Telefon Santralleri

Murat Yıldırımoğlu

(Bu yazı 1989 yılında, telefon santralı üreten bir firma olan Telesis’de çalışırken hazırladığım bir yazının yenilenmiş ve genişletilmiş halidir.)

İletişim alanı çağımıza iletişim çağı dedirtecek kadar önemli bir yer kaplıyor günümüzde. İletişim denilince de akla ilk olarak gelen şeylerden birisi telefon oluyor. Dünyada yaklaşık olarak 1 milyar adet telefon hattı olduğunu hesaba katarsak telefonun nasıl önemli bir yer işgal ettiğini daha da kolay anlayabiliriz.

Telefonun icadından sonra en önemli sorun telefon hatlarını birbirine en güvenli, verimli ve kaliteli bir şekilde bağlamak olmuştur. Bu görevi üstlenen telefon santralleri telefonla iletişimde en önemli kısmı oluştururlar.

Telefon santralleri kamu ve özel kullanım santralleri olarak iki grupta toplanabilir. Türkiye’de Netaş, Alcatel, Siemens ve Ericsson firmaları kamuda (Türk Telekom bünyesinde) kullanılabilecek telefon santralleri üretmekte ve satmaktadırlar. Telesis, Karel ve Multitek firmaları ise özel kullanım santralleri (Private Branch Exchange, PBX) üretmektedir.

İlk telefon santralleri manueldi. Yani, bağlantılar elle yapılıyordu. Telefonla birisini aramak isteyen insanlar bir operatörü arıyor, görüşmek istedikleri kişinin telefon numarasını söylüyor, operatör de arayan ile aranan kişilerin hatlarını elle birbirine bağlıyordu.

Sonra otomatik telefon santralleri geliştirildi. İlk otomatik telefon santralinin üretimi çok ilginç: ABD’deki bir kasabada iki adet ölü gömücü var. Ölü gömücülerden birisinin karısı telefon operatörü. Kasabada birisi öldüğü zaman operatör aranıp bir ölü gömücünün telefonu istendiğinde operatör, her zaman kocasının firmasını bağlıyor. Bu duruma çok bozulan diğer ölü gömücü de oturup ilk otomatik telefon santralini geliştiriyor. Amerikan yaratıcılığına iyi bir örnek.

İlk otomatik telefon santralleri elektromekanik ilkelerle çalışır, çok yer kaplar, çok enerji tüketir, çok zor üretilir, çok zor işletilir, çok pahalıya mal olurlardı. Buna karşın yapabilecekleri şeyler çok azdı. Günümüzde kullanılan elektronik santraller ise, tam tersine az yer kaplarlar, az enerji tüketirler, üretilmeleri ve işletilmeleri kolaydır, ucuza mal olurlar ve kullanıcılara düzinelerle hizmet sunarlar.

Elektronik santrallerin ortak özelliği depo edilmiş programları kullanan mikroişlemciler tarafından kontrol edilmeleridir. Sistemin çalışması önceden hazırlanmış programlara göre yürür. Sistemler modüler yapıdadır. Mikroişlemci, bellek ve zamanlama devreleri gibi devreler ana işlem modülü denilebilecek bir modülde bulunur. İç ve dış abone devreleri ayrı yapıdadır ve genel olarak ayrı modüllerde bulunurlar. (Karel ve Multitek gibi firmaların küçük santrallerinde iç ve dış abone devreleri tek bir modülde bulunur.)

Yukarıdaki ortak özellikler bir yana bırakılırsa elektronik santraller çalışma yöntemlerine göre ikiye ayrılabilirler; analog teknoloji kullananlar ve sayısal teknoloji kullananlar. Her iki teknolojide de farklı yöntemler kullanılabilir. Ama genel olarak analog teknolojide Darbe Genlik Bindirimi (Pulse Amplititude Modulation;PAM) yöntemi, sayısal teknolojide ise Darbe Kod Bindirimi (Pulse Code Modulation, PCM) yöntemleri kullanılmaktadır. Her iki yöntemde de genel olarak az sayıdaki ortak elemanları kullanarak çok sayıdaki aboneye hizmet verilir. Buna Zaman Bölmeli Çoklama (Time Division Multiplexing; TDM) denilir.

