1、第第3章章 數字程控電話交換與電話通信網數字程控電話交換與電話通信網本章主要講述內容: 介紹電話通信的產生和電話交換技術的發展 介紹數字程控電話交換系統的體系結構，并在此基礎上重點闡述電話交換系統硬件系統各個組成部分的工作原理、控制系統的構成方式、軟件系統的組成以及程控交換軟件技術 介紹電話通信網的網絡結構和工作原理等相關技術。 3.1概述3.1.1 3.1.1 電話通信與電話機電話通信與電話機電話機的基本構成及通話原理如圖3.1所示圖3.1電話機的基本構成及通話原理 送話器：將聲音變換為相應電信號的轉換裝置受話器：將相應的電信號還原為聲音的轉換裝置二-四轉換：完成二線和四線轉換的混合電路消側

2、音電路：用于消除回聲改善話音質量 此外還要有撥號盤和振鈴器，用于發送通信地址（被叫號碼）和呼叫被叫。撥號盤有旋轉式撥號盤和按鍵式撥號盤兩種，旋轉式撥號盤有三個關鍵參數：l脈沖速度：表示撥號盤每秒鐘發生的脈沖個數，按照我國電話交換設備用戶信令的相關規定，入網電話機的脈沖速度應為8-14個/s。l脈沖斷續比：表示在一個脈沖周期里，斷開電流的時間和接通電流的時間之比，按照我國電話交換設備用戶信令的相關規定，入網電話機的脈沖斷續比t斷/t續=（1.3-2.5）:1。l 位間隔：用戶每撥一個數字，撥號盤就發出一串脈沖，脈沖個數與撥號數字相同（0為10個脈沖）。在撥兩個數字之間，也就是在發兩個脈沖串之間應

3、有一個時間間隔，以使交換機能正確區分所撥數字，這個間隔就叫做位間隔。按照我國電話交換設備用戶信令的相關規定位間隔應350ms。 旋轉式撥號盤有三個關鍵參數：3.1.2 電話交換技術的發展 電話交換技術的發展經歷了三個階段： 人工交換階段 磁石式電話交換機磁石式電話交換機: :18781878年出現了世界上第一部年出現了世界上第一部 磁石式人工磁石式人工電話交換機。由美國設計并制成的，安裝在耶魯大學附近，這部交換電話交換機。由美國設計并制成的，安裝在耶魯大學附近，這部交換機是磁石式電話交換機機是磁石式電話交換機 共電式電話交換機共電式電話交換機: :18911891年又出現了共電式電話交換機年又

4、出現了共電式電話交換機機電式自動交換階段 步進制交換機步進制交換機（Step by Step SystemStep by Step System）：）： 史端喬（史端喬（StrowgerStrowger）式自動電話交換機）式自動電話交換機 德國西門子式自動交換機德國西門子式自動交換機 特點特點：直接控制方式：直接控制方式 機電制交換機：機電制交換機： 旋轉制或升降制電話交換機旋轉制或升降制電話交換機 特點特點：間接控制方式：間接控制方式共同特點共同特點：噪聲大噪聲大易磨損易磨損維護工作量大維護工作量大接線速度慢接線速度慢故障率高故障率高電路技術簡單電路技術簡單人員培訓容易人員培訓容易 縱橫制交

5、換機縱橫制交換機（Crossbar SystemCrossbar System）：）： 特點特點：間接控制方式：間接控制方式 接線器接點采用壓接觸方式接線器接點采用壓接觸方式 電子式自動交換階段：電子式自動交換階段： 半電子交換機（準電子交換機）半電子交換機（準電子交換機）： 話路部分采用機械接點，控制部分采用電子器件。話路部分采用機械接點，控制部分采用電子器件。 全電子交換機全電子交換機： 話路部分和控制部分均采用電子器件。話路部分和控制部分均采用電子器件。模擬程控交換機模擬程控交換機：19651965年年5 5月美國開通了第一個程控交換月美國開通了第一個程控交換機（機（ESS No.1ES

6、S No.1）。）。數字程控交換機數字程控交換機：19701970年年法國法國開通了第一個數字程控交開通了第一個數字程控交換機（換機（E10E10）。）。程控交換機的優越性程控交換機的優越性能提供許多新的服務性能能提供許多新的服務性能維護管理方便、可靠性高維護管理方便、可靠性高靈活性大、便于采用新技術和增加新業務靈活性大、便于采用新技術和增加新業務我國程控交換技術的發展我國程控交換技術的發展引進交換機引進交換機 AXE10AXE10，FETEX-150FETEX-150，E10BE10B，5ESS5ESS、 NEAX61 NEAX61 、EWSDEWSD引進生產線引進生產線 上海：上海：S12

