NC-SW1-1程控交换技术概述.ppt

1、程控数字交换技术概述,中兴通讯NC教育管理中心,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,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

2、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,1,2,3,4,5,6,4,电话交换机的分类,电话交换机的分类: 按交换机的

3、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,交换网络,存储器 CPU I/O设备,收号器,小王,小李,电源 时钟,每个用户话机独用设备，只为一个用户服务 功能：用户状态的监视、馈电和模/数转换等,可以是各种接线器(如纵横接线器，编码接线器)，也可以是电子开关矩阵(电子接线器)。它可以是空分，也可以是时分 功

4、能：所有信息的交换 由CPU送控制命令驱动,与其它电话交换机的接口电路 功能：传输交换机之间的各种通信信号 出和入是相对本交换机来说的,分为话路部分和控制部分。控制部分是一台数字电子计算机，它包括中央处理机(CPU)，存贮器和输入输出设备。通过网线连接后台网管电脑,程控交换机的中继、用户电路、收号器都受中央处理机控制 结论：程控交换机实质上是数字电子计算机控制的交换机,电话交换机的组成,小王,小王 的舅舅,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

5、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,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

6、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

7、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）,脉冲编码调制（P

8、CM）,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

9、段：16 2段：16 3段：8 4段：4 5段：2 6段：1 7段：0.5 8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）,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）,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5121024Is=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

10、-608=27,脉冲编码调制（PCM）的模型,脉冲编码调制（PCM）,s（秒）、ms（毫秒）、s（微秒） 1s=1000ms，1 ms=1000s 1/8000s=1/8000*1000*1000s =125s 8000HZ采样频率1秒8000次 每次采样产生8个bit 1秒 8000*8 bit64kbit/s 8000HZ采样频率1秒8000次 每次采样产生8个bit 每8个bit占1/8000s=125 s 30/32路复用 125 s传32路语音 125 s 有32*8个bits 1/8000s有32*8个bits 1s有32*8*8000个bits =2048k/s 但对于每路语音来

11、说还是64kbit/s，为什么？,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： “

12、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,脉冲编码调制（PCM）,在PCM通信的接收端，需要把数字信号恢复为模拟信号，这要经过解码和重建两个处理过程 解码 解码

13、就是把接收到的PCM代码转变成与发送端一样的PAM信号,脉冲编码调制（PCM）,重建 在PAM信号中包含原话音信号的频谱，因此可将PAM信号通过低通滤波器分离出所需要的话音信号，这一过程即为重建 PCM信号在传输中，为了减少由长途线路带来的噪声和失真积累，通常在达到一定传输距离处设置一个再生中继器，用来完成输入信码的整形、放大等工作，以使信号恢复到良好状态,脉冲编码调制（PCM）,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

14、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

15、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,d N1,a N1,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，Time Slot），125s的时间长度固定为一个帧 一路基带PCM在TDM PCM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

16、用的30/32路PCM（ n=32 ）,PCM帧结构,一个单帧中，PCM 30/32系统的特征数据如下 话音频带：3003400Hz 取帧速率：8000Hz 帧周期：125s 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125s162ms。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

17、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,图1.3.4-1 PCM30/32的帧结构,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

18、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

19、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,最简单的通信网(communication network) 仅由一台交换机组成,每一台通信终端通过一条专门的用户环线(或简称用户线)与交换机中的相应接口连接。交换机能在任意选定的两条用户线之间建立和释放一条通信链路,1.电信网组成,当用户数量很多且分布的区域较广时，一台交换机不能覆盖所有用户，这时就需要设置多台交换机组成如图所示的通信网,1.电信网组成,市话交换机: 网中直接连接电话机或终端的交换机,也称为本地交换机，相应的交换局称为端局或市话局,1.电信网组成,汇接交换机: 仅与各交换机连接的交换机称为汇接交换机。当通信距离很远，通信

20、网覆盖多个省市乃至全国范围时，汇接交换机常称为长途交换机,1.电信网组成,交换机之间的线路称为中继线,1.电信网组成,用户交换机PBX(Private Branch Exchange) : 常用于一个集团的内部。集团中的电话主要用于内部通信时，采用PBX要比将所有话机都连到市话交换机上更经济,1.电信网组成,长途交换设备仅涉及交换机之间的通信，而市内交换设备既涉及到交换设备之间的通信又涉及到交换设备与终端的通信,1.电信网组成,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,1.电信网组

21、成,电信网的特点： 速率恒定且单一。每个用户的话音经过抽样、量化、编码后都形成了64kb/s的速率，网中只有这种单一速率 话音对丢失不敏感。电话通信中允许一定的信息丢失，话音信息的相关性较强，可通过通信的双方用户来恢复 话音对实时性要求较高。话音通信中，时延应尽量小，用户双方应像面对面一样进行交流 话音具有连续性。通话双方一般是在较短的时间内连续地表达自己的通信信息的,2.电信网分类,1、电信网种类繁多，有不同的分类方式： 按业务可分为：电话网、电报网、传真网、数据网、CATV网和ISDN网； 按信号形式可分为：模拟网、数据网和混合网； 按网络用途可分为：承载网、交换网和支撑网； 按服务范围可

22、分为：本地网、长途网和国际网； 按网络层次可分为：骨干网、接入网和用户网； 按带宽可分为：窄带网和宽带网等； 按传播媒体可分为：有线网和无线网； 按服务对象可分为：公用网和专用网； 按网络等级可分为等级网和无级网。,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,2.电信网分类,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

23、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

24、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,问题：假设有一火箭需通过铁路从制造厂运到发射场，现有三种方案：专列专线、专列非专线、非专列非专线，现要求大家一起讨论这三种方案的优劣,3 .通信网交换技术,结论：这三种方案中是通过提高线路的利用率来有效地降低费用的,3 .通信网交换技术,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

25、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,A,B,C,D,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,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,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

26、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B,3 .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,3 .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

27、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,3 .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,三网业务融合是发展趋势,业务模式是融合研究的关键,4.通信网发展,4.通信网发展,终端简单,语音业务为主,多媒体业务/数