程控数字交换技术第四章程控交换机的硬件组成.doc

第四章 程控交换机的硬件组成第一节 程控交换系统的硬件结构 程控交换系统的硬件由通话和控制两部分组成通话：负责通话接续、监视用户线或中继线状态，对用户或其它交换局发送、接收信号等各项与呼叫接续直接有关的各部分工作数字交换网用户处理机用户处理机数字中继模拟中继移动电话接口信号设备选组级用户级中央处理机模拟中继线移动电话中继线PCM用户电路数字中继数字中继线用户电路远端模块远端用户级控制：对通话部分进行控制，由各种处理机以及外围设备（控制台、打印机、磁带、磁盘）组成一、通话部分1、用户级：对电话用户提供接口设备，将用户话机的模拟话音信号转换成数字信号，并将每个用户话机所发出的较小的呼叫话务进行集中送至数字交换网络，提高用户级和数字交换网络之间中继线的利用率2、远端用户级：与用户级功能、结构基本一致，只是距离远一些，中间传输线上要进行码型变换，馈电电压要高一些3、数字交换网络：整个交换机的话务处理中心，所有在交换机中需要建立连接关系的其它话路设备，都要终接在交换网络上，在处理机的控制下，建立任意两个终端之间的连接，由于交换网络扩大了选择范围，因此将包含各种中继接口在内的交换网络称为选组级4、模拟中继接口：为数字交换机适应模拟环境设置的，将模拟信号转换为数字信号或将频分多路复用FDM转换为时分多路复用TDM，即PCM数字编码5、数字中继接口：数字交换机和数字中继线之间的接口电路，将中继线上传送的数字信号进行同步、码型变换和线路信号提取等，变为数字交换网络可以接受的信号形式6、移动电话接口：数字交换机对公用移动电话网的硬件接口，在相应软件的控制下，完成移动电话网与公用电话网之间的呼叫处理7、信号设备：分信号音发生器及多频接收器和发送器。信号音发生器采用数字音存储方法直接产生交换机所需的各种数字化信号音；多频信号接收器和发送器主要用于记发器多频信号的发送和接收，包括双音频话机的双音多频DTMF接收器二、控制部分主要是存储各种程序和数据，对交换机的各种信息进行处理，并对通话部分和输入、输出设备发出详细的动作指令由处理机、存储器和外围设备组成控制方式：集中控制、分散控制第二节 用户级主要内容：模拟用户电路、用户集线器、数字用户电路一、模拟用户电路传输线路为二线模拟线路，采用直流环路信号方式具有BORSCHT七大功能B:Battery feed 馈电 O:Overvoltage protection 过压保护R:Ringing control 振铃控制S:Supervision 监视C:CODEC & filters 编译码和滤波 H:Hybrid 混合电路T:Test 测试测试T测试电路振铃R振铃电路过压保护O馈电监视BS混合H编译码和滤波C交换网络控制系统用户线路B馈电：向用户话机采用-48V国内(-60V国外)的直流供电O过压保护：在配线架上安装保安器，保护交换机免遭高压袭击R振铃控制：向被叫用户振铃时采取隔离措施，使较高的铃流电压不能流向用户电路内部S监视：监视用户线的通/断状态，及时将信息送给处理机处理C编解码和滤波：完成模拟信号和数字信号间的转换H混合电路：进行二/四线转换T测试：及时发现用户终端、用户线路、用户接口电路可能发生的混线、断线、接地、与电力线碰接以及元器件损坏等各种故障，以便及时修复和排除。