第三章程控交换机的硬件系统

第三章程控交换机的硬件系统3.2数字交换原理与数字交换网络一、语音信号的数字化和时分多路通信1、语音信号的数字化

目前，我国公用电话交换网中，只有一段模拟线路—端局至用户。在交换机内部，交换机与交换机之间，传送和处理的都是数字信号，因此端局的用户线接口电路必须具有A/D、D/A功能。A/D就是语音信号的数字化，包括抽样、量化和编码三个步骤。

抽样频率：8000Hz，采样周期：125us，抽样值是8位编码，我国和欧洲采用A律压扩，北美和日本采用μ律压扩，语音信号速率：64Kbit/s（程控交换的基本交换单位）。2、时分多路通信

（1）多路复用①频分复用②时分复用

TTT…12N12N12N………ft

T=125us，N=32

这就是PCM30/32路系统。（2）PCM时隙和帧时隙：在T时间内，一路数字话音信号在信道上的传输时间称为一个时隙。帧：N个时隙组成的数字码流称为一帧。

对于PCM30/32路系统：码流速率：2.048Mbit/s，工程上称为2M时隙时长：3.9us32个时隙编号为：TS0—TS31位时长：488ns

帧时长：125usPCM30/32路系统信号称为E1信号，PCM24系统信号称为T1信号，如两系统互连，接口设备由PCM24路系统提供。

PCM30/32路帧结构在信令系统一章介绍。二、数字交换的基本概念和基本接线器1、数字交换的基本概念

（1）交换网络一个交换网络由若干条入线和若干条出线组成，其功能是将某条入线上的信号，交换到某条出线上去。按其交换方式，可分为空分（模拟）交换网络和时分（数字）交换网络。①空分（模拟）交换网络入线1A入线3入线N出线1出线2出线3出线N入线2

②时分（数字）交换网络如每条入线和出线都是PCM复用线，并且任一条入线上的任一入时隙都可交换到任一条出线上任一出时隙，这个交换网络就是数字交换网络。入线1入线3入线N出线1入线2出线2出线3出线NTS9TS3TS8TS1

③基本交换过程交换网络译码器编码器TS0译码器编码器TS1译码器编码器TS31编码器译码器TS0编码器译码器TS1编码器译码器TS31AATS31ATS1ABBTS31BTS1BHW0HW5HW0`HW5`

HW：华为公司定义的32路PCM复用线，HighWay，意为高速通路。上行通路：从用户电路进入交换网络的通路。下行通路：从交换网络进入用户电路的通路。2、时间（T）接线器时间接线器就是数字交换网络，它的功能就是完成PCM复用线时隙的交换。（1）T接线器的组成

T接线器主要由话音存储器（SM）、控制存储器（CM）以及必要的接口电路组成。

话音存储器：用于存放话音信号的PCM编码，容量等于PCM复用度（32），单元字长为8位。

控制存储器：存放处理机的控制命令，单元内容为话音存储器的地址，等于PCM复用度（32），单元字大于或等于5位。012331CLKW/RR/WCCM012331CLKRWCPUCCM话音入话音出

（2）T接线器的工作方式和工作原理

T接线器有2种工作方式，即输出控制方式和输入控制方式。输入：将话音信号写入SM的过程输出：将话音信号从SM读出的过程①输出控制方式输出控制，就是控制读出，也把这种控制方式称为顺序写入控制读出方式。下面以TS6→TS20为例说明输出控制的工作原理。012631CLKWR0122031CLKRWCPUTS0ATS6TS31X0X1X1AX316在TS20时刻6TS0ATS20TS31A

①输入控制方式输入控制，就是控制写入，也把这种控制方式称为控制写入顺序读出方式。下面还以TS6→TS20为例说明输出控制的工作原理。0122031CLKRW012631CLKRWCPUTS0ATS6TS31X0X1X1X3120在TS6时刻20TS0ATS20TS31A在TS20时刻A3、空间（S）接线器

空间接线器的功能是完成不同复用线间同一时隙的交换。早期的时间接线器容量小，当组成容量很大的交换网络时，为了实现时隙的全交叉，就需使用S接线器。TTTTSATS8ATS5ATS6M这种组合式接线器称为TST网络，值得注意的是：这种交换网络不是全利用度的。

