程控交换机的硬件构成解析

数字程控交换机由话路系统和控制系统两部分组成，交换机运行所需要的软件存放在控制系统的存储器中，如图1-11所示。话路系统完成信号的转换与交换，为通话双方提供电路连接。控制系统实现交换机的控制功能，分为呼叫处理功能和运行维护功能。呼叫处理功能包括从建立呼叫到释放呼叫整个呼叫过程的控制处理；运行维护功能则包括对用户数据、系统数据的设定以及对故障的诊断处理等。

图1-11 程控交换机的硬件结构

1.话路系统

话路系统包括用户级、远端用户级、选组级（数字交换网络）、各种中继接口以及信令设备等部件。

（1）用户级

用户级又称为用户模块，是用户终端与数字交换网络之间的接口电路。它将用户终端所发出的较小的呼叫话务进行集中，然后送至数字交换网络，从而提高了用户级和数字交换网络之间链路的利用率。对于模拟用户终端，用户级还要将模拟用户话机发出的模拟语音信号转换成数字信号。

用户级由信号提取和插入电路、网络接口、扫描存储器和分配存储器、用户集线器和用户电路等组成。信号提取和插入电路负责把处理机通信信息从信息流中提取出来或插入进去；网络接口用于数字交换网络的连接；扫描存储器和分配存储器用于存储从用户线读取的信息或向用户电路发出的命令；用户集线器负责话务量的集中与分散；用户电路完成用户信号的处理与转换，分为模拟用户接口电路和数字用户接口电路。

1）模拟用户接口电路。

模拟用户接口电路又称为Z接口，是数字程控交换机连接模拟用户线的接口电路，具有7项功能，简称为BORSCHT，即馈电（Battery Feeding，B）、过电压保护（Over Voltage Protection，O）、振铃（Ringing，R）、监视（Supervision，S）、编解码（Codec，C）、混合（Hybrid，H）和测试（Testing，T），如图1-12所示。

图1-12 模拟用户接口电路功能

①馈电（B）：向用户话机送直流电。通常要求馈电电压为−48V或−24V，环路电流不小于18mA。

②过电压保护（O）：防止用户外线受雷击或接触高压而损坏交换机。

③振铃（R）：向用户话机送铃流，通常为25Hz/90V±15V的正弦波。

④监视（S）：监视用户线的状态，检测话机摘机、挂机与拨号脉冲等信号，并送往控制系统和交换网络。

⑤编解码（C）：在数字交换中，完成模拟话音与数字码间的转换。通常采用PCM编码器（Coder）与解码器（Decoder）来完成，统称为CODEC。PCM编码速率为64kbit/s，与之配合工作的平滑低通滤波器带宽为300～3400Hz。

⑥混合（H）：完成二线与四线的转换。用户话机的模拟信号采用二线双向传输方式，而数字交换网络收发PCM数字信号采用四线单向传输方式，两者必须进行转换。过去这种功能由混合线圈实现，现在改为集成电路，因此称为“混合电路”。

⑦测试（T）：对用户线（外线）或用户电路（内线）进行测试。

2）数字用户接口电路。

数字用户接口电路又称为V接口，是数字终端与程控交换机之间的接口电路，具有5项功能，简称为BORST，即馈电（Battery Feeding，B）、过电压保护（Over Voltage Protection，O）、收发器（Receiver and Dispatcher，R）、信令插入和提取（Signaling Insertion and Extraction，S）、测试（Testing，T），如图1-13所示。

图1-13 数字用户接口电路功能

①数字用户接口电路的馈电（B）、过电压保护（O）和测试（T）功能与模拟用户接口电路功能类似，当用户终端本身具有工作电源时，还可免去馈电功能。

②收发器（R）：实现数字信号的双向传输。

③信令插入和提取（S）：数字用户线采用专用信令链路传送信令（DSS1信令），发送方将信令插入专用逻辑信道，以时分复用方式和信息一起传送，接收方从专用逻辑信道提取信令。

（2）远端用户级

远端用户级也称为远端用户模块。是指装在距离电话局较远的用户集中分布点上的话路设备，其基本功能与局内用户级相似，也包括用户电路和用户集线器。远端用户级与母局之间用数字链路连接，链路数与远端用户级的容量及业务量大小有关。远端用户级的设置带来了组网的灵活性，节省了用户线的资源。

