VoIP電話(huà)接口設計

在開(kāi)發(fā) VoIP 系統時(shí)，主要考慮的一個(gè)方面就是連接到模擬電話(huà)的接口。設計人員必須了解 PSTN 中存在的電話(huà)接口要求，因為它們必須在 VoIP 系統中得到支持。本文將重點(diǎn)介紹連接到標準 POTS 電話(huà)的兩種最常用接口：Foreign eXchange Subscriber (FXS) 與 Foreign eXchange Office (FXO)。重點(diǎn)說(shuō)明了設計人員在為 VoIP 小區網(wǎng)關(guān)的模擬電話(huà)接口提供支持時(shí)可能面臨的某些挑戰。
FXS 與 FXO 是模擬電話(huà)領(lǐng)域的常用術(shù)語(yǔ)，它們?yōu)槭裁磳?VoIP 應用如此重要呢？就 PSTN 上的傳統電話(huà)連接而言，電話(huà)局端交換提供電源與電話(huà)振鈴。電話(huà)本身提供塞尖 (tip) /振鈴電路，以請求服務(wù)或應答來(lái)自 PSTN 的呼叫。對于通過(guò)因特網(wǎng)撥打的呼叫，FXS 電路將模擬電話(huà)局端交換的功能。小區網(wǎng)關(guān)虛擬為交換機，為電話(huà)提供電源并進(jìn)行振鈴，并檢測環(huán)路電流。而在另一方面，FXO 電路則模擬電話(huà)功能，提供環(huán)路關(guān)閉功能并檢測來(lái)話(huà)振鈴。

圖1  雙線(xiàn)至四線(xiàn)轉換的線(xiàn)路回聲

圖2  本地環(huán)路的線(xiàn)路回聲

模擬電話(huà)與 PSTN 接口
FXS電路包括兩部分：CODEC 與 SLIC(用戶(hù)線(xiàn)路接口電路)。CODEC由 ADC與 DAC構成。ADC 將來(lái)自模擬電話(huà)的模擬信號轉換為可通過(guò)VoIP網(wǎng)絡(luò )傳輸的數字信號。DAC將數字信號轉換為模擬電平，以驅動(dòng)模擬電話(huà)。為了實(shí)現 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。它必須檢測電話(huà)掛機還是摘機，并生成高達120V的振鈴電壓。
FXO電路包括CODEC與數據存取裝置(DAA)。CODEC與 FXS的功能相同，將模擬語(yǔ)音轉換為數字信號，隨后再轉換回來(lái)。DAA模擬(POTS)電話(huà)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(lái)自PSTN的模擬交流信號。

圖3  PSTN 交換/傳輸網(wǎng)絡(luò )

