第4章 程控数字交换机的终端设备

第四章程控交换机的硬件系统4.1程控交换机的硬件结构4.2用户级4.3中继器4.4信号设备4.5控制系统4.1程控交换机的硬件结构程控交换机是由硬件系统和软件系统组成。硬件主要包括话路部分和控制部分。4.1.1话路部分：用户级、数字交换网络、中继器、信号设备。4.1.2控制部分：处理机、存储器、各种外围设备等话路部分主要负责监视用户线或中继线的状态，连接用户线、中继线与交换网络之间的链路，实现信息的交换，完成向用户或其他交换局发送、接收信号等呼叫接续工作。控制部分的主要功能部件包括：中央处理机、外围处理机以及输入、输出设备，其主要作用是收集、存储和分析各种信号，控制交换网络的接续。

4.1.1话路部分

1．用户级和远端用户级 用户级由用户电路和话务集中两部分组成。用户级提供对用户线的接口，将用户话机的模拟信号转化成数字信号，并可完成BORSCHT功能。 远端用户级的基本功能与局内用户级相似，也包括用户电路和话务集中两部分，只是将用户级接到远离交换局的用户较集中的区域，这就缩短了用户线路。

2．数字交换网络数字交换网络是整个交换机的核心，是话务处理的中心。数字交换网络接收和发出的信号是以数字多路复用技术为基础的PCM数字信号。3．模拟中继接口模拟中继接口是数字交换网络与其他采用模拟中继线的交换机相连接的接口.

模拟中继线可以是传送音频信号的实线中继线，也可以是频分多路复用的模拟载波中继线。对于实线中继线，模拟中继接口需将模拟信号转换成数字信号；对于频分多路复用的中继线，可直接将频分多路复用信号转换成时分复用信号，进而变换成PCM编码。

4．数字中继接口数字中继接口是数字交换网络与数字中继线之间的接口电路。中继线上传送的数字信号经数字中继接口进行同步、码型变换和线路信号提取等，变为数字交换网络可以接受的数字信号形式。

5．信号设备信号设备分为信号音发生器及多频信号接收器和发送器。多频信号接收器和发送器主要用于记发器多频信号的接收和发送，同时包括双音频话机的双音多频接收器。多频接收器和发送器均可接收或发送数字化的多频信号。4.1.2控制部分 控制部分的作用主要是存储各种程序和数据，对交换机的各种信息进行处理，对通话部分及输入、输出设备发出指令。控制部分由处理机、存储器、各种外围设备组成。图4-1所示的交换机采用是一种两级控制的分散控制方式，由中央处理机和外围处理机构成其控制系统。其中中央处理机对数字交换网络和公共资源设备进行控制；外围处理机中的用户处理机完成较简单而工作量大的任务，还有一些其他的外围处理设备放置在外围接口电路中，这些外围处理机在中央处理机的统一控制下，完成部分较单纯的工作。4.2用户级 用户级话路由用户电路和话务集中组成。用户级提供对用户线的接口，将用户话机的模拟信号转化成数字信号，并可完成BORSCHT功能。也完成话务集中的任务，将每一个用户话务所发出的较小的话务量进行集中，送至数字交换网络，提高用户级和数字交换网络之间中继线的利用率。 用户级话路由用户电路和用户集线器组成。用户电路是用户线与交换机的接口电路，若用户线连接的终端是模拟话机，则用户线称为模拟用户线，其用户电路称为模拟用户电路，应有模/数（A/D）转换和数/模（D/A）转换的功能。4.2.1模拟用户电路