随着大规模集成电路技术的发展，T接线器的容量可以做得很大，没有必要再使用TST网络，因此，目前数字程控交换机上的交换网络都是全利用度的单T网络。关于S接线器的组成及工作方式、TST网络、STS网络和TTT网络由同学们自己学习。三、T接线器的串-并、并-串转换我们知道，线路上传送的是PCM串行码流，在进入交换网络后，必须将其转换成并行信号才能进入话音存储器；同样，经过交换的并行话音信号，也必须变成串行码流才能送出交换网络。串-并转换串-并转换话音存储器并-串转换并-串转换............PCM0PCM7PCM0PCM7四、单T接线器芯片和T单元扩展1、单T接线器芯片

MT8980是256×256时隙的全利用度单T芯片。串-并转换串-并转换话音存储器并-串转换并-串转换............PCM0PCM7PCM0PCM7时基控制逻辑控制存储器译码2、T单元的扩展有时，一个单T接线器的容量还不能满足要求，又要组成全利用度的数字交换网络，那么就需要对单T单元进行扩展。1070720707这样能否组成512×512的交换网络呢？10707207071、首先将1、2号T接线器的出线分别复接。这样组成的T接线器出、入时隙分别分多少呢？

512×2562、再添加一组接线器，又可组成一个512×256的接线器。3、将1、3号接线器入线分别复接，会出现什么情况？4、将2、4号接线器入线分别复接。这样能否组成512×512全利用度的接线器？3070740707我们可以看出，容量扩展后所需的T单元的数量k的值是按扩展倍数的平方增长的。

k=(扩展的容量/单T容量）2

当然，由小容量的单T扩展成大容量的单T是不合适的。华为公司C&C08型程控交换机是由4片2K×2K的单T芯片组成的4K×4K的交换网络。五、关于数字交换网络（单T接线器）几点说明

1、数字交换网络的入线和出线是成对使用的。发送方的话音数据经入线进入交换网络；经过交换网络交换的话音数据通过出线进入接收方。

2、一条入线和一条出线，在工程上称为一条HW（HighWay)。

3、如果某用户占用HW0的入线的TS1用于发送话音信号，那么它肯定也会占用HW0的出线的TS1接收话音信号。3.3程控数字交换机的终端接口包括用户模块、中继器和信令设备。一、用户模块1、用户模块的结构（1）用户电路：与用户线的接口。（2）用户级交换网络：由一级T接线器组成，用于话务的集中和扩散。（3）用户处理机：完成对用户电路、用户级交换网络的控制及呼叫处理的底层控制（摘挂机识别、拨号脉冲识别、振铃控制等。直接控制硬件）。2、用户电路用户电路分为模拟用户电路和数字用户电路。模拟用户电路用于连接模拟用户话机等模拟终端，数字用户电路用于连接数字话机等数字终端，主要用于窄带ISDN，目前很少使用。我们主要介绍模拟用户电路的基本功能。

（1）馈电（Batteryfeeding)

用户话机的工作电源由交换机的用户电路提供。馈电电压为-48V，摘机时，馈电电流为20—100mA，但通常的交换机的馈电电流为20—30mA。-48Vab用户电缆直流阻抗1K1K直流阻抗

300话机工作时，加在其上的电压为6—9V通话时，用户的话音信号经电容耦合至交换机内部。

可以看出，用户电路要给用户话机提供直流通路，以便话机获得工作电源；同时，也要给用户话机提供交流通路，将话音信号送入交换机内部。

（2）过压保护（Overvoltageprotection）交换机工作时，有可能遭到高压（雷电、电力线等）袭击，烧毁电路板，因此必须加以保护。过压保护分为2级，第一级在用户配线架上加装保安器。但高压经过保安器后，仍有可能有上百伏的高压，因此，在用户电路上也应设置保护电路，称为第二级保护，或称二次保护。1、正常情况下，a、b线上电压比地低，比-48V高，桥路不起作用。2、以a线为例：当a线上的电压比地还高时…3、当a线上的电压比-48V还低时…4、对b线而言，情况是相同的。RRab-48V钳位于地钳位于-48VR为热敏电阻，电流大时，电阻也随之增大，功耗增大，直至烧毁以保护内部电路。

