаваемую информацию. Приведены выражения, описывающие свойства сигналов дискретной информации, на основание которых делаются выводы о взаимном влияние разовых сообщений и регулярной информации, передаваемой по телекоммуникационному каналу.
На основании предположения о стационарности речевого сигнала определяется влияние мощности передаваемых разовых сообщений на разборчивость речи и получено отношение, при котором речевой сигнал остается разборчивым.
Abstract: in this article we speak about using by busy informational channels for additional information in telephone system. There are variants of implementation of IP telephony in an organization and hybrid forms. We research the main characteristics of telecommunication channels, and examine the main sources of interference, which could affect the transmitted information. The expressions describing properties signals of digital information, based on conclusions which are drawn on the mutual influence of single messages and regular information transmitted via the telecom link.
Based on the assumption stationarity of the speech signal is determined by the impact of onetime power of the transmitted messages on the intelligibility.
Применение занятых каналов связи для передачи данных раскрывает новые функциональные возможности у существующих систем связи. В современном бизнесе I? телефония широко используется для организации
коммуникаций между людьми.
Эффективность работы корпоративных систем сильно связана с возможностью быстрого реагирования и передачи информации. По телекоммуникационным каналам передаются различные регулярные информационные сигналы: телефонные звонки, факсы, информационные пакеты. Современные информационные средства
позволяют тесно интегрировать средства связи и информационные CRM системы предприятий. Внедрение на предприятие систем IP телефонии снижает расходы и увеличивает возможности средств связи. Все это становится возможным благодаря использованию единой
инфокоммуникационной системы, где голосовые соединения и информационные пакеты передаются в единой транспортной среде. На многих предприятиях уже установлены системы аналоговой телефонии, поэтому при внедрении на предприятие цифровой связи существует несколько сценариев [1]:
1. Полная замена абонентского оборудования, монтаж ЛВС и установка программного или аппаратного сервера IP телефонии.
2. Установка IP шлюза и подключение его к аналоговой станции, а также установка программного или аппаратного сервера IP телефонии.
3. Подключение аналоговых телефонов через VoIP шлюзы без использования аналоговой АТС.
Обычно в крупных компаниях используют второй или третий вариант. Первый вариант подходит для новых офисов. Используя аналоговые телефоны совместно с IP-АТС, пользователи теряют функции, которые они могли бы получить, используя IP-телефон. Это связано с невозможностью передачи данных от IP-АТС к аналоговому телефону во время телефонного разговора. Передача служебных и информационных данных от АТС к аналоговому аппарату позволит расширить функциональные возможности абонентской системы и получить функции при использование аналоговых телефонов доступные только при комплексном внедрение VoIP.
Рассматривая возможность
дополнительной передачи информации по телефонному каналу совместно с обычным звонком, необходимо учитывать
особенности типовых сигналов,
передаваемых по этим каналам, и их характеристики.
Характеристики
200 600 1000 1500 2000 2500 £ кГц
Рисунок 1 - Амплитудно-частотные характеристики телефонных каналов
Представленная на этом же рисунке усредненная по данным измерений 672 амплитудно-частотная характеристика К(/), реальных телефонных каналов,
телекоммуникационных каналов
В телефонии емкость системы измеряется каналом тональной частоты (КТЧ) для аналоговых систем и основным цифровым каналом (ОЦК) для цифровых АТС. Данные каналы связи могут быть использованы для передачи речевых данных, факсимильной и телеграфной связи, а также для информационных сигналов.
Затрагивая вопрос
помехоустойчивости сигнала, нужно различать искажения сигналов, которые возникают от помех, имеющих природу, совпадающую с природой самих сигналов (активные или флуктуационные помехи) и искажения, которые являются следствием «неидеальности» характеристика канала (например, ограниченной полосы пропускания), а также изменения параметров канала (пассивные или параметрические помехи) [2, 3].
Для цифровых каналов ТЧ вводится дополнительная характеристика, которая оценивает шумы квантования. Эта характеристика задается в виде зависимости отношения сигнал-шум (ОСШ) от уровня сигнала [3].
Согласно нормативам
Международного консультативного
комитета по телефонии и телеграфии (1ТЦ-Т), амплитудно-частотные характеристики телефонных каналов должны находиться в области, ограниченной заштрихованными линиями (рисунок 1).
