home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ The Hacker's Encyclopedia 1998 / hackers_encyclopedia.iso / phreak / sysinfo / pprimer.doc < prev    next >
Encoding:
Text File  |  2003-06-11  |  23.4 KB  |  450 lines

  1.                                    The Telephone System
  2.                                      A Basic Overview
  3.                                             By:
  4.                                       EVIL INCARNATE
  5.  
  6. WARNING:
  7. YOU NEED SOME ELECTRONIC EXPERIENCE TO READ THIS...BUT IF YOU KNOW ***REAL***
  8. BASIC ELECTRONICS, YOU'LL SLIDE. BUT YOU CAN'T BE AN ULTRA-DWEEB EITHER, YOU
  9. MUST (READ ****ABSOLUTELY MUST****) HAVE AN IQ OF GREATER THAN ROOM TEMPERATURE.
  10.  
  11.       The telephone arrived as a practical instrument over a century ago in
  12. 1876 , an outgrowth of experiments on a device to send multiple telegraph
  13. signals over a single wire.  Alexander Graham Bell, a native of Scotland,
  14. while conducting electrical experiments spilled acid on his trousers.  His
  15. sulphurous reaction, the now famous "Mr. Watson, come here, I want you",
  16. brought Thomas A. Watson on the run not only because of his employer's
  17. distress, but because the words had been carried by electricity into
  18. Watson's room and reproduced clearly on his receiving set.  The simple
  19. instrument being tested on Court Street in Boston on March 10, 1876  wasn't
  20. very practical(the acid was used in the system) but improvement followed so
  21. rapidly that putting into action Bell's concept of a public telephone
  22. network - "this grand system", "whereby a man in  one part of the country
  23. may communicate by word of mouth with another in a distant place" - was
  24. well underway by January of 1878, when the first commercial exchange was
  25. operated in New Haven.  By 1907, one hotel alone(the Waldorf Astoria in NY_
  26. had 1,120 telephones and processed 500,000 calls per year.
  27.  
  28.       That concept has grown into an industry in which one entity (AT&T) is
  29. the largest company on earth, providing over one hundred million telephone
  30. sets, making a profit several billion dollars per year, and employing over
  31. one million people.
  32.  
  33.       Telephone sets perform a surprising number of functions.  Here is a
  34. list of the most important ones:
  35.  
  36. 1.It requests the use of the telephone system when the handset is lifted.
  37. 2.It indicates that the system is ready for use by receiving a tone, called
  38. the dial tone.
  39. 3.It sends the number of the telephone to be called to the system.  The
  40. number is initiated by the caller by pressing number keys or rotating a
  41. dial.
  42. 4.It indicates the state of a call in progress by receiving tones
  43. indicating the status.
  44. 5.It changes speech of a calling party to electrical signals for
  45. transmission to a distant party through the system.  It changes electrical
  46. signals received from a distant party to speech for the called party.
  47. 7.It automatically adjusts for changes in the power supplied to it.
  48. 8.It signals the system that a call is finished when a caller "hangs-up"
  49. the handset.
  50.  
  51.       Of course for a telephone to be of any use, it must be connected to
  52. another telephone.  In the very early days of telephones, the phones were
  53. simply wired together with no switching.  This became impractical as the
  54. number of phones increased and the local exchange or central office was
  55. established to handle the switching and other functions.
  56.  
  57.       Each subscriber telephone is connected to a central office that
  58. contains switching equipment, signaling equipment and batteries that supply
  59. direct current to operate the telephone.  Each phone is connected to the
  60. central office through a local loop of wires called a wire pair(the other
  61. wires on a phone line are grounds in case of over voltage)  One of theses
  62. wires is called T(for Tip(DUH!)) and the other is called R(for ring) which
  63. refers to the tip and ring parts of the plug used in manual switchboards.
  64.  