（3）振铃控制（Ringingcontrol）当有用户呼入时，交换机应向被叫用户发送铃流（75V，25Hz）。振铃控制就是完成这一功能的。由于铃流电压较高，一般的电子器件是不能承受的，因此，通常会使用振铃继电器。是否向用户发送铃流，是由用户处理机来控制的。1、当向用户振铃时…2、当停铃时…3、当振铃1s持续期间用户摘机…ab铃流源振铃继电器线圈+12V振铃控制截铃

（4）监视（Supervision）交换机要时刻监视用户的摘、挂机状态以及用户拨号脉冲状态。监视功能是通过检测用户线是否有环流来实现的。1、用户挂机时，环路断开，电阻两端无降，监视信号为一电平状态（高或低）。

2、用户摘机时，环路接通，电阻两端会产生压降，经放大后，监视信号为另一电平状态（低或高）-48Vab用户电缆直流阻抗1K1K放大监视信号监视信号×监视信号

（5）编译码和滤波（CODEC&filter）编码器的功能是将用户线上送来的模拟信号转换为数字信号（PCM编码），即模/数转换；译码器则完成相反方向的转换。

通常，在编码器之前要进行带通滤波（300Hz—3400Hz），而在译码器之后要进行低通滤波。编译码和滤波功能可以由集成电路实现，如MC145557等。

（6）混合电路（Hybridcircuit）用户线上的模拟信号是以二线双向的形式传送的，但在交换机内部，传送的是四线单向的数字信号。混合电路的功能就是进行二/四线转换。以前，混合电路通常由混合线圈来实现，体积大，消耗有色金属，目前，则多由集成电路实现。1、用户线来的模拟信号进入混合电路时…2、译码器来的模拟信号经滤波器、放大器到达C处时，由于平衡网络的作用，C-B间呈高阻抗…平衡网络放大器放大器滤波器滤波器编码器译码器CBA××上行通路下行通路

（7）测试电路（Test）为了保证设备的正常运行，交换经常要定期对用户电路的内线和外线进行测试。测试设备用户外线用户内线

模拟用户电路的总体框图：测试振铃控制过压保护馈电和监视混合电路编译码和滤波PCM控制系统测试设备铃流源3、用户话务的集中和扩散交换网络译码器编码器TS0译码器编码器TS1译码器编码器TS31编码器译码器TS0编码器译码器TS1编码器译码器TS31HW0HW51、每个普通电话用户固定占用交换网络的一个入时隙和一个出时隙。通话无阻塞。2、普通电话用户的话务量较低，浪费系统资源。3、为了解决这一矛盾，在用户级增加一级交换网络。1207070707这是2个256×256时隙的T接线器，将它们的出线分别复接…

组成了一个512×256时隙的接线器，它的入线连接用户电路，可接512个用户，出线连接选组级交换网络入线…用户电路0用户电路31用户电路480用户电路511交换网络1207070707

512个用户分别固定占用用户级交换网络的一个入时隙，而用户级交换网络只有256个出时隙，这256时隙称为公用时隙。

512个用户只占用选组级交换网络的256个时隙，收敛比为2：1（集中）。有阻塞。用户电路0用户电路31用户电路480用户电路511交换网络1207070707这仅仅是一个上行通路，用于用户的话音发送，因而，也必须有一个下行通路。用户电路0用户电路31用户电路480用户电路511交换网络上行通路1207070707这还是2个256×256时隙的T接线器，将它们的入线分别复接…