свидетельствует, что неравномерность частотных характеристик не выходит за пределы, указанные на рисунке 1 заштрихованными линиями.
помехи в
определяются характеристикой ф(/), а также
Параметрические телефонном канале амплитудно-частотной К(/) и фазочастотной изменением этих характеристик во времени.
Фазочастотная характеристика
телефонного канала задается
неравномерностью группового времени передачи ГВП (распространения) ^р.р. Нормируется ГВП от его значения на частоте 1,9 кГц на одном из транзитных участков длиной 2500 км (рисунок 2) [3].
Стоит заметить, что при передачи разовых сообщений от 1Р-АТС к аналоговому телефону данная
характеристика не вносит существенных помех, поскольку максимальная длина составляет не более 8 км.
Расчет прохождения сигналов через конкретный телефонный канал можно выполнить при наличии пары характеристик К(/) и ф(/).
Согласно данным ЦНИИС МС изменения во времени параметра йр.р даже для протяженных каналов не являются значительными. Наибольшее отклонение составляет от 0,1 до 0,2 мс. Основные искажения группового времени
распространения вызываются кварцевыми тональными фильтрами в системах, где они еще используются.
Из [1-3] следует, что вероятность «пропадания» сигнала на время 200...800 мс может быть равна 10-7...10-8.
Рисунок 2 - Допустимое отклонение ГВП канала ТЧ
Временной сдвиг огибающей Дtс.ог и паразитная угловая модуляция несущей -эти две стороны фазовых искажений являются наиболее существенными для техники передачи дискретных сигналов [4]. Предположим, что для передачи дискретных сигналов выделена верхняя часть спектра /= 3000...3300 Гц, а нижняя часть спектра используется для телефонной передачи. Фазовые искажения фильтров самой аппаратуры не учитываем. Амплитудными искажениями пренебрегаем. На рисунке 3 представлена зависимость максимальных краевых искажений 5к.и. от скорости передачи и при различных
частотах несущей /0, где 5к.и. = maxДtc.ог/T0.
Здесь maxДtc.ог - максимальный сдвиг огибающей относительно тактовых моментов времени; Т0 - длительность импульса без краевых искажений.
Если передавать данные во всей полосе частот, то краевые искажения составят 2% при 1000 Бод и 17% при 2000 Бод. При искажениях более 50% правильный прием сигналов возможен, но помехозащищенность системы
уменьшается.
В телефонных каналах действует большое количество шумов, которые могут
быть разбиты на две группы: аддитивные шумы, когда напряжение шума добавляется к переданному сигналу, и шумы
преобразования, когда передаваемый сигнал модулируется напряжением шумов.
Рисунок 3 - Зависимость максимальных краевых искажений от скорости передачи при
различных частотах несущей /0
В работе [6] приведены результаты изменения частоты ошибок в зависимости от понижения уровня сигнала относительно уровня шума при и = 1300 Бод, из которых следует, что затухание в 9 дБ мало влияет на частоту ошибок, а затухание в 20 дБ приводит к удвоению частоты ошибок.
Прямой связи между ухудшением ОСШ и частотой ошибок обнаружено не было. Поскольку ОСШ заметно не сказывается на частоте появления ошибок, влиянием шумового фона в телефонных каналах пренебрегают.
При одновременной передаче разовых сообщений и сигналов регулярной информации, при длительности сигналов разовых сообщений порядка 2...3с, основными помехами, статистику которых надо учитывать в первую очередь при выборе способа приема разовых сообщений и расчете помехоустойчивости, являются сигналы регулярной информации.
Свойства сигналов дискретной информации
При передаче разовых сообщений по занятым каналам одновременно передаются и сигналы данных. Для выяснения степени влияния этой информации на разовые сообщения необходимо определить корреляционные свойства сигналов данных.
Как известно [2], передача данных по выделенному телефонному каналу может вестись двумя способами:
а) параллельным, когда все элементы кодовой комбинации передаются одновременно по нескольким каналам. В этом случае в каждом канале передаются импульсы большой длины;
б) последовательным - импульсы информации с высокой скоростью передаются последовательно один за другим по одному каналу. Импульсы при этом будут короткими.
