Digitale telefonie
Digitale telefonie is een vrij algemene term voor telefonieverkeer dat getransporteerd wordt op een digitale manier. Sinds de jaren 80 is het oorspronkelijk analoge telefoonnetwerk gedigitaliseerd.
Analoog-digitaal omzetting
Een analoog-digitaalomzetter of AD-converter (ADC) zet een analoog signaal, bijvoorbeeld een spraaksignaal, om in een digitaal signaal.
Principe
Een analoog signaal is per definitie een signaal dat continu in tijd en in amplitude is (de resolutie is oneindig). Wanneer een analoog signaal digitaal gemaakt wordt betekent dit dat het signaal in tijd en in amplitude gediscretiseerd moet worden. Een discreet (digitaal) signaal is de tegenhanger van een continu signaal, een signaal dat alle mogelijke waarden aan kan nemen. Om het signaal digitaal te maken zal er dus met vaste tussenpozen (bemonsteringsfrequentie) een monster genomen moeten worden waarna dit monster gediscretiseerd wordt. Om de zoveel tijd wordt er dus een sample genomen dat opgeslagen wordt als een digitaal getal. Dit digitale getal is eindig in resolutie (discreet) en kan dus niet zoals een analoog getal alle waarden voorstellen.
Ter illustratie een korte uitleg hoe het signaal door de AD-converter loopt. Als eerste bewerking wordt een laagdoorlaatfilter ingezet om aliasing tegen te gaan. Vervolgens neemt de ADC op regelmatige tijdstippen een signaalmonster (sample); dit houdt in dat op een bepaald moment wordt gekeken wat de exacte signaalwaarde is. Bij spraaktelefonie wordt in de meeste systemen 8000 keer per seconde een signaalmonster genomen (de bemonsteringsfrequentie is 8 kHz) waarmee de maximaal verwerkbare frequentie 4000 Hz wordt (volgens het Nyquist criterium).
Ieder monster wordt dan een getal dat uit meerdere bits bestaat. Het aantal bits bepaalt hoe nauwkeurig het signaal gereproduceerd wordt. Door deze omzetting naar bits wordt elk signaalmonster gekwantiseerd in amplitude; kwantiseren is het afronden naar een zekere waarde, afkomstig uit een eindig waardebereik. Analoge signalen kunnen immers een oneindig aantal waarden aannemen. Doordat per monster het waardebereik waarnaar wordt afgerond eindig is, is er per monster een eindig aantal symbolen (bijvoorbeeld bits) voldoende om de afgeronde waarde te representeren.
Kwantisatie leidt tot een vervorming van het signaal. Het verschil tussen het originele signaal en het gekwantiseerde signaal wordt wel kwantisatieruis genoemd. Hoe fijner de kwantisatie, des te hoger het aantal benodigde bits om het gekwantiseerde signaal vast te leggen, des te lager de kwantisatieruis. Bij audio-cd's worden 16 bits per monster gebruikt, waardoor kwantisatieruis bij gemiddeld signaalniveau doorgaans niet hoorbaar is.
Na bemonsteren en kwantiseren is het signaal digitaal geworden.
Voorbeeld: bij een spraaksignaal wordt vaak gewerkt met een bemonsteringsfrequentie van 8 kHz en met 256 mogelijke niveaus per signaalwaarde. Om 1 signaalniveau aan te duiden zijn 8 bits voldoende. Op deze manier wordt een spraaksignaal omgezet naar een digitaal signaal van 8000 × 8 = 64000 bits per seconde.
Digitaal-analoog omzetting
Een digitaal-analoogomzetter of DA-converter (DAC) zet een digitaal signaal om in een analoog signaal.