7、40S1240，北京：，北京：EWSDEWSD，天津：，天津：NEAX61 NEAX61 自行研制自行研制 巨龍巨龍HJD-04HJD-04，大唐，大唐SP30SP30，華為，華為C&C08C&C08，中興，中興ZXJ10ZXJ10 3.2 數字程控交換機系統結構數字程控交換機系統結構數字程控交換機的基本結構是由話路子系統和控制子系統構成的，話路子系統又是由交換網絡和接口設備組成的。圖3.2數字程控交換機的基本結構 圖3.3數字程控交換機的典型系統結構 (1)控制子系統 控制子系統是交換機的“指揮系統”，交換機的所有動作都是在控制系統的控制下完成的。(2)話路子系統 話路子系統

8、是由中央級（選組級）交換網絡中央級（選組級）交換網絡和用戶級交用戶級交換網絡以及各種接口設備換網絡以及各種接口設備組成的。 交換網絡主要完成交換的功能，即在某條入線與某條出線之間建立連接，從而實現不同線路端口上的話音交換。數字程控交換機的交換網絡是數字交換網絡，主要采用T接線器或T和S接線器，并按照一定的拓撲結構和控制方式構成的，用于完成時分復用信號的交換。 接口設備是數字程控交換機與外圍環境的接口，其功能主要是完成外部信號與交換機內部信號的轉換。程控數字交換機的接口設備主要有用戶電路、中繼電路和信令收發設備。用戶電路是用戶終端設備與交換機的接口，用戶終端通過用戶線連接到交換機，因而每條用戶線

9、對應一套用戶電路。 3.3 3.3 接口設備接口設備接口設備是數字程控交換機與外圍環境的接口，其功能是完成外部信號與交換機內部信號的轉換。數字程控交換機的接口設備主要有用戶電路、中繼電路和信令收發設備。 3.3.1 3.3.1 數字程控交換機的接口類型數字程控交換機的接口類型圖3.4表明了數字程控交換機的各種接口.V類和Z類接口是數字程控交換機用戶側接口，A類、B類和C類接口是數字程控交換機與其它交換機的接口,是網絡側接口。其中數字接口有用戶側的V類接口和網絡側的A類、B類接口，模擬接口有用戶側的Z類接口和網絡側的C類接口，另外還有網管接口Q3接口. 圖3.4數字程控交換機的接口類型 ETET

10、ETETETETETETETETETETETET數數 字字 交交 換換 網網 絡絡模擬用戶線模擬用戶線Z1模擬遠端集線器模擬遠端集線器Z2模擬模擬PABXZ3數字用戶線數字用戶線V1LTLTLTLTZ1V2V3V4V5數字遠端模塊數字遠端模塊Z1V1NT數字數字PABXm X (2B+D)n X E12,048kbit/sABLTC11C12C21C22LT本地本地轉換轉換二線二線中繼器中繼器通路轉通路轉換設備換設備四線四線FDM實線實線PCM8,448kbit/sLT34,368kbit/s8,448kbit/sLT（1）V接口：V1：連接數字用戶線接口，速率一般為64kbit/s,它所連接

11、的終端可為ISDN的2B+D或30B+D的終端或其它數字終端。V2：是連接數字遠端模塊的接口。V3：連接數字PABX的接口，為ISDN的基群速率接口 （30B+D）。V4：是支持多個2B+D終端接入的接口。V5：是接入網第一個標準化的接口，支持n條E1的接入 （1n16），V5接口包括V5.1接口和V5.2接口。（2）Z接口： Z1接口：連接單個模擬用戶終端的接口。Z2接口：連接模擬遠端集線器的接口。Z3接口：連接模擬PABX的接口。 （3）A接口：PCM一次群接口，速率為2048kbit/s。 （4）B接口：PCM二次群接口，速率為8448kbit/s。 （5）C接口：二線或四線模擬中繼接口

12、（目前很少使用） （6）Q3接口：與電信管理網（TMN）的接口，用于操作維護管理和計費等。 3.3.2 用戶電路 用戶電路是程控交換機通過用戶線與用戶終端相連的接口電路，由于用戶線和用戶終端有數字和模擬之分，因而用戶電路也有兩種：模擬用戶電路和數字用戶電路模擬用戶電路和數字用戶電路。模擬用戶電路是程控交換機通過模擬用戶線與模擬終端設備相連的接口電路.數字用戶電路是程控交換機（ISDN交換機）通過數字用戶線與數字終端設備相連的接口電路. 圖3.5模擬用戶電路的功能框圖 模擬用戶電路的功能可歸納為以下BORSCHT七個功能： lB（Battery feeding）饋電 lO（Overvoltage

13、 protection）過壓保護 lR（Ringing control）振鈴控制 lS（Supervision）監視 lC（CODEC & filters）編譯碼和濾波 lH（Hybird circuit）混合電路 lT（Test）測試1、饋電 B在電話通信中，交換機通過用戶線向用戶終端提供通信的電源，這種饋電功能是由交換機的用戶電路完成的。 圖3.6饋電原理 2、過壓保護 O用戶電路的過壓保護常采用鉗位方法，如圖3.7所示。從圖中可見，平時用戶內線的a、b線上的電位將保持在48V伏或60V狀態。若外線電壓高于內線電壓，則在電阻R上產生壓降，用戶內線電壓被二極管鉗住在0；若外線電壓低于

