三、程控数字交换与电话通信网

本章主要内容 电话通信的基本原理 电话交换技术的发展 程控数字交换机的系统结构 接口电路 交换网络-话路建立 控制系统 程控交换软件系统 呼叫处理的基本原理 交换技术基础 电话通信网

1、电话通信的基本原理

+手柄+呼叫设备（电铃）+手摇发电机+干电池 （没有手摇发电机和干电池，通话所用电源由交换机供给） 1.1 电话机的发明 1875年6月2日贝尔和沃森发明了电话 （原始的电磁式电话） ↓ 1877年爱迪生发明了碳精式送话器 +手柄+呼叫设备（电铃）+手摇发电机+干电池 （磁石式电话机） ↓ 1882年出现了共电式电话机 （没有手摇发电机和干电池，通话所用电源由交换机供给） ↓

60年代电子学飞速发展、70年代大规模集成电路出现 80年代随着N-ISDN的应用出现了数字电话机 1.1 电话机的发明 ↓ 1896年美国人爱立克森发明了旋转式电话拨号盘 1920年美国人坎贝尔发明了消侧音电路 （自动电话机-拨号盘电话机） 60年代电子学飞速发展、70年代大规模集成电路出现 (电子电话机-按键式电话机) ↓ 80年代随着N-ISDN的应用出现了数字电话机

1.2 电话机的构成及通话原理 原始话音 送话器 原始话音 二-四转换 电话机 消侧音电路 还原话音 还原话音 受话器

1.2 电话机的构成及通话原理 受话器：将相应的电信号还原为声音的转换器。 送话器：将声音变换为相应电信号的转换器。 1.2 电话机的构成及通话原理 受话器：将相应的电信号还原为声音的转换器。 送话器：将声音变换为相应电信号的转换器。 旋转式拨号盘（三个参数）： 脉冲速度：表示拨号盘每秒钟发生的脉冲个数。 普通：10/s 快速：20/s 脉冲断续比：在一个脉冲周期里，断开电流的时间和接通电流的时间之比。 t断/t续=1.6:1 或 2:1 位间隔：≥300ms

1.2 电话机的构成及通话原理 按键式拨号盘：与拨号集成电路配合发出脉冲或双音频(DTMF)信令。 振铃器：交流铃流、音调振铃器 1.2 电话机的构成及通话原理 按键式拨号盘：与拨号集成电路配合发出脉冲或双音频(DTMF)信令。 振铃器：交流铃流、音调振铃器 开关、叉簧：接插件，二、四线绳

1.2 电话机的构成及通话原理 高频 1209Hz 1336Hz 1477Hz 1633Hz 低频 697Hz 1 2 3 A 770Hz 1.2 电话机的构成及通话原理 高频 1209Hz 1336Hz 1477Hz 1633Hz 低频 697Hz 1 2 3 A 770Hz 4 5 6 B 852Hz 7 8 9 C 941Hz * # D

1.3 电话机的分类 扬声电话机 免提电话机 无绳电话机 录音电话机 可视电话机 投币电话机 磁卡电话机

2、电话交换技术的发展

电话交换技术发展的三个阶段 人工交换阶段： 磁石式电话交换机 共电式电话交换机 机电式自动交换阶段： 步进制交换机（Step by Step System）： 史端乔（Strowger）式自动电话交换机 德国西门子式自动交换机 特点：直接控制方式

电话交换技术发展的三个阶段 机动制交换机： 旋转制或升降制电话交换机 特点：间接控制方式 共同特点： 噪声大 易磨损 维护工作量大 接线速度慢 故障率高 电路技术简单 人员培训容易

电话交换技术发展的三个阶段 纵横制交换机（Crossbar System）： 特点：间接控制方式 接线器接点采用压接触方式 电子式自动交换阶段： 半电子交换机（准电子交换机）： 话路部分采用机械接点，控制部分采用电子器件。 全电子交换机： 话路部分和控制部分均采用电子器件。