FXO鏡像FXO
在VoIP網(wǎng)關(guān)中，FXS電路是在分組網(wǎng)絡(luò )上建立去話(huà)呼叫與接收來(lái)話(huà)呼叫的基本接口。在局端應用中，POTS線(xiàn)路卡上的雙線(xiàn)SLIC接口發(fā)揮FXS接口的作用。在用戶(hù)端(CPE)應用中，FXS電路存在于網(wǎng)關(guān)中，可提供撥號音、電池電流與振鈴電壓的功能，并檢測來(lái)自電話(huà)的環(huán)路關(guān)閉。由于該交換功能處于 CPE級，因此不必與PSTN建立直接連接。不過(guò)，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(huà)連接到局端的接口類(lèi)型相同，不過(guò)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(xiàn)：如語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)停電，則網(wǎng)關(guān)無(wú)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(huà)直接連接至 PSTN。如果發(fā)生這種情況，那么 FXO 電路非常智能，能夠檢測正在進(jìn)行的呼叫，從而避免電源恢復時(shí)呼叫中斷。
?呼叫重定向：當分組網(wǎng)絡(luò )由于網(wǎng)絡(luò )擁塞而無(wú)法使用時(shí)，FXO 電路可記住用戶(hù)撥打的號碼，并通過(guò) FXO 電路將此呼叫發(fā)送至 PSTN 完成呼叫。該方法使得客戶(hù)不必在分組網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)重新?lián)艽螂娫?huà)號碼。
?遠程VoIP呼叫：當VoIP客戶(hù)不在家時(shí)，他們仍可通過(guò) PSTN 網(wǎng)絡(luò )撥打自己的住宅號碼進(jìn)行VoIP 呼叫。語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)通過(guò)FXO端口接收呼叫并將其前轉至VoIP網(wǎng)絡(luò )。
FXS線(xiàn)路饋電接口中的用戶(hù)饋電功能：FXO 接口中的互補功能為電池受電 (battery sink)。局端的塞尖引線(xiàn)與振鈴線(xiàn)之間通過(guò) FXO 摘機中繼連接，而 FXO 提供電流限制。
過(guò)壓保護：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(guò)壓保護。SLIC 的塞尖與 FXS 電路中的振鈴輸入經(jīng)過(guò)精心設計，可提供額外的過(guò)壓保護。
振鈴：振鈴由局端提供，但 FXO 必須能夠檢測振鈴并前轉此信息。FXS 電路必須向電話(huà)提供振鈴。CODEC 或 SLIC 生成的低壓振鈴信號由 SLIC 放大，并通過(guò)本地環(huán)路使電話(huà)振鈴。
信令：信令是指FXO能夠接收掛機/摘機信息并根據要求向局端提供摘機指示。它還必須檢測振鈴與其它情況并傳輸有關(guān)信息。FXS 必須能夠檢測掛機/摘機狀態(tài)，檢測并生成 DTMF信號音以及主叫用戶(hù) ID 信號。
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(yǔ)音信號的模數編碼與數模編碼。
混合功能：混合功能對穩定性與高質(zhì)量語(yǔ)音至關(guān)重要，對 FXO 與 FXO 接口也同樣重要。

