程控交换技术概述

程控数字交换技术概述电话通信的起源电话交换机的发展与分类

语音信号的数字化基础目录电信网概述1876年Bell发明了电话，从而开始了点到点的双向会话通信“沃森先生，请过来！我有事找你！”最初的电话通信只能完成一部话机与一部话机的固定通信。这种仅涉及两个终端的通信称为点对点通信图1.1点对点通信电话通信的起源Nx(N-1)/2用户数电缆数

51010451004950100050万点对点通信存在如下缺点：1）传输线的数量随终端数的增加而急剧增加图1.2多用户全互连式连接电话通信的起源电话通信的起源点对点通信存在如下缺点： 2）每个终端都有N-1条线与其他终端相连接，因而每个终端需要N-1个线路接 3）增加第N+1个终端时，必须增设N条线路 4）当终端间相距较远时，线路信号衰耗大这些缺点便造成了交换设备的诞生……电话通信的起源最早的自动电话交换机在1892年11月3日投入使用由美国人阿尔蒙.B.史瑞乔提出步进制自动电话交换机人工交换机1878步进制交换机1892纵横制交换机1919空分模拟程控交换机1965时分数字程控交换机1970程控交换机的发展人工交换机1878步进制交换机1892纵横制交换机1919空分模拟程控交换机1965时分数字程控交换机1970空分模拟自动交换1231234564电话交换机的分类电话交换机的分类:按交换机的使用对象：局用交换机（用于电信部门）和用户交换机（用于企、事业集团）按呼叫接续方式：人工接续交换机和自动接续交换机按所交换的信号特征：模拟信号交换机和数字信号交换机按接线器的工作方式：空分交换机（接线器采用空间开关方式）和时分交换机（接线器采用时间开关方式）按控制器电路的结构：集中控制、分级控制和全分散控制电话交换机的组成用户电路用户电路交换网络出中继入中继存储器CPUI/O设备收号器小王小李电源时钟电话交换机的组成小王小王的舅舅用户电路用户电路出中继入中继存储器CPUI/O设备收号器交换网络惠州市用户电路用户电路出中继入中继存储器CPUI/O设备收号器交换网络广州市程控数字交换机的基本原理程控交换机的基本原理是一种电路交换原理，主要包括以下三个通信阶段：电路的建立阶段。通过呼叫信令完成逐个节点的接续，建立起一条端到端的通信电路通信阶段。在已建立的端到端的直通电路上，透明地传送和交换数字化的话音信号信息电路的拆除阶段。结束一次通信时，拆除电路连接，释放节点和信道资源程控数字交换机的基本原理电路的建立阶段信令/消息主叫：摘机-听拨号音-拨号-听回铃音被叫：振铃-应答通信阶段语音信号电路的拆除阶段信令/消息主叫：前向拆线被叫：后向拆线另一方听催挂音电话通信的起源电话交换机的发展与分类

语音信号的数字化基础目录电信网概述及发展发信信源编码器信道编码器传输媒介信道译码器信源译码器收信噪声模拟信号的数字化处理模拟信号：数值上连续变化的信号，某一种参量可以取无限多个数值，且直接与消息相对应数字信号：离散信号，由许多脉冲组成，某一参量只能取有限个数值，且不直接与消息相对应数字信号的调制

脉冲编码调制（PCM）的模型

脉冲编码调制（PCM）1.抽样目的：使模拟信号在时间上离散化原理：通过抽样脉冲按一定周期去控制抽样器的开关电路，取出模拟信号的瞬时电压值，从而将连续的原始话音信号变成间隔相等但幅度不等的离散电压值1.抽样所抽取的每个幅度值为样值，可以看做是按幅度调制的脉冲信号，称为脉冲幅度（PAM）信号话音信号频率范围为300-3400Hz。为了使抽样信号不失真地还原为原始信号，抽样频率应大于话音信号的最高频率的两倍，实际中取8000Hz，则抽样周期为1/8000,即125us脉冲编码调制（PCM）脉冲幅度信号（PAM）脉冲编码调制（PCM）数字信号的调制

2.量化目的：将抽样得到的无数种幅度值用有限个状态来表示，以减少编码的位数原理：用有限个电平表示模拟信号的样值量化方法有：舍去法（将小于1V的尾数舍去）补足法（将小于1V的尾数补足为1V）四舍五入法（将每个抽样后的幅值用一个邻近的“整数”值来近似）

脉冲编码调制（PCM）量化误差：量化值与信号值之间的差异。把无限多种幅值量化成有限的值必然会产生误差量化误差是数字通信中的主要噪声来源之一减少信号的量化噪声有以下两种方法：增加量化级数采用非均匀量化的方法

