数字程控交换机的发展及工作原理.docx

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数字程控交换机的发展及工作原理

HARRIS数字程控交换机培训教案

（一）

数字程控交换机的发展及工作原理

1.1电话交换机的发展过程和分类

自1876年美国贝尔发明电话以来，随着社会需求的日益增长和科技水平的不断提高，电话交换技术处于迅速的变革和发展之中。

其

历程可分为三个阶段：

人工交换、机电交换、和电子交换。

早在1878年就出现了人工交换机，它是借助话务员进行话务接续，显然其效率是很低的。

15年后步进制的交换机问世，它标志着交换技术从人工时代迈入机电交换时代。

这种机电自动交换时代。

这种交换机属于“直接控制”方式，即用户可以通过话机拨号脉冲直接控制步进接续器做升降和旋转动作。

从而自动完成用户间的接续。

这种交换机虽然实现了自动接续，但存在着速度慢、效率低、杂音大与机械磨损严重等特点。

直到1938年发明了纵横制（crossbar）交换机才部分解决了上述问题，相对于步进制交换机，它有两方面重要改进：

1.利用由继电器控制的压接触接线阵列代替大幅度动作的步进接线器，从而减少了磨损和杂音，提高了可靠性和接续速度；2.由直接控制过渡到间接控制方式,这样,用户的拨号脉冲不在直接控制接线器动作,而先由记发器接收,存储,然后通过标志器驱动接线器,以完成用户间接续.这种间接控制方式将控制部分与话路部分分开,提高了灵活性和控制效率,加快了速度.由于纵横制交换机具有一系列优点,因而它在电话交换发展上占有重要的地位,得到了广泛的应用,直到现在,世界上相当多的国家和我国少数地区的公用电话通信网仍主要使用纵横交换机.

随着半导体器件和计算机技术的诞生与迅速发展,猛烈地冲击着传统的机电式交换结构,使之走向电子化.美国贝尔系统经过艰苦努力于1965年生产了世界上第一台商用存储程序控制的电子交换机（No.1ESS）,这一成果标志着电话交换机从机电时代跃入电子时代,使交换技术发生时代的变革.由于电子交换机具体体积小,速度快,便于提供有效而可靠的服务等优点,引起世界各国的极大兴趣.在发展过程中相继研制出各种类型的电子交换机.

就控制方式而论,主要分两大类:

1.布线逻辑控制（WLC,WiredLogicControl）它是通过布线方式实现交换机的逻辑控制功能,.通常这种交换机仍使用机电接线器而将控制部分更新成电子器件,因此称它为布控半电子式交换机,这种交换机相对于机电交换机来说,虽然在器件与技术上向电子化迈进了一大步,但它基本上继承与保留了纵横制交换机布控方式的弊端,体积大,业务与维护功能低,缺乏灵活性,因此它只是机电式向电子式演变历程中的过度性产物.

2.存储程序控制（SPC,StoredProgramControl）它是将用户的信息和交换机的控制,维护管理功能预先变成程序,存储到计算机的存储器内.当交换机工作时,控制部分自动监测用户的状态变化和所拨号码,并根据要求执行程序,从而完成各种交换功能.通常这种交换机属于全电子型,采用程序控制方式,因此称为存储程序控制交换机,或简称为程控交换机.

按用途可分为:

市话，长话和用户交换机；

按接续方式可分:

空分和时分交换机。

按信息传送方式可分为：

模拟交换机和数字交换机。

由于程控空分交换机的接续网络（或交换网络）采用空分接线器（或交叉点开关阵列），且在话路部分中一般传送和交换的是模拟话音信号，因而习惯称为程控模拟交换机，这种交换机不需进行话音的模数转换（编解码）,用户电路简单，因而成本低，目前主要用作小容量模拟用户交换机。

程控时分交换机一般在话路部分中传送和交换的是模拟话音信号，因而习惯称为程控数字交换机，随着数字通信与脉冲编码调制（PCM）技术的迅速发展和广泛应用，世界各先进国家自60年代开始以极大的热情竞相研制数字程控交换机，经过艰苦的努力，法国首先于1970年在拉尼翁（Lanion）成功开通了世界上第一个程控数字交换系统E10,它标志着交换技术从传统的模拟交换进入数字交换时代。