Steeds meer digitaliseert men de verwerking van elektronische signalen zoals meetsignalen, audio- of videosignalen. Digitale signalen kunnen eenvoudig opgenomen en bewerkt worden. Meestal worden de data analoog ingelezen en daarna gedigitaliseerd in een analoog-digitaalomzetter om verwerkt of bewaard te worden. Na verwerking worden de digitale data terug omgezet in de DA-converter naar analoge waardes die dan uitgestuurd worden.
Digitalisering van het netwerk
Circuitgeschakeld analoog telefoonnetwerk
In het oorspronkelijk analoge telefoonnetwerk werden aansluitingen door middel van koperdraad aangesloten op een telefooncentrale. De telefooncentrale was verantwoordelijk voor het maken van de verbinding en was hiervoor met andere centrales verbonden. Over een koperdraad konden meerdere gespreken worden geleid door middel van frequentiemultiplexing, dat wil zeggen, ieder gesprek kreeg op de draad een deel van de beschikbare frequentieruimte tot zijn beschikking.
Het analoge telefoonnetwerk was een circuitgeschakeld netwerk, wat betekent dat een vast communicatiekanaal van de beller naar de gebelde opgebouwd wordt.
In 1962 werd de laatste automatische knooppunt centrale in dienst genomen. Het gehele Nederlandse net was automatisch.
De eerste digitalisering was het besturen van de centrales door computers. De PRX van Philips was zo'n centrale.
In 1976 werd de eerste PRX centrale ingebruik genomen. Op 7 december 2010 ging de laatste PRX/A uit te Volendam. Het PSTN net was toen volledig gedigitaliseerd.
Digitale netwerken hebben voordelen ten opzichte van een analoog netwerk, maar het grootste voordeel van een digitaal netwerk is de geluidskwaliteit; bij een analoog telefoonnetwerk neemt de geluidskwaliteit af naarmate de gesprekspartner verder verwijderd is, bij een digitaal netwerk is deze constant.
Tijdgeschakeld digitaal telefoonnetwerk
In een tijdgeschakeld digitaal telefoonnetwerk wordt het spraaksignaal gedigitaliseerd waarbij een digitale datastroom ontstaat. Deze datastromen in datapakketjes verdeeld, en deze pakketjes worden netjes op hun beurt over de verbindingen tussen de telefooncentrales geleid. Er is een zachte garantie dat de pakketjes niet verloren gaan en een harde garantie dat ze in de juiste volgorde op de bestemming worden afgeleverd.
In 1980 worden de eerste glasvezel transmissielijnen gelegd.
Pakketgeschakeld digitaal telefoonnetwerk
In een pakketgeschakeld telefoonnetwerk wordt het signaal wederom gedigitaliseerd en in pakketjes verdeeld. Deze pakketjes worden vervolgens in een pakketgeschakeld netwerk verstuurd. Een pakketgeschakeld netwerk levert individuele pakketjes op de bestemming af. Er wordt geen enkele moeite gedaan om de beschikbare capaciteit eerlijk te verdelen, te garanderen dat de pakketjes aankomen of te garanderen dat ze in de juiste volgorde aankomen. Indien pakketjes vertraagd aankomen, verloren gaan of in de verkeerde volgorde aankomen zal de telefoon tijdelijk storen.
Pakketgeschakelde netwerken zijn vanwege hun eigenschappen niet erg geschikt voor telefonie. Toch zijn ze erg populair omdat het internet een pakketgeschakeld netwerk is, waarmee goedkoop over lange afstanden gecommuniceerd kan worden.
Digitalisering van de klantaansluiting
Aanvankelijk speelde de digitalisering van het telefoonnetwerk zich louter in de verbindingen tussen telefooncentrales af. Aansluitend is werk gemaakt van het digitaliseren van de verbinding van de telefoon naar de centrale.
Voor klanten die een analoge aansluiting wilde behouden werd de omzetiing in de cenrale gedaan en dan als POTS naar de klant doorgegeven.
Je zult altijd een stukje analoog signaal hebben. De microfoon zet geluid om naar een wisselspanning en de luidspreker maakt er weer een geluid van.