Telefonculukta insan sesinin işlenen kısmı 300Hz-3400Hz arasında yer alan kısmıdır. Bu bandın dışında kalan kısmının iletilmesine gerek yoktur. Böylece telefon sisteminde frekans bandımız 3100Hz olmaktadır. Bunun en az iki katı kadar bir örnekleme oranı ile ilk baştaki sinyali elde edebiliriz. Ses bandında örnekleme oranı PCM teknolojisinde standart olarak 8000Hz’dir. Yani, saniyede 8000 örnek alınır. PAM teknolojisinde örnekleme oranı değişkendir. Bazı santrallerde örnekleme oranı 12000Hz’dir.

Şimdi PAM teknolojisini kısaca anlatalım: Bu yöntemde sürekli bir sinyal, ses sinyali, saniyede örneğin, 12000 kez örneklenir. Alınan örneklerin genliği süreklidir. Yani, belli bir aralıkta, diyelim ki –2.5V ile +2.5V arasında herhangi bir değer alabilirler. Alınan örnekler de çeşitli şekillerde işlenirler.

PAM teknolojisini sekiz abonelik bir sistem için kabaca şöyle örnekleyebiliriz. (Elimizde de mikroişlemci tarafından kontrol edilen iki çoklayıcı (multiplexer) birim bulunuyor.)

Şekil 4 ve Şekil 5

Sekiz abone iki çoklama birimine de bağlı durumdadır. Şimdi, eğer 3 nolu abone 5 nolu abone ile görüşme istiyorsa mikroişlemci birinci çoklama biriminden 3’ü, ikinci çoklama biriminden de 5’i seçer ve iki çoklama biriminin de çıkışları birbirine bağlanmışsa görüşme gerçekleştirilir. Bu işlemi, yani, 3 ile 5’i birbirine bağlamayı sürekli yapmak ile saniyede diyelim ki 12000 kez yapmak ve çözmek arasında kullanıcılar açısından bir fark yoktur. Eğer 3 ile 5 nolu aboneler arasındaki bağlantıyı saniyede 12000 kez kapatıp açarsak aralarda, diğer aboneleri de birbirine bağlama olanağı doğar. Örneğin, 8 ile 2’yi, 6 ile 7’yi vs.

Bu yöntem santrallarda kullanılan ilk elektronik yöntemlerdendir. Telesis’in ilk santralları da bu yöntem ile çalışmaktaydı.

Sayısal santrallarda kullanılan PCM teknolojisine gelince: Bu yöntemde de sürekli bir sinyalden, ses sinyalinden, örnekler alınır. PAM örneğinde olduğu gibi yine –2.5 volt ile +2.5 volt arasında bir sinyali ele alalım. Örneklerin değeri PAM sisteminde herhangi bir değer olabiliyordu. PCM’de ise buna izin verilmez. Sinyal aralığı, örneğin, 256 aralığa bölünür ve örnekler ancak bu 256 değerden birini, en yakınlardakini alabilir. Bu 256 değişik değer ikili düzendeki sayılarla, yani, 1 ve 0’lar ile gösterilir. 256 değişik değeri göstermek için en az sekiz adet ikili basamak gerekir.

1’ler ve 0’lar elektriksel olarak 0V ve –5V ile gösterilebilir. Santral içind eartık bu analog sinyaller değil bu ikili düzendeki sayılar dolaşır ve ancak karşıki aboneye gönderilirken bu sayısal sinyaller analoga çevrilir.

0V’un –5V ve –5V’un da 0V olarak algılanması, yani, bozulma (distorsiyon) zor olduğundan PCM santrallarda ses kalitesi yüksektir. Burada konuyu biraz daha açalım: Analog sistemler büyük ölçüde distorsiyona uğrarlar. Çünkü bir sinyalin iletim ortamında en kolay bozulan özelliği genliğidir. Analog santrallarda ya da sistemlerde belli bir kaliteyi tutturmak için çok güç harcamak, çok karmaşık devreler hazırlamak gerekir. Sinyal/gürültü (Signal to Noise, S/N) oranı bir sistemin kalitesini belirlemede kullanılabilkir. Bir PCM sisteminde hatanın en aza indirilmesi için 20dB’lik bir S/N oranı yeterli iken PAM’da bunun için en az 60dB’lik bir S/N oranı gerekir. Buna karşılık PCM sisteminde 3100Hz’lik bir ses bandı için 64kHz’lik bir bant harcanır. Yani, S/N oranından kazanırken frekans bandından kaybederiz.