在程控数字交换机中，用户电路（SubscriberLineCircuit，SLC）应具有七大功能，其框图如图所示。用户电路的功能包括：

馈电、过压保护、振铃、监视、编译码及滤波、二／四线转换、测试，简称为BORSCHT功能。

对应关系为：B-向用户馈送电源、O-过压保护、R-振铃、S-监视、C-编、译码及滤波、H-二／四线转换、T-测试。

用户电路的功能框图1．馈电（B）

向用户话机馈电是采用−48V（或−60V）的直流电源供电。馈电方式分为电压馈电和电流馈电。。电压馈电时要用到电感线圈，其工作原理如图4-2(a)所示。电感线圈对直流来说，阻值很小，便于向用户话机馈送足够的电流；电感线圈对交流信号阻值很大，有利于对话音信号形成高阻抗，减小话音电流的分流。电流馈电是由程控交换机向用户分机提供恒定的直流电流。图4-2(b)是一种简单的恒流馈电示意图，它通过电子元器件组成的恒流源向用户馈电。2．过压保护（O） 用户外线可能受到雷电袭击，也可能和高压线相碰。交换机一般使用两级保护，第一级保护是在总配线架上安装避雷器和放电管，用来防止雷电。第二级就是用户电路中的过压保护。3．振铃控制（R）振铃控制的基本功能是为用户话机提供符合规定的铃流信号，以便向被叫用户振铃，提示用户有电话呼叫来。同时还要随时检测被叫用户是否摘机应答，以便及时截铃。 振铃电压为交流90±15V，频率为25Hz，当铃流高压送往用户线时，就必须采取隔离措施，使其不能流向用户电路的内线，否则将引起内线电路的损坏。一般采用振铃继电器实现。4．监视（S） 监视功能主要是监视用户线的通/断状态，及时将用户线的状态信息送给处理机处理。程控交换机采用运算放大器监视用户a、b线状态的变化，通过直流环路电流的通断来判断监视用户的摘挂机和拨号。当用户话机为挂机状态时，环路中没有直流电流，检测电阻上的电压为0，跨接的运算放大器输出为“1”信号，将该信号送往扫描电路或扫描存储器；一旦用户摘机则检测电阻上产生电压，使运算放大器输出为“0”信号，即表示用户摘机。5．编译码和滤波（C） 用户讲话时，话筒将声音转换为模拟话音电流，这个模拟话音电流不能直接通过交换机的数字交换网络，编译码和滤波功能是完成模拟信号和数字信号间的转换。6．混合电路（H）数字交换是四线单向交换的，而用户线上的模拟话音信号是按二线双向传送的。混合电路的功能是用来进行二/四线转换。二/四线转换必须在编译码电路以前。7．测试（T） 测试功能主要用于及时发现用户终端、用户线路和用户线接口电路可能发生的混线、断线、接地、与电力线碰接以及元器件损坏等各种故障，以便及时修复和排除。

BORSCHT功能整体框图如4-9所示。

4.2.2用户集线器 用户集线器（SubscriberLineConcentrator，SLC）是用来进行话务量的集中（或分散）的。

如果一条中继线只传送一路话路，就会使交换网络的利用率降低，造成浪费。为此需要将用户分散的话务量进行集中，以提高数字交换网络的利用率。在数字交换网络中采用数字时分复用的方法进行话务集中。首先将每30路数字话音信号合成一条PCM30/32-次群复用线，接到T型接线器的输入端，然后在其输出端再进行复合，最后合成一个PCM30/32路高速母线接至数字交换网络。用户级T接线器复用示意图 上行通路和下行通道的用户级T接线器是分别采用读出控制方式和写入控制方式。LCMU和LCMD的内容分别代表话音存储器（SMU和SMD）的读出地址和写入地址，所以控制存储器的单元数是128个单元，与各话音存储器的单元数一样。数字用户电路 数字用户电路（DigitalLineCircuit，DLC）是数字用户终端设备与程控数字交换机之间的接口电路。1．S接口 数字用户终端的数字信息采用四线制方式时，应采用S接口。2．U接口

U接口是在网络终端到电话局之间的ISDN用户线采用二线制市话电缆的接口设备。（1）时间分隔复用法（TimeDivisionMultiplex） 这种方法又称“乒乓法”。它是将时间分成两段，在一段时间传送一个方向的信息，在另一段时间里传送另一个方向的信息，就好像打乒乓球似的。（2）回波消除法（EchoCancellation） 采用二线制的数字用户线在与交换连接时，要采用混合电路进行二/四线的变换。在混合电路中有平衡网络，使收、发两端衰减很大。4.3中继器

