（通信与信息系统专业论文）小型数字程控交换机的设计与实现.pdf

摘要 摘要 近年来，在我国通信技术的发展势头十分迅猛。以电路交换和数字程控交 换技术为基础的电话网更是在整个通信网中占据着重要的地位。本文结合课题 首先介绍了程控交换机的发展状况，对模拟交换机和数字交换机进行了性能比 较，并指出未来数字交换机的发展方向。然后详细介绍了实现交换机由模拟向 数字转变的关键技术脉冲编码调制( p c m ) 技术的原理。第三章具体介绍 了本设计的硬件电路，对主要功能模块结合功能框图进行了分析，并对设计用 到的专用芯片如语音处理a m 7 9 c 0 3 、交换网络m t 8 9 8 0 d 等进行了说明，给出 了与单片机的接口电路。尤其对于收号器m t 8 8 7 0 的使用、信号音的产生电路 是本设计的难点，具有数字程控交换的特点，需要占用p c m 时隙来完成其功能。 第四章是整个电路的软件设计，用来完成用户之间的呼叫处理过程，实现用户 之问的通话。本文给出了详尽的设计流程。 本文完成了数字交换机在局域网内功能的研究，并完成了硬件电路的设计 与实现，达到了设计目的。 关键词：数字程控交换：脉冲编码调制；时分多路复用：m t 8 9 8 0 d 交换芯片 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r st h ec o m m u n i c a t i n gt e c h n o l o g yh a sa d v a n c e dr a p i d l yi no u r c o u n t r y t h et e l e p h o n en e t w o r kb a s e do nc i r c u i t - s w i t c h i n ga n dd i g i t a lp r o g r a m c o n t r o l l e d e x c h a n g i n gt e c h n o l o g yp l a y s a n i m p o r t a n t r o l ei nt h ew h o l e c o m m u n i c a t i n gn e t w o r k s t h et e x tf i r s t l yi n t r o d u c e st h es t a t u so ft h ep r o g r a m c o n t r o l l e de x c h a n g e ，a n dc o m p a r e ss i m u l a t i v ee x c h a n g ew i t hd i g i t a le x c h a n g e i nt h ep e r f o r m a n c e ，a n dp o i n t so u tt h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no f t h ef u t u r ed i g i t a l e x c h a n g e t h e nt h et e x td e s c r i b e st h ep r i n c i p l eo ft h ep i v o t a lt e c h n i q u e - 一 p u l s ec o d em o d u l a t i o n ( p c m ) i nd e t a i lw h i c hr e a l i z e st h ec o n v e r s i o no ft h e e x c h a n g ef r o ms i m u l a t i o nt od i g i t a l t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r e a n da n a l y z e st h ep r i m a r yf u n c t i o nm o d u l e sw i t ht h ef u n c t i o nd i a g r a m s ，a n d i l l u m i n a t e st h eu s e sa n dt h ei n t e r f a c ew i t ht h es i n g l e c h i po ft h es p e c i a lc h i p s s u c ha sa u d i op r o c e s s i n gc i r c u i ta m 7 9 c 0 3 、d i g i t a ls w i t c hm t 8 9 8 0a n ds oo n t h ed i f f i c u l t i e so ft h et e x ta r et h eu s eo ft h ei n t e g r a t e dd t m fr e c e i v e rm t 8 8 7 0 a n dt h es i g n a lg e n e r a t o rc i r c u i t t h e i rr e a l i t i e sn