电话交换技术发展的三个阶段 模拟程控交换机：1965年5月美国开通了第一个程控交换机（ESS No.1）。 几个概念：程控与布控、时分与空分、模拟与数字

程控交换机的优越性 在技术上的：能提供许多新的服务性能 维护管理方便、可靠性高 灵活性大、便于采用新技术和增加新业务 在经济上的：在交换设备上 在线路设备上 在维护和生产方面

补充业务 缩位拨号 热线服务 呼出限制 免打扰服务 查找恶意呼叫 闹钟服务 截接服务 缺席用户服务 遇忙回叫 无条件呼叫前转 遇忙呼叫前转 无应答呼叫前转 呼叫等待 三方通话 会议电视 主叫号码显示等

我国程控交换技术的发展 引进交换机 AXE10，FETEX-150，E10B，5ESS、 NEAX61 、EWSD 引进生产线 上海：S1240，北京：EWSD，天津：NEAX61 自行研制 巨龙HJD-04，大唐SP30，华为C&C08，中兴ZXJ10

3、程控数字交换机的系统结构

数字交换机的系统结构

数字程控电话交换系统 话路子系统 控制子系统 CPU与存储器 接口设备 交换网络 外部设备 模拟/数字用户电路 远端接口 数字/模拟中继器 信号音发生器 信令设备 DTMF接收器 MFC接收和发送器 用户集中级

几个概念 接口设备：是实现数字交换系统和外围环境的接口。 远端接口：是到集中维护操作中心、网管中心、计费中心等的数据传送接口。 用户集中级：完成话务集中功能，集中比一般为2:1到8:1一般为单T交换网络。 用户模块：用户集中级+用户电路 远端模块：设置在远端的用户模块。

数字交换系统接口类型 A 数字中继接口 Z 用户侧接口 交换网络 中继侧接口 B 模拟用户接口 数字用户接口 V C 数字用户接口 模拟中继接口 Q3 控制系统 操作维护 OAM

数字交换机接口类型 数 字 交 换 网 络 ET 模拟用户线 Z1 模拟远端集线器 Z2 模拟PABX Z3 数字用户线 V1 LT V2 数 字 交 换 网 络 模拟用户线 Z1 模拟远端集线器 Z2 模拟PABX Z3 数字用户线 V1 LT V2 V3 V4 V5 数字远端模块 NT 数字PABX m X (2B+D) n X E1 2,048kbit/s A B C11 C12 C21 C22 本地 转换 二线 中继器 通路转换设备 四线 FDM 实线 PCM 8,448kbit/s 34,368kbit/s

程控交换系统接口类型——数字接口 V接口： V1：64kb/s，可为2B+D或30B+D的终端 V2：连接数字远端模块的接口 V3：连接数字PABX的接口，属30B+D的接口 V4：可接多个2B+D的终端，支持ISDN的接入 V5：支持n X E1的接入网，包括V5.1和V5.2接口 A接口：速率为2048kb/s的数字中继接口 B接口：PCM二次群接口，其接口速率为8448kb/s

程控交换系统接口类型——模拟接口 Z1接口：连接单个模拟用户的接口 Z2接口：连接模拟远端集线器的接口 Z3接口：连接模拟PABX的接口

4、接口电路

4.1 模拟用户电路 模拟用户电路的功能可归纳为BORSCHT七个功能： ——B(Battery feeding)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(Hybird circuit)混合电路 ——T(Test)测试

馈电 （-48v） 电容的特性：“隔直流，通交流” 电感的特性：“隔交流，通直流”

过压保护

振铃控制 振铃电压：90+15v

监视 可检测以下各种用户状态： 1、用户话机的摘挂机状态 2、用户话机（号盘）发出的拨号脉冲 3、投币话机的输入信号 4、话终挂机状态

监视

编译码和滤波（CODEC） 编码器：完成模拟信号到数字信号的转换（Coder）。 译码器：完成数字信号到模拟信号的转换（Decoder） 。

混合电路 完成二线到四线的转换功能。 用户话机的模拟信号是二线双向的，数字交换网的PCM数字信号是四线单向的，因此，在编码以前和译码以后一定要进行二/四线转换。 混合电路的平衡网络用于平衡用户线阻抗。

