VoIP电话接口设计

在开发 VoIP 系统时，主要考虑的一个方面就是连接到模拟电话的接口。设计人员必须了解 PSTN 中存在的电话接口要求，因为它们必须在 VoIP 系统中得到支持。本文将重点介绍连接到标准 POTS 电话的两种最常用接口：Foreign eXchange Subscriber (FXS) 与 Foreign eXchange Office (FXO)。重点说明了设计人员在为 VoIP 小区网关的模拟电话接口提供支持时可能面临的某些挑战。
FXS 与 FXO 是模拟电话领域的常用术语，它们为什么对 VoIP 应用如此重要呢？就 PSTN 上的传统电话连接而言，电话局端交换提供电源与电话振铃。电话本身提供塞尖 (tip) /振铃电路，以请求服务或应答来自 PSTN 的呼叫。对于通过因特网拨打的呼叫，FXS 电路将模拟电话局端交换的功能。小区网关虚拟为交换机，为电话提供电源并进行振铃，并检测环路电流。而在另一方面，FXO 电路则模拟电话功能，提供环路关闭功能并检测来话振铃。

图1  双线至四线转换的线路回声

图2  本地环路的线路回声

模拟电话与 PSTN 接口
FXS电路包括两部分：CODEC 与 SLIC(用户线路接口电路)。CODEC由 ADC与 DAC构成。ADC 将来自模拟电话的模拟信号转换为可通过VoIP网络传输的数字信号。DAC将数字信号转换为模拟电平，以驱动模拟电话。为了实现 4kHz的音频带宽，ADC与DAC的采样速率通常约为8kHz。SLIC器件模拟PSTN电压电平。它必须检测电话挂机还是摘机，并生成高达120V的振铃电压。
FXO电路包括CODEC与数据存取装置(DAA)。CODEC与 FXS的功能相同，将模拟语音转换为数字信号，随后再转换回来。DAA模拟(POTS)电话功能，其重要作用是去除高电压直流偏置，将PSTN环路关闭，从而仅传送来自PSTN的模拟交流信号。

图3  PSTN 交换/传输网络

FXO镜像FXO
在VoIP网关中，FXS电路是在分组网络上建立去话呼叫与接收来话呼叫的基本接口。在局端应用中，POTS线路卡上的双线SLIC接口发挥FXS接口的作用。在用户端(CPE)应用中，FXS电路存在于网关中，可提供拨号音、电池电流与振铃电压的功能，并检测来自电话的环路关闭。由于该交换功能处于 CPE级，因此不必与PSTN建立直接连接。不过，有时用FXO接口建立到PSTN的连接也是有用的。这与普通的POTS电话连接到局端的接口类型相同，不过有一些改进。FXO 端口的重要用途包括：
?停电时的重要通信线：如语音网关停电，则网关无法连接至分组网络，也就不能发出或接收呼叫。在这种情况下，可以用中继将模拟电话直接连接至 PSTN。如果发生这种情况，那么 FXO 电路非常智能，能够检测正在进行的呼叫，从而避免电源恢复时呼叫中断。
?呼叫重定向：当分组网络由于网络拥塞而无法使用时，FXO 电路可记住用户拨打的号码，并通过 FXO 电路将此呼叫发送至 PSTN 完成呼叫。该方法使得客户不必在分组网络出现故障时重新拨打电话号码。
?远程VoIP呼叫：当VoIP客户不在家时，他们仍可通过 PSTN 网络拨打自己的住宅号码进行VoIP 呼叫。语音网关通过FXO端口接收呼叫并将其前转至VoIP网络。
FXS线路馈电接口中的用户馈电功能：FXO 接口中的互补功能为电池受电 (battery sink)。局端的塞尖引线与振铃线之间通过 FXO 摘机中继连接，而 FXO 提供电流限制。
过压保护：由于可能暴露于闪电与电力干扰的条件下，因此 FXO 必须提供过压保护。SLIC 的塞尖与 FXS 电路中的振铃输入经过精心设计，可提供额外的过压保护。
振铃：振铃由局端提供，但 FXO 必须能够检测振铃并前转此信息。FXS 电路必须向电话提供振铃。CODEC 或 SLIC 生成的低压振铃信号由 SLIC 放大，并通过本地环路使电话振铃。
信令：信令是指FXO能够接收挂机/摘机信息并根据要求向局端提供摘机指示。它还必须检测振铃与其它情况并传输有关信息。FXS 必须能够检测挂机/摘机状态，检测并生成 DTMF信号音以及主叫用户 ID 信号。
编码：编码是 CODEC 器件的功能之一，该器件是 FXS 与 FXO 接口的一部分。它指的是语音信号的模数编码与数模编码。
混合功能：混合功能对稳定性与高质量语音至关重要，对 FXO 与 FXO 接口也同样重要。