在某些特殊情况下，还要增加一些功能，如：极性倒换、衰减控制、计费脉冲发送和投币话机硬币集中控制等二、用户集线器1270SMU0R1270R1270RSMU1SMU150127LCMU用户时隙号SMD号LCMU存储内容上行通道输出母线 120CH至数字交换网络1270SMD0W1270W1270WSMD1SMD150127LCMDLCMD存储内容下行通道输入母线 120CH自数字交换网络来用户时隙号SMU号8个7bitSM的号码4bit控制存储器集中比为16：1写入控制方式由用户处理控制读出顺序写入因输出母线只提供120个话路，每个SM可接120个用户（共集中了1920个用户）话音存储器进行话务集中或分散（因为对于每个用户来说，话务量很低，单独占据一条话路，浪费），多采用一级T接线器，且要求：复用时输入时隙大于输出时隙，输出时隙为全利用度，控制存储器公用，采取读出控制方式；分路时与复用情况相反每一对用户处理机能够对16个用户机框进行控制，每个机框中安装了15块用户电路板和1块选择板，而每块用户电路板上能够连接8条用户线。因此每一对用户处理机能够对最多161581920条用户线进行控制，而所有的16个用户机框通过4条PCM30/32的复用线连接到选组级上，因此所有的最多1920人只能共有最多430120条话路接入选组级上，达到集中比为1920：12016：1。集中的过程是通过用户级的T接线器完成的。如上图。三、数字用户电路数字交换机和数字用户终端设备之间的接口电路收发器多路复用和分路信令插入测试馈电过压保护控制系统用户线交换网络二线四线基本功能：码型变换、回波消除、均衡、扰码和去扰码、信令插入和提取、多路复用和分路以及提供2B+D的信道结构1、码型变换：交换机内部使用的数字信号是简单的二进制单极性不归零码NRZ，数字线路上使用的码型为双相码、AMI码、4B3T码、2B1Q码等2、回波消除：实现四线数字传输充分利用现有的大量普通二线用户线路自适应均衡器判决器+输出信号输入信号3、均衡：对信道的频率特性进行补偿，原因是信道不可能具有理想的频率特性，即幅频为常数，相频为线性，因此会引起传输信号的码间干扰见上图，利用自适应均衡器，原理：利用已接收的信号数据，合成一个码间干扰估计，去抵消接收信号的码间干扰4、扰码和去扰码：扰码在发送数据序列中加入一个伪随机序列，以破坏传送数据中可能出现的全0、全1或某种周期重复的规律性；去扰码恢复提取用户原来发送的实际数据5、信令插入和提取：利用时分复用技术在传输速率中划分出一个子信道专门用于信令传输（为数字用户终端与交换机之间的控制信号的传送接口）6、多路复用和分路：在接口和交换网络之间，插入一个速率匹配过程，当环路64kb/s时，将环路信号分离为若干条64kb/s信道，反之，则复用第三节 中继接口模拟中继接口：用于连接模拟中继线，可用于长途、市内交换以及小交换机中继连接数字中继接口：完成交换网络和中继线之间的PCM码流适配变换处理功能（因为数字交换和数字传输对数字信号波形和处理有不同的要求）一、模拟中继接口电路与用户电路类似，有过压保护O、编解码和滤波C和测试T功能，但不需要馈电B、振铃保护R功能，还有线路信号的监视控制和中继线的忙闲指示功能测试T过压保护O线监路视信和号保护S混合线圈H编码滤波解码C数字交换网二线或四线线路忙闲指示任务：话音A/D转换和线路信号的接收和发送话音信号的转换：实线音频采用单路编译码器即可FDM复用信号：先恢复音频信号，然后译码或直接将FDMTDM译码两种线路接口1、ab线接口：通过实线与对端模拟交换机相连，采用直流信号方式的接口，接口电路用光电耦合接收和检测中继线上对方送来的直流信号，发端同样采用继电器或光电耦合控制线路上的电压极性和电流大小，用于发送直流信号；原模拟局的中继器仍可使用，只在模拟设备和PCM复用设备之间加入一个信号转换器2、EM接口：将线路信号通过额外的EM线来传递；E(Ear)表示接收信号线，M(Mouth)表示发送信号线，将话音和信号线分开节省了PCM设备投资，电路调度方便，但模拟交换机中原有中继器要换成EM接口的中继设备，分四线EM和二线EM接口单/双时钟提取码型变换帧定位再生控制告警检测信令提取同步插入信令插入码型变换PCM输入PCM输出至交换机由交换机来CP插入控制双/单一、 