e e do c c u p yt h ep c mt i m e s l o t s t h e ya r et h ec h a r a c t e r so ft h ed i g i t a lp r o g r a mc o n t r o l l e de x c h a n g e t h ef o r t h c h a p t e ri st h es o f t w a r ed e s i g nw h i c hd e a l sw i t ht h et e l e p h o n ec a l lb e t w e e nt h e u s e r sa n di m p l e m e n t st h et r a n s f e ro ft h e i rv o i c e s t h et e x tp r o v i d e st h ed e t a i l e dp r o g r a mf l o w ，a n dc o m p l e t e st h er e s e a r c h a n dt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ed i g i t a lp r o g r a mc o n t r o l l e de x c h a n g ei nl o c a l a r e an e t w o r k k e yw o r d s ：d i g i t a lp r o g r a mc o n t r o l l e de x c h a n g e ；p u l s ec o d em o d u l a t i o n ；t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ；d i g i t a ls w i t c hm t 8 9 8 0 d 第1 章绪沦 1 1 概述 第1 章绪论 交流信息是人类社会生活中必不可少的活动，语言就是在这种条件下的产 物。社会愈进步愈发展，文明程度愈高，对互相沟通信息的需求也就愈强烈。 因此，通信在现代社会生活中不论是对生产还是对生活都具有极为重要的作用。 而电话通信，由于它的交互性和即时性，则是当前各种通信手段中晟为有效、 应用的最普遍的一种。 电话通信的基本目标是在任何时刻，使任何两个地点的人们之间进行通话， 因此它必须具备三个基本要素： 1 发送和接收话音的终端设备电话机。 2 传输话音信号的设备一从最简单的金属线对，载波设备，微波设备， 以至光缆、卫星设备等。 3 对话音信号进行交换接续的各种类型的电话交换机。 这三者缺一不可但电话交换机在整个通信网中对于构成网中的各级节点 起着各级枢纽的作用。如果没有电话交换机也就不可能组成电话通信网，也不 会出现一一个电话用户可以随时同世界上任何地方的另一个电话用户进行通话的 方便局面。 1 2 电话交换机的发展状况及趋向 1 2 1 电话交换机的发展状况 自i 8 7 6 年美国人贝尔发明电话以来，电话通信和电话交换机取得了巨大的 进步和发展。电话交换机按照电话交换技术的发展可化分为以下几个阶段： 1 人工电话交换机 其特点就是采用人 _ 进行两个电话机之间的连接和释放。在人工电话交 换机上，每个用户的电话机经一对外线接到交换机面板上的用户塞孔，它的上 面有用户监视灯。在交换机的台面上还备有若干条两头有插塞头的塞绳电路， 河北大学1 1 学硕士学位论文 每条塞绳电路也有监视灯监视通话状态。 当用户摘机呼出时，交换机面板上用户的监视信号灯亮，话务员发现该用 户呼叫，便将一条空闲塞绳的一端的塞头插入该用户塞孔，然后用话务员话机 询问该用户所需的被叫号码，随后将该塞绳的另一端塞头插入被叫用户塞孔并 向被叫振铃，当被叫闻铃声摘机应答后，双方即可通话。当通话完毕，用户挂 机后绳路监视灯点亮，话务员即可将两个插塞拔出，拆线复原，以供其他用户 呼叫使用。 人工交换机设备结构简单，但要耗用大量的人力，而且手工地进行接续操 作，速度慢，易出错，劳动强度大。随着社会对电话通信需求的增长，用户数 量和呼叫次数会成倍的增加，人工交换已不能满足需要，因而产生了要自动进 行交换接续的迫切要求。 2 机电制自动交换机 自动电话接续过程中的选线、接线、拆线等动作完全由交换机的机键和信 号设备自动控制完成，不需要话务员参与工作。 最早的自动电话交换机是美国人史瑞桥创造的步进制白动交换机。这种“步 进制”自动交换机的特点是由用户话机的拨号脉冲直接控制交换机的接线器动 作。属于直接控制方式：这种交换机的机键动作幅度大、噪声响、故障率高， 而且不能用于长途自动交换。后来又出现了纵横制交换机，它沿用了步进制交 换机的电磁原理，但话路的主要部件使用了特殊设计的纵横接线器，这种接线 器动作小而轻、磨损少，并且采用了间接控制技术，选择和接续不由用户的拨 号控制，从而克服了步进制交换的许多缺点，尤其是它可适用于长途自动电话 交换，因此它在我国及世界上其它国家的电话网中，曾经占有很大的比重。但 它的接线器结构较复杂、庞大，容量不易扩大，也不易增加新的功能，因此已 让位于电子交换设备。 