用戶電話程控交換機(jī)工作原理

1、用戶電話程控交換機(jī)工作原理內(nèi)容提要：隨著社會(huì)需求的日益增長(zhǎng)和科技水平的不斷提高，電話已經(jīng)成為每個(gè)單位和家庭不可缺少的一部分，本文對(duì)與電話密不可分的程控交換機(jī)的工作原理、組成、工作流程以及其中最關(guān)鍵的多路復(fù)用技術(shù)進(jìn)行講解。關(guān)鍵詞：程控交換機(jī) 原理 多路復(fù)用自1876年美國(guó)貝爾發(fā)明電話以來(lái)，電話交換技術(shù)一直處于飛速的變革和發(fā)展之中。隨著電話數(shù)量的增加，我們身邊的電話網(wǎng)絡(luò)變得越來(lái)越龐大，在這龐大的網(wǎng)絡(luò)中，有一種設(shè)備是不可缺少的，那就是用戶電話程控交換機(jī)。因?yàn)橛脩艚粨Q機(jī)為市話網(wǎng)承擔(dān)了大量的內(nèi)部用戶間的話務(wù)量，減輕了市話網(wǎng)的話務(wù)負(fù)荷，因此它是市話網(wǎng)的重要組成部分，是市話交換機(jī)的一種補(bǔ)充設(shè)備。用戶電話交換

2、機(jī)是進(jìn)行內(nèi)部電話交換的一種專用交換機(jī)，其基本功能是完成單位內(nèi)部用戶的相互通話，也可以裝有出入中繼線與公用電話網(wǎng)相連接。由于這類交換機(jī)可根據(jù)用戶需要增加若干附加性能以提供使用上的方便。因此這類交換機(jī)具有較大的靈活性。另外用戶交換機(jī)在各單位分散設(shè)置，更靠近用戶，因而縮短了用戶線距離，節(jié)省了用戶電纜；同時(shí)用少量的出入中繼線接入市話網(wǎng)，起到話務(wù)集中的作用。從這些方面講，使用用戶交換機(jī)都有較大的經(jīng)濟(jì)意義。因此公用網(wǎng)建設(shè)中，用戶交換機(jī)起著重要的作用。一 用戶電話交換機(jī)的分類用戶電話交換機(jī)就控制方式主要分兩大類： 1.1 布線邏輯控制交換機(jī)是通過(guò)布線方式實(shí)現(xiàn)交換機(jī)的邏輯控制功能，通常這種交換機(jī)仍使用機(jī)電接線

3、器而將控制部分更新成電子器件，因此稱它為布控半電子式交換機(jī)，這種交換機(jī)相對(duì)于機(jī)電交換機(jī)來(lái)說(shuō)，雖然在器件與技術(shù)上向電子化邁進(jìn)了一大步，但它基本上繼承與保留了縱橫制交換機(jī)布控方式的弊端：體積大、業(yè)務(wù)與維護(hù)功能低、缺乏靈活性。因此它只是機(jī)電式向電子式演變歷程中的過(guò)度性產(chǎn)物。 1.2 存儲(chǔ)程序控制交換機(jī)是將用戶的信息和交換機(jī)的控制，維護(hù)管理功能預(yù)先編成程序，存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器內(nèi)。當(dāng)交換機(jī)工作時(shí)，控制部分自動(dòng)監(jiān)測(cè)用戶的狀態(tài)變化和所撥號(hào)碼，并根據(jù)要求執(zhí)行程序，從而完成各種交換功能。通常這種交換機(jī)屬于全電子型，采用程序控制方式，因此稱為存儲(chǔ)程序控制交換機(jī)，或簡(jiǎn)稱為程控交換機(jī)。程控交換機(jī)按接續(xù)方式可分為程控

4、空分交換機(jī)和程控時(shí)分交換機(jī)；按信息傳送方式可分為：模擬交換機(jī)和數(shù)字交換機(jī)。由于程控空分交換機(jī)的接續(xù)網(wǎng)絡(luò)（或交換網(wǎng)絡(luò)）采用空分接線器（或交叉點(diǎn)開關(guān)陣列），且在話路部分中一般傳送和交換的是模擬話音信號(hào)，因而習(xí)慣稱之為程控模擬交換機(jī)，這種交換機(jī)不需進(jìn)行話音的模數(shù)轉(zhuǎn)換（編解碼），用戶電路簡(jiǎn)單，因而成本低，目前主要用作小容量模擬用戶交換機(jī)。程控時(shí)分交換機(jī)一般在話路部分中傳送和交換的是模擬話音信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，因而習(xí)慣稱為程控?cái)?shù)字交換機(jī)。由于程控?cái)?shù)字交換技術(shù)的先進(jìn)性和設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，使其交換技術(shù)跨上了一個(gè)新的臺(tái)階，而且對(duì)實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)數(shù)字交換奠定了基礎(chǔ)，因而成為交換技術(shù)的主要發(fā)展方向，隨著微處理器技術(shù)和專用集成