ISDN
ISDN is een techniek waarmee normaal gesproken verbinding gemaakt wordt over een tijdgeschakeld digitaal telefoonnetwerk. Bij ISDN kunnen over een koperdraad meerdere telefoonlijnen geïmplementeerd worden. Bij de veelgebruikte ISDN-2-aansluiting worden twee lijnen, plus een besturingskanaal over de telefoonlijn geïmplementeerd. ISDN-lijnen hebben doorgaans een goede gesprekskwaliteit, goede betrouwbaarheid en veel functionaliteit. Ze worden doorgaans gecombineerd met een kleine telefooncentrale, waardoor intern gebeld en doorverbonden kan worden.
In Nederland is men in 1995 begonnen met de invoering van ISDN. Deze is als onderdeel van het PSTN per 1 september 2019 uitgefaseerd.
De omzetting bij ISDN vind plaats in een ISDN telefoon of in een terminal adapter zoals de quattrovox.
VoIP
Bij VoIP wordt direct aangesloten op een pakketgeschakeld netwerk, er is geen sprake van een telefooncentrale meer. Een VoIP-telefoon genereert direct internetverkeer dat verstuurd wordt. Omdat pakketgeschakelde netwerken niet gemaakt zijn voor telefonietoepassingen dient men over een relatief hoogwaardige internetverbinding te beschikken met voldoende reservecapaciteit, waardoor de kans dat pakketjes niet of vertraagd aankomen geminimaliseerd wordt. VoIP kenmerkt zich door lage gesprekskosten.
De meest gebruikte VoIP protocollen in een kabelnetwerk zijn SIP (Session Initiation Protocol) en MGCP (Media Gateway Control Protocol).
In 2006 wordt VoIP uitgerold via ADSL. Per 1 september 2019 is het nog het enigste telefoonnetwerk.
De omzetting bij VoIP vindt plaats in de IP telefoon. Voor gebruik van analoge toestellen gebruikt met een Analoge Telefoon Adapter, welke los of ingbouwd is in een router. Voor ISDN telefoons is een omzetter nodig die het ISDN signaal naar IP omzet.
GSM
Gsm is een standaard voor digitale mobiele telefonie. De afkorting staat voor Global System for Mobile communications, eerder voor Groupe Spécial Mobile. Gsm wordt beschouwd als de tweede generatie mobiele telefonie (2G).
Gsm is de meest gebruikte standaard voor mobiele telefonie in de wereld. Gsm-diensten worden gebruikt door meer dan 3 miljard mensen in meer dan 210 landen. De grootste tegenhanger is cdmaOne (Noord- en Zuid-Amerika). De twee belangrijkste verbeteringen bij gsm ten opzichte van daarvoor gebruikte analoge mobiele netten (1G, eerste generatie, genoemd) waren:
- Het digitaliseren van de spraak en het niet langer analoog verzenden van de spraaksignalen, maar digitaal;
- De gebruikte frequentiebanden en het daarbij behorende honingraatpatroon voor de dekkingsgebieden, waardoor een hoge geluidskwaliteit en een constante bereikbaarheid mogelijk werd.
De technische kenmerken voor het gsm-systeem werden vastgelegd in 1987. In 1989 werd de verantwoordelijkheid overgenomen door ETSI en in 1990 was de eerste gsm-specificatie een feit, met meer dan 6000 pagina's tekst. De commerciële uitbating begon in 1991 met Radiolinja in Finland.
In Nederland is na de invoering van GSM ATF1, ATF2 en ATF3 uitgefaseerd.
In 1998 werd het 3rd Generation Partnership Project (3GPP) opgericht, met de bedoeling specificaties voor een derde generatie van mobiele netwerken vast te leggen. 3GPP nam uiteindelijk ook het onderhoud en de ontwikkeling van de gsm-specificatie over. ETSI is een partner van 3GPP.