测试 用户电路可配合外部测试设备对用户线进行测试，用户线测试功能的实现如图所示，它是通过测试开关将用户线接至外部测试设备来实现的。

其它功能 极性倒换（反转） 计费脉冲发送

模拟用户电路功能框图

4.2 模拟中继电路 模拟中继器：是程控数字交换机与模拟中继线的接口，用于与模拟交换机的连接。

4.3 数字中继电路 数字中继器：是连接数字局间中继线的接口电路，用于 与数字交换局或远端模块的连接。 4.3 数字中继电路 数字中继器：是连接数字局间中继线的接口电路，用于 与数字交换局或远端模块的连接。 主要作用：是根据PCM时分复用原理，将30路64kb/s的话路信号复接成2048kb/s的基群信号发送出去，或者反之，把从其它数字交换系统（或数字传输系统）来的2048kb/s的基群信号分成30路话路信号，然后再通过数字交换网络分接到各个相应的用户。 在上述过程中，完成信号传输、信号同步、信令配合

数字中继电路的基本功能 码型变换： 单极性不归零码 HDB3（高密度双极性码） 时钟提取： 就是从输入的数据流中提取时钟信号，作为输入数据流的基准时钟。同时该时钟信号还用来作为本端系统时钟的外部参考时钟源。 帧同步： 就是从接收的数据流中搜索并识别到同步码，并以该时隙作为一帧的开始，以便接收端的帧结构排列和发送端的完全一致。

数字中继电路的基本功能 复帧同步： 如果数字中继线上使用的是随路信号（中国1号信令），则除了帧同步外，还要有复帧同步。 复帧同步是为了解决各路标志信号的错路问题。 提取和插入随路信号 帧定位（再定时）

从数字中继线上输入的码流有它自己的时钟信息（它局时钟），而接收端的交换机也有它自己的系统时钟（本局时钟），这两个时钟在频率和相位上不可能完全一致。帧定位就是采用弹性缓存的方式，用提取的时钟控制输入码流写入弹性缓冲器，用本局时钟控制从弹性缓冲器中读出码流，从而把输入数据的时钟调整到本局系统时钟上来，实现系统时钟的同步。

数字中继电路的基本功能 收 码型变换 帧定位 时钟提取 帧同步 PCM 信号提取 帧定位信号插入 复帧定位 信号插入 发 码型变换

4.4 音频信号的产生、发送和接收 1、信号种类： 交换机到用户： 各种信号音（单频，信号源450Hz或 950Hz的正弦波） 4.4 音频信号的产生、发送和接收 1、信号种类： 交换机到用户： 各种信号音（单频，信号源450Hz或 950Hz的正弦波） 交换机到交换机： 局间信号（MFC） 前向信号频率：1380Hz, 1500Hz, 1620Hz, 1740Hz, 1860Hz, 1980Hz（6中取2） 后向信号频率：1140Hz, 1020Hz, 900Hz, 780Hz, （4中取2） 用户到交换机： 拨号信息（直流脉冲、DTMF）

交换机应具有的音频信令接口种类具体有： l         音信号发生器（数字、单音频） l         DTMF信号接收器（数字、双音频） l         MFC信号接收器（数字、双音频） l      MFC信号发生（送）器（数字、双音频）

2、单频信号的产生 T=2ms 500Hz音频信号产生原理

单音频信号产生原理 将信号按125μs间隔进行抽样（也就是8kHz的PCM抽样频率），然后进行量化和编码，得到各抽样点的PCM信号，放到ROM中，使用时对ROM按一般PCM信号读出，就是这个音频信号（数字化的信号）。