3 电子交换机 在5 0 年代前后，电子工业得到迅速发展，随着电子元件的发展，出现了用 电子元件构成的交换机，称为电子交换机。但当时只限在交换机的控制部分引 入电子技术，而在对落差系数要求较高的话路部分还采用机械接点。随着半导 体以及微电子技术的迅速发展，尤其是1 9 4 6 年第一台存储程序控制的电子计算 第1 章绪论 机的诞生，对现代科学技术起t ：e j j 时代的作用。这一技术使得电子交换技术中 引入了“存储程序控制”概念，把电话接续过程预先编好的程序存入计算机， 计算机就根据这编好的程序控制电话接续。这就是现代电话通信中迅速发展起 来的存储程序控制交换机，简称程控交换机。 程控交换机分空分模拟和时分数字交换机两大类。 模拟程控电话交换机是电子计算机丌始应用于电话交换技术的最初成果， 它的接线器仍采用纵横接线器、笛簧接线器等体积小、动作较快的电磁元件， 在话路中交换的是连续的模拟话音信号。 6 0 年代初期以来，脉冲编码调制( p c m ) 技术成功的应用在传输系统中， 对通话质量和节约线路设备的成本都产生了好处。脉冲编码调制是一种数字调 制方法，传输的是数字信号。数字信号具有许多模拟信号不能比的优点，如： 通信的保密性好、抗干扰能力强、信号可以再生、传输效率高、工作速度快、 性能稳定，另外它还适合于各种传输设备，便于采用先进的集成技术，使设备 小型化，并可降低成本。 于是各国开始研究将p c m 信息直接交换的交换系统。1 9 7 0 年在法国诞生 了第一台数字交换系统ej o ，它也是第一台数字程控交换机。下面我们给出数 字程控交换机的一般构成： 图i - 2 i 数字挥控交换机一般构成 在话路系统中，数字程控交换机的主要特点是 话路系统 控制系统 固 河北大学u 学硕士学位论文 1 交换网络都是由以交换数字话音信号为目标的低压、高集成度的集成电 路组成，完全改变了以往交换机中所具有的对金属实线对( a 、b 线) 进行交换连 接的模拟电路交换模式。模拟话音信号必须在各种终端( 包括用户，中继器， 信号设备等) 转换成p c m 数字话音信号才能进行交换。 2 由于数字交换网络中各种元器件对p c m 数字话音信号传送的单向性， 因而对于电话这种交互的通信形式来说，就必须同时建立两条数字形式的话路， 即必须建立一条有主叫用户发往被叫用户的数字话音通路，以及另一条由被叫 用户发往主叫用户的数字话音通路。 3 模拟程控交换机相比，在数字程控交换机中各种信号音已数字化，很容 易通过数字交换网络进行交换连接，那些专用的中继器，如回铃音中继器、忙 音中继器等等均不需要了，大大简化了部件的品种和操作。例如，在“送忙音” 这个操作巾，处理机只需要执行一段程序，将“忙音”( 数字化了的) 所在的单 元地址写入接收者所在时隙的控制存储器单元中即可完成。 数字程控交换机的诞生不但使电话交换跨上了一个新的台阶，而且对开通 非电话业务，如用户电报、数据业务等提供了有利条件。它对今后实现综合业 务数字网打下了基础。 1 2 2 电话交换机的发展趋向 由于人们对信息处理的需求迅速增长，除电话业务外，各种非话业务如传 真、用户电报、电子邮件、可视图文及数据通信等迅速兴起，因此除了电话网 外，还存在其它的专用网络，如电报网、公用电路交换数据网、公用分组交换 数据网、数字数据网等。当用户需要使用不同的通信业务时，必须按照业务类 型分别向电信部门申请，引入不同的专用用户线和中断，使用不同的规程和方 式，这给用户和管理部门都带来了不便。再者，建设专用网必然存在投资大、 线路利用率低、重复建设等弊病。解决这些问题的途径就是用个单一的网络 来提供各种不同类型的业务，在这个审一的网络上，各种各样的电话业务和非 话业务都以数字的方式传输、交换和处理。用户只需一次中清，仅使用一条用 户线路即可完成各种电信业务的通信。这个单一的网络就是综合业务数字网 s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ) 。 第1 章绪论 接入i s d n 通信网的用户网络的基本接口是2 b + d ，即两路用来传送话音、 静态图像、低速数据等用户信息，传输速率为6 4 k b i t s 双工的b 信道，和一条 用来传送公共信道信令的低速数据，传输速率为16 k b i t s 双工的d 信道。可见 构成i s d n 的基本承载业务正是数字电话交换机提供的6 4 k b i t s 的电路交换， 因此，如何在已有的程控交换机基础上进行i s d n 交换处理的改造是目前的重 要工作之一。我国在“七五”和“八五”期间就进行了i s d n 实验研究工作， 第一个i s d n 试验网已通过鉴定，全国骨干网的i s d nj t 级改造工作正加紧进 行，与此同时，上海已率先提供了n i s d n 的商用。i s d n 的发展势头在我国难 方兴未艾。 1 3 课题内容概要 本论文对数字程控交换机的交换原理进行了研究，尤其对系统的工作过程 进行了细致的分析，并在此基础上进行了小型数字程控交换机的硬件和软件的 设计。本论文对于设计用到的几种集成电路芯片进行了详细的说明，并结合这 些专用芯片给出了各功能模块具体的实现方法。 本设计电路能实现8 3 2 路用户话音的无阻塞交换。 