14、內線電壓，用戶內線電壓被二極管鉗住在48V伏或60V 。此外，兩種情況下在電阻R上都會產生壓降，R可以采用熱敏電阻，平時R具有很小的電阻值，而當高壓進入時，R的電阻值升高從而降低了內線電壓和電流，而且必要時可自行燒毀，內外線斷開，從而達到保護內線的目的。 圖3.7 過壓保護原理 3、振鈴控制振鈴控制 R R由振鈴繼電器控制振鈴的原理如圖3.8所示。從圖中可知，由CPU送出的振鈴控制信號控制繼電器的通斷，當繼電器接通時就可將鈴流送往用戶，被叫用戶摘機后，振鈴開關送出截鈴信號，CPU則控制停止振鈴。圖3.8 振鈴原理 4、監視監視 S為完成電話呼叫，交換機必須能夠正確判斷出用戶線上的以下幾種情況：

15、l用戶話機的摘掛機狀態l用戶話機（號盤）發出的撥號脈沖l投幣、磁卡等話機的輸入信號用戶線監視原理如圖3.9所示。在圖3.9（a）中，直流饋電電路串聯了一個小電阻，通過檢測電阻上的直流壓降便可得知在a、b線上是否形成了直流通路；在圖3.9（b）中，通過從過壓保護電阻R的內外側各引出信號進行比較而得知用戶線狀態，有壓降則形成直流通路，無壓降則沒有直流通路。 (a) 用戶線監視方法一 (b) 用戶線監視方法二 圖3.9 用戶線監視原理 5 5、編譯碼和濾波、編譯碼和濾波 C C編譯碼器的任務是完成模擬信號和數字信號間的轉換。數字交換機只能對數字信號進行交換處理，而話音信號是模擬信號，所以需要用編碼器

16、（Coder）把模擬話音信號轉換成數字話音信號，然后送到交換網絡中進行交換；并通過解碼器（Decode）把從交換網絡來的數字話音信號轉換為模擬話音信號送給用戶。編譯碼器和濾波，一般采用集成電路來實現。6 6、混合電路、混合電路 H H混合電路用來完成二/四線的轉換。用戶話機的模擬信號是二線雙向的，數字交換網的PCM數字信號是四線單向的，因此，在編碼以前和譯碼以后一定要進行二/四線轉換。混合電路的平衡網絡用于平衡用戶線阻抗。7、測試、測試 T T 用戶電路可配合外部測試設備對用戶線進行測試，用戶線測試功能的實現如圖3.10所示，它是通過測試開關將用戶線接至外部測試設備來實現的。圖3.10 配合外

17、部測試原理 3.3.3 中繼電路 中繼電路是交換機和中繼線的接口設備，也叫中繼器。交換機的中繼電路有數字中繼電路和模擬中繼電路。模擬中繼電路是交換機與模擬中繼線的接口，用于連接模擬交換局，模擬中繼電路的功能與用戶電路的功能基本相似，目前在電話網上已很少使用. 數字中繼電路是連接局間數字中繼線的接口設備，用于與數字交換局或遠端用戶模塊相連。數字中繼電路的功能框圖如圖3.11所示。 圖3.11 數字中繼電路的基本框圖 數字中繼電路的基本功能主要有：數字中繼電路的基本功能主要有： l碼型變換 由于PCM線上使用的傳輸碼型與交換網絡內部的碼型不一樣，PCM線上使用的傳輸碼型一般是HDB3型碼（高密度雙

18、極性碼），交換機內部的碼型一般采用單極性不歸零碼（NRZ碼），碼型變換的任務就是在接收和發送方向完成這兩種碼型的相互轉換。 l 幀同步 數字中繼線上的PCM信號是以幀方式傳輸的，其幀格式如圖3.12所示。幀同步就是從接收的數據流中搜索并識別到幀同步碼，以確定一幀的開始，使接收端的幀結構排列和發送端的完全一致，從而保證數字信息的正確接收。幀同步碼0011011在PCM偶幀的TS0中。 圖3.12 PCM的幀格式 l復幀同步 如果數字中繼線上采用的是隨路信令（中國No.1信令），則除了幀同步外，還要有復幀同步。PCM的1個復幀由16個幀組成。復幀同步是使接收端與發送端的復幀結構排列完全一致。在隨路

19、信令方式中，各話路的線路信令在一個復幀的TS16中的固定位置傳送，如果復幀不同步，線路信令就會錯路。復幀同步就是為了保證各路線路信令不錯路。 復幀同步碼在F0（復幀的第1個幀）的TS16的高4個比特中傳送，碼字為0000。 l時鐘提取時鐘提取的任務就是從輸入的數據流中提取時鐘信號，以便與遠端的交換機保持同步。被提取的時鐘信號將作為輸入數據流的基準時鐘，用來讀取輸入數據，同時該時鐘信號還可用作本端系統時鐘的外部參考時鐘源。 l提取和插入信號 提取和插入的信號主要包括幀同步信號、復幀同步信號和告警信息的插入與提取，此外當數字中繼線上采用的是隨路信令（中國No.1信令）時，在TS16還要提取和插入中