  65.       Switches in the central office respond to the dial pulses or tones
  66. from the telephone to connect the calling phone to the called phone.  When
  67. this connection is established, the two telephones communicate over the
  68. transformer coupled loops using the current supplied by the central office
  69. batteries.
  70.  
  71. INITIATING A CALL
  72.  
  73.       When the handset of the telephone is resting in its cradle, the
  74. weight
  75. of the handset holds the switchhook buttons down and the switches are open.
  76.  
  77. This is called the on-hook condition.  The circuit between the telephone
  78. handset and the central office is open; however, the ringer circuit in the
  79. telephone is always connected to the central office.  The capacitor blocks
  80. the flow of DC from the battery(in the central office).  The ringer circuit
  81. presents a high impedance to speech signals so it has no effect on them.
  82.  
  83.       When the handset is removed from its cradle, the spring loaded
  84. buttons come up and the switchook closes.  This completes the circuit to 
  85. the exchange and current flows in the circuit.  This is called the off-hook
  86. condition.
  87.  
  88.       The off-hook signal tells the exchange that someone wants to make a
  89. call.  The exchange returns a dial tone to the called phone to let the
  90. caller know that the exchange is ready to accept a telephone number.
  91.  
  92. SENDING A NUMBER
  93.  
  94.       Some telephone sets send the telephone number by dial pulses while
  95. others send it by audio tones.
  96.  
  97. DIAL PULSING
  98.  
  99.       Most telephone sets that use dial pulsing have a rotary dial which
  100. opens and closes the local loop  circuit at a timed rate.  The number od
  101. dial pulses resulting from one operation of the dial is determined by how
  102. far the dial is rotated before releasing it.
  103.  
  104. DUEL TONE MULTI-FREQUENCY
  105.  
  106.       Some telephone systems use the newer method of using audio tones to
  107. send the telephone number.  These can be used only off the central office
  108. is equipped to process the tones.  Instead of a rotary dial, these
  109. telephone sets have a push-button keypad with 12 keys, for the numbers 0
  110. through 9 and the symbols * and the #.  Pressing one of the keys causes an
  111. electronic circuit in the keypad to generate two output tones that
  112. represent the number.
  113.  
  114. CONNECTING THE PHONES
  115.  
  116.       The central off ice has various switches and relays that
  117. automatically
  118. connect the calling and called phones.  For now, assume that the connection
  119. has been made.  The actual operation of switching systems will be covered
  120. in more detail a little later.
  121.  
  122.       If the called phone handset is off-hook when the connection is
  123. attempted, a busy tone generated by the central office is returned to the
  124. calling phone.  Otherwise, a ringing signal is sent to the called phone to
  125. alert the called party that a call is waiting.  At the same time, a
  126. ringback tone is returned to the calling phone to indicate that the called
  127. phone is ringing(NOT TO BE CONFUSED WITH CALL WAITING WHICH WILL BE
  128. EXPLAINED IN LATER TEXT PHILES)
  129.  
  130. RINGING THE CALLED PHONE
  131.  
  132.       Early telephone circuits were point to point(not switched), and the
  133. caller gained the attention of the party at the other end by picking up the
  134. transmitter and shouting "Hello".  This was not very satisfactory, and
  135. schemes based on a mechanical signaling arrangements were soon invented. 
  136. The one in common use today, called the "polarized ringer" or bell, was
  137. patented in 1878 by Thomas A. Watson(Mr. Bell's assistant).
  138.  
  139. ANSWERING THE CALL
  140.  
  141.       When the called party removes the handset in response to a ring, the
  142. loop to that phone is complete by its closed switchook and loop current
  143. reflows through the called telephone.  The central office then removes tex
  144. ringing signal and the ringback tone from the circuit.
  145.  
  146. TALKING
  147.  
  148.       The part of the telephone into which a person takes is called the
  149. transmitter.  It converts speech (acoustical energy) into variations in an
  150. electric current (electrical energy) by varying or modulating the loop
  151. current in accordance with the speech of the talker.
  152.  