本设计用p r o t e l l 制作原理图并绘制p c b 板，用c 5 l 和汇编语言实现。 河北人学l 学硕士学位论文 第2 章p c m 通信基本原理 2 1 模拟话音信号的数字化 模拟话音信号易受干扰，保密性差，不适于传输。数字化以后抗于扰能力 增强，使得通话质量大大提高，凶而得到广泛应用。 模拟信号数字化需要三个基本步骤：抽样、量化和编码。 1 抽样 抽样定理规定，传送限带连续信号时，只要传送信号的单个抽样值的序列 就足够了。这些抽样值的幅度等于连续信号在该抽样时刻的瞬时值，抽样频率 等于或大于原信号最高频率的两倍。 标准的话音频带为3 0 0 3 4 0 0 h z ，采用8 0 0 0 h z 作为抽样频率，即每隔1 2 5 s 对话音信号抽一次样。如图： 厂 乃 l 冈 一幽 图2 1 1 抽样 样 值 序 列 抽 样 脉 冲 叫l 1 2 5 - 1 s 2 量化 经过抽样得到的样值脉冲的幅度仍然是个连续量，可以有无限多个值，这 种情况f ，无法进行编码。只有将这些幅度值归并取整，用有限个离散量来表 达它才可能进行数字编码，这个过程就叫量化。 量化的基本过程是：先将信号可能达到的范围化分成若干相等的间隔，然 后将所有落在同一间隔中的信号幅度进行四舍五入都取定为同一幅度值。 这种量化会带来两个问题： = 于归并取整，因此会出现量化误差，即产生量化噪声。 第2 章p c m 通信基本原理 因为是均匀分级的量化，其量化噪声也是均匀的，这样对于小信号的信 噪比就会很小。而在电话通信中小幅度信号出现的概率较大，所以会严重影响 到通话质量。 在实际的p c m 系统中，采用的是不均匀量化分组，就是将小信号的量化级 差分的细一些，将大信号的量化级差分得粗一些。这样可以使在保持原来的量 化级数下将信噪比提高。这种做法叫做“压缩扩张法”，有a 律压扩和啉压扩 两种，我国采用的是近似a 律的1 3 折线法，我们将结合编码一。起阐述。 3 编码 输m l 一 7 8 6 8 5 8 7 4 8 。； 3 8 2 8 一 l 8 一 憋_ 。m 图中的x 轴是归一的抽样脉冲幅度值，用2 的负整数幂次分为不均匀的8 段，横坐标依次为1 1 2 8 、1 6 4 、1 3 2 、 i 6 、1 8 、1 4 、1 2 、l 。y 轴为输出， 被分为均匀的8 段。点( 1 1 2 8 ，i 8 ) 与原点的连线组成第一段折线，点( 1 6 4 ， 2 8 ) 与点( 1 1 2 8 ，1 8 ) 的连线形成第二段，如此连下去，最后由点( 1 ，1 ) 与点( 1 2 ，7 8 ) 的连线形成第八段折线。加上负半轴，共有1 6 段，但第一段 和第二段折线的斜率相等，负半轴的情况类似，所以在最小值时的4 段合为一 段，1 6 段变成1 3 段。即1 3 折线。从图中可以看出，对大信号的分段粗，对小 信号的分段细。从而提高了小信号时的信噪比。 河北大学【学硕士学位论文 从图中可见，量化共分为8 段，每段可以进一步区分为1 6 个等份，每一 等份为一个量化级。这样应该共有8 1 6 = 1 2 8 量化即。因此p c m 用8 位码 来表示。分为三部分：最高位为极性码，代表信号的极性；剩下的7 位码正好 代表1 2 8 个量化即。其中高三位为段落码，共有8 段；低4 为位段内码，即每 一段分为1 6 个量化级。 2 2 时分多路复用原理 多路复用就是把多个不同信源发出的信号组合成一个群信号，并经由同一 信道进行传输，在收端再将它们分离并被相应接收。多路复用是为了提高传输 信道的利用率而采取的重要措施。 时分复用是建立在抽样定理基础上的，因为抽样定理使连续的基带信号被 在时间上离散出现的抽样脉冲值代替，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉 冲之问就留出了时问空隙。利用这种空隙便可以传输其它信号的抽样值，因此 就可以沿一条信道同时传送若干个基带信号。下面给出p c m 多路复用通信示意 圈： 耋瓤 叫h p p 卜、 兰爵b 1 - 。ip 卜一o * 1q 0o 一 吊i 誓圈 图2 - 2 一lp c m 多路复用示意图 抽样对若干个用户轮流抽样，而分路则将送来的信号轮流分配给接收用户。 对于p c m 柬说，抽样和分路的一个周期是1 2 5 9 s ，这1 2 5 1 a s 平均分配给若干个 用户，每个用户占用的这一小段时间称为一个“时隙”，用“t s ”来表示。用户 用分配给他的时隙来传送他的话音信号，因此一个时隙就是一个单向话路。 第2 章p c m 通信基本原理 2 33 2 路p c m 的帧结构 目前国际上有两种p c m 制式，即p c m 2 4 和p c m 3 0 3 2 路帧结构。我国采 用3 0 3 2 路p c m 多路复用系统，帧结构如下： 图2 2 2p c m 帧结构 一帧分成3 2 个时隙，其中3 0 个时隙用来传送3 0 路话音，t s 0 用来传送帧 同步码，t s l 6 用来传送各话路的标志信号码( 如拨号脉冲、被叫摘机、主叫挂 机等) 。每一帧占1 2 5 t j s ，每一时隙为1 2 5 3 2 ：3 9 9 s 。