Телефонный гибрид: принцип работы и применение.

Введение

Элемент телефонной цепи

В аналоговой телефонии телефонный гибрид – это компонент на концах абонентской линии общедоступной коммутируемой телефонной сети (PSTN), который осуществляет преобразование между двухпроводными и четырехпроводными формами двунаправленных аудиоканалов. При использовании на вещательных объектах для обеспечения выхода в эфир телефонных звонков, телефонный гибрид вещательного качества известен как вещательный телефонный гибрид или балансировочное устройство для телефона. Необходимость в гибридах обусловлена особенностями аналоговой обычной телефонной связи (POTS) домашних или малых предприятий, где два направления передачи аудиосигнала объединены в одну двухпроводную пару. В телефонной сети коммутация и передача данных почти всегда осуществляются по четырехпроводным цепям, при этом сигналы разделены. Гибриды выполняют необходимое преобразование. В старых аналоговых сетях преобразование в четырехпроводную схему требовалось для возможности установки усилителей-ретрансляторов на линиях дальней связи. В современных цифровых системах каждое направление передачи речи должно обрабатываться и передаваться независимо. Линейные платы в телефонном центральном коммутаторе, подключенные к аналоговым линиям, содержат гибриды, которые адаптируют четырехпроводную сеть к двухпроводным цепям, соединяющим большинство абонентов. Поиск более совершенных телефонных гибридов и устройств подавления эха (связанная технология) был важным стимулом для разработки алгоритмов и аппаратного обеспечения цифровой обработки сигналов (DSP) в Bell Labs, NEC и других организациях.

Технология

Основной принцип заключается в согласовании импедансов. Входящий сигнал подается как на телефонную линию, так и на "балансирующую сеть", предназначенную для обеспечения того же импеданса, что и у линии. Выходящий сигнал формируется путем вычитания двух сигналов, что позволяет подавить входящий сигнал в исходящем. Первые гибриды создавались на основе трансформаторов, сконфигурированных как гибридные катушки с дополнительной обмоткой, подключаемой в противофазе. Название "гибрид" происходит от этих специальных трансформаторов со смешанной обмоткой. Эффективный гибрид характеризуется высокими трансгибридными потерями, что означает, что лишь небольшая часть входящего аудиосигнала проникает на исходящий порт. Чрезмерная утечка сигнала может вызывать эхо при наличии задержки в канале передачи, как это бывает в спутниковой, мобильной и VoIP-связи. Это происходит из-за того, что голос говорящего достигает дальнего гибрида и возвращается к его приемнику с недостаточным ослаблением. Рекомендация ITU-T G.131 описывает зависимость между задержкой эха и его амплитудой, влияющую на восприятие слушателем. При задержке 100 мс для обеспечения удовлетворенности менее чем 1% испытуемых требуется возвратные потери в 45 дБ. Эффективное подавление зависит от того, насколько точно частотная характеристика импеданса балансирующей сети соответствует импедансу линии. Поскольку импеданс телефонных линий варьируется в зависимости от множества факторов и эта зависимость не всегда линейна, аналоговые гибриды обеспечивают лишь несколько дБ гарантированной изоляции. Поэтому в современных гибридах используется цифровая обработка сигналов для реализации адаптивного фильтра наименьших квадратов, который автоматически определяет импеданс линии в речевом диапазоне и подстраивается под него. Такие гибриды могут достигать трансгибридных потерь более 30 дБ, измеренных при использовании белого шума в качестве отправляющего сигнала. Гибриды, использующие DSP, также называют "устройствами подавления линейного эха" (LEC). (Термин "подавитель эха" в данном контексте вводит в заблуждение, поскольку речь идет не об отмене эха как такового, а о подавлении утечки из аналогового линейного интерфейса с очень короткой задержкой, которую точнее характеризовать как сдвиг фазы. Однако любая не подавленная утечка гибрида вызовет эхо при наличии задержки в соответствующем канале передачи, поэтому эффект на систему заключается в уменьшении эха.) Гибриды и подавители эха иногда комбинируются с подавителями эхосигнала. Они основаны на предположении, что в любой момент времени говорит только одна из сторон разговора. Подавитель вводит затухание в неактивный речевой канал, тем самым усиливая эффект подавления эха гибридом за счет невозможности одновременной двусторонней связи. Несмотря на то, что по своей природе VoIP-системы являются четырехпроводными, гибриды необходимы при подключении к двухпроводным линиям. Шлюз VoIP-Teleco, используемый для подключения VoIP-АТС (частной автоматической телефонной станции) к аналоговым линиям, содержит гибриды для выполнения необходимого преобразования. Для организации связи "конец-в-конец" по VoIP гибриды не требуются, если не требуется адаптация к двухпроводной линии.