20、國No.1信令的線路信令。 l幀定位（再定時） 從數字中繼線上輸入的碼流有它自己的時鐘信息（它局時鐘），而接收端的交換機也有它自己的系統時鐘（本局時鐘），這兩個時鐘在頻率和相位上不可能完全一致。幀定位就是采用彈性緩存的方式，用提取的時鐘控制輸入碼流寫入彈性緩沖器，用本局時鐘控制從彈性緩沖器 中讀出碼流，從而把輸入數據的時鐘調整到本局系統時鐘上來，實現系統時鐘的同步。 3.3.4 數字音頻信號的產生、發送和接收 1、音頻信號種類： l交換機到用戶 交換機到用戶的信號主要是各種信號音，交換機需要產生的主要信號音及其時間結構如圖3.13所示。它們均是單頻信號音，信號源為450Hz或 950Hz的正弦

21、波。 圖3.13 交換機需要產生的主要信號音及其時間結構 l用戶到交換機 用戶向交換機發送的信號主要是被叫號碼，它包括兩種形式：直流脈沖和雙音多頻（DTMF）。l交換機到交換機 當局間采用中國No.1信令時，交換機到交換機之間發送和接收的是局間多頻互控（MFC）信號。局間MFC信號是雙音頻信號，全部在音頻的范圍內，即在300Hz3400Hz之間。其高頻段（前向）信號頻率為：1380Hz、 1500Hz、1620Hz、1740Hz、1860Hz、1980Hz，它采用“六中取二”的頻率組合；低頻段（后向）信號頻率為：1140Hz、1020Hz、900Hz、780H，它采用“四中取二”的頻率組合。

22、總結總結: : 交換機應具備音頻信號接口，既能產生單音頻和雙音頻的信號，也應能接收雙音頻的信號。不管是信號音還是DTMF信號和MFC信號，它們都是音頻模擬信號，由于交換機內部交換和中繼線上傳輸的都是數字信號，所以這些音頻信號的產生、發送和接收一般采用數字信號發生器和數字信號收發器來完成。 交換機應具有的音頻信令接口種類具體有：l音信號發生器（數字、單音頻）lDTMF信號接收器（數字、雙音頻）lMFC信號接收器（數字、雙音頻）lMFC信號發生（送）器（數字、雙音頻）2、單音頻信號的產生 在數字交換機中，我們通常采用數字信號發生器來直 接產生數字化信號。數字信號發生器是利用只讀存儲器（PROM）來

23、實現的。 單音頻信號產生的基本原理是：按照PCM編碼原理，將信號按125s間隔進行抽樣（也就是8kHz的抽樣頻率），然后進行量化和編碼，得到各抽樣點的PCM信號值，按照順序將其放到ROM中，在需要的時候按序讀出即可。圖3.15是單音頻信號的產生原理 圖3.14 單音頻信號產生原理 3、雙音頻信號的產生 交換機需要產生的雙音頻信號是中繼線上的MFC信號。我們以多頻互控信號為例，來說明雙音頻信號產生的基本原理。產生雙音頻信號最主要的就是要確定一個“重復周期”，使得在這個周期內兩個雙音頻信號和PCM的抽樣信號都重復了完整的周期，即三個信號的重復次數均為整數。例如要產生1500Hz和1620Hz的雙音

24、頻信號，首先我們在1500Hz、1620Hz和8000Hz的三個頻率中取最大公約數20Hz，它是重復頻率，重復周期為50ms，即在50ms內， 1500 Hz重復了75次，1620 Hz重復了81次，8000 Hz重復了400次。因此在50ms周期內，要取400個抽樣值存放在ROM中。在需要時按序讀出即形成了數字雙音頻信號。4 4、數字音頻信號的發送、數字音頻信號的發送圖3.15是通過數字交換網絡向用戶送信號音的應用舉例。 圖3.15 通過交換網絡向用戶送信號音在圖3.15中，交換網絡有16條入線和16條出線，分別標識為015，每條入、出線上傳送的是32路PCM信號，信號音發生器連在交換網絡的

25、入線15上，它通過入線15的TS1、TS2固定時隙，通過交換網絡分別向用戶送忙音和撥號音。在某一時刻，出線2上的用戶A需要送忙音，它所分配的話路時隙是TS8；出線3上的用戶B需要送撥號音，它所分配的話路時隙是TS18。要實現向用戶A送忙音和向用戶B送撥號音，交換機只要將入線15的TS1與出線2的TS8相連，同時在入線15的TS2與出線3的TS18之間建立連接即可。由于同一時刻需要送音的用戶會有多個，所以通過交換網絡送音要建立的不僅是點到點的連接，還需要點到多點的連接。5 5、數字音頻信號的接收、數字音頻信號的接收為實現DTMF和MFC信號的接收，交換機設有DTMF收號器和MFC接收器，它們是交