数字中继接口数字中继接口电路功能 电气功能：电压、脉冲波形、阻抗及传输码率等； 比特功能：帧格式、信号格式、维护信息格式等具体用GAZPACHO表示G：Generation of frame code 帧码产生A:Alignment of frame 帧定位Z:Zero string suppression 连零抑制P:Polar conversion 码型变换A:Alarm processing 告警处理C:Clock recovery 时钟恢复H:Hunt during reframe 帧同步O:Office signalling 信令插入、提取1、帧码产生G：发送PCM码流中偶帧零时隙的第二位至第八位插入同步码0011011和奇帧零时隙第二位插入固定码1，由接收端识别以建立帧同步2、帧定位A：接口电路对输入码流进行调整，使其同步后再进入数字交换网络；其中发生丢帧为负滑码（延迟超过125s），重读帧为正滑码（延迟小于0），定位还可消除传输中抖动和漂移带来的影响（因为输出的码流由本机时钟和帧同步信号控制）3、连零抑制Z：使连零个数不超过某一个值，并能在接收端识别这种变化，如HDB3码中连零码不超过3个4、码型变换P：交换机内部和传输线路的码型均能得到保证5、告警处理A：传输中干扰超过一定范围就成为故障，发出告警，要求维护。此信号不仅要通知本端的处理设备和维护管理系统，还要通知对端，如接收端发生失步，就要把送至对端PCM码流中的奇次帧中的TS0第3比特（对端告警位）置“1”，恢复后再置“0”，如果接收电路收到对端告警，也应通知控制系统和维护系统系统，以采取诸如关闭信息等措施，因此，此告警处理功能应由误码检测、帧同步检测、复帧同步检测、滑码检测、计时统计、对端告警检测和告警插入等部分组成6、时钟恢复C：按时钟信号对送来的PCM码流中的每一位码在码位中央进行抽样，判定“0”或“1”，以重新恢复矩形脉冲码形，恢复信号。该时钟信号是从输入的PCM码流中用谐振电路提取7、帧同步H：使发端发送的各路信号能正确地被收端各路接收。具体作法：使接收端的帧和复帧时序按发端的时序一一对准。依靠发端在特定的时隙或码位上发送特定的码组或码型，收端从收到的PCM码流中，对同步码组或码型进行识别，确认和调整以获得同步8、信令插入、提取O：数字中继线路信令在传输中占有一确定的时隙，接口电路应有局间信令提取和插入功能。如随路信令系统中TS16提取电路从经过码型变换的PCM码流中提取TS16信令信息，将其变换为连续的64kb/s的信号，在输入时钟产生的写地址控制下，写入控制电路存储器，然后在网络时钟产生的读地址控制下，按送往网络的信令格式逐位读出。信令信号的插入按网络时钟由TS16插入器把信号插入到PCM码流的TS16中经PCM传输第四节 信号设备为接收和发送接续所需的各种信号而设置的种类有：各种信号音发生器、双音多频信号接收器、多频信号接收器、发送器、铃流发生器（模拟信号）等一、数字音信号发生器利用可编只读存储器进行，对要求发生的正弦信号每隔125s取样一次，将每次取样的幅度进行计算，以获得所需的数字信息，然后将它写入只读存储器内，当需要产生数字化信号音时，只要按一定规律去读存储器的内容即可获得。