Telefonie / Fernsprechübertragung
Der Begriff Telefonie bezeichnet einen Kommunikationsdienst, bei dem Sprache übertragen wird. Als Endgerät dient ein Telefon. Die Tätigkeit selber bezeichnen wir als Telefonieren.
Telefonieren kann man heute auf drei Arten. Während vor ein paar Jahrzehnten noch das Festnetz (Telefonnetz) das alleinige Netz zum Telefonieren war, ist heute der Mobilfunk gesellschaftlich voll etabliert. Mit zunehmender Verbreitung von Breitband-Zugängen ist auch Voice-over-IP für viele Nutzer interessant geworden. In der Hauptsache, um damit günstiger, manchmal sogar kostenlos zu telefonieren. Genau genommen ist Voice-over-IP die Technik, die dafür sorgen wird, dass alle Netze in paketvermittelnde Netze umgebaut werden und darüber parallel zu anderen Anwendungen auch noch Sprache übertragen werden kann.
Grundlagen der Fernsprechübertragung
Die Art und Weise der Übermittlung von Sprachinformationen über das Fernsprechnetz wird mit dem Begriff Fernsprechübertragungstechnik bezeichnet.
Das Informationssignal, das im Ursprung von einer Schallquelle (Sprache) erzeugt wird, muss so umgewandelt werden, dass es nach der Übertragung in die ursprüngliche Schallinformation zurückgewandelt werden kann.
Für die Signalwandlung wird das Frequenzgemisch der Sprache in einen Sprechwechselstrom mit gleicher Frequenz gewandelt. Als Signalwandler dient ein Mikrofon. Zum Zurückwandeln des Sprechwechselstroms in die Sprache wird ein Lautsprecher verwendet.
Während im alten analogen Telefonnetz die Signale weitestgehend unbearbeitet übertragen werden, wird in heutigen Systemen die Sprache vor der Übertragung digitalisiert. Die Digitalisierung ermöglicht eine durchgehend optimale Signal- und dadurch perfekt Sprachqualität, sowie die Komprimierung bei der Übertragung über Datennetze.
Bei der Übertragung und Vermittlung von Telefongesprächen wird der Verbindung eine eigene Leitung bzw. ein eigener Sprachkanal vom Netzwerk zwischen den Teilnehmern zur Verfügung gestellt. Im Laufe der Zeit hat sich eine hohe Sprachqualität und Verfügbarkeit über die System- und Netzgrenzen durchgesetzt. PCM und ISDN haben den Höhepunkt bei der Qualität in der Übertragung von Sprache gesetzt.
Fernsprechkanal
Bei der Fernsprechübertragung kommt es im wesentlichen darauf an, dass der Inhalt der zu übertragenden Nachricht vom Empfänger richtig verstanden werden kann.
Die menschliche Sprache setzt sich aus einem Frequenzgemisch von ca. 80 bis 12.000 Hz, mit unterschiedlichen Amplituden, zusammmen.
Bei Untersuchungen hat man herausgefunden, dass bei einem Frequenzbereich von 300...3.400 Hz eine Silbenverständlichkeit von 92% und eine Satzverständlichkeit von ca. 99% erreicht werden kann. Zudem ist unser Gehirn in der Lage, fehlende oder fehlerhafte, aber in einem logischen Satzzusammenhang stehende Worte bzw. Wortsilben selbständig richtig zu ergänzen.
Der Fernsprechkanal liegt deshalb im Frequenzbereich von 300 bis 3.400 Hz. Alle Fernsprechsysteme begrenzen das Frequenzspektrum von 80 bis 12.000 Hz der Sprache auf einen Frequenzbereich von 300 bis 3.400 Hz. Die Sprache benötigt also eine Bandbreite von nue 3,1 kHz.
Diese Festlegung ist weltweit in allen Fernsprechsystemen gültig. Nicht nur in den analogen Fernsprechnetzen, sondern auch bei ISDN und Voice-over-IP.
HD-Telefonie
HD-Telefonie ist ein Schlagwort hinter dem Verfahren und Maßnahmen stehen, die Sprachqualität von Telefongesprächen zu verbessern. Mit der Möglichkeit die doppelte Audiobandbreite (7 kHz) zu nutzen erreicht man eine Sprachqualität, die an UKW-Radio heran reicht.
Allerdings wird HD-Telefonie noch nicht breit genug unterstützt. Es gibt zwar vereinzelte Endgeräte, die es unterstützen. Doch sind die Netze darauf teilweise noch nicht ausgelegt.
Seit rund 100 Jahren hat sich an den technischen Rahmenbedingungen für analoge Telefone nichts geändert. Auch die Tonqualität ist gleich geblieben. Audio-Signale werden im Telefonnetz nur im Frequenzbereich zwischen 300 Hz und 3.400 Hz übertragen. Damit hat man die Bandbreite für Telefonie auf 3,1 kHz beschränkt. Diese Beschränkung begrenzt die Sprachqualität und -verständlichkeit.