交换机之间是通过中继线连接的，交换机和中继线之间的接口为中继器。4.3.1模拟中继器 模拟中继器是数字交换机与其他交换机之间采用模拟中继线相连接的接口电路，它是为数字交换机适应模拟环境而设置的。4.3中继器

交换机之间是通过中继线连接的，交换机和中继线之间的接口为中继器。4.3.1模拟中继器 模拟中继器是数字交换机与其他交换机之间采用模拟中继线相连接的接口电路，它是为数字交换机适应模拟环境而设置的。模拟中继器的主要功能和模拟用户电路相似，包括测试、信号发送与接收、过压保护、混合电路、话音信号的A/D和D/A转换。少了振铃控制和馈电，多了一个忙/闲指示功能，同时有一个对线路信号的监视。模拟中继器直接进入交换网络。4.3.2数字中继器1．功能

数字中继器是连接数字局之间的数字中继线与数字交换网络的接口电路，它的输入端和输出端都是数字信号，因此，不需要进行模/数和数/模转换。但它们的数字信号具有不同的码型，而且时钟频率和相位也有差异，另外控制信号的格式也不一样。需要数字中继器来协调工作。对于PCM传输系统的数字中继接口电路，可以用GAZPACHO功能来表示。G帧码产生、A帧定位、Z连零码抑制、P码型变换、A告警处理、C时钟恢复、H帧同步、O信令插入提取2．工作原理（1）帧码产生

30/32路PCM一次群的帧结构由30个话路时隙、一个信令时隙和一个帧同步时隙组成。帧同步的产生就是在发生PCM码流中，偶帧零时隙（TS0）的第2位至第8位插入同步码“0011011”和奇帧零时隙（TS0）的第2位插入固定码“1”，由接收端识别以建立帧同步。（2）帧定位 数字交换网络对许多时分复用线进行交换时，要求每条复用线进入交换网的时隙号都是给定的。但来自各条数字中继线的数字复用码流的帧定位信号和本机帧定位信号不同步，这就要求接口电路对输入码流进行调整，使其同步后再进入数字交换网络。帧定位是使输入的码流相位和局内的时钟相位同步。（3）连零码抑制

由中继线所传来的PCM码流中每一位的定位时钟都是从PCM码流本身的脉冲激励的谐振电路中提取的。所传输的信号为“1”时，表示有脉冲；为“0”时表示没有脉冲。如果传输码流中有多个0码相连，谐振电路会因长时间无激励而衰减，影响定位时钟的提取，从而影响原来码流信号的恢复，因此需要对连零码抑制。

4．码型变换根据再生中继传输的特点，PCM传输线上传输的数字码，采用高密度双极性码HDB3码或双极性码AMI码。在数字交换机内部，一般使用二进制码和单极性不归零码。为了适应这些要求，接口中传输信号的两个方向都要进行码型变换。如图4-12所示，输入为双变单，而输出为单变双。

5．告警处理

PCM码流在传输中由于受到干扰等因素的影响，接收端不能正确恢复原码流。集中反映在传输波形正负极性规律被破坏、位失步、帧失步和复帧失步等方面。当影响超过一定范围时就要成为故障而发出告警指示要求维护，严重时将影响中继线的正常使用。告警指示不仅要通知本端的控制设备和维护管理系统，还要通知对端。因此接口电路的告警处理功能应由误码检测、帧同步检测、复帧同步检测、对端告警检测和告警位插入等部分组成。

6．时钟恢复接收数字中继线送来的PCM线路码，首先要恢复时钟，然后按时钟信号对送来的PCM码流中的每一位码在码位的中央进行抽样，判定为“0”码或“1”码，以重新恢复成矩形脉冲码型。时钟信号是从输入的PCM码流中用谐振电路来提取的，与码流的速率一致，亦称外同步。可以用这个时钟与本局时钟（内时钟）进行校对，以取得网同步。

7．帧同步在收端从输入PCM传输线上获得输入的帧定位信号的基础上产生收端各路时隙脉冲，使之与发端的帧时隙脉冲自TSO起的各路对齐，以便发端发送的各路信码能正确地被收端各路接收，这就是帧同步。