脉冲编码调制（PCM）四舍五入量化方法的示意图脉冲编码调制（PCM）抽样值四舍五入量化值1000.31000100.510110.8115.150.510.200.030脉冲编码调制（PCM）非均匀量化法的原理：非均匀量化是一种在信号动态范围内，量化分级不均匀、量化阶距不相等的量化在均匀量化时，由于量化分级间隔是均匀的，对大信号和小信号量化阶距相同，因而小信号时的相对误差大，大信号的相对误差小脉冲编码调制（PCM）非均匀量化就是非线性量化，其压、扩特性采用的是近似于对数函数的特性。CCITT建议采用的压缩率有两种，分别叫做A律和u律A律的压缩系数（A）为87.6，用13折线来近似。欧洲各国、中国的PCM设备采用这种压缩律。U律的压缩系数（u）为255，用15折线来近似。北美各国的PCM设备采用这种压缩律脉冲编码调制（PCM）A律压缩采用的是十三折线法斜率：1段：162段：163段：84段：45段：26段：17段：0.58段：0.25脉冲编码调制（PCM）A律压缩法的各折线段的斜率脉冲编码调制（PCM）D1D2D3D4D5D6D7D8极性码：1：正0：负段落码段内码幅度码样值PCM信号脉冲编码调制（PCM）02048△1024△512△256△128△64△32△16△各段折线序号12345678各段落长度0~1616~3232~6464~128128~256256~512512~10241024~2048对应的段落编码000001010011100101110111各段内均匀量化级△△2△4△8△16△32△64△512△1024△544△576△608△640△672△704△736△768△800△832△864△896△928△960△992△0△16△1△2△3△4△5△6△7△8△9△10△11△12△13△14△15△各段折线序号12345678各段落长度0~1616~3232~6464~128128~256256~512512~10241024~2048对应的段落编码000001010011100101110111各段内均匀量化级△△2△4△8△16△32△64△△表示最小量化间隔1/2048，称为1个量化单位已知抽样值为+635单位，试求编码器输出的8位码组,并计算量化误差。

∵信号为“+”故C7=1又∵

第七段为512△—1024△

∵Is=635△

在第七段故段落码为110

而段内码为

635-512=123

即

C7+C1=64+32=96

∴

段内码为

0011编码输出：11100011量化误差：635△-608△=27△

脉冲编码调制（PCM）的模型

脉冲编码调制（PCM）经过编码后的信号即为PCM信号PCM信号在信道中是以每路一个抽样值为单位传输的，因此单路PCM信号的传输速率为 8*8000=64kb/s我们将速率为64kb/s的PCM信号称为基带信号PCM常用码型有单极性不归零（NRZ）码双极性归零（AMI）码三阶高密度双极性（HDB3）码等脉冲编码调制（PCM）单极性不归零码NRZ码具有如下特点：信号“1”表示有脉冲，信号“0”表示无脉冲信号中有直流分量（即平均分量），直流信号衰耗大，不利于远距离传输占用频带宽脉冲编码调制（PCM）双极性归零码AMI码具有如下特点：“1”的极性交替变换，因此不存在直流分量与NRZ码相比，宽度压缩了一半，可有效利用信道有多个连续“0”出现，这样会使中继器长时间收不到信号而误认为是空号，进而影响定时提取时钟提取频率的工作脉冲编码调制（PCM）三阶高密度双极性码HDB3码具有如下特点：一组信码中，连“0”数限制在三个以下，当出现第四个连“0”时，就自动加入一个“1”取代第四个“0”，从而解决了过多连续“0”的出现。被加入的这个“1”是认为加入的，称为破坏点HDB3码适合远距离传输，常用于长途线路通信0100100000100100001110000010原码NRZ码AMI码HDB3码000V-