The fundamental principle is that of impedance matching. The incoming signal is applied to both the telephone line and a "balancing network" that is designed to have the same impedance as the line. The outgoing signal is derived by subtracting the two, thus canceling the incoming signal from the outgoing signal. Early hybrids were made with transformers configured as hybrid coils that had an extra winding that could be connected out of phase. The name hybrid comes from these special mixed winding transformers. An effective hybrid would have high trans hybrid loss, which means that relatively little of the incoming audio would appear on the outgoing port. Too much leakage can cause echoes when there is a delay in the transmission path, as there is with satellite, mobile phone, and VoIP links. This is a result of a talker's voice traversing to the far end hybrid and returning to his own receiver with insufficient attenuation. ITU T Recommendation G.131 describes the relationship of echo delay vs. amplitude to listener annoyance. At 100ms, 45 dB return loss is required for less than 1% of test subjects to express dissatisfaction. Good cancellation depends upon the balancing network having a frequency vs. impedance characteristic that accurately matches the line. Since telephone line impedances vary depending upon many factors and the relationship is not always smooth, analog hybrids are able to achieve only a few dB of guaranteed isolation. For this reason, modern hybrids use digital signal processing to implement an adaptive least mean squares filter that automatically detects the line's impedance across the voice frequency range and adjusts to it. These may reach greater than 30 dB trans hybrid loss, measured with white noise as the send signal. DSP hybrids are also called "line echo cancellers" (LECs). (The phrase "echo canceller" in this context is misleading since there is no cancellation of echo per se but rather of leakage from the analog line interface with very short time delay more accurately characterized as phase shift. However, any uncancelled hybrid leakage will cause echo when the associated transmission path has delay, so the effect on the system is reduction of echo.) Hybrids and cancellers are sometimes combined with echo suppressors. These work on the assumption that usually only one of the two parties to a conversation is speaking at a given time. The suppressor switches a loss into the inactive speech path, thus enhancing the echo cancelling effect of the hybrid at the expense of simultaneous two way conversation. Despite being inherently four wire, VoIP systems require hybrids when they interface to two wire lines. A VoIP to Telco gateway used to interface a VoIP PBX (private branch exchange) to analog lines would contain hybrids to perform the required conversion. End end VoIP needs no hybrids unless adaptation to a two wire line is required.

Гибридные радиотелефонные системы

В средствах вещательной студии название функциональной части стало обозначать устройство в целом, а телефонный гибрид – это прибор, объединяющий все функции, необходимые для подключения телефонных линий к студийным аудиосистемам, обеспечивая электрический и физический интерфейс между телекоммуникационными линиями и студийным оборудованием. Эти устройства часто включают в себя обработку сигнала в дополнение к основной гибридной функции, такую как управление динамическим диапазоном, фильтрация и эквализация (EQ). Некоторые оснащены динамическим эквалайзером, который автоматически регулирует параметры для поддержания спектральной согласованности при поступлении аудиосигнала с сильно различающихся источников. Другие включают в себя систему акустического подавления эхосигнала, позволяющую создавать конфигурации с акустической связью между громкоговорителями, воспроизводящими телефонный звук, и микрофонами, подающими сигнал с телефонных линий. В студийных условиях гибрид требует особенно эффективной изоляции канала отправки от канала приема. Если слишком большая часть голоса ведущего проникает на выход гибрида, возникнет ряд дефектов. Искажение голоса ведущего может быть вызвано изменением фазы передаваемого аудиосигнала телефонной линией до его возврата, с различными сдвигами на разных частотах. Исходный и проникающий сигналы смешиваются на микшерном пульте и складываются в фазе и вне фазы на различных частотах. В этом случае голос ведущего звучит либо глухо, либо металлически, поскольку фазовый сдвиг по-разному влияет на разные частоты. Аудиообратная связь может возникать из-за акустической связи, возникающей, когда звонящих необходимо слышать через громкоговоритель. При конференц-связи нескольких линий и усилении в контуре, образованном несколькими гибридами, превышающем единицу, будет слышно "пение" обратной связи. Если уровень проникающего сигнала слишком высок, операторы не смогут контролировать относительные уровни голоса ведущего и звонящего, поскольку фейдер телефонного канала на микшерном пульте будет влиять на оба сигнала. Технология цифровой обработки сигналов, используемая в современных гибридах, решает проблему изоляции и реализует дополнительные функции. Теоретически, для ISDN и VoIP телекоммуникационных соединений гибриды не требуются. Однако звонки, использующие ISDN или VoIP на одном конце, обычно завершаются на аналоговой линии на другом, что создает значительный источник эхосигнала как от гибрида телекоммуникационной линии, так и от самого телефона. Акустическая связь, когда микрофон улавливает звук из наушников, является еще одним потенциальным источником эхо. Электрические помехи между аналоговыми схемами (перекрестные наводки) также могут вызывать эхо. Даже небольшие уровни эхо могут быть слышны при большой задержке, что обычно происходит с VoIP. Телефонные гибриды, предназначенные для студийного использования, обычно представляют собой устройства в формате rack mount, оснащенные разъемами RJ для подключения телефонной линии и сбалансированными аналоговыми или AES3 аудиовходами/выходами на разъемах XLR для подключения к студийному оборудованию. В одном устройстве может быть размещено один, два или более гибридов. Существуют варианты для поддержки телефонных линий POTS, ISDN или VoIP. Помимо аудиофункций, гибриды могут включать дополнительные возможности, такие как автоматический ответ/отключение, обнаружение/генерация DTMF и определение Caller ID. Важно отметить, что телефонные гибриды должны получать питание от микшерного пульта с использованием схемы mix minus, чтобы избежать обратной связи. Некоторые недорогие адаптеры подключаются между телефоном и трубкой, с кнопкой для выбора либо трубки, либо адаптера. Это простые пассивные устройства, которые передают звук от телефона без обработки. На другом конце спектра находятся системы, способные обрабатывать несколько линий и подключаться к компьютеру, чтобы режиссер мог отслеживать, кто на какой линии, общаться с ведущим и управлять очередью звонков. Телефонные гибриды также используются для подключения производственных систем внутренней связи к PSTN.