5、電路的飛躍發(fā)展，程控?cái)?shù)字交換的優(yōu)越性愈加明顯的展現(xiàn)出來(lái)。目前所生產(chǎn)的中大容量的程控機(jī)全部為數(shù)字式的。二 程控交換機(jī)的基本組成用戶電話交換機(jī)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)用戶間通話的接續(xù)?；緞澐譃閮纱蟛糠郑涸捖吩O(shè)備和控制設(shè)備。話路設(shè)備主要包括各種接口電路（如用戶線接口和中繼線接口電路等）和交換網(wǎng)絡(luò)；控制設(shè)備在程控交換機(jī)中，包括中央處理器（CPU），存儲(chǔ)器和輸入 /輸出設(shè)備。程控交換機(jī)基本構(gòu)成如圖1所示。程控交換機(jī)實(shí)質(zhì)上是采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行“存儲(chǔ)程序控制”的交換機(jī)，它將各種控制功能，方法編成程序，存入存儲(chǔ)器，利用對(duì)外部狀態(tài)的掃描數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)程序來(lái)控制，管理整個(gè)交換系統(tǒng)的工作。圖1 程控交換機(jī)基本組成2.1 交換網(wǎng)絡(luò)

6、 交換網(wǎng)絡(luò)的基本功能是根據(jù)用戶的呼叫要求，通過(guò)控制部分的接續(xù)命令，建立主叫與被叫用戶間的連接通路。在縱橫制交換機(jī)中它采用各種機(jī)電式接線器（如縱橫接線器，編碼接線器，笛簧接線器等），在程控交換機(jī)中目前主要采用由電子開關(guān)陣列構(gòu)成的空分交換網(wǎng)絡(luò)，和由存儲(chǔ)器等電路構(gòu)成的時(shí)分接續(xù)網(wǎng)絡(luò)。2.2 用戶電路 用戶電路的作用是實(shí)現(xiàn)各種用戶線與交換之間的連接，通常又稱為用戶線接口電路（SLIC）。根據(jù)交換機(jī)制式和應(yīng)用環(huán)境的不同，用戶電路也有多種類型，對(duì)于程控?cái)?shù)字交換機(jī)來(lái)說(shuō)，目前主要有與模擬話機(jī)連接的模擬用戶線電路 （ALC）及與數(shù)字話機(jī)，數(shù)據(jù)終端（或終端適配器）連接的數(shù)字用戶線電路2.3 出入中繼器 出入中繼器是

7、中繼線與交換網(wǎng)絡(luò)間的接口電路，用于交換機(jī)中繼線的連接。它的功能和電路與所用的交換系統(tǒng)的制式及局間中繼線信號(hào)方式有密切的關(guān)系。對(duì)模擬中繼接口單元（ATU），其作用是實(shí)現(xiàn)模擬中繼線與交換網(wǎng)絡(luò)的接口，基本功能一般有：發(fā)送與接收表示中繼線狀態(tài)（如示閑、占用、應(yīng)答、釋放等）的線路信號(hào)、轉(zhuǎn)發(fā)與接收代表被叫號(hào)碼的記發(fā)器信號(hào)、向控制設(shè)備提供所接收的線路信號(hào)。2.4 控制設(shè)備 控制部分是程控交換機(jī)的核心，其主要任務(wù)是根據(jù)外部用戶與內(nèi)部維護(hù)管理的要求，執(zhí)行存儲(chǔ)程序和各種命令，以控制相應(yīng)硬件實(shí)現(xiàn)交換及管理功能。 程控交換機(jī)控制設(shè)備的主體是微處理器，通常按其配置與控制工作方式的不同，可分為集中控制和分散控制兩類。為了