Ayrıca analog çoklama birimleri sayısal çoklama birimlerine göre daha çok yer kaplarlar.

Sayısal santralların bir önemli yararları da şudur: Bu santrallar sesin olduğu kadar görüntünün ve verilerin de, hem de aynı anda, anahtarlanması için kullanılabilir. Günümüzde çeşitli iletişim biçimlerini örneğin, ses, görüntü ve veri iletişimini bir çatı altında toplama çalışmaları hızla sürmektedir. Bu çalışma sonunda ortaya çıkan şebekeye Tümleşik Hizmetler Sayısal Şebekesi (ISDN), denilmektedir. Adından da anlaşılacağı gibi bu sistem sayısal bir sistemdir. Analog santralların bu şebekeye uyum sağlaması çok zordur. Sayısal santrallar ise ufak tefek değişiklikler ile bu hizmetleri verebilir, ISDN’e uyum sağlayabilirler.

Şimdi PCM sistemini Telesis santrallarında örneklendiği üzere anlatmadan önce analog sinyallerin sayısal sinyallere çevrilişi ve sayısal sinyallerin de analog sinyallere çevrilişini şematik olarak görelim:

Şekil 6

Analog/sayısal çeviriciler Coder olarak adlandırılırlar. Analog sinyal ilk önce 300Hz ile 3400Hz arasını geçiren bir filtreden geçirilir. Sonra Örnekle ve Tut devresinde örneklenir ve sonraki aşamada sayısala dönüştürme işi bitene kadar tutulurlar.

Sayısal sinyaller analoga çevrilirken ilk önce seri/paralel çevrimi yapılır. Paralel olarak düzenlenen bilgi sayısal/analog çeviricide analoga çevrilir ve gürültüden arındırmak için alçak geçiren filtreden geçirilir. Sayısal/analog çeviriciler Decoder olarak adlandırılır.

Şekil 7

Günümüzde gelişen tümleşik devre endüstrisi sayesinde Coder/Decoder devreleri tek bir tümleşik devrede yer alabilmektedir. Böyle devrelere Codec denilir. Telesis santrallarında National firmasının 3057 Codec’i kullanılmaktadır.

Analog sinyallerin sayısala çevrilişinde bazı kurallar vardır. Bu kurallar düşük şiddetteki sinyallerin, yani, konuşma sırasında rastlanılması daha olası sinyallerin korunmasını ve S/N oranının bütün sinyal şiddetlerinde mümkün olduğunca aynı kalmasını sağlar. Analog sinyallerin sayısal sinyallere bu şekilde çevrilmesinde kullanılan iki yöntem vardır: Birisi özellikle ABD’nin kullandığı mü yasası adı verilen yöntem, diğeri de özellikle Avrupa ülkelerinin kullandığı A-yasası denilen yöntem. National 3057 Codec’i A-yasasına göre çevrim yapar.

Şimdi Telesis PCM santrallarının çalışma sisteminden yola çıkarak sayısal santralı ve PCM sistemini daha yakından tanıyalım:

Santrallarda iç ve dış abone hatları genelde ayrı modüllerde bulunur. İç abone modüllerinde genellikle 8 abone için gereken donanım bulunmaktadır. Her abone hattı ilk önce Motorola 3419 tümleşik devresi ile karşılaşır. Bu devrenin görevini anlatmadan önce bazı bilgiler vermeliyiz.

Aboneler santrala iki tel ile bağlanır. Bu iki tel üzerinden gelen ve giden sesleri aynı anda yükseltmek olanaksızdır.

Şekil 8

Bunun için herhangi bir şekilde aboneden gelen iki teli dört tele (iki giden iki gelen olmak üzere) çevirmek gereklidir. İki tel dört tele çeşitli yollarla çevrilebilir. Örneğin, aşağıdaki trafolu devreyi ele alalım:

Şekil 9

Abone konuşurken ses sinyali gelen ve giden devrelerine eşit olarak dağılır. Bu sinyal giden bölümünde yükseltilerek iletilir. Gelen bölümündeki yükselteç devresi ise bu sinyali gelen bölümüne azaltılmış olarak verir, yani, bir bakıma emer. Aboneye ses sinyali ulaşırken de şu olur: Gelen sinyal abone sargısı üzerinde indükleme yapar; eşit derecede bir indüklemede ters bağlanmış sargılarda oluşur. Abone sargıları ve ters sargılar üstünde indüklenen gerilimler zıt işaretlidir ve giden devresi üstünde birbirlerini yok ederler.

