Telefonie / Fernsprechübertragung

Der Begriff Telefonie bezeichnet einen Kommunikationsdienst, bei dem Sprache zwischen zwei oder mehr Teilnehern übertragen wird. Als Endgerät dient ein Telefon. Die Art der Kommunikation 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 Alltag geworden. 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 bezeichnet man als Fernsprechübertragungstechnik. 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 perfekte 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.
Im Laufe der technischen Entwicklung hat sich eine hohe Sprachqualität und Verfügbarkeit der Systeme und Netze durchgesetzt. PCM und ISDN haben den Höhepunkt bei der Qualität in der Übertragung von Sprache gesetzt. Durch Mobilfunk und Voice over IP hat die Qualität der Sprachübertragung und Verfügbarkeit wieder etwas abgenommen.

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. 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.

HD-Telefonie

HD-Telefonie ist ein Schlagwort hinter dem Verfahren und Maßnahmen stehen, um 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 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).

• PCM - Pulscodemodulation

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:

1. Verbindungsaufbau
2. Nachrichtenübertragung
3. Verbindungsabbau

Für die Abwicklung der Kommunikation sind die Vermittlungsstellen des Telefonnetzes zuständig.

Begriffe und Definitionen in der Telefontechnik

Viele Begrifflichkeiten in der Telefontechnik stammen noch aus der Anfangszeit der Telefontechnik, aus dem 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, deren Wurzeln aus der Anfangszeit der Telefontechnik stammen.

POTS - Plain Old Telephone Service

Mit POTS wird der einfache Telefondienst bezeichnet, der die Sprache analog über die Leitungen überträgt. Alternative wird POTS auch als abfällige Bezeichnung für das öffentliche Telefonnetz verwendet.

PSTN - Public Switched Telephone Network

PSTN ist die englische Bezeichnung für das öffentliche Telefonnetz. Es ist der Überbegriff für das Telefonnetz in dem Analog- und ISDN-Anschlüsse bereitgestellt 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 wurde 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 es 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.

PBX - Private Branch Exchange

PBX ist die englische Bezeichnung für eine Telefonanlage (privates Vermittlungssystem).

Anschlussdichte

Das ist das Verhältnis der angeschlossenen zu den anschließbaren Wohnungen an ein Telefonnetz.

Universaldienst

Ein Universaldienst ist ein Mindestangebot an Dienste, welche bundesweit (Deutschland) für die Öffentlichkeit zu einem erschwinglichen Preis verfügbar ist.
Der Umfang des Universaldienstes hängt von der gesellschaftlichen und wirtschaftlichen, sowie technologischen Entwicklung im Land ab, und wird von einem Monopolisten oder dem Gesetzgeber definiert.
Das aktuelle Telekommunikationsgesetz sieht einen Telefonanschluss und Zugang zu einer Telefonzelle als Mindeststandard vor.

Versorgungsgrad

Das ist das Verhältnis zwischen den anschließbaren Wohnungen zu den Wohnungen insgesamt.

Regionale Carrier

Das sind lokale Telefongesellschaften, die ihre Angebote und Leistungen nur in einer Region (Bundesland, Stadt, Einzugsgebiet) anbieten.
Diese Netzbetreiber sind meist Vollanbieter und können nicht nur günstige Orts- und auch Ferngespräche, sondern auch Telefon- und DSL-Anschlüsse anbieten.

Verbindungsnetzbetreiber

Ein Verbindungsnetzbetreiber ist Netzbetreiber, der Verbindungen zwischen Teilnehmernetzen bereitstellt, aber selber kein Teilnehmernetz betreibt.