8、更好的適應(yīng)軟硬件模塊化的要求，提高處理能力及增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性與可靠性，目前程控交換系統(tǒng)的分散控制程度日趨提高，已廣泛采用部分或完全分布式控制方式。三 程控交換機(jī)基本工作流程 當(dāng)用戶在使用程控交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的電話時(shí)，每次通話都要分為：摘機(jī)、撥號(hào)、通話和掛線這四個(gè)步驟，下面介紹一下這四個(gè)步驟中程控交換機(jī)的工作流程。程控交換機(jī)基本工作流程示意圖如圖2所示圖2 程控交換機(jī)基本工作流程示意圖3.1 摘機(jī)當(dāng)用戶每次摘機(jī)或磁石電話用戶振鈴時(shí)，用戶向程控交換機(jī)發(fā)出請(qǐng)求，這時(shí)由用戶電路將檢測(cè)到的信號(hào)呼叫給控制設(shè)備，控制設(shè)備通過(guò)接口單元用交換網(wǎng)絡(luò)為用戶分配一條線路，同時(shí)通過(guò)用戶電路給用戶發(fā)出撥號(hào)音并分配收號(hào)器。3.

9、2 撥號(hào)用戶在聽到撥號(hào)音后，使用電話上的DTMF撥號(hào)器將要呼叫的電話號(hào)碼通過(guò)用戶電路傳遞給控制設(shè)備，這時(shí)控制設(shè)備通過(guò)接口單元控制交換網(wǎng)絡(luò)將主叫用戶與被叫用戶的線路相連接，并通過(guò)用戶電路向被叫用戶發(fā)出振鈴信號(hào)，同時(shí)主叫用戶可以聽到提示音：如果被叫用戶如果處于空閑狀態(tài)時(shí)，主叫用戶聽到的是等待音；如果被叫用戶處于忙狀態(tài)時(shí)，主叫用戶將聽到忙音。當(dāng)線路連接成功后，程控交換機(jī)將關(guān)閉撥號(hào)音和收號(hào)器。3.3 通話當(dāng)被叫用戶聽到振鈴信號(hào)并摘機(jī)后，主叫用戶和被叫用戶的話音信道就搭建成功，雙方可以使用這條信道進(jìn)行語(yǔ)音通話或數(shù)據(jù)傳輸（如傳真等）。3.4 掛線 當(dāng)通話雙方的任意一方掛線時(shí)，用戶向程控交換機(jī)中的控制設(shè)備發(fā)

10、出掛線信號(hào)，這時(shí)控制設(shè)備將控制交換網(wǎng)絡(luò)斷開通話雙方的線路，并向未掛線的一方發(fā)出忙音信號(hào)。這標(biāo)志著本次通話結(jié)束。四 程控交換機(jī)中的多路復(fù)用技術(shù)在程控交換機(jī)中最關(guān)鍵的技術(shù)就是多路復(fù)用技術(shù)，多路復(fù)用（MUX）這一術(shù)語(yǔ)來(lái)源于拉丁詞multi（許多）和plex（混合）。多路復(fù)用指的是復(fù)用信道，即是利用一個(gè)物理信道同時(shí)傳輸多個(gè)信號(hào)，以提高信道利用率，使得一條線路能同時(shí)由多個(gè)用戶使用而互不影響。多路復(fù)用器連接許多條低速線路，并將它們各自所需的傳輸容量組合在一起后，在一條速度較高的線路上傳輸。也即低速線路在其遠(yuǎn)端合并，僅由一條較高速度的線路傳輸所有信息，而不是在一個(gè)發(fā)送端和接收端之間連接著許多低速線路。如圖3

11、所示圖3 多路復(fù)用示意圖多路復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)是：僅需一條傳輸線路，所需介質(zhì)較少，所用的傳輸介質(zhì)的容量可以得到充分利用。從而降低了設(shè)備費(fèi)用，提高了工作效率。而且用戶不需要進(jìn)行任何實(shí)際的修改，多路復(fù)用系統(tǒng)對(duì)用戶是透明的，每個(gè)很遠(yuǎn)的地點(diǎn)都好像仍然直接接到總部所在地。同時(shí)，由于線路中用的緩沖部件較少，時(shí)間延遲較少。多路復(fù)用技術(shù)分為空分復(fù)用技術(shù)（SDM）和時(shí)分復(fù)用技術(shù)，時(shí)分復(fù)用技術(shù)又分為頻分復(fù)用技術(shù)（FDM）和時(shí)分復(fù)用技術(shù)（TDM）4.1 空分復(fù)用技術(shù)（SDM）空分復(fù)用是指通過(guò)信號(hào)在空間上的分離來(lái)達(dá)到信道的復(fù)用。每一條鏈路對(duì)應(yīng)一對(duì)用戶，這種技術(shù)適用于用戶較少的程控交換機(jī)。4.2 頻分復(fù)用技術(shù)（FDM）頻分復(fù)用