  153.       The part of the telephone that converts the electric current
  154. variations into sound that a person can hear is called the receiver.  The
  155. signal produced by the transmitter is called by the loop current to the
  156. receiver of the called party.  Also, a small amount of the transmitter
  157. signal is fed back into the talker's receiver.  This is called the
  158. sidetone.
  159.  
  160.       Sidetone is necessary so that the person can hear his/her own voice
  161. from the receiver to determine how loudly to speak.  The sidetone must be
  162. at the proper level because too much sidetone will cause the person to
  163. speak too softly for the good reception by the called party.  Conversely,
  164. too little sidetone will cause the person to speak so loud that it may
  165. sound like a yell at the receiving end.
  166.  
  167. ENDING THE CALL
  168.  
  169.       The call is ended when either party hangs up the handset.  The
  170. calling party can hang up the phone for a second, but the called party must
  171. hang the phone up for twenty seconds for a disconnect.  The on-hook signal
  172. tells central office to release the line connections.  In some central
  173. offices, the connection is released when either party goes on-hook.  In
  174. others theconnection is released when only the calling party goes on-hook.
  175.  
  176. BEYOND THE LOCAL LOOP
  177.  
  178.       Thus far the discussion of connecting two telephones together has
  179. been limited to local loops and a central office exchange.  Most central
  180. office exchanges can handle up to 10,000 telephones.  But what if it is
  181. required to connect more phones than 10,000 or connect phones in different
  182. cities or in different states, or in different countries.  Over the years,
  183. complex network of many telephone exchanges has been established to
  184. accomplish these requirements.  Lets look next at how this network is
  185. arranged.
  186.  
  187. THE PUBLIC SWITCHED TELEPHONE NETWORK
  188.  
  189. EXCHANGE DESIGNATIONS
  190.  
  191.       Each telephone exchange in North America has two designations, office
  192. class and name to describe its function.
  193.       Subscriber telephones are normally, but not exclusively, connected to
  194. end offices.  Toll (long distance) switching is performed by Class 4, 3, 2,
  195. 1 offices.  The Intermediate Point or Class 4X offices may interconnect
  196. subscriber telephones as well as other Class 5 and Class 4 exchanges.
  197.  
  198.       The ten Regional Centers (Class 1 offices) in the U.S. and two in
  199. Canada all are connected directly to each other with large-capacity trunk
  200. groups(see ESS just stops use from 2600 Hz tones LOCALLY, but if you can
  201. get past the local ESS, and get the 2600 Hz tone past ESS, then there's
  202. nothing they can do, cause it would cause too much to change ALL THESE
  203. trunks).  In 1981, there were 67 Class 2; 230 Class 3; 1,300 Class 4 and
  204. about 19000 Class 5 exchanges.
  205.  
  206. INTERCONNECTION
  207.  
  208.       The network is organized like a tree, or rather like a small grove of
  209. trees, whose roots have grown together.  Each exchange is optimized for a
  210. particular function.  A call requiring service which cannot be performed by
  211. a lower class exchange is usually forwarded to the next higher exchange in
  212. the network for further processing.
  213.  
  214.       The regional Center like the base of each tree, forms the foundation
  215. of the network.  The branch levels are the Class 2, 3, 4, 4X and Class 5
  216. offices.  Most offices are connected to more than one other, and the
  217. interconnections depend on the patters of the traffic arriving at and
  218. leaving each office.
  219.  
  220.       The network makes connections by attempting to find  the shortest
  221. path from the class 5 office serving the caller to the class 5 office
  222. serving the  called party.  The high usage interoffice trunk groups which
  223. provide direct connection between offices of equal and lower level are used
  224. first.  If they are busy, trunk groups at the next higher level(called
  225. final groups) are used.  Digital logic circuits in the common control of
  226. each exchange make decisions based on rules stored in memory that specify
  227. which trunk groups are to be tried and in what order.  These rules, for
  228. example, prevent more than nine connections in tandem, and prevent endless
  229. loop connections.