组成了一个256×512时隙的接线器。其收敛方向恰好与上一个相反（扩散）。现将2个接线器图简化。交换网络512入256出交换网络256入512出交换网络用户电路0用户电路511交换网络交换网络512入256出256入256出512出256入上行通路下行通路交换网络用户电路0交换网络512入256出256入256出512出256入交换网络用户电路511交换网络用户电路512512入256出512出256入交换网络用户电路1023256入256出二、中继器中继器是交换机和交换机之间的接口。中继器交换网络用户电路中继器交换网络用户电路A555001121B6660022拨号：6660022分析号码，不是本局用户，选择一条通往666局的一条话路。并预占交换网络中用户与中继器接通时隙。交换网络我已占用话路1，请占用相同话路。话路1已占用，请送被叫号码。振铃二、中继器中继器是交换机和交换机之间的接口。中继器交换网络用户电路中继器交换网络用户电路A555001121B6660022交换网络被叫号码：6660022分析号码，是本局用户，且用户空闲，预占交换网络中用户与中继器话路1接通时隙，并向被叫振铃。交换网络已向被叫振铃。二、中继器中继器是交换机和交换机之间的接口。中继器交换网络用户电路中继器交换网络用户电路A555001121B6660022交换网络交换网络回铃音振铃被叫摘机应答，停铃，接通预占时隙。被叫已应答。停回铃音，接通预占时隙。双方开始通话。拆线过程略。

可以看出，中继器是交换机与交换机之间传送控制信息和话音信息的通路。

根据连接中继线的类型，中继器可分为模拟中继器和数字中继器两大类。1、模拟中继器

在交换机之间传送模拟音频信号、直流线路信令和MFC信令。电路组成与模拟用户电路有很多相似之处，这里仅介绍它们的不同点。

（1）中继器无馈电和振铃控制功能；（2）将用户状态监视改为中继忙闲状态监视、线路信令的监视和线路信令控制。模拟中继器目前已很少使用。模拟中继器还有一类叫环路中继，在小交换机中还在广泛使用。将在后面介绍。2、数字中继器

数字中继器的出入端都是数字信号。数字中继器的主要功能如下：（1）码形变换和反变换：交换机内部使用NRZ码，不适合在局间中继线上传输，目前使用最多的是HDB3码。（2）时钟提取。（3）帧同步。（4）复帧同步。（5）信令的提取的插入（No.1的TS16）。3、用户交换机的入网方式

有些机关、厂矿、学校为满足内部通信的需要，会自己购买程控交换机。这类交换机为这些用户专用，称为用户交换机，又由于这类交换机容量较小，也称小交换机，也有的称为用户小交换机。

这类交换机除了满足内部通信以外，还有与外部通信的需求，也就是说，小交换机也应具有与公用交换网通信的能力。（1）半自动接入方式（从用户级入网）环路中继交换网络用户电路A8001B6660022环路中继环路中继用户电路用户电路用户电路用户电路666005066600516660059用户交换机公网交换机交换网络

假设用户交换机的内部号码为4位，公网交换机的号码为7位。用户交换机的10个环路中继器与公网交换机的10对用户线相连，电话号码为6660050—6660059.环路中继交换网络用户电路A8001B6660022环路中继环路中继用户电路用户电路用户电路用户电路666005066600516660059用户交换机公网交换机交换网络

用户交换机呼叫公网用户时：A用户摘机，听本局拨号音，然后拨出局字冠（通常为0或9），用户交换机会在10个环路中继器中选择一个空闲的中继器（环路中继0，对应公网的电话号码为6660050），将用户与环路中继0经交换网络连接起来，并将环路中继器环路接通。环路中继交换网络用户电路A8001B6660022环路中继环路中继用户电路用户电路用户电路用户电路666005066600516660059用户交换机公网交换机交换网络

环路中继器环路接通，对公网交换机而言，相当于用户6660050摘机，公网交换机会为其送拨号音，用户A可以听到此拨号音，称为二次拨号音，此时，用户A即可直接拨打公网用户B号码6660022（以后的接续过程同本局接续，相当于6660050与6660022通话）。环路中继交换网络用户电路A8001B6660022环路中继环路中继用户电路用户电路用户电路用户电路666005066600516660059用户交换机公网交换机交换网络

可以看出，半自动接入方式的出局呼叫可以实现直拨（不用话务台转接），但要听二次拨号音，因此，这种出局方式称为DOD2（DirectOutwardDialling-two）。环路中继交换网络用户电路A8001B6660022环路中继环路中继用户电路用户电路用户电路用户电路666005066600516660059用户交换机公网交换机交换网络