İki teli dört tele opamplar yoluyla da çevirebiliriz:

Şekil 10

Bu devrede de abonenin ses sinyalleri gelen bölümündeki yükselteçler tarafından emilir. Gelen ses sinyalleri yükseltilerek aboneye verilir, bu yükselteçlerin çıkışından da giden yükseltecine ters olarak girilir. Böylece gelen ve giden ses sinyalleri karışmamış olur.

İki telin dört tele çevrilmesi hem ses sinyallerinin rahatça işlenmesine yol açar, hem de kenar ton (side tone) denilen, abonenin sesinin kulaklıktan duyulması olayını en aza indirir.

Motorola 3419 devresinin başlıca görevi iki dört tele çevirmektir. Bunun yanında 3419 devresi abone hattını besler, devreyi aşırı gerilime kaşrı korur, gözlem sinyalleri üretir.

Şekil 11

Dış hat modüllerinde iki teli dört tele çevirme işlemi opamplar yoluyla yapılır. Bu yüzden de dış hatlarda 3419 devresi bulunmaz.

İç abone modüllerinde her hat için kullanılan ikinci devre yukarda da söz ettiğimiz National 3057 Codec’idir. Motorola 3419 devresinin gelen ve giden bölümleri 3057 devresinin analog giriş ve çıkışlarına bağlanır.

Şekil 12

Dış hat modüllerinde, abone devrelerinin yanısıra, her hat için bir dial pulse üretim devresi bulunur (örneğin, Motorola 14408). Yine her hat için gelebilecek ücretlendirme sinyallerini çözümlemek amacıyla 12kHz’e ayarlanmış bir ton çözümleyici (LM 567), hat üzerinden gelebilecek ani ve yüksek gerilime karşı korunmak üzere bir Surge Arrester da bulunur.

İç ve dış abonelerden gelen sayısal sinyaller Mitel 8980 Anahtarında anahtarlanır. Bu devre ile Codec’ler arasındaki bağlantılar kabaca aşağıdaki gibidir:

Şekil 13

Mitel 8980 devresi aynı anda 256 adet aboneyi anahtarlayabilir. Üzerinde 256 baytlık bir bellek bulunur. 256 aboneden herbir örneklemede alınan değer bu yerlerde saklanır. 8980 devresi bu değerleri her şekilde anahtarlayabilir. Örneğin, bir aboneden gelen sinyali diğer abonelere göndererek konferans işlemini yapabilir.

Santrallarda her türlü telefon çalışabilir. Şimdi bu telefon çeşitlerinden söz edelim.

Her telefon makinesi basılan tuşları santrallara iki yolla gönderebilir. Birinci yöntem geleneksel yöntemdir. Bu yöntemde santral ile makine arasındaki akım belli sayıda kesintiye uğratılarak sinyal yollanır. Örneğin, “1” tuşuna basıldığında akım bir kez kesilir, “2” tuşuna basıldığında iki kez kesilir vs... Buna Dial Pulse Signalling denilir. Akım kesme işi ya mekanik yolla yapılır ya da özel tümleşik devrelerle gerçekleştirilebilir. Bu tip sinyalleşmenin kötü yanı yavaş olması (saniyede ortalama bir tuş bilgisi gönderilebilir) ve hattaki gürültü yüzünden pulse’ların bozulması ve sonuçta yanlış numaranın tuşlanabilmesidir.

İkinci ve daha modern bir yöntemde akım kesintiye uğratılmaz. Bunun yerine her tuş için değişik frekanslarda iki adet dalga üretilir ve yollanır. Bu tip sinyalleşmeye de Dual Tone Multi Frequency Signalling denir. Tuşlar ve frekanslar aşağıdaki gibidir:

Frekans	1209	1336	1447	1633
697	1	2	3	A
770	4	5	6	B
852	7	8	9	C
941	*	0	#	D

Örneğin, 9 tuşu için 1477 ve 852Hz frekanslarında iki adet sinüsoid dalga üretilir ve gönderilir. Bu sinüsoid dalgalar özel devreler tarafından üretilir ve çözümlenirler. Bu yöntem çok daha güvenilir ve hızlı bir yöntemdir. Bir saniyede 10 rakam gönderilebilir. Üstelik gönderilen şey belli frekanslarda bir dalga olduğundan yanlış algılanma diye bir şey olmaz.