信号发生器的硬件结构

3、双音频信号的产生 双音频信号产生原理： 首先要找到一个重复周期。 将两个双音频信号按125μs间隔进行抽样（也就是8kHz的PCM抽样频率），然后进行量化和编码，得到各抽样点的PCM信号，放到ROM中，使用时对ROM按一般PCM信号读出。 举例：产生1380HZ和1500HZ信号

4、数字音频信号的发送 指定时隙或占用普通话路的时隙经交换网络送出。

5、数字音频信号的接收 数字多频信号接收器的工作原理如图所示，一般采用 数字滤波器滤波后进行识别的方法。 F1数字滤波 数字逻辑识别 输入 输出 F2数字滤波 Fn数字滤波 多频的接收

5、交换网络（话路建立）

复用器和分路器 复用器主要完成两个功能： 1、信号的串并变换 2、将多路低速信号进行时分复用，形成高速的时分复用信号 分路器完成的功能与复用器相反，也称为解复用，它有两个功能： 1、信号的并串变换 2、将高速的时分复用信号进行分路，形成多路低速信号

复用和分路

复用器的串并变换与复用见图3.18（a）所示，分路器的并串变换和分路见图3.18（b）所示。 图3.18 复用器与分路器的工作原理

若进入每个复用器的PCM线路数为4，即n=4，并且每条 PCM线路速率为2048kbit/s，则 ①点速率为2048kbit/s，传输信号为串行码； ②点速率为256kbit/s，传输信号为8位并行码； ③点速率为1024kbit/s，传输信号为8位并行码。

各点的波形图如图3.19所示。 图3.19 串并、复用各点波形图

话路建立

其系统结构采用模块化分级控制方式，它由中央级（选组级）和用户级组成。选组级交换网络采用T-S-T三级交换网络，由中央处理机来控制。用户级有4个用户模块，每个用户模块有256个用户，经过用户模块的用户集中器（按4:1），通过两条2Mbit/s的32路PCM线路与选组级交换网络相连，用户模块由用户处理机控制。话音进入选组级交换网络首先要经过复用器，进行串并变换和复用，然后才进入T接线器，此时信号速率变为4Mbit/s，每帧64个时隙；

话音从交换网络的第3级出来还要经过分路器，进行并串变换和解复用，信号速率由4Mbit/s变为2Mbit/s。选组级交换网络的第1级和第3级分别由4个T接线器组成，第2级S接线器的交换矩阵为4X4，它可完成4条母线之间的空间交换，我们通常将交换网络或交换单元的入、出线称为母线。整个交换网络有8条入线和8条出线，分别标识为0~7，每条入、出线的话路数为32，交换网络的容量为256X256。

若用户模块1＃的用户A要与用户模块4＃的用户B进行通话，在这次通话中，A为主叫用户，B为被叫用户，这是一个本局呼叫。假设在此次通话中主叫用户A分配的时隙为母线0上的TS8，被叫用户B分配的时隙为母线6上的TS5。 A用户话音经过复用器M0后，话路时隙由TS8变为TS16。A话音经上行第一级T接线器交换到ITS20，ITS20是交换所选的内部时隙。A话音经S接线器完成了母线间的交换，即从S的入线0交换到了出线3上，时隙不变。交换接续到第2级的T接线器，它完成由内部时隙ITS20到TS10的交换。再经过分路器D3后，这时接续到达被叫用户B的话路时隙——母线6上的TS5。

正常通话还应完成B到A的话路接续。B用户话音经过复用器M3后，话路时隙由TS5变为TS10。B话音经上行第一级T接线器交换到ITS52，ITS52是B到A交换所用的内部时隙，它是采用反向法计算得到的，即A到B方向选择的内部时隙为ITS20，T接线器输入信号每帧为64个时隙，半帧为32，故有20+32=52，B到A方向交换所用的内部时隙为ITS52。B话音经S接线器从入线3交换到了出线0上，时隙不变。交换接续进展到第2级的T接线器，它完成由内部时隙ITS52到TS16的交换。再经过分路器D0后，这时接续到达主叫用户A的话路时隙——母线0上的TS8。