（3）选组级

选组级又称为数字交换网络，它是话路部分的核心设备，交换机的交换功能主要是通过它来实现的。在电话交换中最直观的是空分交换，它只要用一个接点（不管是机械的还是电子的）将主叫用户和被叫用户接通，主叫用户线上的语音信号就能“交换”到被叫用户线上去，他们之间就可以进行通话了。但是在数字交换机中，情况有所不同。来自于不同用户和中继线的语音信号被转换为数字信号，通过时分复用的方式合并到不同PCM复用线上，并由这些复用线连接到数字交换网络。语音信号变成数字信号后，每个用户的语音信息就在PCM复用线上占据一个固定的时隙，在这个固定的时隙上，周期地传递该用户的语音信息。在时分系统中，每个时隙就是一个信道。当两个用户要互相通话时，他们的信道占用不同时隙，用导线和接点直接将他们相连显然是不行的。两个用户要想交换信息，只能采取暂存的办法，如图1-14所示。用户A的语音信息a在TS2时隙传送来时，先将其放入存储器的2号单元里，等到TS18时隙时，再从2号单元将用户A的语音信息a取出来，送给用户B；用户B的语音信息b在TS18时隙时发出，送到存储器暂存在18号单元里，等到TS2时隙时再从18号单元将其取出，送给用户A。以上就是数字交换系统的时隙交换过程，数字交换的实质就是时隙交换。

图1-14 数字交换机的时隙交换过程

构成时分交换网络的基本电路单元是接线器，分为时分接线器（T接线器）和空分接线器（S接线器）两种。接线器的数量和组合形式决定了交换网络的交换能力。

1）T接线器。

T接线器的功能是完成一条PCM复用线上不同时隙间信息的交换，它主要由语音存储器（Speech Memory，SM）和控制存储器（Control Memory，CM）组成。语音存储器（SM）是用来暂时存储话音信息的，故又称为“缓冲存储器”。控制存储器（CM）是用来存储时隙地址的，又称为“地址存储器”或“时址存储器”。T接线器有两种工作方式：一种是“顺序写入，控制读出”方式；另一种是“控制写入，顺序读出”。此处的“顺序”是指在时钟脉冲控制下，按照SM存储单元地址的大小，顺序地完成语音读出或写入；而“控制”是指按CM中已有内容来控制语音的读出或写入。至于CM中的内容，则是由中央处理器（Central Processing Unit，CPU）进行写入或消除的。下面对“顺序写入，控制读出”方式T接线器的信息交换过程进行分析，如图1-15所示。

假设T接线器的输入和输出各为一条32个时隙的PCM复用线，并且占用时隙TS3的用户A要和占用时隙TS19的用户B通话。在A讲话时，应把TS3中的语音信息码交换到TS19中去。在时隙脉冲的控制下，当TS3时隙到来时，把TS3中的信息码写入SM地址为3的存储单元中，这就是“顺序写入”。此信息码的读出是受CM控制的，中央处理器（CPU）会依据接续要求在CM的19单元中写入3，当TS19时隙到来时，从CM中读出19单元的内容3，再以3为地址控制读出SM中3单元所存储的信息码，这就是“控制读出”。通过以上过程，就完成了把TS3中的信息码交换到TS19中去的任务。同理，在用户B讲话时，应通过另一路径把TS19中的信息交换到TS3中去。其步骤与上述过程相似，只是在TS19到来时把TS19中的信码写入SM中，而读出这一信息码的时刻只有等到下一帧的TS3才能完成。

“控制写入，顺序读出”的T接线器与上述工作相反。来话信息码写入到由CM指定的SM存储单元中，而去话信息码则按时隙顺序读出。

图1-15 T接线器的信息交换过程

目前，T接线器的存储器一般采用专门设计的随机存储器（Random Access Memory，RAM），交换的时隙数未限定在32个，大型交换机的交换时隙数高达512、1024甚至4096个时隙。

2）S接线器。

S接线器的功能是完成不同PCM复用线上同一时隙内信息的交换，它包括交叉接点矩阵和控制存储器组两部分。交叉接点矩阵上的开关实现输入PCM复用线与输出PCM复用线间的通断，而开关的闭合或断开则由控制存储器组决定。S接线器中控制存储器对交叉接点的控制有两种方式：一种是“输入控制”方式，即控制存储器组中的每个控制存储器与PCM入线对应；另一种是“输出控制”，此时控制存储器对应于PCM出线。下面对“输入控制”方式S接线器的信息交换过程进行分析，如图1-16所示。