  230.  
  231. STRUCTURE
  232.  
  233.       The supervisory signals used to set up telephone connections and the
  234. voice signals of the conversations are carried by transmission systems over
  235. paths called facilities.  These systems are divided into three broad
  236. categories, Local, Exchange Area, and Long-Haul.
  237.  
  238. THE LOCAL NETWORK
  239.  
  240.       The local network is the means by which telephones in residences and
  241. businesses are connected to central offices.  The local facilities are
  242. almost exclusively wire pairs which fan out like branches of a tree from a
  243. point called the wire center throughout a serving area.  Serving areas vary
  244. greatly in size, from an average of 12 square miles in urban locations to
  245. 130 square miles for rural areas.  An average wire center in an urban area
  246. will serve 41,000 subscriber lines and 5,000 trunks.  The urban exchange
  247. are generally of higher call carrying capacity than the rural exchanges.
  248.  
  249. THE EXCHANGE AREA NETWORK
  250.  
  251.       The exchange area network is intermediate between the local network
  252. and the long-haul network.  Exchanges are interconnected with exchange area
  253. transmission systems.  These systems may consist of open wire pairs on
  254. poles, wire pairs in cables, microwave radio links, and fiber optic cables.
  255.  
  256. The exchange area network normally interconnects local exchanges and tandem
  257. exchanges.  Tandem exchanges are those that make connections between
  258. central offices when an interoffice trunk is not available.  A tandem
  259. exchange is to central offices as a central office is to subscriber
  260. telephone sets.
  261.  
  262. THE LONG HAUL NETWORK
  263.  
  264.       In the long-haul network, local exchanges are interconnected with
  265. toll(long distance) exchanges. These facilities are normally of high
  266. capacity per circuit, and consist mostly of cable and microwave radio
  267. links.  In some paths (called routes) which require a great many links,
  268. such as the backbone links between Boston and Washington, very high
  269. capacity fiber optic links, each carrying about 4000 voice channels
  270. simultaneously.
  271.  
  272. TYPES OF TRANSMISSIONS
  273.  
  274.       Spoken messages or voice signals are not the only signals that are
  275. transmitted on a phone line.  In the previous discussion of making a
  276. connection between the calling telephone and the called telephone, some of
  277. these other signals were discussed, dial tone, dial pulses or key tones
  278. used for sending a number, busy tone, and ringback tone.  These are for
  279. control of the switching connections or to indicate the status of the call.
  280.  
  281. Such signals are called control signals or supervisory signals.  They may
  282. be tone signals(analog) or ON-OFF(digital) signals.  Therefore if one were
  283. to examine the signals on many local loops, one would find analog voice
  284. signals, analog tone signaling, and digital ON-OFF signaling.  It would be
  285. a mixture of analog and digital signals.
  286.  
  287. ANALOG VOICE TRANSMISSIONS
  288.  
  289.       Signals that have continuously and smoothly varying amplitude and
  290. frequency are called analog signals.  Speech signals are of this type. 
  291. They vary in amplitude and frequency. Voice frequencies that contribute to 
  292. speech can extend from below 100 Hz to above 6000Hz.  However, it has been
  293. found that the major energy necessary for intelligible speech is contained
  294. in a band of frequencies between 200Hz and 4000Hz. 
  295.  
  296. VOICE CHANNEL BANDWIDTH
  297.  
  298.       In order to eliminate unwanted signals that could disturb
  299. conversations or cause errors in control signals, the circuits that carry
  300. the telephone signals are designed to pass only certain frequencies.  The
  301. range of frequencies that are passed are said to be in the bass band.  0 to
  302. 4000 Hz is the pass band of a telephone system voice channel.(a VF channel)
  303.  
  304.       Bandwidth is the difference between the upper limit and the lower
  305. limit of the pass band; thus. the bandwidth if the VF channel is 4000 Hz. 