26、換機的公用資源。通過交換網絡實現多頻信號的接收是常用的一種方法，這與數字音頻信號的發送相類似，所不同的是DTMF收號器和MFC接收器一般接于交換網絡的出線上，即下行母線上。當接收DTMF信號時，交換網絡只要將撥號用戶的話路連至相應的DTMF收號器即可；當接收MFC信號時，交換網絡只要將入中繼線上的話路與相應的MFC接收器相連就行。數字多頻信號接收器的工作原理如圖3.16所示，一般采用數字濾波器濾波后進行識別的方法。圖3.16 通過交換網絡向用戶送信號音3.4 3.4 話路建立話路建立3.4.1 3.4.1 復用器與分路器復用器與分路器PCM信號傳輸采用串行碼，即一個時隙的8位碼在一條線路上串行

27、傳輸，而T接線器的話音存儲器字長一般為8位，其寫入和讀出是以字長為單位進行的，即8位碼并行同時寫入或讀出。數字程控交換系統的交換網絡一般由T接線器或T和S接線器組合構成的，因此當話音信號進入交換網絡交換時，先要將串行碼轉換為并行碼，這個過程叫做串并變換；當話音信號完成交換從交換網絡輸出時，也要進行一個反變換，即將并行碼轉換為串行碼，這個過程叫做并串變換。復用器主要完成兩個功能：復用器主要完成兩個功能：1、信號的串并變換2、將多路低速信號進行時分復用，形成高速的時分復用信號分路器完成的功能與復用器相反，也稱為解復用，它分路器完成的功能與復用器相反，也稱為解復用，它有兩個功能：有兩個功能：1、信號

28、的并串變換2、將高速的時分復用信號進行分路，形成多路低速信號復用器、分路器與TST網絡的連接方式如圖3.17所示。圖3.17 復用器、分路器與TST網絡復用器的串并變換與復用見圖3.18（a）所示分路器的并串變換和分路見圖3.18（b）所示圖3.18 復用器與分路器的工作原理若進入每個復用器的PCM線路數為4，即n=4，并且每條PCM線路速率為2048kbit/s，則點速率為2048kbit/s，傳輸信號為串行碼；點速率為256kbit/s，傳輸信號為8位并行碼； 【/8】點速率為1024kbit/s，傳輸信號為8位并行碼。【*n】各點的波形圖如圖3.19所示。 圖3.19 串并、復用各點波形

29、圖分路器完成相反過程的變換，若進入分路器的信號速率為1024kbit/s，分路器輸出線數為4，則各點速率和串并碼與復用器相同。如果復用器輸入線數為n，依次編號為0、1、n-1，且i號輸入線上的TSj信號經復用器串并變換和復用后，在輸出線上第k個時隙輸出，即在TSk出現，則有k=jn+i。3.4.2 3.4.2 話路建立話路建立設有一數字程控交換機，如圖3.20所示。 圖3.20 話路建立過程舉例其系統結構采用模塊化分級控制方式，它由中央級（選組級）和用戶級組成。選組級交換網絡采用T-S-T三級交換網絡，由中央處理機來控制。用戶級有4個用戶模塊，每個用戶模塊有256個用戶，經過用戶模塊的用戶集中

30、器（按4:1），通過兩條2Mbit/s的32路PCM線路與選組級交換網絡相連，用戶模塊由用戶處理機控制。話音進入選組級交換網絡首先要經過復用器，進行串并變換和復用，然后才進入T接線器，此時信號速率變為4Mbit/s，每幀64個時隙； 話音從交換網絡的第3級出來還要經過分路器，進行并串變換和解復用，信號速率由4Mbit/s變為2Mbit/s。選組級交換網絡的第1級和第3級分別由4個T接線器組成，第2級S接線器的交換矩陣為4X4，它可完成4條母線之間的空間交換，我們通常將交換網絡或交換單元的入、出線稱為母線。整個交換網絡有8條入線和8條出線，分別標識為07，每條入、出線的話路數為32，交換網絡的容

31、量為256X256。若用戶模塊1的用戶A要與用戶模塊4的用戶B進行通話，在這次通話中，A為主叫用戶，B為被叫用戶，這是一個本局呼叫。假設在此次通話中主叫用戶A分配的時隙為母線0上的TS8，被叫用戶B分配的時隙為母線6上的TS5。A用戶話音經過復用器M0后，話路時隙由TS8變為TS16。A話音經上行第一級T接線器交換到ITS20，ITS20是交換所選的內部時隙。A話音經S接線器完成了母線間的交換，即從S的入線0交換到了出線3上，時隙不變。交換接續到第2級的T接線器，它完成由內部時隙ITS20到TS10的交換。再經過分路器D3后，這時接續到達被叫用戶B的話路時隙母線6上的TS5。正常通話還應完成B