又因为每一时隙均按8 位 编码，所以每一路话音的速率为 8 0 0 0 8 = 6 4 k b s 3 2 路组成一帧，它的数码率应为 8 0 0 0 3 2x8 = 2 0 4 8 m b s 2 4 p c m 的高次群 p c m 通信方式发展很快，上述3 0 3 2 路2 0 4 8 m b s 的p c m 称为基群，也 叫一次群。如果将四个摹群信号通过数字复用设备就可以得到二次群，它可以 传送1 2 0 个话路，速率为8 4 4 8 m b s 。四个二次群又可以得到三次群，传送4 8 0 个话路。复用度越高码率也越高，每个话路占用的时隙时长就愈短，线路传输 效率也愈高。 目前交换机多以基群速率传送，也有采用4 m b s 或8 m b s 的。 河北大学工学硕士学位论文 第3 章小型数字程控交换机的硬件设计 3 1 系统总体结构设计 小型数字程控交换机的原理框图如图3 - 1 1 所示。 图3 1 1 小型数字程控交换机原理框图 整个系统主要由用户线接口电路( s l i c ) 、语音处理单元( d s l a c ) 和交换 网络与中心控制单元组成。 3 2 各模块的功能分析 3 2 1 用户线接口电路s l lc 用户接口电路提供人和电话机的交互式接口，它通过双绞线与电话机相连， 为了完成通话的可能，用户接口电路必须提供基本的7 项功能，即b o r s c h t 功能，具体是： _ b ( b a t t e r yf e e d i n g ) 馈电；当用户要打电话摘机时，局端可以通过直流 馈电检测到用户的摘机，此外，馈电可将话音调制在直流上，是话音信号传输 成为可能。在我国，馈电电压一般为一4 8 v 。 第3 章小型数字程控交换机的硬件设计 一o ( o v e r v 0 1 t a g ep r o t e c t i o n ) 过压保护；由于电话线容易遭受雷电等强电 瞬时干扰，过压保护电路是必需的，否则用户线上的电压冲击或过压极易破坏 交换机。 r ( r i n g i n gc o n t r 0 1 ) 振铃控制；由于振铃电压较高，为9 0 v 15 v ，由 电子器件来实现比较困难，成本也高，所以在不少程控数字交换机中还采用振 铃继电器，由继电器接点控制铃流。 s ( s u p e r v i s i o n ) 监视；通过监视在用户a b 线上是否有直流电流来监视 用户线回路的通断状态，从而知道用户话机的摘挂状态，还可以检测到号盘话 机发出的拨号脉冲、投币话机的输入信号。 c r c o d e c & f i l t e r ) 编译码和滤波：这部分功能在本设计中由语音处理 单元实现。 h ( h y b r i dc i r c u i t ) 混合电路；用户话机的模拟信号是二线双向的，但是 p c m 数字信号是四线单向的，因此1 午编码以前、译码以后一定要进行二线四 线的转换。完成此功能的集成电路称为混合电路。在混合电路中，一般设置一 个平衡网络，其作用是对用户线的阻抗进行平衡匹配，使混合电路的发送端和 接收端之间有很大的对端衰耗，以避免接收端的信号回授到发送端而产生电路 振鸣。 t ( t e s t ) 测试：就是负责将用户线接至测试设备，以便对用户线进行测 试。 用户 线路 圈3 - 2 1 用户电路功能框图 河北大学f ：学硕七学位论文 32 2 语音处理单元d s l a o 该模块的主要功能有与s l i c 接口，语音的滤波及编解码。 与s l i c 的接口主要实现两方面的作用：一是通过与s l i c 的接口控制用户 线的状态，二是分配给用户的话路时隙完成与后面的交换模块的接口。 编解码是将模拟语音信号转换成p c m 码流，把p c m 码还原为模拟信号。 数字滤波器对语音信号进行带限。为了实现时分交换，采用a 率编码，每一话 路量化编码后的速率为6 4 k b s ，3 2 路组成一帧6 4 k b s 3 2 = 2 0 4 8 m b s 。所以 对每一路语音分别进行量化编码时就需要2 0 4 8 m h z 的位时钟和8 k h z 的帧首 脉冲，作为时隙定位信号。用户的话音可以通过软件被分配到0 3 l 中的任意时 隙。 该模块由集成电路芯片a m 7 9 c 0 3 实现。 3 2 3 交换网络和中心控制单元 陔模块主要包括：用户电路的扫描和驱动、信号音的产生、定时单元、控 制微处理器单元。 定时单元 提供用户电路的编解码、交换网络的时钟和帧首信号。 用户电路的扫描和驱动 用户扫描就是监测用户线环路状态，即通断状态。并以此来决定用户 话机的摘挂和检测脉冲拨号。用户驱动就是控制用户线的状态，比如向用 户振铃，送忙音，通话等。 信号音的产生 信号音指的是交换机送往用户的信号，如拨号音、忙音、回铃音等。 当主叫摘机时，听到拨号音才4 能拨号：主叫拨完号码，如果被叫闲则会昕 到交换机送来的回铃音，否则听到忙音。信号音可有模拟信号音和数字信 号音两种，对于不同时间断续的拨号音、忙音、和回铃音，是使用同一4 5 0 h z 的单频信号，由硬件或软件控制其通断。 收号器 第3 章小型数字群控交换机的硬件设计 话机有双音多频拨号( t d ) 和脉冲拨号( p d ) 两种，相应地局端应能识别 这两种拨号，脉冲拨号可以通过扫描用户线通断状态来识别，双音多频则 使用专用芯片m t 8 8 7 0 来接收。 