回声
不管是通过 PSTN 还是分组网络进行呼叫，稳定性与高质量语音都至关重要。回声的潜在影响对 FXS 与 FXO 接口功能也至关重要。普通 POTS 电话在 200W~400W之间的阻抗相对来说不加控制。由于从局端到用户的电流为双线，而且增益不增加，因此所遇到的阻抗变化通常不会影响性能。不过，如果载波通信系统在每端都使用双线至四线的音频混合电路，那么就可能出现稳定性与线路回声问题，此外还可能会出现四线通道增益。
在混合(双线至四线转换点)端上将语音信号传输到接收通道的渗通(breed-though)延迟，或由于阻抗不匹配使本地环路发生反射，均会产生线路回声。PSTN中始终存在线路回声，但不一定是问题。事实上，电话传输信号中的一部分会耦合到接收通道生成侧音，使讲话者可在听筒中听到自己的声音。没有侧音，讲话人就不清楚对方能否听到自己说话，这样对话可能就相当尴尬。但是，如果不加控制的话，线路回声过大又会在以下两方面影响主叫用户的通话体验：
?回声越大，语音呼叫过程中受的干扰就越大。虽然许多情况下，线路上都存在较低的回声，但用户并不会察觉到。
?回声的延迟时间会大幅影响语音质量。延迟是指用户说话与用户听到自己回声之间的时间。往返程回声延迟大于 25ms 的话，就会影响语音质量。
混合电路完成了双线至四线转换，反之亦然，其主要作用是限制“渗透”到来话接收通道的输出传输信号量。由于传输混合不平衡(混合组件不理想、阻抗不匹配等)，始终有一定量的 Tx 信号会进入 Rx 通道(见图1)。
除了传输混合不平衡产生的回声外，混合终端阻抗不匹配也会产生线路回声。如果线路终端的特性阻抗不正确，则会生成回声。双线本地环路的来话信号遇到混合终端电阻，并反射回线路，这就产生了回声(见图2)。如果终端连接不恰当的 CPE 设备(如电话或调制解调器)也可能在本地环路生成回声。
为了更好地了解回声来源，还需要知道一些PSTN的背景信息。电话网络包括两个基本部分：交换与传输内核，以及本地环路。
交换与传输部分负责传输并路由呼叫、呼叫服务、催款等。在这部分中，所有语音与数据信号均以数字方式传输，Tx与Rx信号采用不同的通道。这就使得传输长途信号更加方便，也可以使用中继器、微波传输塔等。本地环路包括“最后一英里”铜线，它实现了局端与用户的连接。
 跟踪图3中电话A的Tx信号，假定EGP产生的回声很大，从图中可以看到，电话 A 在三个地方产生回声(EGP 2、3 与 4)。EGP 2 处的回声由线路混合阻抗不匹配造成，并导致回声返回电话 A。由于往返程延迟不是很长，所以该回声不是什么问题，最终用户也不会察觉到。有时侧音也能掩盖该回声。造成问题的回声是在EGP 3与4处生成的，因为其往返程延迟相当大(大于25ms)。网络远端生成的回声影响最大。EGP 3处的回声是由于传输混合不平衡造成的，而EGP 4处的回声是由电话连接到线路的阻抗不匹配造成的。
为了消除有害回声，电话服务提供商一般会在 PSTN中安装回声抵消器。为了消除电话A连接上的回声，回声抵消器应刚好安装在 2 号5类开关之前或之内，插入网络的四线部分。回声抵消器的作用是为包含EGP 3与EGP 4的本地环路部分的回声特性建模，加上电话A的Tx信号的有关知识，就可在将电话 B 的 Tx 信号传输回电话 A 之前消除 EGP 3与 EGP 4 产生的回声。在 VoIP 系统中，对于 VoIP CPE 网关发出与终止的呼叫而言，回声必须完全在 VoIP 网关中处理。对于必须路由至 PSTN 的呼叫而言，PSTN 将继续处理回声抵消功能。

标准
尽管通过分组网络进行 VoIP 呼叫不需要直接连接至 PSTN，但这并不意味着系统设计人员可以不考虑PSTN的要求。VoIP小区网关设计人员必须了解目前已有的电话技术要求，并将其应用于系统的FXS与FXO接口。对于了解 PSTN 的行为以及要求而言，以下四大标准至关重要：
1. GR57 指定了从局端塞尖/振铃对到系统用户端塞尖/振铃对的数字环路载波通信系统的行为。
2. TA909 描述了从局端数字接口(北美为T1)到系统用户端塞尖/振铃接口的光纤到路边系统的行为。光纤到路边系统通常为16~24信道的系统。
3. GR303 讨论的是集成数字环路载波通信系统的行为。对从局端 (T1) 数字接口到系统用户端塞尖/振铃接口的行为均作了规定。这类系统通常在用户端有数百塞尖/振铃对的较大接口。
4. GR1089 指定北美电话基础设施的环境标准，包括抗闪电性、抗电源交扰以及 EMC。它还规定了意外 RF 放射的极限。

结语
随着人们对VoIP服务的兴趣不断增强，专门为通过分组网络进行语音呼叫而设计的电话(即 IP电话)将最终取代标准的模拟 POTS 电话。但在此之前，VoIP网关的设计人员必须考虑如何使其设备与上述标准的模拟电话相连。FXS 与 FXO 电路为此提供了一条有效途径。