图1-16 S接线器的信息交换过程

假设S接线器有两条PCM复用线（PCM0和PCM1），要在时隙TS1将入线PCM0的信息码交换到出线PCM1上，同时在时隙TS14将入线PCM1的信息码交换到出线PCM0上。由于采用输入控制方式，所以控制存储器组中的控制存储器CM0、CM1分别与入线PCM0、PCM1相对应。当时隙TS1到来时，从CM0（对应PCM0）中地址为1（对应TS1）的存储单元里取出输出线编号“1”，从而确定闭合交叉接点“01”；同理，时隙TS14到来时，从CM1（对应PCM1）中地址为14（对应TS14）的存储单元里取出输出线编号“0”，从而确定闭合交叉接点“10”。控制存储器CM0、CM1相应单元中的输出线编号是由中央处理器（CPU）在交换信息前依据S接线器控制方式和接续要求写入的。

S接线器的控制存储器采用高速RAM存储器，交叉接点矩阵可由高速电子门电路构成。

3）数字交换网络。

在大型程控交换机中，数字交换网络的容量比较大，只靠T接线器或者S接线器是不能实现的。必须将它们组合起来，才能达到要求。用T接线器和S接线器构成数字交换网络有两种基本类型，即“时—空—时（TST）交换网络”和“空—时—空（STS）交换网络”。由TST交换网络构成的交换机是目前最为流行的一种交换机制式，图1-17给出了一个TST交换网络的结构图。图中网络有3条PCM输入、输出复用线（PCM1～PCM3），分别与3个输入和3个输出T接线器相连。输入T接线器采用“顺序写入，控制读出”方式，输出T接线器采用“控制写入，顺序读出”方式。中间为3×3交叉接点矩阵的S接线器，其输入、输出线对应接到两侧T接线器上，采用“输入控制”工作方式。

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图1-17 TST交换网络的信息交换过程

下面以用户A（占用PCM1的时隙TS2）与用户B（占用PCM3的时隙TS31）通话为例，对TST网络的交换原理进行分析。因为电话用户接听与发话是同时进行的，所以要实现通话就要建立A→B和B→A两条路径。

在A→B方向上，信息码通过入线PCM1在TS2时刻到达输入T接线器。输入T接线器为顺序写入，并由CMA控制在TS7时刻读出（TS7为内部时隙）；中间的S接线器在CMC1的控制下，在TS7时刻闭合入线PCM1和出线PCM3之间的交叉接点，将信息码送到输出T接线器；输出T接线器为控制写入，先由CMB控制在TS7时刻将信息码写入到SMB地址为31的存储单元中，然后顺序读出，即在TS31时刻将信息码从出线PCM3输出。这样就完成了A→B方向的信息交换。

在B→A方向上，信息码通过入线PCM3在TS31时刻到达输入T接线器。输入T接线器为顺序写入，并由CMA控制在TS23时刻读出（TS23为内部时隙）；中间S接线器在CMC3的控制下，在TS23时刻闭合入线PCM3和出线PCM1之间的交叉接点，将信息码送到输出T接线器；输出T接线器为控制写入，先由CMB控制在TS23时刻将信息码写入到SMB地址为2的存储单元中，然后顺序读出，即在TS2时刻将信息码从出线PCM1输出。这样就完成了B→A方向的信息交换。

（4）中继接口

在交换网络与局间中继线之间必须有中继接口配合工作。根据中继线的类型，中继接口有模拟中继接口与数字中继接口，分别称为模拟中继器和数字中继器。

1）模拟中继接口。

模拟中继接口（Analog Trunk，AT）又称为C接口，是数字交换机为适应局间模拟环境而设置的接口电路，用来连接模拟中继线。模拟中继接口具有测试、过电压保护、线路信号监视和配合、编/解码等功能。

2）数字中继接口。

数字中继接口（Digital Trunk，DT）又称为A接口或B接 口，是数字交换机与数字中继线之间的接口电路。数字中继接口具有码型变换、时钟提取、帧同步和复帧同步、帧定位、信令插入和提取及告警检测等功能，如图1-18所示。

图1-18 数字中继接口功能

（5）信令设备

信令设备包括各种音信号（拨号音、忙音和回铃音等）发生器、双音多频信号接收器、多频信号发送和接收器。铃流发生器单独设置，通常放在用户级中。除铃流信号外，其他音信号和多频信令都是以数字形式直接进入数字交换网络，并像数字话音信号一样交换到所需端口。