На проводных каналах предпочтение рекомендуется отдавать последовательному способу передачи, поскольку он позволяет создать экономически выгодную, гибкую и эффективно действующую систему передачи данных с использованием как коммутируемых, так и некоммутируемых каналов.
Типичным примером созданных систем последовательной передачи данных является система, предназначенная для передачи цифровой информации между ПК, удаленными на значительные расстояния.
Передача информации ведется в полосе стандартного телефонного канала (300.. .3400 Гц) со скоростью 1200 Бод с помощью однократной относительной
фазовой модуляции. Несущая частота равна 1800 Гц. Прием осуществляется по методу сравнения полярностей. Специального помехоустойчивого кодирования
информации при связи по каналам высокого и среднего качества не проводится; при связи по каналам низкого качества применяется цепной код.
Комплексную огибающую
фазомодулированного (ФМ) сигнала,
содержащего ^ импульсов длительностью Т0 каждый, можно записать в виде
N-1 N-1
$(г) = Х г - кТс) = Х ЧьФь(г)'
Ф (г) -
(1) импульс
где к прямоугольный
длительностью Т0:
1 при кТ0 < г < (к + 1)Т0,
Фк (г ) =
С восталъных случаях ;
(2)
чк коэффициенты, характеризующие код сигнала. Эти коэффициенты могут принимать только два значения:
Чк ~ +1 (фаза нуль),
Чк = -1 (фаза п).
Для произвольного момента времени
т = кт с + ч
функция ФМ-сигнала имеет вид
п ■ Ч С <л < Т
с , где с , корреляционная
В(кТп + ч) =- [ $(г')$(г' + кТп + ч)Лг'.
С J С
Так как
С -О
Ф (г')
(3)
отлична от нуля в
интервале
Т с< г' < (г + 1)Тс,
находим
в(кТс + ч) = — X ч,к+к(Тс -ч) + ч,+к+ч\
Л ,• _ п
Наконец, учитывая, что отличны от
(4)
нуля только в интервала получаем при к - с :
в (кт с +ч) =
с <г <N -1
( гл л " -к-1 1 —
т
V ТС
л N - к-1 1 N - к - 2
1 ■-к ч 1
77 X к + ~77 X к+1.
N
Тс N <=с
(5)
Из (4) и (5) следует, что корреляционная функция состоит из отрезков прямых, наклон которых может
К = кТ.
изменяться только в точках к с .
Ранее нами были рассмотрены и проанализированы основные
характеристики телефонного канала, а также ряд параметров, влияющих на их нестабильность. Было показано, что на нестабильность во времени амплитудно-частотных характеристик К(^ большое влияние оказывает остаточного затухания в канале Ь0, отклонение которого от среднего значения, согласно МККТТ, допускается не более чем на (1,74 дБ). Однако, согласно данным ЦНИИС МС, это отклонение значительно превышает заданный предел и может составлять 14,76 дБ на воздушных и 13,03 дБ на кабельных магистралях.
Распределение отклонения Ь0 от среднего значения приближается к нормальному закону. В диапазоне трех стандартных отклонений (3а) разброс значений Ь0 заключается в пределах от -3,04 дБ до 3,73 дБ. Продолжительность отклонений колеблется от нескольких минут до 5 часов. Изменение остаточного затухания может происходить плавно и скачкообразно. Максимальная величина скачка Ь0 составляет 3,9 дБ.
Кроме того, могут иметь место кратковременные полные «пропадания» сигнала (перерывы, прерывания) на выходе канала, когда на время dt коэффициент
передачи К (^ 'т) становится равным нулю. Вероятность «пропадания» сигнала на время 200...800 мс может быть равна 10-7...10-8. Наиболее частые «пропадания» сигнала имеют длительность 0,5...2 мс.
Существенными фазовыми
искажениями, влияющими на
нестабильность фазочастотной Ф(^) характеристики телефонных каналов, являются временной сдвиг огибающей А tс.ог и паразитная угловая модуляция несущей.
Осуществленный анализ шумов в телефонных каналах показал, что все они условно могут быть разбиты на две группы: аддитивные шумы, когда напряжение шума добавляется к переданному сигналу, и шумы преобразования, когда передаваемый сигнал модулируется напряжением шумов.