在PCM数字通信帧结构中，为了实现帧同步，发端固定在偶帧的TSO发一特定码组“0011011”，经过比较、保护和调整，控制收端定时的位脉冲发生器和时隙发生器产生时隙脉冲的顺序，达到帧同步。同步检出的脉冲还需识别其真伪。如果发生失步，为了避免对偶发性误码或干扰的错判，及确定经过调整后是否真的进入同步状态，要采用同步保护。规定连续四次检测不到同步码组，判定系统失步，此为前向保护。复帧同步:复帧同步是为了解决各路信令信号的错路问题。在随路信令中，各路信令信号同在一个复帧的TS16上传输，各自都有自己确定的位置。如果复帧不同步，信令信号就会错路，通信也无法进行。又由于帧同步以后，复帧不一定同步。因此在获得帧同步之后还必须获得复帧同步，以使收端自第0帧开始的各帧与发端对齐。帧同步和复帧同步的结果是使收端的帧和复帧时序按发端的时序一一对准。

8．信令插入、提取数字中继线路信令是传递交换局间数字线路各通道状态的信号，有随路信令和公共信道两种信令方式，它们在传输中都占有一确定的时隙（公共信道信令可以几条中继线路共用一个时隙）。因此数字中继接口电路应有局间信令的提取和插入功能。4.4信号设备

信号设备是为接收和发送接续所需要的各种信号而设置的。分为各种信号发生器、多频接收器和发生器、铃流发生器等。信号设备分为各种信号音发生器、多频接收器和发送器、铃流发生器等。

4.4.1数字音频信号的产生我国长途电话网中采用的记发器信号，前向信号频率为1380、1500、1620、1740、1860、1980Hz；后向信号频率为1140、1020、900、780Hz。分别采用6中取2和4中取2的频率，因此也是双音频的。在国际电话中还有采用Rl信号，信号频率为700、900、110。1300、1500Hz和1700Hz,也采用6中取2频率.

1．单频信号的产生下面以500Hz音频信号为例来讨论单音频信号的产生原理。图4-13为其产生的原理示意图。其产生过程为：将信号音按125ys等间隔抽样，经量化和编码运算，得到各抽样点的PCM信号，然后送入ROM中，图中信号周期为2ms，抽期16次即可满足抽样定理，此时占用ROM的16个单元。在对ROM作为一般PCM信号读出时就是500Hz音频信号（数字化）了。

图4-14为其硬件结构示意图。采用下面的方法可节省ROM容量。将一个周期的音频信号分为4段（I段、Ⅱ段、Ⅲ段、Ⅳ段，如图4-13所示）。这4段的波形有相似之处：I段和Ⅱ段、Ⅲ段和Ⅳ段在水平方向成镜像关系。把工段的编码信号倒过来就变成了Ⅱ段的内容，而且I段、Ⅱ段和Ⅲ段、Ⅳ段之间只差一个符号，对于它们的PCM编码来说仅仅是极性码不同，工段、Ⅱ段改变符号位就变成了Ⅲ段、Ⅳ段，因此只需在ROM中存放工段的（即①～⑤）编码信号即可。一个周期的音频信号编码后，编码信号可按以下方法读取：

A)1～5点时读①～⑤单元；

B)6～9点时倒过来读，即读④～①单元；

C)10～13点时又是正读，但极性相反，即再读①～⑤单元，但读出后极性码置反；

D)按B)倒读，极性码置反。

2．双音频信号的产生以记发器信号为例，设要求产生1380Hz和1500Hz的双音频信号。首先要找到一个重复周期，使得在这个周期内上述两个频率恰好成为整数循环，同时又要使PCM的抽样周期也成为整数循环。取1380、1500、8000Hz的最大公约数20Hz，这就是重复频率，其周期为50ms。经计算，在50ms内1380Hz重复69次，1500Hz重复75次，8000Hz重复400次，因此需要ROM的400个单元。4.4.2数字音频信号的发送 在程控数字交换机中，各种数字音频信号大多是通过数字交换网络送出，和普通话音信号一样处理。1．用T接线器发送音频信号 要想将数字音频信号发送给某个用户，首先要将数字音频信号存放在T接线器的某个指定单元，当需要对某个用户送去音频信号时，则可从该单元中取出而送至该用户的所在时隙上。2．T-S-T链路半永久性连接法