回聲
不管是通過(guò) PSTN 還是分組網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行呼叫，穩定性與高質(zhì)量語(yǔ)音都至關(guān)重要?；芈暤臐撛谟绊憣?FXS 與 FXO 接口功能也至關(guān)重要。普通 POTS 電話(huà)在 200W~400W之間的阻抗相對來(lái)說(shuō)不加控制。由于從局端到用戶(hù)的電流為雙線(xiàn)，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(guò)，如果載波通信系統在每端都使用雙線(xiàn)至四線(xiàn)的音頻混合電路，那么就可能出現穩定性與線(xiàn)路回聲問(wèn)題，此外還可能會(huì )出現四線(xiàn)通道增益。
在混合(雙線(xiàn)至四線(xiàn)轉換點(diǎn))端上將語(yǔ)音信號傳輸到接收通道的滲通(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(xiàn)路回聲。PSTN中始終存在線(xiàn)路回聲，但不一定是問(wèn)題。事實(shí)上，電話(huà)傳輸信號中的一部分會(huì )耦合到接收通道生成側音，使講話(huà)者可在聽(tīng)筒中聽(tīng)到自己的聲音。沒(méi)有側音，講話(huà)人就不清楚對方能否聽(tīng)到自己說(shuō)話(huà)，這樣對話(huà)可能就相當尷尬。但是，如果不加控制的話(huà)，線(xiàn)路回聲過(guò)大又會(huì )在以下兩方面影響主叫用戶(hù)的通話(huà)體驗：
?回聲越大，語(yǔ)音呼叫過(guò)程中受的干擾就越大。雖然許多情況下，線(xiàn)路上都存在較低的回聲，但用戶(hù)并不會(huì )察覺(jué)到。
?回聲的延遲時(shí)間會(huì )大幅影響語(yǔ)音質(zhì)量。延遲是指用戶(hù)說(shuō)話(huà)與用戶(hù)聽(tīng)到自己回聲之間的時(shí)間。往返程回聲延遲大于 25ms 的話(huà)，就會(huì )影響語(yǔ)音質(zhì)量。
混合電路完成了雙線(xiàn)至四線(xiàn)轉換，反之亦然，其主要作用是限制“滲透”到來(lái)話(huà)接收通道的輸出傳輸信號量。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 信號會(huì )進(jìn)入 Rx 通道(見(jiàn)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(xiàn)路回聲。如果線(xiàn)路終端的特性阻抗不正確，則會(huì )生成回聲。雙線(xiàn)本地環(huán)路的來(lái)話(huà)信號遇到混合終端電阻，并反射回線(xiàn)路，這就產(chǎn)生了回聲(見(jiàn)圖2)。如果終端連接不恰當的 CPE 設備(如電話(huà)或調制解調器)也可能在本地環(huán)路生成回聲。
為了更好地了解回聲來(lái)源，還需要知道一些PSTN的背景信息。電話(huà)網(wǎng)絡(luò )包括兩個(gè)基本部分：交換與傳輸內核，以及本地環(huán)路。
交換與傳輸部分負責傳輸并路由呼叫、呼叫服務(wù)、催款等。在這部分中，所有語(yǔ)音與數據信號均以數字方式傳輸，Tx與Rx信號采用不同的通道。這就使得傳輸長(cháng)途信號更加方便，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(xiàn)，它實(shí)現了局端與用戶(hù)的連接。
 跟蹤圖3中電話(huà)A的Tx信號，假定EGP產(chǎn)生的回聲很大，從圖中可以看到，電話(huà) 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(xiàn)路混合阻抗不匹配造成，并導致回聲返回電話(huà) A。由于往返程延遲不是很長(cháng)，所以該回聲不是什么問(wèn)題，最終用戶(hù)也不會(huì )察覺(jué)到。有時(shí)側音也能掩蓋該回聲。造成問(wèn)題的回聲是在EGP 3與4處生成的，因為其往返程延遲相當大(大于25ms)。網(wǎng)絡(luò )遠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(huà)連接到線(xiàn)路的阻抗不匹配造成的。
為了消除有害回聲，電話(huà)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(huà)A連接上的回聲，回聲抵消器應剛好安裝在 2 號5類(lèi)開(kāi)關(guān)之前或之內，插入網(wǎng)絡(luò )的四線(xiàn)部分?；芈暤窒鞯淖饔檬菫榘珽GP 3與EGP 4的本地環(huán)路部分的回聲特性建模，加上電話(huà)A的Tx信號的有關(guān)知識，就可在將電話(huà) B 的 Tx 信號傳輸回電話(huà) A 之前消除 EGP 3與 EGP 4 產(chǎn)生的回聲。在 VoIP 系統中，對于 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。對于必須路由至 PSTN 的呼叫而言，PSTN 將繼續處理回聲抵消功能。

標準
盡管通過(guò)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(zhù)系統設計人員可以不考慮PSTN的要求。VoIP小區網(wǎng)關(guān)設計人員必須了解目前已有的電話(huà)技術(shù)要求，并將其應用于系統的FXS與FXO接口。對于了解 PSTN 的行為以及要求而言，以下四大標準至關(guān)重要：
1. GR57 指定了從局端塞尖/振鈴對到系統用戶(hù)端塞尖/振鈴對的數字環(huán)路載波通信系統的行為。
2. TA909 描述了從局端數字接口(北美為T(mén)1)到系統用戶(hù)端塞尖/振鈴接口的光纖到路邊系統的行為。光纖到路邊系統通常為16~24信道的系統。
3. GR303 討論的是集成數字環(huán)路載波通信系統的行為。對從局端 (T1) 數字接口到系統用戶(hù)端塞尖/振鈴接口的行為均作了規定。這類(lèi)系統通常在用戶(hù)端有數百塞尖/振鈴對的較大接口。
4. GR1089 指定北美電話(huà)基礎設施的環(huán)境標準，包括抗閃電性、抗電源交擾以及 EMC。它還規定了意外 RF 放射的極限。

結語(yǔ)
隨著(zhù)人們對VoIP服務(wù)的興趣不斷增強，專(zhuān)門(mén)為通過(guò)分組網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行語(yǔ)音呼叫而設計的電話(huà)(即 IP電話(huà))將最終取代標準的模擬 POTS 電話(huà)。但在此之前，VoIP網(wǎng)關(guān)的設計人員必須考慮如何使其設備與上述標準的模擬電話(huà)相連。FXS 與 FXO 電路為此提供了一條有效途徑?！?/p>