Экспериментальные исследования показывают, что ошибки символов при передаче по каналу связи, как правило, группируются в пачки различной
к = с
к = с
N-1
длительности, причем ошибка в пачках и между пачками друг с другом сильно коррелированы. Обычно появление длинных пачек связано с кратковременным снижением уровня сигнала на выходе. Одной из причин такого вида ошибок являются станционные и эксплуатационные помехи.
Как правило, переходные и флуктуационные шумы не вызывают значительных искажений импульсов и не приводят к ошибкам, при условии, что сигнал имеет достаточно высокий уровень, а шумы значительно (на 17,37 - 26,06 дБ) ниже уровня полезного сигнала. Согласно нормам МККТТ, шум в телефонном канале не должен превышать - 47,77 дБ по отношению к нулевому уровню.
Речевой сигнал можно рассматривать как некоторый стационарный случайный процесс. Предположение стационарности речевых сигналов позволяет применить весьма эффективную при решении многих задач техники связи корреляционную теорию случайных процессов,
использующую теорему Винера - Хинчина для связи спектральной плотности мощности ) и функции корреляции В(г
В этом случае для стандартного телефонного канала с полосой 300...3400 Гц
интервал корреляции речевого сигнала ^
составляет 8 мс ( крс. = 8мс).
При наложение сигналов разовых сообщений случайные импульсы снижают разборчивость слов меньше, чем периодические, что объясняется более равномерным распределением энергии случайных импульсов по всему диапазону.
При коэффициенте заполнения передачи d, определяемого как отношение суммарного времени занятости канала к длительности сообщений, больше или равно 0,65 (ё - 0,65), минимальное значение разборчивости речи Wmin больше или равно 90% ^тт - 90%). Следовательно, при коэффициенте заполнения передачи d -0,65 в профессиональной связи «пропадания» речевого сигнала можно не восстанавливать, так как разборчивость речи остается достаточно высокой. Причем разборчивость слов при нерегулярных
прерываниях сигнала выше, чем при регулярных прерываниях.
Так же на разборчивость речи значительно влияет отношение
эффективного значения напряжения речевого сигнала ис к амплитуде мешающих импульсов ип и число воздействующих импульсов в секунду, характер их распределения во времени, а также коэффициент заполнения передачи.
При скорости передачи мешающих импульсов свыше 1000 имп./с, их воздействие на речевой сигнал подобно воздействию «гладкого» шума, воздействие
которого определяется отношением и с 1 и п . При этом появление импульсов носит случайный характер.
Граничным условием, определяющим максимально допустимую мощность сигнала разового сообщения,
накладываемого на речевой сигнал, при которой звуковая разборчивость речи остается отличной (О > 91%), является
к > 9,
к2 -
соотношение ' где к - отношение
«сигнал-шум» по мощности. Под сигналом здесь понимается речевой сигнал; под шумом - сигнал разового сообщения, имеющий «гладкий» спектр.
Таким образом, при расчете помехоустойчивости приема разовых сообщений, в условиях мешающего действия передачи регулярной информации, необходимо учитывать степень их корреляции.
Были рассмотрены и
проанализированы основные
характеристики телефонного канала, а также параметров, влияющих на их нестабильность. Было показано, что на нестабильность во времени амплитудно-частотных характеристик К(^ большое влияние оказывает остаточного затухания в канале Ь0, отклонение которого от среднего значения, согласно МККТТ, допускается не более чем на (1,74 дБ)
Анализ показал, что наиболее существенными фазовыми искажениями, влияющими на нестабильность
фазочастотной ф(/) характеристики телефонных каналов, являются временной сдвиг огибающей Дtс.ог и паразитная
угловая модуляция несущей.
Экспериментальные исследования
показывают, что ошибки символов при передаче по каналу связи, как правило, группируются в пачки различной длительности, причем ошибка в пачках и между пачками друг с другом сильно коррелированы, что делает возможным использование помехоустойчивых кодов для улучшения работы системы.