32、到A的話路接續。B用戶話音經過復用器M3后，話路時隙由TS5變為TS10。B話音經上行第一級T接線器交換到ITS52，ITS52是B到A交換所用的內部時隙，它是采用反向法計算得到的，即A到B方向選擇的內部時隙為ITS20，T接線器輸入信號每幀為64個時隙，半幀為32，故有20+32=52，B到A方向交換所用的內部時隙為ITS52。B話音經S接線器從入線3交換到了出線0上，時隙不變。交換接續進展到第2級的T接線器，它完成由內部時隙ITS52到TS16的交換。再經過分路器D0后，這時接續到達主叫用戶A的話路時隙母線0上的TS8。3.5 3.5 控制子系統控制子系統 程控交換機的控制系統是交換機的“

33、指揮系統”，所有的“命令”從這里發出，交換機執行的每一個操作，都是在控制系統的控制下執行的，控制系統是交換機的重要組成部分。3.5.1 程控交換機對控制系統的基本要求程控交換機對控制系統的基本要求1、呼叫處理能力、呼叫處理能力呼叫處理能力是指在滿足服務質量的前提下，處理機處理呼叫的能力。我們通常用最大忙時試呼次數BHCA（Maximum Number of Busy Hour Call Attempts）來表示程控交換機的呼叫處理能力，即在單位時間內控制系統能夠處理的呼叫次數。處理機的系統開銷組成為：系統開銷固有開銷非固有開銷系統開銷，即處理機時間資源的占用率，是統計時間內處理機運行系統軟件和

34、應用軟件的時間與統計時長之比。固有開銷是與呼叫處理次數無關的系統開銷，如操作系統的任務調度程序和周期執行的各種掃描程序所占CPU的時間與統計時長之比。非固有開銷是與呼叫處理次數有關的系統開銷，如執行處理呼叫的程序所占CPU的時間與統計時長之比。程控交換機的BHCA值可采用下列公式進行粗略的計算：t a + bN其中：t 為該交換機控制系統的系統開銷a為該交換機控制系統的固有開銷b為該交換機控制系統處理一次呼叫的非固有開銷（平均值）N為單位時間內所處理的呼叫總次數，即呼叫處理能力值（BHCA）bN 為該交換機控制系統的非固有開銷下面是計算BHCA的一個例子。某處理機忙時用于呼叫處理的時間開銷平均

35、為0.80，其中固有開銷a為0.30，處理一次呼叫平均所用時間為36ms，求其BHCA值為多少？這里t0.80，a0.30，b36X10-3/3600（小時），由ta + bN可知：N（ta）/ b （0.800.30）X 3600 / 36X10-350000次/小時2 2、高可靠性、高可靠性程控交換設備是通信網中的核心設備，由于通信業務的特性，因而對其可靠性的要求比較高。按照國內電話交換設備技術規范要求，程控交換機系統中斷的指標是20年內系統中斷時間不得超過1小時。系統中斷是指由于硬件、軟件、操作系統故障，以及局數據、程序差錯而使系統不能處理任何呼叫且時間大于30s。 由于控制系統是程控交

36、換機的“神經中樞”，因此要求控制系統的可靠性要高，故障率要低。當出現故障時，處理故障的時間要短。為提高控制系統的可靠性，人們在控制系統的構成方式上多采用多機分散和冗余配置，注重處理機間通信的可靠性、運行軟件的可靠性，并增強控制系統的故障防衛和自愈能力。3.5.2 3.5.2 控制系統的控制系統的構成方式構成方式1 1、集中控制、集中控制集中控制是指處理機可以對交換系統內的所有功能及資源實施統一控制。該控制系統可以由多個處理機構成，每一個處理機均可控制整個系統的正常運作。圖3.22表明了集中控制方式的控制關系。圖3.22 集中控制方式在圖3.22中，該交換機系統具有f個需要完成的功能和r個可用資

37、源，其控制系統由n個處理機構成，這n個處理機中的每一個都能完成交換機的全部f個功能，也能應用全部的r個資源，因此這種控制方式為集中控制方式。早期的程控交換機由于功能簡單、容量較小，其控制系統一般采用集中控制方式。集中控制方式具有以下特點：（1）處理機直接控制所有功能的完成和資源的使用，控制關系簡單，處理機間通信接口簡單。（2）每臺處理機上運行的應用軟件包含了對交換機所有功能的處理，因而單個處理機上的應用軟件復雜、龐大。（3）處理機集中完成所有功能，一旦處理機系統出現故障，整個控制系統失效，因而系統可靠性較低。2 2、分散控制、分散控制分散控制是指對交換機所有功能的完成和資源使用的控制是由多個處

38、理機分擔完成的的，即每個處理機只完成交換機的部分功能及控制部分資源。圖3.23表明了分散控制方式的控制關系。圖3.23 分散控制方式在圖3.23中，該交換機系統具有f個需要完成的功能和r個可用資源，其控制系統由n個處理機構成，每個處理機只完成交換機f個功能中的一個或幾個，只能應用全部r個資源中的一個或幾個。現代程控交換機由于功能復雜、容量較大、可靠性要求高，其控制系統一般采用分散控制方式。分散控制又可分為以下兩種方式：1 1）全分散控制）全分散控制 采用全分散控制方式的控制系統，其多個處理機之間獨立工作，分別完成不同的功能和對不同的資源實施控制，這些處理機之間不分等級，不存在控制與被控制關系，