B400V+

000V-多路复用技术多路复用技术的出现提高了硬件资源的利用率，降低了通信网中硬件资源的成本目前，有线通信中的多路复用技术主要有频分复用时分复用频分复用频分复用（FDM）是指把传输信道的总带宽划分成若干个子频段，分为信道1、信道2、……信道n。每个子频段可作为一个独立的传输信道使用，每对用户所占用的仅仅是其中的一个子频段多路复用技术时分复用时分制是将信道的传输时间划分成若干个时隙，每个被传输的信号独立占用其中的一个时隙，各路信号轮流在自己的时隙内完成传输，分为信道1、信道2、……信道n多路复用技术频分制按频率划分信道，而时分制按时间划分信道的；频分制同一时间传送多路信息，而时分制同一时间只传送一路信息，频分制的多路信息是并行传输的，而时分制的多路信息时串行传输的，实际应用中频分制多用于模拟通信，而时分制多用于数字通信目前，程控数字交换机采用的多路复用技术为时分复用（TDM）多路复用技术时分多路复用是利用一个高速开关电路（抽样器）来实现的。高速开关电路使各路信号在时间上按一定顺序轮流接通，以保证任一瞬间最多只有一路信号接在公共信道上dN1aN1AA同步时钟n+1N1nN1DCBADCBAdN1aN1BCDBCD帧结构数据传输举例多路复用技术每路信号经PCM调制后，都是以8bit抽样值为一个信号单元传送的每个8bit所占据的时间为1个“时隙”（TS，TimeSlot时间片段），125μs的时间长度固定为一个帧一路基带PCM在TDMPCM中每帧占有1个时隙多路复用技术PCM帧结构目前国际上有两种PCM体制：一种是贝尔（BELL）公司提出，主要在北美各国和日本采用的24路PCM（n=24）；另一种是欧洲邮电管理协会（CEPT）提出，主要在欧洲各国和中国等国家采用的30/32路PCM（n=32）项目CEPT30/32路BELL24路抽样速率/Hz80008000比特数/抽样88时隙/帧3224PCM话路/帧3024输出比特速率（kb/s）20481544PCM帧结构一个单帧中，PCM30/32系统的特征数据如下

话音频带：300－3400Hz

取帧速率：8000Hz

帧周期：125μs

每样值编码比特：8bit

每话路速率：64kbit/s

每帧时隙数：32

每帧比特数：256每秒传送8000帧，每帧32个时隙，每个时隙8比特串行码，16帧构成一个复帧，其时间长度为125μs×16＝2ms。传送码率为8比特/时隙×32时隙/帧×8000帧/秒＝2048kb/s，而每一路信号的速率为64kb/s

通常将TS0作为帧同步时隙，TS16作为信令时隙。30个话路只有8bit的信令信息，这显然是不够的。为此采用复帧结构，即由16个单帧组成一个复帧。这样安排就可以保证在2ms时间内为每个话路分配到4个信息bit，即信令速率为2kb/s，这就是30/32PCM复帧结构中随路信令的信息速率PCM帧结构16帧,125

s×16=2msF0F15

01151617303132时隙,256bit,125

s,1帧保留给国际用(目前固定为1)同步时隙话路时隙TS1-TS15话路时隙TS17-TS31F0帧同步码D1D2D3D4D5D6D7D8偶帧奇帧帧失步对告码A1：F1

abcdabcd话路16信令码话路1信令码

11A111111保留给国际用(目前固定为1)F15

abcdabcd话路15信令码话路30信令码同步:A1=0;A2=0失步:A1=1;A2=1

10011011

00001A211复帧同步码复帧对步码PCM基群帧结构(30/32)PCM帧结构电话通信的起源电话交换机的发展与分类

语音信号的数字化基础目录电信网概述及发展电信网概述与发展电信网组成电信网分类通信网交换技术通信网发展1.电信网组成从逻辑上电信网是由节点（Node）、链路（Link）和端点（End）以及信令（协议）组成的从物理上完善的电信网则是由交换网、传输承载网和终端设备以及支撑系统组成的举例：两个电话用户或两个计算机用户互相通信需要经过的设备。（终端可以是电话、计算机等）

终端传输交换传输终端1.电信网组成1.电信网组成基本的电信网由终端、传输和交换三类设备组成终端设备：终端设备的主要功能是把待传送的信息和在信道上传送的信号进行互相转换

数据通信终端电话业务的终端1.电信网组成传输设备：传输设备是传输媒介的总称，它是电信网中的连接设备，是信息和信号的传输通路卫星系统数字微波系统1.电信网组成交换设备：如果说传输设备是电信网络的神经系统，那么交换系统就是各个神经的中枢，它为信源和信宿之间架设通信的桥梁。其基本功能是根据地址信息进行网内链路的连接，以使电信网中的所有终端能建立信号通路，实现任意通信双方的信号交换

