Grundlagen der Fernsprechübertragung
Die Art und Weise der Übermittlung von Sprachinformationen bezeichnet man als Fernsprechübertragung. Weil der Begriff etwas angestaubt klingt, spricht man allgemein von Telefonie.
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 wurden, wird in heutigen Systemen die Sprache vor der Übertragung digitalisiert. Die Digitalisierung ermöglicht eine durchgehend optimale Signal- und dadurch optimale Sprachqualität, sowie die Komprimierung vor der Übertragung.
Bei der Übertragung und Vermittlung von Telefongesprächen wird der Verbindung ein eigener Sprachkanal vom Netzwerk zwischen den Teilnehmern zur Verfügung gestellt. Früher wurde tatsächlich eine physikalische Verbindung geschaltet. Heute ist es eine virtuelle Verbindung.
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 zusammen.
Bei einem Frequenzbereich von 300 bis 3.400 Hz kann eine Silbenverständlichkeit von 92% und eine Satzverständlichkeit von ca. 99% erreicht werden. 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. In der Regel reicht eine Bandbreite von nur 3,1 kHz für eine verständliche Sprach aus. Problematisch ist hier jedoch die Verständlichkeit von den Buchstaben "S" und "F". Die Stimme wird bei der Begrenzung zusätzlich verfremdet, so dass man die Stimme der Person kaum erkennt.
Diese Festlegung ist weltweit in allen Fernsprechsystemen gültig. Nicht nur in den analogen Fernsprechnetzen, sondern auch bei ISDN und Voice over IP. Der Codec G.711 ist weltweit der gemeinsame Nenner, der die Qualität der Sprache bei der Übertragung festlegt. Während bei Telefonie über Analoganschluss oder ISDN die Hardware an G.711 gebunden ist, stellt sich das bei Voice over IP ganz anders dar. Hier kann der Codec freigewählt werden, sofern die verbundenen Endgeräte damit umgehen können.
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 für die Fernsprechübertragung
Die Digitalisierung der Sprache für die Fernsprechübertragung umfasst 3 Schritte:
- Sampling
- Quantisierung
- Kodierung.
Eines der 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 entsteht pro Tastung eine Sprachprobe (Sample). Danach wird diese Sprachprobe in einen digitalen Wert umgewandelt. Diesen Vorgang nennt man Quantisierung, der der eigentlichen Digitalisierung entspricht.
Quantisierung
Für die Wandlung des analogen Sprachsignals in ein digitales Signal verwendet man 8 Bit pro Sample. Der Grund, 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 in der Regel aus.
Bei der Quantisierung wird berücksichtigt, dass analoge Signale jeden möglichen Wert zwischen zwei fest definierten Werten einnehmen können. Digitale Signale sind jedoch binären Ursprungs 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
Im letzten Schritt werden die digitalen Signale kodiert, damit sie für die Übertragung geeignet sind. 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.
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
Das Telefonieren teilt sich in drei grundsätzliche Vorgänge auf.
Die Kommunikation im Telefonnetz besteht aus drei Phasen:
- Verbindungsaufbau
- Nachrichtenübertragung
- Verbindungsabbau
Für die Abwicklung der Kommunikation sind die Vermittlungsstellen des Telefonnetzes zuständig.
Grundbegriffe in der Fernsprechübertragung (Telefonie)
Viele Begriffe in der Telefonie stammen noch aus deren Anfangszeit. Das war der Zeitraum zwischen 1870 und 1890. Vor allem die USA waren Vorreiter in der technischen Entwicklung. Parallel dazu hat sich in Deutschland eine eigene Begriffswelt etabliert. Heute jonglieren wir mit vielerlei Begriffen, die hauptsächlich vom englisch-sprachigen Raum geprägt werden.
- POTS - Plain Old Telephone Service
- PSTN - Public Switched Telephone Network
- PBX - Private Branch Exchange
- Local Loop oder Loop
- Trunks
- Long Distance
- Letzte Meile (last mile)
POTS - Plain Old Telephone Service
Plain Old Telephone Service (POTS) bezeichnet die herkömmliche analoge Telefonverbindung über Kupferleitungen. Es ermöglicht grundlegende Telefonfunktionen wie Anrufe tätigen und empfangen. POTS wird zunehmend durch digitale Technologien wie VoIP ersetzt. Manchmal wird POTS auch als abfällige Bezeichnung für das alte analoge öffentliche Telefonnetz verwendet.
PSTN - Public Switched Telephone Network
Das Public Switched Telephone Network (PSTN) ist die englische Bezeichnung für ein öffentliches Telefonnetzwerk, das die Übertragung von Sprach- und Datenkommunikation ermöglicht. Es ist der Überbegriff für das leitungsvermittelnde Telefonnetz in dem Analog- und ISDN-Anschlüsse bereitgestellt werden. Es besteht aus einer Vielzahl von Telefonleitungen, Vermittlungsstellen und Übertragungsgeräten, die es Benutzern ermöglichen, miteinander zu kommunizieren.
PBX - Private Branch Exchange
Eine Private Branch Exchange (PBX) ist die englische Bezeichnung für eine Telefonanlage, die in Unternehmen verwendet wird, um interne und externe Anrufe zu verwalten. Sie ermöglicht Funktionen wie Anrufweiterleitung, Konferenzschaltungen und Voicemail. PBX-Systeme können entweder physisch vor Ort oder virtuell in der Cloud betrieben werden.
Local Loop oder Loop
Der Loop ist die Leitung vom Teilnehmer zur Vermittlungsstelle. Dieser Begriff stammt noch aus einer Zeit, als die Telefonleitung exakt aus einer Ader bestand. Die Rückleitung um einen Stromkreis zu erzeugen, war die Erde. Erst später wurden doppeladrige Leitungen verwendet. Als Leiter Kupfer zu verwenden und die Adern auch noch gegeneinander zu isolieren und zu verdrillen sorgte für eine akzeptable Sprachqualität.
Trunks
Trunks sind die gleichen Leitungen, wie für normale Telefonanschlüsse. Doch werden sie nicht für die Verbindung vom Teilnehmer zur Vermittlungsstelle verwendet, sondern um die Vermittlungsstellen untereinander zu verbinden. Ein Trunk ist also eine Leitung, die von mehreren Teilnehmern oder Benutzern gemeinsam genutzt wird.
Heute ist das die englische Bezeichnung für das "Amt" in einer Telefonanlage. Es handelt sich um die physikalischen Verbindung nach draußen.
Long Distance
Long Distance bezeichnet Weitverkehrsverbindungen, die verschiedene Regionen miteinander verbindet.
Letzte Meile (last mile)
Die letzte Meile ist die Kabelstrecke zwischen der Vermittlungsstelle des Netzbetreibers und dem Teilnehmeranschluss des Endkunden. Die letzte Meile wird auch als Teilnehmeranschlussleitung (TAL) bezeichnet.
Weitere verwandte Themen:
- Telefonie
- Grundlagen der Vermittlungstechnik
- Wahlverfahren (IWV / MFV / DEV)
- Signalisierung
- Telefonanschluss / Telefonanschlüsse
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