由于程控数字交换技术的先进性和设备的经济性，使电话交换跨上了一个新的台阶，而且对开通非话业务，实现综合业务数字交换奠定了基础，因而成为交换技术的主要发展方向，随着微处理器技术和专用集成电路的飞跃发展，程控数字交换的优越性愈加明显的展现出来。

目前所生产的中大容量的程控机全部为数字式的。

90年代后，我国逐渐出现了一批自行研制的大中型容量的具有国际先进水平的数字程控局用交换机，典型的如深圳华为公司的C&C08系列、西安大唐的SP30系列、深圳中兴的ZXJ系列等等，这些交换机的出现，表明在窄带交换机领域，我们国家的研发技术已经达到了世界水平。

随着时代的发展，目前的交换机系统逐渐融合ATM、无线通信、接入网技术、HDSL、ASDL、视频会议等先进技术。

可以想象，今后的交换机系统，将不仅仅是语音传输系统，而是一个包含声音、文字、图象的高比特宽带传输系统，并深入到千家万户之中。

IP电话就是其应用一例。

世界上传统交换机厂商目前正努力研制，并通过与计算机厂商的合作和交流，来达到这一目的。

1.2程控交换机的特点与技术动向

程控数字交换机是现代数字通信技术、计算机技术与大规模集成电路（LSI）有机结合的产物。

先进的硬件与日臻完美的软件综合于一体，赋予程控交换机以众多的功能和特点，使它与机电交换机相比，有以下优点：

1.体积小，重量轻，功耗低，它一般只有纵横制交换机体积的1/8-1/4,大大压缩了机房占用面积，节省了费用。

2.能灵活的向用户提供众多的新服务功能。

由于采用SPC技术，因而可以通过软件方便的增加或修改交换机功能，向用户提供新型服务，如缩位拨号、呼叫等待、呼叫传递、呼叫转移、遇忙回叫、热线电话、会议电话，给用户带来很大的方便。

3.工作稳定可靠，维护方便，由于程控交换机一般采用大规模集成电路（LSI）电路或专用集成电路（ASIC），因而有很高的可靠性。

它通常采用冗余技术或故障自动诊断措施，以进一步提高系统的可靠性。

此外，程控交换机借助故障诊断程序对故障自动进行检测和定位，以及时地发现与排除故障，从而大大减少了维护工作量。

系统还可方便地提供自动计费，话务量记录，服务质量自动监视，超负荷控制等功能，给维护管理工作带来了方便。

4.便于采用新型共路信号方式（CCS,CommonChannelSignalling）。

由于程控数字交换机与数字传输设备可以直接进行数字连接，提供高速公共信号信道，适于采用先进的CCITT7号信令方式，从而使得信令传送速度快、容量大、效率高，并能适应未来新业务与交换网控制的特点，为实现综合业务网（ISDN,IntegratedServicesDigitalNetwork）创造必要的条件。

5.易于与数字终端，数字传输系统联接，实现数字终端，传输与交换的综合与统一。

可以扩大通信容量，改善通话质量，降低通信系统投资，并为发展综合数字网（IDN）和综合业务数字网（ISDN）奠定基础。

当前程控交换技术的发展动向和趋势为：

1.研制新型专用大规模集成电路，提高硬件集成度和模块化水平，以进一步减少体积，降低成本，增强功能及提高可靠性。

2.提高控制的分散，灵活程度和可靠性，逐步采用全分散方式。

3.采用CCITT（ITU）建议的高级语言（如CHILL、SDL、MML）,提高软件水平和模块化速度。

加强支援系统的开发，建立强大的软件生成系统。

4.积极推行共路信号系统。

5.逐步引入非话业务，如数据，图文传真，用户电报（Telex）与智能用户电报（Teletax）,可视数据（Videotex）,图文传视（Teletext）及电子邮件（ElectronicMail）,图象信息等，开发相应的接口，构成综合信息交换系统。

6.增强程控交换系统与其它类型通信网（如传真网，分组交换网或公用数据网，计算机局域网等）的接口，联接与组网能力。

7.为适应高速信息业务日益增长的需求和光纤通信的发展，开展宽带综合业务数字网（B-ISDN）环境下交换理论，体制与关键技术的研究。

目前研究的重点之一为异步转移方式ATM.