见P30单音频信号的产生若信号频率fm,取样频率fs ,从零开始，前者经m周，后者经s周重合，则取样信号的变化周期s为存储器的容量，见P32双音频信号的产生二、多频信号发生器1、当正弦信号为二个时，fm,fn,fs求出它们重合的周期，取样频率变化的次数2、当多频信号经代数相加后，波形都是对称的，利用这些对称性适当控制对存储器读出地址的顺序和抽样值的极性能有效地减小对存储器容量的要求3、具体做法如下：偶对称，采用顺读和倒读；(奇对称，改变抽样值的极性)将整个波形分为均匀的四段4、第段按地址顺序读出，第段为第段倒读，第段为顺读后极性码置反，第段为倒读后极性码置反；这样只读存储器的容量就减到原来的1/4所以双音多频信号所需要的只读存储器数量为 n(n种MFC信号)101三、数字多频信号的接收1、数/模变换模拟窄带滤波器逻辑判决电路2、数字滤波器数字逻辑电路四、数字音信号的接收、发送及和交换网的连接信号接收存储器接口电路信号发生器信号接收器至数字中继电路并路分路TTS至CPU信号发生器接在TST网的入口处，一种频率组合占用一个通道时隙，采用半永久性连接；信号接收器连至TST网的出口处，一个接收器占用一个通道第五节 控制设备程控交换就是存储程序控制交换，通过处理机执行和处理存储的程序和数据，控制交换机完成交换功能，对控制设备的要求，具体要求见P54的4点一、 控制系统的结构方式1、集中控制(见P55图4.1)：交换机的控制系统由几台处理机组成，每一台处理机均能使用全部资源，也能执行所有功能优点：处理机对整个交换系统状态有全面了解，改变软件非常简单缺点：软件量大，设计繁杂，管理困难，系统较脆弱，易造成全局性中断2、分散控制：交换机控制系统的每台处理机只能达到资源的一部分，只能执行一部分功能；功能分配分静态、动态静态分配：资源和功能分配一次完成，各处理机根据不同的分工配备专门的硬件，稳定性高，但灵活性差动态分配：每一台处理机可以处理所有的功能，也可以达到所有资源，但根据系统的不同状态，对资源和功能进行最佳分配，优点在于当一台处理机发生故障，可由其它处理机完成全部功能，但分配相当复杂处理机间所采用的分工方式有：功能分担、容量分担、功能分担与容量分担相结合，见P55二、 控制系统的冗余性1、微同步（同步双工）方式：二个处理机同时接收信息，同时执行一条指令，并且比较其执行结果，相同，转入下一条指令；不同，立即在几微秒内退出服务。各自检查程序，发现其中一台有故障，则其退出服务做进一步检查，另一台继续工作，若二台完好，说明干扰引起出错，恢复正常工作2、负荷分担（话务分担）方式（互助结构）：处理机A、B均从外围单元提取信息进行处理，各自承担一部分话务负荷，独立进行工作，发出控制信息，一旦某一处理机出现故障，则由另一台处理机承担全部负荷，无需切换过程，呼损很小。此时单机可能有轻微的过载，但时间很短，一旦另一台处理机恢复运行，便一切正常。但二台处理机需经常保持联系。3、主/备用方式：A、B机公用存储器，在任何情况下，只有其中一台处理机与外围单元交换信息，主机承担全部外围单元的话务负荷，备用机处于停止状态。当主机出现故障时，利用切换程序，使其退出服务，备用机联机工作，此时备用机未经校正就投入工作，可能使大量呼叫遭到损失外围设备处理机A处理机B专用MA公用M公用M专用MB处理机N+1专用MN+14、N+1方式：一台处理机专作为备用机，平时不工作，在N台工作机中的任一台出现故障时，备用机立即替代。三、处理机间的通信方式处理机间通信：指各处理机之间控制和辅助信息的传输和交换控制信息：完成话音交换所必须传送和交换的信息1、通过PCM通道进行通信：利用第16时隙进行通信或通过数字交换网络的PCM信道直接传送。优点：外加硬件和软件的费用少；缺点：信息量小，速度慢2、采用计算机常用的通信结构方式：多总线结构、环形结构四、外围处理机：辅助中央处理机的工作并对外围设备进行控制，受中央处理机的控制1、用户处理机：负责控制一个用户或（远端）模块，与中央处理机配合工作，实现对该模块中各用户的呼叫处理。