39、各處理機有自主能力。全分散控制方式具有以下特點：1）各處理機處于同一級別。2）每臺處理機只完成部分功能，這就要求各處理機要協調配合共同完成整個系統的功能，因而各處理機之間通信接口較復雜。3）每臺處理機上運行的應用軟件只完成該處理機所承擔的功能，故單個處理機上的應用軟件相對簡單。4）功能分散在不同的處理機上完成，某個或某些處理機出現故障，一般不會導致整個控制系統失效，因而系統可靠性比較高。5）系統具有較好的擴充能力。S1240程控數字交換機就是采用全分散控制方式，也叫分布式分散控制方式。2 2）分級分散控制）分級分散控制分級分散控制，就是控制系統由多個處理機構成，各處理機分別完成不同的功能和對不

40、同的資源實施控制，處理機之間是分等級的，高級別的處理機控制低級別的，協同完成整個系統的功能。分級分散控制方式具有以下特點：1、處理機之間是分等級的，高級別的處理機控制低級別的。2、處理機之間通信接口較集中控制方式復雜，但比全分散方式要簡單。3、各處理機上應用軟件的復雜度介于集中控制方式和全分散控制方式之間。4、控制系統的可靠性比集中控制方式高，但比全分散控制方式要低。瑞典愛立信AXE10程控交換機的控制系統采用2級的分散控制結構，圖3.24是其結構示意圖，它的控制系統是由中央處理機CP和區域處理機RP兩級構成，高級別處理器CP可控制低級別處理器RP完成各種功能。圖3.24 AXE-10兩級分散

41、控制結構日本富士通FETEX-150程控交換機的控制系統采用3級的分散控制結構，圖3.25是其結構示意圖，處理器級別從低到高分別為：用戶處理機（LPR）、呼叫處理機（CPR）和主處理機（MPR）。同級別的多個處理機話務分擔完成相同的處理功能，不同級別的處理機功能分擔分別完成不同的功能。圖3.25 FETEX-150三級分散控制結構3.5.3 3.5.3 多處理機的多處理機的工作方式工作方式1 1、功能分擔方式、功能分擔方式如果多個處理機分別負責完成不同的功能，我們就說這多個處理機采用的是功能分擔的工作方式。圖3.27是某個局用程控交換機的系統結構示意圖。 數字交換網絡用戶模塊0#2#1#用戶C

42、PU2#1#中央CPU用戶模塊M#2#1#用戶CPU中繼模塊0#2#1#中繼CPU中繼模塊N#2#1#中繼CPU信號音模塊2#1#信號音CPUPCMPCMPCMPCM中繼0中繼n中繼0中繼n用戶0用戶m用戶0用戶m圖3.26 某個局用程控交換機系統結構示意圖由圖可知，該交換機是由用戶模塊、中繼模塊、音信號模塊和中央模塊構成，各模塊都有自己的處理機系統，整個控制系統采用的是2級分散控制方式，中央模塊的中央CPU為高級別處理機，各模塊CPU為低級別處理機。用戶模塊的用戶CPU負責完成對用戶線的監視（摘掛機掃描、脈沖撥號的接收）、時隙分配、對用戶接口芯片的驅動、對用戶級交換網絡的控制等功能；中繼模塊

43、的中繼CPU負責完成對中繼線的監視、局間信令的收發等功能；信號音模塊的信號音CPU負責控制產生各種信號音以及DTMF信號的接收；中央模塊的中央CPU負責完成對交換網絡的控制、呼叫處理、OAM等功能，并控制其它模塊處理機的工作。用戶CPU、中繼CPU、信號音CPU、中央CPU分別完成不同的功能，因此這幾種處理機之間是按功能分擔方式工作的。 2 2、話務分擔方式、話務分擔方式如果多個處理機分別負責完成一部分話務功能，我們就說這多個處理機之間采用的是話務分擔的工作方式。在圖3.26中，有M個用戶模塊，這M個模塊的用戶CPU分別負責完成一組用戶的話務處理，即各用戶模塊的用戶CPU分別負責完成對一組用戶

44、的用戶線的監視、時隙的分配、用戶接口芯片的驅動以及各模塊用戶級交換網絡的控制等功能。這些用戶模塊的用戶CPU之間是按話務分擔方式工作的。同理，各中繼模塊的中繼CPU之間也是按話務分擔方式工作的。3 3、冗余方式、冗余方式在現代程控交換機中，為提高控制系統的可靠性，處理機系統一般均采用冗余配置，即除了正常運行的處理機之外，還配置備用的處理機，當原來正常運行的處理機發生故障時，備用機將替代發生故障的處理機繼續工作，以保證系統正常運行。我們通常把正常運行的處理機叫做主用機，把配置備用的處理機叫做備用機。那么這種主用機和備用機之間的工作方式叫做冗余方式。冗余方式按照配置備用處理機數量和方法的不同，可分