1.3程控用户交换机的类型与功能

（1）.用户交换机的作用

用户交换机是机关工矿企业等单位内部进行电话交换的一种专用交换机，其基本功能是完成单位内部用户的相互通话，但也装有出入中继线可接入公用电话网的市内网部分和网中用户通话（包括市通话，国内长途通话和国际长话）。

由于这类交换机系单位内部专用，故可根据用户需要增加若干附加性能以提供使用上的方便。

因此这类交换机具有较大的灵活性。

用户交换机是市话网的重要组成部分，是市话交换机的一种补充设备，因为它为市话网承担了大量的单位内部用户间的话务量，减轻了市话网的话务负荷。

另外用户交换机在各单位分散设置，更靠近用户，因而缩短了用户线距离，节省了用户电缆。

同时用少量的出入中继线接入市话网，起到话务集中的作用。

从这些方面讲，使用用户交换机都有较大的经济意义。

因此公用网建设中，不能缺少用户交换机的作用。

用户交换机在技术上的发展趋势是采用程控用户交换机，采用新型的程控数字用户交换机不仅可以交换电话业务，而且可以交换数据等非话业务，做到多种业务的综合交换，传输。

为各单位组建综合业务数字网（ISDN）创造了条件。

目前已可接入ISDN用户。

SOPHO是世界上首部能处理ISDN业务的综合信息交换机，无论是提供的接口还是信令方式完全符合ISDN的规范。

可以坚信，在未来的ISDN网中程控数字用户交换机将发挥巨大的作用。

（2）.程控用户交换机的类型

程控用户交换机有很多种类型，从技术结构上划分为程控空分用户交换机和程控数字用户交换机两种。

前者是对模拟话音信号进行交换，属于模拟交换范畴。

后者交换的是PCM数字话音信号，是数字交换机的一种类型。

如果从使用方面进行分类，可分为通用性程控用户交换机和专用型程控用户交换机两大类。

通用型适用于一般企业、事业单位、工厂、机关、，学校等以话音业务为主的单位。

容量一般在几百门以下，且其内部话务量所占比重较大，一般占总发话话务量的70%左右。

目前国内生产的200门以下的程控空分用户交换机均属此种类型，其特点是系统结构简单，体积较小，使用方便，价格便宜，维护量较少。

专用型适用于各种不同的单位，根据各单位专门的需要提供各种特殊的功能。

下面分别说明几种专用型程控用户交换机：

一.宾馆型

宾馆型程控用户交换机出入局话务量大，不需要直接拨入功能（DID）,为此话务台功能要强。

为满足客人打长途电话的需要，应具有PAMA（PrivateAutomaticMessageAccounting）计费功能。

为满足宾馆客房管理软件，提供了以下功能：

1）.房间控制：

客人离店结帐电话自动闭锁。

2）.留言中心：

对临时外出的客人的来话呼叫，提供留言服务。

3）.客房状态：

随时提供客房占用，空闲，是否打扫的情况。

4）.自动叫醒：

按客人需要，准时叫醒客人。

5）.请勿打扰：

为客人提供安静环境，客人在电话输入指令后，任何电话不能呼入，但超过一定时限失效。

6）.综合话音和数据系统：

使商务办公人员通过个人计算机从远处计算机或数据库，取得重要商业信息及资料。

二.医院型：

这是装有医院特点软件的专用程控交换机。

软件功能中除具有宾馆功能外，还具有呼叫寄存，呼叫转移，病房紧急呼叫，热线电话及配合救护车的移动通信接口的功能。

三.银行型：

银行型专用软件包括总行和分行间的通信联络，呼叫代答，警卫线路，外线保留等。

同时具备办公自动化PABX的功能。

四.办公自动化型：

（OA）

1.办公室人员需要最现代化的话音通道程控交换机完成一流的话音通信要求。

呼出要求快速自动直拨，即缩位拨号功能。

呼入要求全自动呼入，即DID（DirectInwardDialling）功能，避免话务员介入，提高效率。

2.要解决办公桌的微机通过程控交换机使用内部的数据资源和外部的数据库。

目前程控用户交换机能提供传输速率为144kb/s的用户线数字传输通道。