In broadcast studio facilities, the name for the functional part has come to refer to the whole, and a telephone hybrid is the device that packages all the functions needed to connect telephone lines to studio audio systems, providing electrical and physical interface between the telco lines and studio equipment. These devices often include processing in addition to the hybrid function, such as dynamics control, filtering, and equalization (EQ). Some have dynamic EQ that adjusts parameters automatically to maintain spectral consistency from widely varying source audio. Some incorporate acoustic echo cancellation to allow setups with acoustic paths between loudspeakers carrying phone audio and microphones feeding the phone lines. In studio applications, a hybrid needs particularly good send to receive isolation. When too much of the host audio appears at the hybrid's output, there will be a number of defects. Distortion of the host's voice can result from the telephone line's changing the phase of the send audio before it returns, with varying shifts at different frequencies. The original and leakage audio are mixed at the console and combine in and out of phase at the various frequencies. When this occurs, the host sounds either hollow or tinny as the phase cancellation affects some frequencies more than others. Audio feedback can result from the acoustic coupling created when callers must be heard on a loudspeaker. When lines are conferenced and the gain around the loop of the multiple hybrids is greater than unity, feedback "singing" will be audible. If the leakage is very high, operators will not be able to control the relative levels of the host audio and the caller since the console telephone fader will affect both signals. The digital signal processing technology used in modern hybrids addresses the isolation requirement and implements ancillary functions. ISDN and VoIP telco connections theoretically have no need for hybrids. However, calls that have ISDN or VoIP on one end usually terminate to an analog line at the other, and so there is a significant source of echo from both the telco hybrid on the line card and the phone itself. Acoustic coupling, when the microphone picks up the output of the earpiece, is another potential source of echo. Electrical pickup between analog circuits (crosstalk) is yet another. Even low echo levels can be audible when there is a long delay, as is usually the case with VoIP. Telephone hybrids intended for studio applications are usually rack mount units that have RJ style connectors for the telephone line and either balanced analog or AES3 audio inputs/outputs on XLR connectors for the studio equipment connection. One, two, or more hybrids might be packaged within a unit. There are variations to accommodate either POTS, ISDN, or VoIP telephone lines. In addition to the audio functions, hybrids can include extra capabilities such as auto answer/disconnect, DTMF detection/generation, and Caller ID detection. Note that telephone hybrids must be fed from the mixing console with mix minus to avoid feedback. Some inexpensive adapters connect between a telephone and its handset, with a button to activate either the handset or the adapter. These are simple passive devices that pass the audio from the telephone without processing. At the other end of the spectrum are systems that can handle multiple lines and connect to a computer so that a producer can follow who is on which line, communicate with the host, and manage the order of taking calls. Telephone hybrids are also used to interface production intercom systems to the PSTN.

Сопутствующее оборудование

Кодеки POTS, кодеки ISDN и кодеки IP используются для удалённых трансляций, когда есть возможность использовать специализированное оборудование на обоих концах соединения. Кодеки POTS работают с аналоговыми линиями, кодеки ISDN – с линиями ISDN, а кодеки IP – с любым каналом, обеспечивающим IP-связь. В них применяется сжатие и распаковка аудиоданных на каждом конце. Таким образом можно достичь полосы пропускания аудио до 20 кГц. Сжатие часто выполняется с использованием MPEG MP3 или AAC. Автопатч – это телефонный гибрид, используемый радиолюбителями для подключения их радиооборудования к телефонным линиям.