公网用户B拨打用户交换机用户时：先拨打与用户交换机相连的10个号码的任何一个（6660050），这时，公网交换机向该用户送铃流。环路中继交换网络用户电路A8001B6660022环路中继环路中继用户电路用户电路用户电路用户电路666005066600516660059用户交换机公网交换机交换网络

环路中继0应具有铃流检测功能，检测到铃流后，接通环路（对公网交换机而言，相当于被叫6660050摘机，双方通话）用户交换机此时应通过交换网络与话务台连接起来，以后的接续由话务台转接。话务台用户电路环路中继交换网络用户电路A8001B6660022环路中继环路中继用户电路用户电路用户电路用户电路666005066600516660059用户交换机公网交换机交换网络话务台用户电路用户电路

但目前，使用最多的是电脑话务员，环路接通后，用户交换机将环路中继经交换网络与电脑话务员连接起来，由电脑话务员送语音提示，公网用户此时可再次拨打用户交换机内部号码，以后的接续由用户交换机完成。环路中继交换网络用户电路A8001B6660022环路中继环路中继用户电路用户电路用户电路用户电路666005066600516660059用户交换机公网交换机交换网络用户电路

我们也可以看出：半自动接入方式的入局呼叫需要由话务台转接，称为BID（BoardInwardDialling）。公网用户可以拨6660050—6660059中的任何一个均可接入用户交换机，但号码太多不便记忆，这时公网交换机可将其中的一个（如6660050）做为引示号，在拨打该号码时，可选择这10个号码中任何一个空闲的号码，称为连选。环路中继交换网络用户电路A8001B6660022环路中继环路中继用户电路用户电路用户电路用户电路666005066600516660059用户交换机公网交换机交换网络用户电路

我们还可以看出：半自动接入方式接口简单，并且不占用公网号码资源；但也有缺点，由于整个接续中有3段模拟电路，要经4次A/D、D/A转换，会降低话音质量；不利于发展非话业务；不利于长话计费。（2）全自动接入方式（从选组级入网）A5550011B6660022中继器交换网络用户电路中继器交换网络用户电路交换网络用户交换机公网交换机

全自动接入方式与公网交换机之间的连接没有本质的区别，只不过用户交换机是用户设备，且容量较小。半自动接入方式两交换机间传送的是模拟形式的用户线信令、模拟话音，全自动接入方式两交换机间传送的是数字形式的局间信令和数字话音。（2）全自动接入方式（从选组级入网）A5550011B6660022中继器交换网络用户电路中继器交换网络用户电路交换网络用户交换机公网交换机

全自动接入方式出局、入局均可等位直拨，且出局呼叫只听一次拨号音。出局呼叫称DOD1（DirectOutwardDialling-one）；入局呼叫称DID（DirectInwardDialling）或DDI（DirectDiallingIn）。这种接入方式用户交换机占用公网号码资源，但有着比半自动接入不可比拟的优点。三、信令设备

信令设备的功能是接收和发送信令。信号音发生器

DTMF接收器

MFC发送器和接收器

No.7信令终端（No.7第二级）1、数字化信号音的产生

程控交换机中的信号音都是以数字信号的形式产生和发送的，信号音的PCM编码存放在ROM中。

（1）拨号音（450Hz的连续音）的产生

为了保证信号重放的连续性和准确性，一般的要求是：要发生的信号fm在过零点时开始采样周期，fm经过整数个周期后重归零点时，采样信号fs也经过整数个周期，恰好在fm的零点采样。