即2B+D（64kb/s传输话音，64kb/s传输数据，16kb/s传输信令）。

并且通过异步，同步适配器传输方式，传输电报，传真，文字及固定图象等。

先进的第四代程控交换机可提供2Mb/s的传输通路，还可开展宽带非话业务，传输动态图象和电视电话等。

3.提供X.25分组交换接口，提高与公用数据网及分组交换网并网能力。

4.具有话音邮递和电子邮箱等功能。

5.办公室自动化中的程控用户交换机需要更高的可靠性，否则影响将是十分严重的.为此必要的冗余度是重要的。

SOPHO协作开放式办公自动化系统便是此类型产品的杰出代表，具备先进完善的办公自动化功能。

五.专网型：

具有组网汇接功能的程控用户交换机应具有多位号码存储，转发能力，直达优先路由选择，自动迂回，外线呼叫等级限制，等位拨号，功能透明，远端集中维护管理及话务台集中设置等。

对专网型程控交换机应着重考虑其中继接口，信令方式与传输系统的配合能力。

还可能要求具有汇接，长途甚至与农话业务配合功能。

我厂程控用户交换机即为专网型

随着技术的不断进步以及各单位业务增长的需要，还会出现更加新颖的机型。

1.4话音信号数字化技术

数字交换系统可以直接处理，传送和交换数字信息，与模拟交换系统相比，抗干扰性强，易于时分多路复用，便于加密，适于信号处理和控制，便于引入远端集线器，易于集成容量大阻塞低的数字交换网络，并有利于实现数字交换与数字传输的直接联接，构成综合数字网（IDN）,为向ISDN过渡奠定基础。

然而，目前的通信网仍然以模拟为主，用户终端多为模拟话机。

因而来自用户线的话音要进入数字交换机，需先在用户接口电路进行模数转换，将模拟话音编码成数字话音。

话音信号的数字化方法很多，常用的有脉冲编码调制（PCM）,增量调制（DM）,线性预测编码（LPC）,以及某些改进的方案，如插值PCM（DPCM）,自适应插值PCM（ADPCM）,与自适应DM（ADM）等。

在程控数字交换机系统中，除个别的应用外，基本采用PCM数字化方法。

PCM主要包括抽样，量化，与编码三种功能单元。

首先，模拟话音经防混叠低通滤波得到限带（300-3400HZ）的话路信号，将其抽样变成脉冲调幅（PAM）信号。

根据抽样定理，只要抽样频率fs不低于模拟信号最高频率fm的2倍，即fs>=2fm,则在接收端能够恢复出原模拟信号。

CCITT建议规定fs=8KHZ。

然后将幅度连续的抽样信号用四舍五入的方法量化为有限个采值的量化信号，再经编码，变换成二进制代码。

对于电话，CCITTG.711,712建议每抽样值编为8位码，这样共有256个量化级，因而每路模拟话音相应的数字话音相应的数字话音标准数码率为64kb/s.

在PCM设备中，各路编码信号，先经时分多路复用，合成的码流再通过信道（或线路）传送到接收端。

在接收端先进行信码再生，定时提取及分路，再经数模变换（即PCM解码）,还原为PAM抽样保持信号。

根据抽样定理，借助低通滤波器便可以从中恢复出模拟话音信号。

由上述可知，话音信号在量化的过程中，必然会产生误差（或失真）,引起通话时附加量化噪声。

对于线性量化情况，量化噪声功率仅与量化间隔大小有关，因而大信号时信噪比高，小信号时信噪比低。

为解决线性量化时小信号音质差的问题，在实际中通常采用不均匀分层的办法，让量化特性在小信号时分层密，即量化间隔小，而在大信号时分层疏，即量化间隔大。

这样就能在编码位数较少的情况下，得到小信号较高的信噪比，以改善通话质量。

为此需要在发送端先将话音信号进行非线性幅度压缩，再进行线性量化与编码，与此对应，在接收端解码后则需对话音信号加以扩张，以补偿因压缩而造成的非线性。

在理想情况下，扩张器与压缩特性应是完全互补的。

在实际中广泛应用两种对数形式的压缩特性，即A律和μ律，CCITT和欧洲邮电部长会议（CEPT）已对A律压缩特性形成了标准，而CCITT与北美贝尔系统已对μ律压缩特性形成了标准，前者主要用于欧洲，后者主要用于北美和日本，我国采用A律压缩方式。