交换网络 其功能是实现话音的无阻塞交换。交换的是纯数字信号。数字交换网络由 数字接线器组成。有两种数字接线器：时间接线器和空间接线器。时间接线器 负责实现时隙交换：空间接线器则负责实现母线交换。p c m 是四线传输，发送 和接收是分开的，因此，数字交换网络也要收、发分开，即进行单向路由的接 续。 中心控制单元 是本设计的核心，它控制着各模块协调有序的完成呼叫的全过程。采用 a t 8 9 c 5 1 单片机来完成。 3 3 主要模块的具体电路设计 3 3 1d s l a o 电路设计 d s l a c 的英文全称为d u a ls u b s c r i b e rl i n ea u d i op r o c e s s i n gc i r c u i td e v i c e 即双向用户环路语音处理电路器件。 本设计采用集成电路芯片a m 7 9 c 0 3 实现。功能框图如图3 3 1 。 a m 7 9 c 0 3 是一块高性能、可编程双向编解码滤波器件。该芯片包括信号 处理模块( 编码和解码) 、时隙分配器、与用户电路接口和控制接口等。芯片内 部包含可编程数字滤波器，为p c m 编解码和与用户电路的阻抗匹配提供参数。 它可以同时驱动两路独立的话音，通过模拟语音输入接口v i n l 、v i n 2 进 入该芯片，由信号处理模块进行p c m 编码，每路有自己的片选信号，允许独立 编程。经过编码和时隙分配后的串行p c m 码流通过芯片的数据发送通道d x a 、 d x b 输出到后端的交换网络，接口为基群速率2 0 4 8 m b s 。同时交换局端来的 串行p c m 码流，源源不断的通过数据接收入口d r a 、d r b ，在编程的接收时 河北大学j r 学硕士学位论文 c s lc s 2d i od c l k 二匦三垂二 图3 3 1a m 7 9 c 0 3 功能框图 dxa d r a d x b d r b f s p c l k 隙内接收并被解码，转化为模拟话音经v o u t l 、v o u t 2 输出到用户电路。编 码器同解码器的工作是同步的，在标准模式下，每1 2 5 9 s 编码器输出一帧话音 数据，同时解码器接收一帧话音数据。 f s 是帧同步，为8 k h z 的脉冲信弓，输入厂】，由外部提供，用于识别系统 p c m 码流的帧首。芯片依照此信号为话音信号分配时隙。f s 必须与p c l k 同 步。p c l k 为p c m 时钟，决定p c m 数据串入或串处p c m 端口的速率。最大 速率可达8 1 9 2 m h z ，最小为1 2 8 k h z 。本设计是针对p c m 基群，所以p c l k 设为2 0 4 8 m h z 。 d i o 是数据的串行写入或串行读出口，是控制数据进出a m 7 9 c 0 3 芯片的 通道。8 b i t 数据进出口时总是高位在先，低位在后。没有数据进出时，d i o 呈 现高阻念。数据时钟d c l k 控制数据出入控制接口的速率，最大时钟速率 4 0 9 6 m h z 。 芯片提供命令结构字，不同命令字对应不同操作，由单片机通过控制接口 进行编程控制。如，对芯片进行软件复位、主时钟的选择、置于禁用模式等。 单片机写命令字控制时隙分配器，可将编码后的要发送的数字话音信号分配在 0 到3 1 个时隙中的任意一个时隙，但两个话路不能同时占用输出的某一个时隙； 同时也可将从交换机接收米的话音信号写入某一个接收时隙。 第3 章小型数字稃控交换机的硬件设计 3 3 2 交换网络电路设计 根据一次群信号的形成原理，一路基带p c m 信号一旦占用一次群的某一个 时隙，它随后所有的8 位编码抽样都将位于该时隙。因此，对于6 4 k b s 的基带 p c m 源而言，一次群系统提供了3 2 条独立的6 4 k b s 信道。交换网络的任务就 是完成这些信道的相互交换，或者说，要实现信号由一个时隙至另一个时隙的 迁移。 1 交换网络的基本结构和工作原理 交换网络可有时间接线器或空间接线器来实现，对于交换容量大的交换机 需要将它们组合起来共同完成交换功能。 一、时间接线器 也称t 接线器，结构如图 顺序读出 ( a ) 输出控制 控 圈3 - 3 2t 接线器结构 顺序读出 ( b ) 输入控制 图( a ) 为输出控制方式的t 接线器，图( b ) 为输入控制方式的t 接线器。它们 都由话音存储器和控制存储器两部分组成。 设输入话音信号在t s 5 0 ，要求经过t 接线器以后交换至t s 2 4 0 上去，然 后输出至下一级。下面分别按输出控制方式和输入控制方式给出工作过程。 输出控制方式的工作过程： c p u 根据这一要求，通过软件在控制存储器的2 4 0 号单元写入“5 0 ”。这 河北大学一学硕士学位论文 个写入是由c p u 控制进行的，因此把它叫做“控制写入”。控制存储器的读出 由定时脉冲控制，按照时隙号读出相对应单元内容。如0 时隙读出0 单元内容； 1 时隙读出1 单元内容这种工作方式叫做“顺序读出”。