6、程控交换机的控制系统

交换系统对控制部件的要求 呼叫处理能力：最大忙时试呼次数 （Maximum Number of Busy Hour Call Attempts） 可靠性 灵活性和适应性 经济性

控制系统的结构 交换机控制系统的结构方式： 集中控制、分散控制（静态分配、动态分配） 多处理机结构： 按功能分担、按话务分担、备用工作（冷备用、热备用） 备用方式：同步方式、互助方式、主/备方式 处理机间的通信方式： 通过PCM信道进行通信、采用计算机网常用的通信方式

3.5.2 控制系统的构成方式 1、集中控制 集中控制是指处理机可以对交换系统内的所有功能及资源实施统一控制。该控制系统可以由多个处理机构成，每一个处理机均可控制整个系统的正常运作。图3.22表明了集中控制方式的控制关系。 图3.22 集中控制方式

集中控制方式具有以下特点： （1）处理机直接控制所有功能的完成和资源的使用，控制关系简单，处理机间通信接口简单。 （2）每台处理机上运行的应用软件包含了对交换机所有功能的处理，因而单个处理机上的应用软件复杂、庞大。 （3）处理机集中完成所有功能，一旦处理机系统出现故障，整个控制系统失效，因而系统可靠性较低。

2、分散控制 分散控制是指对交换机所有功能的完成和资源使用的控制是由多个处理机分担完成的的，即每个处理机只完成交换机的部分功能及控制部分资源。该控制系统由多个处理机构成，每个处理机分别完成不同的功能和控制不同的资源。图3.23表明了分散控制方式的控制关系。 图3.23 分散控制方式

分散控制又可分为以下两种方式： 1）全分散控制 采用全分散控制方式的控制系统，其多个处理机之间独 立工作，分别完成不同的功能和对不同的资源实施控 制，这些处理机之间不分等级，不存在控制与被控制关 系，各处理机有自主能力。

全分散控制方式具有以下特点： 1）各处理机处于同一级别。 2）每台处理机只完成部分功能，这就要求各处理机要协调配合共同完成整个系统的功能，因而各处理机之间通信接口较复杂。 3）每台处理机上运行的应用软件只完成该处理机所承担的功能，故单个处理机上的应用软件相对简单。 4）功能分散在不同的处理机上完成，某个或某些处理机出现故障，一般不会导致整个控制系统失效，因而系统可靠性比较高。 5）系统具有较好的扩充能力。 S1240程控数字交换机就是采用全分散控制方式，也叫分布式分散控制方式。

2）分级分散控制 分级分散控制，就是控制系统由多个处理机构成，各处理机分别完成不同的功能和对不同的资源实施控制，处理机之间是分等级的，高级别的处理机控制低级别的，协同完成整个系统的功能。 分级分散控制方式具有以下特点： 1、处理机之间是分等级的，高级别的处理机控制低级别的。 2、处理机之间通信接口较集中控制方式复杂，但比全分散方式要简单。 3、各处理机上应用软件的复杂度介于集中控制方式和全分散控制方式之间。 4、控制系统的可靠性比集中控制方式高，但比全分散控制方式要低。

瑞典爱立信AXE10程控交换机的控制系统采用2级的分散控制结构，图3 瑞典爱立信AXE10程控交换机的控制系统采用2级的分散控制结构，图3.24是其结构示意图，它的控制系统是由中央处理机CP和区域处理机RP两级构成，高级别处理器CP可控制低级别处理器RP完成各种功能。 图3.24 AXE-10两级分散控制结构

日本富士通FETEX-150程控交换机的控制系统采用3级的分散控制结构，图3 日本富士通FETEX-150程控交换机的控制系统采用3级的分散控制结构，图3.25是其结构示意图，处理器级别从低到高分别为：用户处理机（LPR）、呼叫处理机（CPR）和主处理机（MPR）。同级别的多个处理机话务分担完成相同的处理功能，不同级别的处理机功能分担分别完成不同的功能。 图3.25 FETEX-150三级分散控制结构