  306. However not all of the VF channel is used for the transmission of speech. 
  307. The voice pass band is restricted to 300 to 3000 hertz.  Hence any signal
  308. carried on the telephone circuit which is within the range of 300 to 3000
  309. hertz is called an inband signal.  Any signal which is not within the 300
  310. to 3000 Hz band but is within the VF channel is called an out of band
  311. signal.  All speech signals are in band signals.  Some signaling
  312. transmissions are in band and some are out of band.
  313.  
  314. VOICE CHANNEL NOISE
  315.  
  316.       Transmission systems often must operate in the presence of various
  317. unwanted signals (referred to generally as noise) that distort the
  318. information being sent.  Lightning, thermal noise, induced signals from
  319. nearby power lines, battery noise, corroded connections, and maintenance
  320. activities all contribute to degradation of the signal.  Analog channel
  321. speech quality is primarily determined by the absolute noise level on the
  322. channel when it is idle; that is when there is not speech signal present. 
  323. Speech tends to mask any noise present, but noise in an idle channel is
  324. quite objectionable to a listener.  Stringent standards have been set for
  325. this idle channel noise in the US network.
  326.  
  327.       Another type that originates from the voice transmission itself is an
  328. echo.  The primary echo is the reflection of the transmitted signal back to
  329. the receiver of the person talking.  The amount of delay in the echo
  330. depends on the distance from the transmitter to the point of reflection. 
  331. The effect of the delay on the talker may be barely noticeable to the very
  332. irritating to down right confusing.  Echo also affects the listener on the
  333. far end, but to a lesser degree. Echoes are caused by mismatches in
  334. transmission line impedances which usually occur at the hybrid interface
  335. between a 2 wire circuit and a 4 wire transmission system. 
  336.  
  337. MULTIPLEXING
  338.  
  339.       A local loop can carry only one voice channel conversation at a time.
  340. This is not economical for toll transmission and a method was devised so
  341. that a transmission path can carry many telephone conversations at the same
  342. time.  This is accomplished by Multiplexing.  For analog signals, frequency
  343. division multiplexing(FDM) is used.  In simplified terms, this means that
  344. several telephone conversations are all sent together over one transmission
  345. channel, but are separated by their frequency.
  346.  
  347.       The basic principles of this are a voice signal having frequencies
  348. within the voice frequency channel bandwidth of from 0 to 4 kilohertz is
  349. changing the amplitude of another frequency(8,140 Khz) which is called the
  350. carrier frequency.  The 0to 4kHz voice frequency signal is amplitude
  351. modulating the 8,140 Khz carrier.  The information in the voice signal is
  352. being carried by the changing amplitude of the 8,140 Khz signal and the
  353. voice frequencies have been translated to different frequencies.
  354.  
  355.       If different voice signals are placed on different carrier
  356. frequencies, then many conversations may be multiplexed on one transmission
  357. path and transmitted to the receiving point.  At the receiving point, the
  358. different conversations can be identified and separated by their unique
  359. frequency and the original conversation can be recovered from the
  360. carrier(demodulated) and sent to the called telephone.
  361.  
  362.       Since each voice channel has a 4 Khz bandwidth, 12 channels require
  363. 48kHz bandwidth.  Since the lower frequency in the example is, 8,140 kHz,
  364. the output multiplexed signal frequency extends from 8140 kHz to 8188 kHz. 
  365. It should be apparent that if the individual voice channel bandpass were
  366. made larger, the spread in carrier frequency would have to be larger or if
  367. the number of voice channels to be multiplexed together, the spread in
  368. carrier frequencies would have to be larger.  In technical terms, in
  369. general, as the number of voice channels to be transmitted, over a
  370. transmission path increases, the required bandwidth of the transmission
  371. path must increase.
  372.  
  373. SIGNALING TRANSMISSION
  374.  
  375.       As stated previously, signaling refers to specific signals on the
  376. transmission line that are used for controlling the connection from the
  377. calling telephone to the called telephone, or that are used to indicate the
  378. status of a call as it is being interconnected.  The first type to be
  379. discussed is dc signaling.
