电话交换机的工作原理

电话交换机的工作原理
关键词 ：程控 交换机 原理 
电话交换机就控制方式而论,主要分两大类:
   1.布线逻辑控制(WLC,Wired Logic Control)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,Stored Program Control)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.

程控交换机按用途可分为市话，长话和用户交换机；按接续方式可分为空分和时分交换机。
程控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。
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(Private Automatic Message Accounting)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(Direct Inward Dialling)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。

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。

SOPHO程控数字交换机以其尽善尽美的软硬件模块化设计，卓越的功能，高度的可靠性，能完全满足各种类型程控用户交换机的要求，并在世界各地组成了庞大的各类专用通信网

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，CCITT G.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) 300-3400 300-3400
抽样率(KHz) 8 8
量化层数 256 256
压缩律 A律(A=87.6) μ律(μ=255)
编码位数/抽样 8 8
单路数码率(kb/s) 64 64
帧长(μs) 125 125
时隙/帧 32 24
话路/帧 30 24
复用码流速率(kb/s) 2048 1544
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-Synchronous Optical Network)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,Subscriber Line Interface Circuit)。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(Battery feed): 交换机通过用户线向共电式话机直流馈电；
. 过压保护(Overvoltage Protection): 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效为一部“话机”。若采用其它更为复杂的信号方式，则中继器应实现相应的话音，信令的传输与控制功能。

数字中继线接口单元(DTU)的作用是实现数字中继线与数字交换网络之间的接口，它通过PCM有关时隙传送中继线信令，完成类似于模拟中继器所应承担的基本功能。但由于数字中继线传送的是PCM群路数字信号，因而它具有数字通信的一些特殊问题，如帧同步，时钟恢复，码型交换，信令插入与提取等，即要解决信号传送，同步与信令配合三方面的连接问题。
数字中继接口单位的基本功能包括帧与复帧同步码产生，帧调整，连零抑制，码型变换，告警处理，时钟恢复，帧同步搜索及局间信令插入与提取等，如同模拟用户电路的BORSCHT,也可将数字中继单元的上述8种功能概括为GAZPACHO。
1.6.4 控制设备
控制部分是程控交换机的核心，其主要任务是根据外部用户与内部维护管理的要求，执行存储程序和各种命令，以控制相应硬件实现交换及管理功能。
程控交换机控制设备的主体是微处理器，通常按其配置与控制工作方式的不同，可分为集中控制和分散控制两类。为了更好的适应软硬件模块化的要求，提高处理能力及增强系统的灵活性与可靠性，目前程控交换系统的分散控制程度日趋提高，已广泛采用部分或完全分布式控制方式。
1.7 信令系统(Signalling System)

在交换机内各部分之间或者交换机与用户，交换机与交换机间，除传送话音，数据等业务信息外，还必须传送各种专用的附加控制信号(信令)，以保证交换机协调动作，完成用户呼叫的处理，接续，控制与维护管理功能。

按信令的作用区域划分，可分为用户线信令与局间信令，前者在用户线上传送，后者在局间中继线上传送。如果按信令的功能划分，则可分为监视信令，地址信令与维护管理信令。
1.7.1 用户线信令
它是在用户与交换机之间用户线上传送的信令。对于模拟电话用户线，这种信令包括：
一.监视信令
此信令反映直流用户环路通断的各种用户状态信号，如主叫用户摘机(off-hook)(呼出占用),主叫用户挂机(on-hook)(正在清除或拆线)及被叫用户摘机(应答),被叫用户挂机(反向清除或拆线)。交换机检测到这些信号时便会执行相应的软件，产生有关的动作，如交换机向主叫用户发拨号音或忙音，回铃音等，或向被叫用户馈送振铃信号等。
二.地址信令(被叫号码)
此信令为主叫用户发送的被叫号码，交换机识别后控制交换网络进行接续。目前广泛应用的模拟话机有两类：脉冲式话机与双音频式话机。
1.直流脉冲信号
拨号盘话机或脉冲式按键式话机发送直流脉冲信号，通过话机拨号控制用户环路电路断续而产生直流脉冲串。
2.双音多频信号
程控交换机的快速多频按键话机所发送的拨号信号，不再用脉冲而用同时发送的“双音”表示一个数字。
1.7.2 局间信令
此信令是在交换机或交换局之间中继线上传送的信号，用以控制呼叫的接续。由于目前使用的交换机制式和中继传输信道类型很多，组网涉及面广，因而局间信令比较复杂。为保证通信网中交换机互通，必须建立统一的国际与国内标准。
根据信令通道与话音通路的关系，可将局间信令分为随路信令(CAS,Channel Associated Signalling)与共路信令(CCS,Common Channel Signalling);若按信道与信号的形式，又可分为直流，交流与数字型信令。如同用户线信令，也可将局间信令按功能分为监视信令，地址信令与管理信令。
各种机电式交换机都采用随路信令，虽然目前程控数字交换机仍多采用随路信令，但它一般具有采用共路信令的功能与潜力。为充分发挥程控数字交换系统的优点，采用先进的共路信令是当前程控交换技术的一个重要发展方向。
一. 随路信令
将话路所需要的控制信号由该话路本身或与之有固定联系的一条信令通道来传送，即用同一通路传送话音信息和与其相应的信令。
二.共路信令
将一组话路所需的各种控制信号集中到一条与话音通路分开的公共信号数据链路上进行传送。CCITT No.7号信令是一种目前最先进，应用最广泛的国际标准化共路信令系统，由于它将信令和话音通路分开，可采用高速数据链路传送信令，因而具有传送速度快，呼叫建立时间短，信号容量大，更改与扩容灵活及设备利用率高等特点，最适用于程控数字交换与数字传输相结合的综合数字网和未来综合业务数字网。