1.5时分多路复用技术

为提高传输信道的利用率，通常采用多路时分复用技术（multiplex）将若干路信息综合于同一信道进行传送。

目前常用的复用方式主要有两大类：

频分复用（FDM）与时分复用（TDM）,它们分别按频率或时间划分信道。

对于频分复用，信道的可用频带被分割成若干互不交叠的频段，每路信号的频谱占用其一，以实现多路相加的FDM信号在同一信道中传输。

在接收端，借助适当的带通滤波器加解调器与带通滤波器即载波生成器等，用以实现信号频谱的搬移和分割。

FDM是一种传统的技术，目前广泛使用于载波电话通信，在程控交换系统中有时也利用用户载波技术进行线对增容。

时分复用是将信道按时间加以分割，各路话音抽样信息依一定的次序轮流地占用某一时段（或时隙），从而实现多路复用。

在程控数字交换系统中，为提高传输速率和交换容量，通常采用PCM复用方式。

对于PCM基群系统，目前国际上有两种复用制式:

30/32路帧结构与24帧结构。

我国采用30/32路结构方式，即一帧占125μs,分为32个时隙（TS0-TS31）,而只传送30路话音编码信息。

CCITTG.732建议对基群（一次群）规定的技术数据如下表。

参数30/32路制式24路制式

话音频带（Hz）300-3400300-3400

抽样率（KHz）88

量化层数256256

压缩律A律（A=87.6）μ律（μ=255）

编码位数/抽样88

单路数码率（kb/s）6464

帧长（μs）125125

时隙/帧3224

话路/帧3024

复用码流速率（kb/s）20481544

对30/32路制式，帧长为125μs,帧频为8KHZ,一帧包含32个时隙，每时隙为8Bit,占3.9μs,显然每帧共有256位码，码长为0.488μs。

其中TS1-TS15,TS17-TS31时隙依次传送第1-30路话音各自的8位编码组；TS0的后7位传送供接收端作路序标志用的帧同步码（0011011）,TS16传送各路控制，标志信号与复帧同步码。

所以，每路码率为64kb/s,复用码流速率为2048kb/s.

在数字通信中，经常需要将编码数字信号复用成更高速率的群路信号，以适应各种信道或介质的传输能力，数字复用技术就是实现多路数字信号按时分复用方式汇接成一路复合数字信号（群路信号）.这个实现过程通常称为复接（复用）,其逆过程称为分接（去复用）,完成复接，分接全过程就是”复用”（MUX,Multiplex）.如前所述，目前传送数字电话主要采用PCM通信方式。

国际上现已广泛应用的复用制式有两种，一种时24路作为一个基群;另一种是以30.32路为一个基群。

在这两种基群制式的基础上，如同频分多路复用那样，PCM复用设备也按复用路数和速率划分为群路等级，在各个复用等级上将数个低速率群路信号复接为一个高速率群路信号，以满足传输信道容量日益增长的要求，提高信道利用率。

为此CCITT推荐了两类群路复用等级，北美和日本采用:

154kb/s（基群,或称一次群）,6312kb/s（二次群）,32064kb/s或44736kb/s（三次群）,97728kb/s或274176kb/s（四次群）等；欧洲各国和我国采用:

2048kb/s（基群），8448kb/s（二次群），8448kb/s（二次群）,24368kb/s（三次群）,189264kb/s（四次群）,564992kb/s（五次群）等。

在具体的实现和应用上有同步复接与准同步复接两种情况，前者要求各支路码流与群路码流的定时信号来自同一时钟源，其间保持固定的相位关系；后者来自不同的时钟源，因而存在着相位飘移和抖动问题，在复接时为保证信息的正确传送，通常采用码速调整技术。