3.5.3 多处理机的工作方式 1、功能分担方式 如果多个处理机分别负责完成不同的功能，我们就说这多个处理机采用的是功能分担的工作方式。 3.5.3 多处理机的工作方式 1、功能分担方式 如果多个处理机分别负责完成不同的功能，我们就说这多个处理机采用的是功能分担的工作方式。 图3.27是某个局用程控交换机的系统结构示意图。 图3.26 某个局用程控交换机系统结构示意图

2、话务分担方式 如果多个处理机分别负责完成一部分话务功能，我们就说这多个处理机之间采用的是话务分担的工作方式。 在图3.26中，有M个用户模块，这M个模块的用户CPU分别负责完成一组用户的话务处理，即各用户模块的用户CPU分别负责完成对一组用户的用户线的监视、时隙的分配、用户接口芯片的驱动以及各模块用户级交换网络的控制等功能。这些用户模块的用户CPU之间是按话务分担方式工作的。同理，各中继模块的中继CPU之间也是按话务分担方式工作的。

3、冗余方式 在现代程控交换机中，为提高控制系统的可靠性，处理机系统一般均采用冗余配置，即除了正常运行的处理机之外，还配置备用的处理机，当原来正常运行的处理机发生故障时，备用机将替代发生故障的处理机继续工作，以保证系统正常运行。我们通常把正常运行的处理机叫做主用机，把配置备用的处理机叫做备用机。那么这种主用机和备用机之间的工作方式叫做冗余方式。

冗余方式按照配置备用处理机数量和方法的不同，可分为以下两种： 1）双机冗余配置 所谓双机冗余配置就是有两套处理机系统，一个为主用，一个为备用。双机冗余配置，又可根据具体工作方式的不同，分为以下三种： ①同步方式 在同步方式下，主、备用 机同步工作，如图3.27所 示。 图3.27 同步方式工作模式

②互助方式 在这种情况下，主备用机之间负荷均分，即主用机和备用机在正常工作时，分别承担一半的话务负荷。当一台处理机出现故障时，另一台处理机要承担全部话务处理工作，直到发生故障的处理机恢复，重新回到负荷分担的模式。如图3.28所示。 图3.28 互助方式工作模式

③主/备方式 在主/备方式下，主用机在线运行，而备用机处于待机状态，也叫备用状态。备用状态有两种模式：冷备用和热备用。冷备用的处理机内不保存动态的呼叫数据，当发生故障进行切换时，正在进行的呼叫会损失掉；热备用的处理机内保存当前动态的呼叫数据，当发生故障进行切换时，不影响正在进行的呼叫。一般程控交换机都采用热备用模式，尤其是局用交换设备，以保证在发生故障进行切换时，正在通话、振铃、拨号的用户能够继续正常进行，满足国家电话交换设备技术规范的要求。

其工作方式如图3.29所示。 图3.29 主/备方式工作模式

2）N+m冗余配置 N+m冗余配置方式，就是有N个处理机在线运行，m个处理机处于备用状态，比较常用的是N+1冗余配置方式，即m=1。

3.5.4 多处理机间的通信 多处理机之间的通信可采用一般计算机网络处理机之间的通信方式，如采用总线方式、环形网等，图3.30是一种采用总线方式实现程控交换机多处理机之间通信的示意图。 图3.30 多处理机之间通信采用总线方式

由于程控交换机技术上的一些特殊性，如系统结构构成方式、采用同步时分复用的传输方式等，因此其多处理机之间可采用PCM通信方式，即占用PCM线路的一个或多个时隙作为处理机之间的通信信道。这种方式灵活方便、便于远距离通信。如图3.31所示。 图3.31 多处理机之间通信采用PCM方式