  380.  
  381. DC SIGNALING
  382.  
  383.       DC signaling is based on the presence or absence of circuit current or
  384. voltage, or the presence of a given voltage polarity.  The stante of the
  385. signal indicates on-hook, off-hook, dial pulses, or status of the
  386. interconnection.  These signals are on-off type digital signals.
  387.  
  388.       On local loops, an on-hook is indicated by an open circuit and no
  389. current flow.  Off hook is signaled by a closed circuit and a continuous
  390. current flow.  Dial pulses consists of a current flow interrupted at a
  391. specified rate as discussed previously. 
  392.  
  393.       A type of dc signaling called reverse battery signaling is used
  394. between central offices to indicate the status of the switched connection. 
  395. When the newer end exchange requests service, an idle trunk is seized.  A
  396. polarity oar a given voltage exists on the trunk which indicates to the
  397. near end that the called phone is on hook and ringing.  The far end
  398. exchange acknowledges and indicates to the near end that the called party
  399. has answered by reversing the voltage polarity.
  400.  
  401.       E&M signaling is used for the same purpose on long interoffice and
  402. short hail toll trunks.  This type signaling requires two extra wires in
  403. the originating and terminating trunk circuits, one for the E lead and the
  404. other for the M lead.  Since separate wires are used for each, the on-hook
  405. and off-hook states can be signalled from both ends of the circuit.  This
  406. allows signaling to be sent in both directions at the same time without
  407. interfering with one another.  Sometimes two wires are used for each signal
  408. to avoid noise problems caused by a common ground.
  409.  
  410. TONE SIGNALING
  411.  
  412.       Various tones are used for both control and status indication. The
  413. tones may be single frequency or combinations frequencies.  These are
  414. analog signals that are either continuous tones or tone bursts.  The call
  415. progress tones are sent by the exchange to the calling phone to inform the
  416. caller about the status of the call.  For example the dial tone which has
  417. been mentioned previously is a continuous tone made by combining the
  418. frequencies of 350Hz and 440Hz.  The busy signal that tells the caller that
  419. the called phone is off-hook, is a combination frequency tone that appears
  420. in bursts of .5 seconds on time separated by an offtime of .5 seconds.  The
  421. receiver off-hook warning signal is separated by an offtime of .5 second.
  422. The receiver off-hook warning signal is a combination frequency tone of
  423. four frequencies which os on for .1 seconds and off for .1 seconds.  This
  424. signal is very loud in order to get the attention of someone to hang up the
  425. receiver that has been left off-hook.  All of these tones as well as the
  426. DTMF addressing tomes discussed previously are in-band signaling.
  427.  
  428. ---------------------------------------------------------------------------
  429. This has been a Digital Rodent Syndicate Production by Evil Incarnate.
  430. Sysops may use this text file as well as long as it is not modified in any
  431. way.  Call these ULTRA-FINE boards:
  432. (415)524-3649     RatHead           Sysop:Ratsnatcher       Co:Myself
  433. (415)524-9951     The Crystal Ship  Sysop:Laughing Swede    Co:Myself
  434. (415)527-9444     IHOL              Sysop:Yellow Jacket     Co:Myself
  435. (415)649-0416     Metropolis        Sysop:Doppy Flisk       Co:Ravenman(phew!)
  436.  
  437. All of these boards except for metro are 2400 baud and Metro is 1200 baud.
  438. This text file is simply for informational purposes only, no illigal
  439. activity is to be derived from this file, and if any illigal activities are
  440. derived from this file, i am not responsible in any way.
  441.  
  442. Leave me mail on ANY of these fine boards about future text files.  Next
  443. one will be on Switching systems..Ever notice how NOBODY talks about
  444. Crossbar, even though some of us are still on Crossbar? I'll deal with ESS,
  445. ANI Level 5, tracing, and Crossbar on my next text file.
  446.  
  447.   
  448.  
  449.  
  450.