12、（FDM）是指載波帶寬被劃分為多種不同頻帶的子信道，每個(gè)子信道可以并行傳送一路信號(hào)的一種技術(shù)。FDM常用于模擬傳輸?shù)膶拵ЬW(wǎng)絡(luò)中。 在通信系統(tǒng)中，信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號(hào)所需的帶寬寬得多。如果一個(gè)信道只傳送一路信號(hào)是非常浪費(fèi)的，為了能夠充分利用信道的帶寬，就可以采用頻分復(fù)用的方法。在頻分復(fù)用系統(tǒng)中，信道的可用頻帶被分成若干個(gè)互不交疊的頻段，每路信號(hào)用其中一個(gè)頻段傳輸，因而可以用濾波器將它們分別濾出來(lái)，然后分別解調(diào)接收。4.2.1 頻分復(fù)用原理 頻分復(fù)用原理如圖4圖4 頻分復(fù)用示意圖在物理信道的可用帶寬超過(guò)單個(gè)原始信號(hào)（如圖4中的CH1、CH2和CH3這3路信號(hào)）所需帶寬情況下，可將該

13、物理信道的總帶寬分割成若干個(gè)與傳輸單個(gè)信號(hào)帶寬相同（或略寬）的子信道；然后在每個(gè)子信道上傳輸一路信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)在同一信道中同時(shí)傳輸多路信號(hào)。多路原始信號(hào)在頻分復(fù)用前，先要通過(guò)頻譜搬移技術(shù)將各路信號(hào)的頻譜搬移到物理信道頻譜的不同段上，使各信號(hào)的帶寬不相互重疊（搬移后的信號(hào)如圖4中的中間3路信號(hào)波形）；然后用不同的頻率調(diào)制每一個(gè)信號(hào)，每個(gè)信號(hào)都在以它的載波頻率為中心，一定帶寬的通道上進(jìn)行傳輸。為了防止互相干擾，需要使用抗干擾保護(hù)措施帶來(lái)隔離每一個(gè)通道。4.2.2 頻分復(fù)用系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)頻分復(fù)用系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是信道復(fù)用率高，分路方便，因此頻分復(fù)用是目前模擬通信中常采用的一種復(fù)用方式。但同時(shí)頻分復(fù)用又存在一些問(wèn)

14、題，主要表現(xiàn)在各路信號(hào)之間的相互干擾，即串?dāng)_。引起串?dāng)_的主要原因是濾波器特性不夠理想和信道中的非線性特性造成的已調(diào)信號(hào)頻譜的展寬。調(diào)制非線性所造成的串?dāng)_可以部分地由發(fā)送帶通濾波器消除，但信道傳輸中非線性所造成的串?dāng)_則無(wú)法消除。因而在頻分復(fù)用系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)線性的要求很高。合理選擇載波頻率，并在各路已調(diào)信號(hào)頻譜之間留有一定的保護(hù)間隔，也是減小串?dāng)_的有效措施。4.3 時(shí)分復(fù)用技術(shù)（TDM）時(shí)分復(fù)用是指一種通過(guò)不同信道或時(shí)隙中的交叉位脈沖，同時(shí)在同一個(gè)通信媒體上傳輸多個(gè)數(shù)字化數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻信號(hào)等的技術(shù)。4.3.1 時(shí)分復(fù)用原理時(shí)分復(fù)用（TDM）技術(shù)原理如圖5。圖5 時(shí)分復(fù)用示意圖時(shí)分復(fù)用建立在抽樣定理