Разработка системы передачи разовых сообщений по занятым
телекоммуникационным каналом в пределах VoIP системы является актуальной проблемой, для решения которой необходимо провести более подробный анализ статистических характеристик речевого сигнала[7]. Определить основные энергетические соотношения передаваемой и регулярной информации. Выбрать коды и методы формирования служебных сигналов. Исследовать эффективность полученной модели и разработать схемы практического использования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Баскаков, И.В. IP-телефония в компьютерных сетях / И.В. Баскаков, А.В. Пролетарский, С.А. Мельников, Р.А. Федотов. - М.: Интернет-университет, 2008. - 184 с.
2. Алексеев, Е.Б. Проектирование и техническая эксплуатация цифровых телекоммуникационных систем и сетей: учебное пособие для вузов / Е.Б. Алексеев, В.Н. Гордиенко, В.В. Крухмалев, А.Д. Моченов, М.С. Тверецкий. - М., 2012. - 392 с.
3. Гаранин, М.В. Системы и сети передачи информации / М.В. Гаранин, В.И. Журавлев, С.В. Кунегин. - Томск, 2012. - 338 с.
4. Гордиенко, В.Н. Многоканальные телекоммуникационные системы. Аналоговые системы передачи / В.Н. Гордиенко, В.В. Крухмалев, А.Д. Моченов. - М.: Маршрут, 2006. -256 с.
5. Анфалов, К.В. К вопросу выбора сигналов и методов обработки их при передаче разовых сообщений / К.В. Анфалов, В.И. Воловач // Проблемы техники и технологий телекоммуникаций (ПТиТТ-2013): материалы XIV Международной научно-технической конференции. - Самара 2013. - 436 с.
6. Анфалов, К.В. Спектральные и корреляционные характеристики регулярных сигналов передачи информации / К.В. Анфалов, В.И. Воловач // Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации (ITRT - 2013): Сборник статей III Международной заочной научно-технической конференции. - Тольятти: ПВГУС, 2014. -391 с.
7. Волков, Л.Н. Системы цифровой радиосвязи. Базовые методы и характеристики: учебное пособие / Л.Н. Волков, М.С. Немировский, Ю.С. Шинаков. - М.: Эхо Трендз, 2005. - 392 с.
8. Воловач, В.И. Применение М-последовательности для передачи сигнала синхронизации по занятым телекоммуникационным каналам / В.И. Воловач, К.В. Анфалов, С.В. Зайцев // Алгоритмические и программные средства в информационных технологиях, радиоэлектронике и телекоммуникациях: сб. статей I международной заочной НТК. Поволжский гос. ун-т сервиса. - Тольятти: Изд-во ПВГУС. - С. 274-279.
9. Анфалов, К.В. К вопросу выбора сигналов и методов обработки их при передаче разовых сообщений [Текст] / К.В. Анфалов, В.И. Воловач // Проблемы техники и технологий телекоммуникаций (ПТиТТ-2013): материалы XIV Международной НТК. Самара. - 2013. - С. 436.
10. Воловач, В.И. Влияние служебной информации на помехоустойчивость занятых телекоммуникационных каналов / В.И. Воловач, А.Е. Рогозин // Школа университетской науки: парадигма развития. - 2011. - № 3(4). - С. 34-38.
11. Воловач, В.И. Анализ помехоустойчивости систем передачи речевого сигнала при наложении сигналов служебной информации / В.И. Воловач, А.Е. Рогозин // Наука -промышленности и сервису: сб. ст. 6-й международной НПК. Ч. II. ПВГУС. - Тольятти: ПВГУС, 2012. - С. 270-275.
12. Анфалов, К.В. Comparative analysis of coding effeciveness in telecommunication systems with ARQ / К.В. Анфалов, В.И. Воловач 11th East-West Design & Test Symposium (EWDTS 2013). - Ростов н/Д., 2013. - С. 320.
13. Артюшенко, В.М. Анализ возможностей передачи служебной информации по занятым каналам: сборник трудов. Информационно-технологический факультет. -Королев: ФТА, 2012. - С. 138-153.
14. Анфалов, К.В., Воловач, В.И. Обработка и преобразование сигналов в радиотехнических и инфокоммуникационных системах: коллективная монография. - М.: Радио и связь, 2014. - С. 406-437.