话音存储器的工作 方式正好和控制存储器的方式相反，即是“顺序写入，控制读出”。即，由定时 脉冲控制，按顺序将不同时隙的话音信号写入相应的单元中去。写入的单元号 和时隙号一一对应。而读出时则要根据控制存储器的控制信息( 读出数据) 而 进行。由于向话音存储器输入话音信号不受c p u 控制，而输出话音信号( 读出 时) 受到由c p u 控制的控制存储器的控制，因此把它总称为“输出控制”方式。 根据图中的例子，话音的输入时隙号为5 0 ，在定时脉冲控制下就可写入到 5 0 号单元中。因为c p u 在控制存储器中的2 4 0 号单元已写入了内容“5 0 ”，在 定时脉冲控制下，在t s 2 4 0 这一时间，从控制存储器的地址2 4 0 中读出内容为 “5 0 ”，把它作为话音存储器读出地址，立即读出话音存储器的5 0 号单元。这 就是原来在5 0 号时隙写入的话音信号内容。因此在话音信号5 0 号单元读出时 已经是t s 2 4 0 了，即已把话音信号从t s s 0 交换到t s 2 4 0 ，实现了时隙交换。 输入控制方式的工作过程 话音存储器的写入要受控制存储器的控制，而其读出则受定时脉冲控制按 顺序读出，所以称为“输入控制”。控制存储器仍然是由c p u 控制写入，在定 时脉冲控制下按顺序读出。但是c p u 写入到控制存储器的内容却不同了。如 图( b ) 所示，c p u 要在控制存储器的5 0 号单元写入内容“2 4 0 ”。然后控制存储 器按顺序读出，在t s 5 0 时读出内容“2 4 0 ”，作为话音存储器写入地址，将输 入端t s 5 0 中的话音内容写入到2 4 0 号单元中去。话音存储器按顺序读出，在 t s 2 4 0 读出2 4 0 号单元内容，这也就是t s 5 0 的输入内容，这样就完成了时隙交 换。 二、空f 司接线器 也称s 接线器，结构如下图3 3 3 图中s 接线器的交叉点由电子接点矩阵组成，共有n 个入端和n 个出端， 形成1 3 n 矩阵，由n 个控制存储器控制。每一个控制存储器控制同号输出端的 所有交叉点，叫做“输出控制”。控制寄存器的工作方式为控制写入，顺序读 第3 章小型数字程控交换机的硬件殴计 ，h w l 输入h w 2 lh w n l 2 3 2 n 2l n 12 2 1 图3 - 3 3s 接线器结构示意图 h w l 、 h w 2 输出 h w n 出。矩阵的每条h w 上有n 个时隙( 图甲只画了t s l 一t s 3 ) 接线器的接点控制 过程如下： ( 1 ) c p u 根据路由选择结果在控制存储器上写入了如上图所示的内容； ( 2 ) 控制寄存器按顺序读出，在t s l 读出各个控制存储器的1 号单元内容， 即 l 号控制存储器的1 号单元内容为“2 ”，表示2 号入端和l 号出端接通； 2 号控制存储器的1 号单元内容为“l ”，表示1 号入端和2 号出端接通； n 号控制存储器的l 号单元内容为“n ”，表示n 号入端和n 号出端接通。 在控制存储器控制下，上述接点在t s l 时间接通了，因而 h w i 的t s l 中话音信号通过交叉点送至h w 2 的t s l ； 河北大学一i ：学硕士学位论文 h w 2 的t s l 中话音信号通过交叉点送至h w i 的t s l ： ； h w n 的t s l 中话音信号通过交叉点送至h w r l 的t s l 。 ( 3 ) 在t s 2 时，则按控制存储器2 号单元读出内容控制交叉点的接通。 根据上述过程，可以看出，s 接线器的每一个交叉点只接通一个时隙时间 下一个时隙要由其他交叉点接通。因此说“空间接线器是时分工作的”。 2 交换网络m t 8 9 8 0 d 本设计中实现话音交换功能的芯片是m t 8 9 8 0 d 。 m t 8 9 8 0 是m i t e i 公司生产的p c m 时分复用时间变换器。功能框图入下： 图3 - 3 4m t 8 9 8 0 功能框图 s t 总线 即：s t i 0 s t i 7 ，s t 0 0 s t 0 7 。 分别是8 条输入和8 条输出码率均为2 0 4 8 m b s 的串行总线，称为s t 总 线( s e r i a l t e l e c o m b u s ) 。每条s t 总线为3 2 个6 4 k b s 的信道( 时隙) ，因此它 可以同时提供2 5 6 个信道的输入和2 5 6 个信道的输出，即实现2 5 6 个信道的无 阻塞交换。 s t 输出总线的信息有两个来源：一是s t 输入总线的信息，二是微处理器 聊眦啊附；墨：兰肼 s s s s s s g g o ，2 3 4 5 6 7盯盯盯盯盯盯盯 第3 章小型数字程控交换机的硬件设计 控制信息。m t 8 9 8 0 允许控制微处理器读取s t 输入总线的信道信息。 微处理器接口 包括8 位数据总线d o d 7 ，地址总线a 0 a 5 ，片选c s ，数据选通d s ， 数据应答d t a ，读写信号r w 。 微处理器通过读写信号和数据总线对m t 8 9 8 0 进行访问和控制，地址总线 帮助确定m t 8 9 8 0 内部被访问的模块，如果a 5 为0 ，表示对控制寄存器进行操 作，否则，由a 4 a o 选择o 3 l 中任一个信道。