15、基礎(chǔ)上，因?yàn)槌闃佣ɡ硎惯B續(xù)的基帶信號(hào)變成在時(shí)間上離散的抽樣脈沖（見圖5中的“原始信號(hào)”和“數(shù)字化信號(hào)”兩部分的3路信號(hào)波形），這樣，當(dāng)抽樣脈沖占據(jù)較短時(shí)間時(shí)，在抽樣脈沖之間就留出了時(shí)間空隙。利用這種空隙便可以傳輸其他信號(hào)的抽樣值，因此，就有可能在一條信道同時(shí)傳送若干個(gè)基帶信號(hào)（見圖5中右部分的“復(fù)用后數(shù)據(jù)”）。時(shí)分復(fù)用以時(shí)間作為信號(hào)分割的參量，故必須使各路信號(hào)在時(shí)間軸上互不重疊。由于每路數(shù)據(jù)總是使用每個(gè)時(shí)間片的固定時(shí)隙，所以這種時(shí)分復(fù)用也稱為“同步時(shí)分復(fù)用”。若媒體能達(dá)到的傳輸速率超過(guò)傳輸數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)傳輸速率，可采用時(shí)分復(fù)用（TDM）技術(shù)將一條物理信道按時(shí)間分成若干個(gè)時(shí)間片，然后輪流分配給多

16、個(gè)信號(hào)使用，每一時(shí)間片由復(fù)用的一個(gè)信號(hào)占用。這樣，利用每個(gè)信號(hào)在時(shí)間上的交叉，就可以在一條物理信道上傳輸多個(gè)數(shù)字信號(hào)。時(shí)分復(fù)用不僅局限于傳輸數(shù)字信號(hào)，也可同時(shí)交叉?zhèn)鬏斈M信號(hào)。4.3.2 時(shí)分復(fù)用的應(yīng)用當(dāng)使用頻分復(fù)用時(shí)占有不同頻帶的多路信號(hào)合在一起在同一信道中傳輸，各路頻帶間要有防護(hù)頻帶；而時(shí)分復(fù)用則使占有不同時(shí)隙的多路信號(hào)合在一起在同一信道中傳輸，各路時(shí)隙間要有防護(hù)時(shí)隙。時(shí)分復(fù)用的典型例子：脈碼調(diào)制（PCM）信號(hào)的傳輸，把多個(gè)話路的PCM話音數(shù)據(jù)用TDM的方法裝成幀（幀中還包括幀同步信息和信令信息），每幀在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)發(fā)送，每個(gè)時(shí)隙承載一路PCM信號(hào)。對(duì)于PCM基群系統(tǒng)，目前國(guó)際上有兩種復(fù)用

17、制式：30/32路幀結(jié)構(gòu)與24幀結(jié)構(gòu)，我國(guó)采用的復(fù)用制式為30/32路結(jié)構(gòu)方式，即一幀占125s，分為32個(gè)時(shí)隙(TS0-TS31)，而只傳送30路話音編碼信息。CCITTG.732建議對(duì)基群(一次群)規(guī)定的技術(shù)數(shù)據(jù)如下表。 參 數(shù)30/32路制式24路制式話音頻帶(Hz)300-3400300-3400抽樣率(kHz)88量化層數(shù)256256壓縮律A律(A=87.6)律(=255)編碼位數(shù)/抽樣88單路數(shù)碼率(kb/s)6464幀長(zhǎng)(s)125125時(shí)隙/幀3224話路/幀 30 243024復(fù)用碼流速率(kb/s)20481544對(duì)30/32 路制式，幀長(zhǎng)為125s，幀頻為8kHZ，一幀包

18、含32個(gè)時(shí)隙，每時(shí)隙為8bit，占3.9s，顯然每幀共有256位碼，碼長(zhǎng)為0.488s。其中 TS1-TS15，TS17-TS31時(shí)隙依次傳送第1-30路話音各自的8位編碼組；TS0的后7位傳送供接收端作路序標(biāo)志用的幀同步碼 (0011011)，TS16傳送各路控制，標(biāo)志信號(hào)與復(fù)幀同步碼。所以，每路碼率為64kb/s，復(fù)用碼流速率為2048kb/s。在我國(guó)廣泛應(yīng)用的程控?cái)?shù)字交換系統(tǒng)中普遍利用2048kb/s時(shí)分復(fù)用總線作為外圍模塊與交換網(wǎng)絡(luò)模塊間、交換網(wǎng)絡(luò)模塊與中央控制模塊間、遠(yuǎn)端外圍模塊與交換網(wǎng)絡(luò)模塊間的通信鏈路。以時(shí)分復(fù)用技術(shù)為基準(zhǔn)，PCM復(fù)用設(shè)備也按復(fù)用路數(shù)和速率劃分為群路等級(jí)，在各個(gè)復(fù)用等級(jí)上將數(shù)個(gè)低速率群路信號(hào)復(fù)接為一個(gè)高速率群路信號(hào)，以滿足傳輸信道容量日益增長(zhǎng)的要求，提高信道利用率。為此CCITT推薦了群路復(fù)用等