也就是：取采样周期和信号音周期的最小公倍数，将在这段时间内的采样值存入ROM。

m/fm=l/fs=Tl/m=160/9T=20ms

采样信号经历160个周期，信号音经历9个周期，样值为160个。

实际应用中，不使用模拟音源，再抽样、量化、编码，这些值已经成为固定的经验值，直接存入ROM即可。信号音发生器与模拟用户的连接：用户电路0用户电路x用户电路y用户电路z信号音发生器交换网络交换网络交换网络（2）MFC的A1信号（1140Hz+1020Hz）的产生具有2个或多个频率的信号音的产生与单频信号类似，抽样时长应该包括抽样脉冲在内的所有频率成分周期的公倍数。

m/fm=n/fn=l/fs=TT=50msl=T·fs=400400个样点。2、数字音频信号的接收

（1）DTMF接收器用户话机发出的DTMF信号，用2个频率代表一个数字。DTMF接收器的任务就是识别组成DTMF信号的这两个频率，将其转换成相应的数字。

DTMF接收器可分为2种：模拟接收器和数字接收器。均称为硬收号器。

①模拟接收器就是先将交换网络送来的数字化的DTMF信号转换成模拟信号，经带通、检波器和解码逻辑就可解出相应的数字。模拟接收器主要在小型程控交换机上采用。

②数字接收器

就是将交换网络送来的数字化的DTMF信号，直接由数字信号处理器（DSP）解出数字。数字接收器主要在大型程控交换机上使用。

DTMF接收器与用户的连接：用户电路0用户电路x用户电路y用户电路z信号音发生器交换网络交换网络交换网络DTMF接收器

（2）多频接收器用来接收局间的MFC信号，其原理与DTMF接收类似，只是识别频率不同，当然也可以是模拟接收器和数字接收器。

多频接收器、多频发送器与中继器的连接：MFC发生器MFC接收器用户电路0用户电路x用户电路y用户电路z信号音发生器交换网络交换网络交换网络数字中继器n数字中继器0DTMF接收器

（3）No.7信令终端将在以后介绍。到目前为止，我们已将程控交换机的话路部分全部向大家介绍完了。

在逻辑上，程控交换机除了话路部分外，还要有控制话路部工作的控制部分。

实际上，程控交换机是一个多处理机系统，系统中，只有主处理机做为一个独立的部件，完成呼叫控制、话单处理以及管理维护等功能，其余处理机都和相应的话路部分分别组成各功能部件，分散在整个系统中。3.3控制系统的一般结构一、处理机的冗余配置方式

程控交换机的可靠性要求非常高—即使在硬件或软件发生故障的情况下，仍要保证接续的正常进行。为了保证这种高可靠性，各处理机都要冗余配置。冗余配置方式有以下几种：1、微同步方式（1）两台处理机都接收外围设备的信息，但只有一台处理机向外围设备发出命令（设A为主处理机）。（2）正常情况下，两台处理机对信息的处理结果是相同的，经比较器比较，结果相同，A发命令。外围设备处理机A处理机B比较器1、微同步方式（3）如果比较结果不相同，说明至少有一台处理机出现故障，这时两机都应启动故障检测程序。（4）如果主处理机故障，应退出服务，由备用机接替工作。外围设备处理机A处理机B比较器故障检测故障检测故障1、微同步方式（5）如果备用机故障，备用机退出双机同步状态，由主机继续工作。外围设备处理机A比较器故障检测故障检测

微同步方式的优点是：能够尽快发现硬件故障，并进行相应的处理，对系统正常运行影响较小。 缺点是：有一个比较器，增加了系统的复杂性，降低了处理机的效率，并对软件故障（系统的数据配置上的故障）防御能力较差。目前，很少采用这种方式。2、互助方式（负荷分担方式）外围设备处理机A处理机B第1组设备第2组设备（1）2台处理机各自负责一部分话务，所以也称话务分担或负荷分担。（2）如果一台故障，另一台承担全部话务。故障2、互助方式（负荷分担方式）外围设备处理机A处理机B第1组设备第2组设备（3）故障恢复后，再进行负荷分担。故障

负荷分担方式具有较强的抗过载能力，但两台处理机要经常保持联系，软件复杂些。目前，这种方式被广泛采用。

C&C08交换机双音驱动板（DRV板）上的处理机就采用负荷分担方式。3、主/备用方式外围设备处理机A处理机B（1）正常工作时，只有主用机进行控制，备用机与设备完全脱离（实际上，2台处理机地位完全平等，只是为了说明的方便，使用主/备机提法）。（2）一旦主用机