关于不同群路等级的复用方式与帧结构CCITT建议中做了详细规定。

在我国广泛应用的程控数字交换系统中普遍利用2048kb/s时分复用总线作为外围模块与交换网络模块间，交换网络模块与中央控制模块间，远端外围模块与交换网络模块间的通信链路。

顺便说明一点，为充分发挥光纤宽带传输的特点与潜力，1985年贝尔通信研究所提出同步光纤网（SONET-SynchronousOpticalNetwork）标准，业已广泛用于北美。

1988年CCITT对SONET标准进行了研究和修改，提出同步数字系列，对复用速率，帧结构，接口等作了详细规定。

这种复用标准主要应用于光纤通信网和宽带综合业务网。

1.6程控交换机的基本构成

电话交换机的主要任务是实现用户间通话的接续。

基本划分为两大部分：

话路设备和控制设备。

话路设备主要包括各种接口电路（如用户线接口和中继线接口电路等）和交换（或接续）网络；控制设备在纵横制交换机中主要包括标志器与记发器，而在程控交换机中，控制设备则为电子计算机，包括中央处理器（CPU）,存储器和输入/输出设备。

程控交换机实质上是采用计算机进行“存储程序控制”的交换机，它将各种控制功能，方法编成程序，存入存储器，利用对外部状态的扫描数据和存储程序来控制，管理整个交换系统的工作。

1.6.1交换网络

交换网络的基本功能是根据用户的呼叫要求，通过控制部分的接续命令，建立主叫与被叫用户间的连接通路。

在纵横制交换机中它采用各种机电式接线器（如纵横接线器，编码接线器，笛簧接线器等）,在程控交换机中目前主要采用由电子开关阵列构成的空分交换网络，和由存储器等电路构成的时分接续网络。

1.6.2用户电路

用户电路的作用是实现各种用户线与交换之间的连接，通常又称为用户线接口电路（SLIC,SubscriberLineInterfaceCircuit）。

根据交换机制式和应用环境的不同，用户电路也有多种类型，对于程控数字交换机来说，目前主要有与模拟话机连接的模拟用户线电路（ALC）及与数字话机，数据终端（或终端适配器）连接的数字用户线电路（DLC）。

模拟用户线电路是适应模拟用户环境而配置的接口，其基本功能有:

.馈电（Batteryfeed）:

交换机通过用户线向共电式话机直流馈电；

.过压保护（OvervoltageProtection）:

防止用户线上的电压冲击或过压而损坏交换机。

.振铃（Ringing）：

向被叫用户话机馈送铃流。

.监视（Supervision）：

借助扫描点监视用户线通断状态，以检测话机的摘机，挂机，拨号脉冲等用户线信号，转送给控制设备，以表示用户的忙闲状态和接续要求。

.编解码（CODEC）：

利用编码器和解码器（CODEC）,滤波器，完成话音信号的模数与数模交换，以与数字交换机的数字交换网络接口。

.混合（Hybrid）：

进行用户线的2/4线转换，以满足编解码与数字交换对四线传输的要求。

.测试（Test）：

提供测试端口，进行用户电路的测试。

这7种功能常用第一个字母组成的缩写词（BORSCHT）代表。

对于模拟程控交换机，不需要编解码功能；而在数字程控交换机中，除某些特定应用的小型交换机利用增量调制方式外，其它大部分均采用PCM编解码方式。

数字用户线电路是为适应数字用户环境而设置的接口，它主要用来通过线路适配器（LAM）或数字话机（SOPHO-SET）与各种数据终端设备（DTE）如计算机，打印机，VDU,电传相连。

1.6.3出入中继器

出入中继器是中继线与交换网络间的接口电路，用于交换机中继线的连接。

它的功能和电路与所用的交换系统的制式及局间中继线信号方式有密切的关系。

对模拟中继接口单元（ATU）,其作为是实现模拟中继线与交换网络的接口，基本功能一般有：

1.发送与接收表示中继线状态（如示闲，占用，应答，释放等）的线路信号。

2.转发与接收代表被叫号码的记发器信号。

3.供给通话电源和信号音。

4.向控制设备提供所接收的线路信号。

对于最简单的情况，某一交换机的中继器通过实线中继线与另一交换机连接，并采用用户环路信令，则该模拟中继器的功能与作用等