主要对用户线信号（摘机、挂机、拨号等）的扫描和向用户送出各种信号音和铃流，对用户级交换网络的控制以及根据中央处理机的命令选择并占用至母局间中继线2、中继处理机：负责控制各种类型的中继接口电路，接收和发送相关的线路信号，并通过和中央处理机之间的通信，辅助后者实现局间的连接及传递记发器信号3、区域处理机：负责硬件和中央处理机之间的信息的转换五、控制系统的可靠性可用度(A)=累计有效工作时间规定工作时间单机结构不可用度(U)=1-A=累计有效工作时间+累计中断时间累计中断时间双机冗余累计有效工作时间(双)=累计有效工作时间22累计中断工作时间不可用度(U双)=累计有效工作时间2+2累计中断时间22累计中断时间22累计中断时间2累计有效工作时间2例：某处理机的“累计有效工作时间”为2000小时，“累计中断时间”为3小时，则，相当于40年中有525小时中断工作采用双机冗余：，相当于40年中有1.6个小时中断工作，可见双机系统的可靠性远远高于单机系统六、控制系统的处理能力t=a+bN处理的呼叫总数系统开销每个呼叫所需的平均处理时间处理机在单位时间用于处理负荷时间为：假设t=0.95，即处理机占用CPU时间为95%a+bN0.95a=+E固定开销=0.14E为比例开销=7.510-5 E为话务量D为平均增长时长E=DNa=+DNt=+DN+bNN=t-aD+b忙时试呼BHCA=t-aD+bt-ab=D为平均呼叫时长例：设处理一个呼叫约需执行16000条指令，每执行一条指令需2s，则所以 此时控制系统每小时可以处理约74000次电话呼叫如果采用多台处理机，则n台处理机的处理能力小结：1、 程控交换机是建立在时分复用基础上，由计算机存储程序控制的交换系统，由软件+硬件组成2、 硬件结构分通话和控制两大部分。通话部分主要负责通话接续，监视用户线或中继线状态，对用户或其它交换局发送、接收信号等各项与呼叫接续直接有关的工作；控制部分则对通话部分进行控制，对整个交换机进行维护和管理3、 通话部分的主要设备：用户级、远端用户级、数字交换网络、模拟中继接口、数字中继接口、移动电话接口、信号设备等。用户级又分模拟用户电路和集中设备，以及对数字用户环路提供的数字用户电路接口4、 控制部分是由中央处理机、各种外围处理机以及输入/输出设备等组成。中央处理机负责整个交换机的控制，外围处理机则协助中央处理机完成局部的控制任务5、 数字交换机的核心是数字交换网络，各种外围设备可看作是对外部各种模拟或数字信号的接口电路，将这些信号转换为数字交换网络可以接受的信号形式和进行逆变换6、 数字交换机的硬件结构不断采用大规模或超大规模集成电路，使电路功能不断集成化，出现了多种功能的专用集成电路，提高了整个交换机的可靠性，并降低了成本7、 用户级设备有模拟用户电路，用户集中设备和数字用户电路。模拟用户电路的功能为BORSCHT；用户集中是为了将每个用户较小的话务量进行话务集中后，送交换网络进行交换以提高其效率8、 数字用户电路为数字用户终端设备接入交换机提供接口电路。它无需振铃和编译码功能，其基本功能除常规的过压保护、馈电、测试、信令插入/提取、多路复用/分路等功能外，主要完成在用户线上进行二线数字双向传输，并进行用户数字二线信号与数字交换网络数字四线信号的转换9、 模拟中继接口提供数字交换机对模拟中继线的接口。它与模拟用户电路接口一样同属模拟接口，它们的区别是模拟中继线负责交换机间的连接，因此话务量较大。它们的主要功能是编译码混合电路、过压保护、测试、线路信号监视等10、数字中继接口负责数字中继线和交换机的接口。数字中继线信号在进入数字交换网络进行交换前需进行适配变换。数字中继接口的基本功能是帧码产生、帧定位、连零抑制、码型变换、告警处理、时钟恢复、帧同步、信令插入和提取等11、信号设备为数字交换机提供各种所需的信号。这些信号设备主要是信号音发生器、双音多频接收器、多频信号接收器和发送器、铃流发生器等。在数字交换机中，信号音和多频信号发生器均采用抽样、编码存储器直接产生数字信号的方式，并经半固定连接提供给数字