d t a 信号为与微处理器接口时 的数据证实信号，当读写m t 8 9 8 0 时，若此端上拉为低电平时，表示电路处理 完数据。时序关系如下图所示。 d s 厂一n 螂、 一 r i w a 5 a 0 ，d m j 厂 d 7 d 0x ；尺 图3 - 3 5m t 8 9 8 0 的工作时序 从时序关系中可以看出，在d s 选通信号的上升沿，控制信号必须有效， d t a 应答后，在d s 的卜降沿，微处理器读写数据有效。 内部结构 m t 8 9 8 0 内部主要有4 个功能块，分别是数据存储器、高位接续存储器、 低位接续存储器和控制寄存器。 数据存储器与输入s t 总线相连，】社面存储来自各条输入总线的数据，这 种存储是自动完成的。数据存储器的容量为2 5 6 8 b i t 。串行p c m 数据流以 2 0 4 8 m b s 的速率由s t i 0 s t i 7 输入，经串一并变换后，根据码流号和信道( 时 河北大学i 。1 硕十学位论文 隙) 号依次存入相应单元中，比如s t i 0 中的t s 5 就存入6 号单元中，而s t i l 中的t s 5 就存入l 3 2 + 5 + 1 = 3 8 号单元，一直到s t i 7 中的t s 3 1 存入第2 5 6 号 单元中。它的存储方式就是上面提到的t 接线器的输出控制方式，即顺序输入， 控制读出。实际上，m t 8 9 8 0 交换网络就相当于一个单级t 接线器。 接续存储器的容量为2 5 6 1 6 位，对应于2 5 6 个输出信道。每个接续存储 器的1 6 位又分为高8 位和低8 位两部分，高8 位只有最低3 位在使用，它决定 选定的输出时隙的状态，比如是使能或是禁用，后者决定输出时隙对应的输入 时隙，就是输入的要在本输出时隙输出的时隙。下面给出高位接续存储器和低 位接续存储器的控制命令字结构。 夺高位接续控制命令字 夺低位接续控制命令字 第3 章小型数字稗控交换机的硬件设计 控制寄存器决定m t 8 9 8 0 的工作模式，决定要访问的存储器类型和输入的 s t 总线。m t 8 9 8 0 可工作于两种模式，一种为交换模式，可实现任意输入信道 至任意输出信道的交换，而且一个输入信道可以对应多个输出信道，甚至是所 有的输出信道，这样就可以发布消息或者是产生信道源，比如拨号音可以放入 一个固定的信道却可以交换到任意的输出信道，相当于产生了一个公共拨号音 源。这种模式下，接续存储器低八位的内容作为数据存储单元的地址，将数据 存储器相应信道的信息交换到输出信道；另一种是消息模式，它允许微处理器 通过控制接口直接读任何数据存储单元或写任何接续存储单元。这种模式下， 接续存储器低八位寄存的是由处理机写入的要经p c m 输出信道发往另处理 机的通信信息，这种模式对于控制系统的收、发信令十分方便。 夺控制寄存器命令字 定时单元 c 4 i 是m t 8 9 8 0 的输入时钟，频率为4 0 9 6 m h z ，为码率的两倍。帧同步 脉冲f 0 i 。下面是c 4 i ，f 0 i 和s t 总线的码元、信道的对应关系： 河北大学一r 学硕七学1 1 i 7 ：论文 5 1 2 c y c l e so f c 4 i - ，p n ： 三j l fk j l fk b i t s 0l65i 。 3i2 110 i 0f ，65l 。i3f210 7 c h a 0 f 3 1o 图3 - 3 6f 0 i 、c 4 i 和s t b u s 时序对 m t 8 9 8 0 采用串行总线技术，能将输入的任意时隙内容送到输出的时隙上， 同时也可任意读或写时隙中的内容。在此仅以交换为例，比如要将第o 条p c m 上的第3 1 时隙交换到第7 条输出p c m 的第1 时隙上，则要作如下操作： a 5 a 0 置为“0 x x x x x ”，写控制寄存器为“1 0 x 1 0 1 1 1 ”，其中低三位1 1 1 表示输出的第7 条p c m 。 再置a 5 a 0 为“1 0 0 0 0 1 ”对应第7 条p c m 的1 时隙。对应的数据总线d 7 - d 0 上的一个字节是“0 0 0 1l11 1 ”，高三位为输入的p c m 号( 即s t i o ) ，低五位对应 时隙数t s 3 1 。 3 3 3 收号器 话机由脉冲拨号和双音多频拨号两种，脉冲拨号是通过话机拨号控制用户 环路电流断续状态，从而形成直流脉冲串，用户每拨一位号，就送出相应个数 的一串脉冲，以直流脉冲个数表示所拨的号码数值。脉冲拨号可以用软件通过 扫描用户线的通断状态来完成收号功能。取音多频拨号需要使用专用芯片 m t 8 8 7 0 来完成收号功能。 双音多频( d t m f ) 信号是由一组低音频信号和一组高音频信号，按一定 的组合而构成的。每组音频信号各有4 个音频信号，而每种组合有一个高频信 号和一个低频信号，总共有1 6 种组合。话机按键与频率的对应关系如下图： 第3 章小型数字程控交换机的硬州。i 殳计 6 9 7 h z 8 5 2 h z 9 4 1 h z 7 7 0 h z 1 2 0 9 h z1 3 3 6 h z1 4 7 7