由此可见，交换机在通信网中起着非常重要的作用，它就像公路中的立交桥，可以使路上的车辆(信息)安全、快捷地通往任何一个道口(交换机输出端口)1.电信网组成2.电信网分类电信网的结构在数学上可用拓扑学来描述其特性，这里我们用简单的连线和节点来表示典型的电信网结构有网状网、星型网、树形网、环形网和总线网2.电信网分类电信网络框架结构：基础网、支撑网和业务网信令网同步网电信管理网业务网支撑网基础网电话网数据网综合业务数字网移动网N-ISDNB-ISDN交换网传输网接入网2.电信网分类保证传输快速准确完成数据和话路的交换控制传输信令的通道保证网络设备的时钟同步提供大量的智能业务整个电信网络的控制管理2.电信网分类面向连接和无连接：面向连接是指两个用户之间的通信信息沿着预先建立的通路传输；面向无连接是指依靠路由来完成选路工作物理连接和逻辑连接：物理连接是建立专用的物理链路；逻辑连接不独占线路，是在一条物理链路上建立多条虚电路2.电信网分类同步时分交换和异步时分交换同步时分交换是指每个连接属于不同的呼叫，它们在信道中各自占用不同的时间，但属于同一呼叫的连接位置是固定的，交换时按照时间位置来区分每个连接异步时分交换是指每个连接所占用的时间、位置都不固定，属于某个呼叫的连接时根据该连接所需的带宽大小来灵活分配的2.电信网分类交换系统的功能最终可归纳为两种不同的描述：一种功能是在网络的入端和出端之间建立连接，即交换系统好比一堆开关，当需要时把一个入端和一个出端连接起来另一种功能是交换系统好比一个信息转运站，它把网络入端的信息根据需要分发到网络不同的出现上经历了电路交换报文交换分组交换电路交换特点电路交换是面向物理连接的交换。在发送消息前，必须建立起点到点的物理通路电路交换采用静态复用、预分配带宽并独享通信资源的方式，即交换机根据用户的呼叫请求，为用户分配固定位置、恒定带宽（通常是64kb/s）的电路电路交换的通信过程分为三个阶段：电路建立消息传输电路拆除3.通信网交换技术用户线交换机交换机交换机交换机用户线中继线中继线ABCD电路交换3.通信网交换技术工作原理：电路交换技术即为已对需要进行通信的装置之间提供一条临时的专用传输通道

出123n...1’2’3’n’入...3.通信网交换技术电路交换——空分电路交换电路交换——时分电路交换t1t2tn12n入t’1t’2t’n1’2’n’出输入控制门输出控制门公用通信线路3.通信网交换技术报文交换报文交换的定义信息以报文（逻辑上完整的信息段）为单位进行存储转发的方式叫报文交换报文交换的通信过程接收和存储报文（给报文加上报头符号和报尾符号）将报文送到输出队列上排队输出线空闲时发送报文例如，A用户向B用户发送信息，A用户不需要叫通B用户之间的电路，而只需要与交换机接通，由交换机暂时把A用户要发送的报文接收并存储起来，交换机根据报文中提供的B用户的地址在交换网中确定路由，并将报文送到下一个交换机，最后送到终端用户B3.通信网交换技术工作原理：报文交换技术不需要事先建立物理线路，它将发送的数据作为一个整体发给中间交换设备。中间交换设备先将数据存储起来，然后选择一条合适的空闲线路将数据转发给下一个交换设备，如此循环直至数据发送到目的节点

N3MMMMN1N2N4N5N6HSHD3.通信网交换技术分组交换定义：以分组为单位进行存储转发的方式通信过程：信息打包数据分组排队处理信息转发分组交换也叫数据包交换，处理机将要传送的数据裁剪并封装成若干较短的、长度不等的数据块，并在每个数据块中加上必需的控制信息（如初始分组、源地址、目的地址、控制信息），然后按规定的格式进行排列组成一个个数据分组3.通信网交换技术分组交换技术工作原理：分组交换技术是报文交换技术的改进，它将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组。在每个分组的前面加上一个分组头，用以指明该分组发往何地址，然后由交换机根据每个分组的地址标志，将它们转发至目的地，这一过程称为分组交换分组交换技术是在数据网络中最广泛使用的一种交换技术N1N2N3N4N5N6HSHDMMP3P3P3P2P2P23.通信网交换技术总结归纳三种数据交换技术与三种火箭运输方案的对应关系电路交换技术——甲线报文交换技术——乙线分组交换技术——丙线可进行类比的项目 数据———火箭（即所需运输的货物）中间交换设备———火车头线路———铁路线路利用率———铁路的使用率3.通信网交换技术3.通信网交换技术3.通信网交换技术交换技术特点优点缺点电路交换（1）呼叫建立时刻进行网络资源分配（2）通信过程中执行端到端协议，数据透明传输（3）采用同步时分复用技术，带宽固定分配(1)信息交换的时延小(2)对话音信息控制简单，当电路接通之后，交换机的控制电路不再干预消息的传输(1)通路的建立时间长(2)宽带