信号音发生器一般采用数字音存储方法，将拨号音、忙音和回铃音等音频信号进行抽样和编码后存放在只读存储器（Read Only Memory，ROM）中，在计数器的控制下读出数字化信号音的编码，经数字交换网络发送到所需的话路上去。当然，如果需要也可通过指定的时隙（如TS0、TS16）传送。

多频信号接收和发送器用于接收和发送多频（Multiple Frequency，MF）信号，包括音频话机的双音多频（Dual Tone Multiple Frequency，DTMF）信号和局间多频互控（Multiple Frequency Compelled，MFC）信号。这些多频信号在相应的话路中传送，以数字化的形式通过交换网络而被接收和发送。

2.控制系统

控制系统是程控交换机的“大脑”，它在呼叫接续的运行过程中担负着监视、分析、调度和处理业务等任务。

（1）控制系统的控制方式

控制系统的主要设备是处理机。处理机的数量和分工有各种配置方式，但归纳起来大致分为集中控制方式和分散控制方式两种。

1）集中控制方式。

集中控制方式是指在程控交换机中，任何一台处理机都可以实现交换机的全部控制功能，并管理交换机的全部硬件和软件资源，如图1-19所示。

集中控制的主要优点是只需要一个处理机，控制系统结构简单；处理机能掌握整个系统的运行状态，使用和管理系统全部资源，不会出现资源使用冲突；各控制功能间的接口都是程序之间的软件接口，比较容易实现功能的变更和增删。集中控制的缺点是系统比较脆弱，一旦控制部件出现故障，就可能引起整个交换局瘫痪；此外，处理机软件较为复杂，增加了系统管理维护的困难。

2）分散控制方式。

分散控制方式是指在程控交换机中，任何一台处理机都只能执行部分控制功能，并管理交换机的部分硬件和软件资源。它克服了集中控制的缺点，是目前普遍采用的一种方式。分散控制系统是一个多处理机系统，根据处理机的自主控制能力，分散控制分为分级控制和分布（全分散）控制，其中的分级控制又可分为单级控制和多级控制。

单级控制系统又称为单级多机系统，系统中各处理机并行工作，每台处理机都有专用的存储器。系统也可设置公用存储器，方便处理机之间的通信，如图1-20所示。

图1-19 集中控制方式

图1-20 单级控制系统

多级控制系统是由预处理机、中央处理机和维护管理处理机组成的三级系统，如图1-21所示。预处理机执行频繁而简单的功能，中央处理机执行分析处理等较复杂的功能，维护管理处理机专用于执行维护与管理。

分布控制系统也称为全分散控制系统。在这种系统中，交换机的全部用户线和中继线被分成多个模块，每个模块包含一定数量的用户线和中继线，且每个模块都有一个控制单元。在控制单元中配备微处理器，包括所有呼叫控制和数字交换网络控制在内的一切控制功能都由微处理机执行。每个模块基本上可以独立进行呼叫处理。

（2）控制系统的冗余方式

为了安全和高可靠性，交换机无论采用集中控制方式的单机系统还是分散控制方式的多机系统都需要进行冗余配置，即增加备用设备。对于单机系统，配备备用设备后就有了两套处理机，故常称为双机系统。双机系统可采用同步复核、负荷分担和主备用3种冗余方式。

1）同步复核方式。

同步复核方式双机系统如图1-22所示。在正常工作中，两台相同的处理机同时接收来自交换网络的各种输入信息，执行相同的程序，进行同样的分析处理，但只有一台处理机输出控制信息，控制交换网络的工作。同步复核就是每执行一条指令或一段程序，将两台处理机的处理结果通过比较器进行检验，如果结果一致，就继续执行程序或进行输出控制；如发现不一致，则表示其中有一台处理机出现了故障，就立即告警并进行故障处理和诊断。

图1-21 多级控制系统

图1-22 同步复核方式双机系统

2）负荷分担方式。

负荷分担也称为话务分担，如图1-23所示。两台处理机独立进行工作，在正常情况下各承担一半负荷。当一机发生故障时，则另一机承担全部负荷。为了能接替故障机工作，必须互相了解呼叫处理的情况，故双机应定时互通信息。

3）主备用方式。

主备用方式双机系统如图1-24所示。一台处理机主用，另一台处理机备用。主机承担全部呼叫处理，并将呼叫处理过程中的有关信息不断通知备用机。一旦主机发生故障，主机的工作由备用机自动接替，进行主备用转换。

图1-23 负荷分担方式

图1-24 主备用方式双机系统