T-S-T链路半永久性连接是在开局时，就将各链路接好。4.4.3数字音频信号的接收

各种信号音都是由用户话机来接收的。这种音频信号在用户电路中经过译码变成模拟信号自动接收。多频信号有两种：一种是由用户电路送来的按钮话机双音多频（DualToneMulti-Frequency，DTMF）信号；另一种是由中继线接口电路送来的多频互控（Multi-FrequencyControlled，MFC）信号。两种接收方式：1、先进行数/模变换，将数字信息变为模拟信号，然后再用模拟窄带滤波器选取，最后由逻辑电路判断取出。2、先由数字滤波器接收，再由数字逻辑电路识别输出。数字多频信号有两种接收方式：

1.先进行数／模变换，将数字信息变为模拟信号，然后再用模拟窄带滤波器选取，最后由逻辑电路判断取出。这种方法要使用数／模转换设备和大量模拟滤波器，体积和成本都将增加。

2.先由数字滤波器接收，然后由数字逻辑电路识别输出。这种方法可省去数／模变换设备.图4-15为采用数字滤波器接收数字双音频信号的结构框图。

4.4.4数字音频信号的接收、发送及和数字交换网络的连接

图4-16是采用TST网时数字信号发生器、接收器和TST网连接的原理图。数字信号的发生和接收通过接口电路和TST网相连，信号发生器连至TST网入口处。一种频率组合占用一个通道（时隙），一般需占30个通道以容纳30个频率组合。其中前向和后向频率组合各15个，信号接收器连至TST同出口处，一个接收器占用一个通道（时隙）。4.5控制部分

控制部分是由处理机、存储器好各种外围设备组成的。它的作用主要是存储各种程序和数据，对交换机的各种信息进行处理，并对通话部分和输入、输出设备发出详细的动作指令。 程控交换机的控制系统一般可分为三级。 第一级是低级控制，工作内容简单且任务良繁重，电话外设控制级。 第二级是中级控制，呼叫处理控制级。 第三级是高级控制，维护测试级。1.低级控制如用户线扫描程序、用户线驱动分配程序等。

2.为中级控制这类任务如呼叫处理、寻找空闲中间时隙、填写控制存储器、登记通话时间、定期对话路状态进行导通测试，以及信令转换等。

3.更高一级控制修改用户的服务等级、增减其服务项目、进行各类话务统计、进行收费处理（按距离、时间、时长等）、进行各种故障诊断、告警、恢复处理、输出显示、打印等。 这三级的划分可能是“虚拟”的，仅仅反映控制系统程序的内部分工；也可能是“实际”的，即分别设置专用的或通用的处理机来分别完成不同的功能。4.5.2控制系统的结构方式一、集中控制 若在一个交换机的控制系统中，任一台处理机都可以使用系统中的所有资源(包括硬件资源和软件资源)，执行交换系统的全部控制功能，则该控制系统就是集中控制系统。 集中控制方式的优点是处理机能了解整个系统的状态和控制系统的全部资源，功能的改变只须在软件上进行，较易实现。集中控制的主要缺点：软件量大，设计较繁杂，系统管理业相当困难；同时系统也较脆弱，工作时易造成全局性中断。二、分散控制

在控制系统中，每台处理机只能利用资源的一部分，只能执行一部分功能，这种方式称之为分散控制。2．分散控制在控制系统中，每台处理机只能利用资源的一部分，只能执行一部分功能，这种方式就称之为分散控制。在这种方式中，各台处理机并行工作，每一台处理机设有专用的存储器。也可设置公共存储器，为各处理机所共用以及作为机间通信时用，如图4-18所示。在分散控制系统中，各台处理机可按容量分担或功能分担的方式工作。容量分担方式是每台处理