Bei der Einführung von ISDN behielt man diesen technischen Parameter bei. Obwohl mit 64 kBit/s pro ISDN-Kanal deutliche größere Audio-Bandbreiten möglich wären. Man entschied sich jedoch den Codec G.711 mit maximal 3,5 kHz zu verwenden. Der Codec ist verlustfrei und erfordert wenig Rechenleistung. Man verzichtete auf die Aushandlung des Codecs pro Verbindung und definierte G.711 fest für die Sprachübertragung. So ist es heute nicht möglich, obwohl es technisch kein Problem wäre, im Telefon eine bessere Sprachqualität einzustellen. Der Codec G.711 ist in den ISDN-Vermittlungsstellen fest implementiert. Er lässt sich nicht austauschen.
NGN und Voice over IP sind an dieser Stelle deutlich flexibler. Hier handeln die Endgeräte den verwendeten Codec untereinander aus. Auch im Mobilfunknetz handelt das Handy mit der Basisstation den Codec aus.
Digitalisierung der Sprache
Die Digitalisierung der Sprache umfasst 3 Schritte: Sampling, Quantisierung und Kodierung. Die ersten Verfahren zur Digitalisierung von analogen Sprachsignalen stammt aus der Zeit des zweiten Weltkriegs. Man bezeichnet es heute als Pulse Code Modulation (PCM).
Sampling
Beim Sampling wird das analoge Sprachsignal 8.000 mal in der Sekunde abgetastet. Dabei entstehen pro Tastung ein Sprachprobe (Sample). Danach wird diese Sprachprobe in einen digitalen Wert umgewandelt. Diesen Vorgang nennt man Quantisierung, der der eigentlichen Digitalisierung entspricht. Für das analoge Sprachsignal verwendet man 8 Bit pro Sample. Als diese Technik entwickelt wurde, konnten die damaligen Computer nicht mehr als 8 Bit verarbeiten. Auch heute noch hat sich an diesem Wert nichts geändert, auch wenn die Technik heute viel weiter ist. Doch für eine ordentliche Sprachqualität reicht das vollkommen aus. Im letzten Schritt werden die digitalen Signale kodiert, um sie übertragen zu können. Auf diese Weise entsteht ein Signal, das 64 kBit/s (8.000 Samples pro Sekunde x 8 Bit/Sekunde) entspricht und sehr robust und unempfindlich gegenüber Störungen ist.
Quantisierung
Ein Bestandteil der Wandlung von analogen Signale in digitale Signale ist die Quantisierung oder Quantization. Dabei werden analoge Signale in entsprechende digitale Signale umgewandelt. Dabei wird berücksichtigt, dass analoge Signale jeden möglichen Wert zwischen zwei fest definierten Werten einnehmen kann. Digitale Signale haben jedoch binären Ursprung und kennen im Prinzip nur zwei Zustände. Und genau hier kommt die Quantisierung zum Einsatz. Quantisierung hat jedoch den Nachteil, dass sie nicht jeden möglichen analogen Wert in einen digitalen Wert umwandeln kann.
Ein Beispiel: Geht wir einmal davon aus, dass ein analoges Signal einen Wert zwischen 1 und 2 annehmen kann. Also auch 1,1, 1,2 und so weiter. Weiterhin gehen wir davon aus, dass ein digitales Signal einen Zustand von 1 oder 2 einnehmen kann. Wenn man ein analoges Signal, egal welcher Wert zwischen 1 und 2 in einen digitalen Wert von 1 oder 2 umwandeln will, dann hat man ein Problem. Beträgt der analoge Wert 1,0 oder 2,0, dann ist es einfach. Doch was ist, wenn der analoge Wert 1,5 entspricht. Welchen digitalen Wert nimmt man? 1 oder 2? An dieser Stelle trifft man auf das eigentliche Problem bei der Umwandlung von analogen in digitale Signale. In der Regel nimmt man so viele digitale Werte wie möglich, um ein analoges Signal möglichst originalgetreu nachbilden zu können.
Kodierung
Die Kodierung ist die eigentliche Digitalisierung. Die Kodierung bildet die durch das Sampling erzeugte Sprachprobe in einen digitalen Code ab. Je feiner man das analoge Signal auflöst, desto mehr Stellen muss der Code haben. Dadurch wird die digitale Datenmenge größer. Und je größer die Datenmenge, desto mehr Kapazität muss der Speicherplatz oder der Übertragungsweg haben.
Vermittlungstechnik in der Fernsprechübertragung
Die Vermittlungstechnik in der Fernsprechübertragung unterteilt sich in zwei Gruppen. Der öffentlichen und privaten Vermittlungstechnik.
Die öffentliche Vermittlungstechnik wird von Netzbetreibern und Providern betrieben. Das sind Kommunikationssysteme, die aus mehreren bis mehreren tausend Vermittlungsstellen besteht und an denen viele Kommunikationssysteme privater und unternehmerischer Kunden angeschlossen sind.
Die Kommunikation im Telefonnetz besteht aus drei Phasen:
- Verbindungsaufbau
- Nachrichtenübertragung
- Verbindungsabbau
Für die Abwicklung der Kommunikation sind die Vermittlungsstellen des Telefonnetzes zuständig.
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- Telekommunikation
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