45、為以下兩種：1 1）雙機冗余配置）雙機冗余配置所謂雙機冗余配置就是有兩套處理機系統，一個為主用，一個為備用。雙機冗余配置，又可根據具體工作方式的不同，分為以下三種：同步方式在同步方式下，主、備用機同步工作，如圖3.27所示。 圖3.27 同步方式工作模式每一條指令，主、備用機都同時執行，并對其處理結果進行比較，結果相同則繼續執行下一條指令；結果不同，則表明至少有一臺處理機出現故障，處理機立即退出服務，進入緊急處理狀態。主備用機分別運行系統檢測程序，排除偶然性故障或干擾，確定哪臺處理機出現了故障，替換發生故障的處理機。同步方式的兩臺處理機對系統來說，就如同一臺處理機在工作一樣。同步方式可以及時發

46、現故障，但每執行一條指令都要比較結果，降低了處理機的處理能力，程序執行的效率低，并且對軟件故障不敏感。互助方式在這種情況下，主備用機之間負荷均分，即主用機和備用機在正常工作時，分別承擔一半的話務負荷。當一臺處理機出現故障時，另一臺處理機要承擔全部話務處理工作，直到發生故障的處理機恢復，重新回到負荷分擔的模式。如圖3.28所示。圖3.28 互助方式工作模式采用互助方式，要求每臺處理機的處理能力較高，當出現故障時，單臺處理機應能夠處理所有的話務負荷。由于兩臺處理機獨立工作，因而同時發生軟件故障的概率較低，故這種方式對軟件故障的防衛能力強。互助方式雙機通信較頻繁，還要考慮避免資源同搶，因而軟件設計較

47、復雜。主/備方式在主/備方式下，主用機在線運行，而備用機處于待機狀態，也叫備用狀態。備用狀態有兩種模式：冷備用和熱備用。冷備用的處理機內不保存動態的呼叫數據，當發生故障進行切換時，正在進行的呼叫會損失掉；熱備用的處理機內保存當前動態的呼叫數據，當發生故障進行切換時，不影響正在進行的呼叫。一般程控交換機都采用熱備用模式，尤其是局用交換設備，以保證在發生故障進行切換時，正在通話、振鈴、撥號的用戶能夠繼續正常進行，滿足國家電話交換設備技術規范的要求。 其工作方式如圖3.29所示。 圖3.29 主/備方式工作模式主/備方式中的熱備用模式，要求備用機時刻保存當前動態的呼叫數據，因而主備機之間通信頻繁，這

48、種通信機制的實現技術多種多樣，一種常見的方式是采用公用存儲器。相關這種通信機制的軟件設計較復雜，可靠性要求高。一般程控交換機大多采用主/備方式。在圖3.26中，每個用戶模塊、中繼模塊、中央模塊和信號音模塊的處理機系統都是采用雙機冗余配置，且所有模塊的CPU1#和CPU2#工作在主/備方式下。2 2）N+mN+m冗余配置冗余配置N+m冗余配置方式，就是有N個處理機在線運行，m個處理機處于備用狀態，比較常用的是N+1冗余配置方式，即m=1。3.5.4 3.5.4 多處理機間的通信多處理機間的通信多處理機之間的通信可采用一般計算機網絡處理機之間的通信方式，如采用總線方式、環形網等，圖3.30是一種采

49、用總線方式實現程控交換機多處理機之間通信的示意圖。用戶CPU中繼CPU信令CPU中央CPUOAMCPU總線圖3.30 多處理機之間通信采用總線方式由于程控交換機技術上的一些特殊性，如系統結構構成方式、采用同步時分復用的傳輸方式等，因此其多處理機之間可采用PCM通信方式，即占用PCM線路的一個或多個時隙作為處理機之間的通信信道。這種方式靈活方便、便于遠距離通信。如圖3.31所示。CPUCPUPCMTSn通信信道圖3.31 多處理機之間通信采用PCM方式3.6 3.6 程控交換軟件技術程控交換軟件技術程控交換機的軟件系統是一個龐大而復雜的實時控制軟件系統，它是程控交換機設計、研發和維護的核心所在，

50、它涉及計算機領域眾多的技術，如操作系統、數據庫、數據結構、編程技術等。 3.6.1 3.6.1 程控交換軟件系統概述程控交換軟件系統概述1、程控交換軟件的特點實時性-話音業務最大的特點是具有實時性，因此交換機的軟件系統在進行呼叫處理過程中必須滿足實時性的要求，這對軟件編程效率、CPU的處理能力等方面提出了要求。多任務并發執行-程控交換機應能處理并發的多個呼叫，因此交換機的軟件系統在操作系統、數據管理、多任務程序設計、資源管理等方面應滿足這種多任務并發執行的特點。高可靠性-程控交換機必須具有高可靠性，因此交換機的軟件系統應采取各種措施來保證其業務的不間斷，如設置自檢程序、測試程序、故障診斷和處理

51、程序、備份CPU倒換程序等。2 2、程控交換機軟件系統的組成、程控交換機軟件系統的組成程控交換機的軟件系統主要是由系統軟件和應用軟件組成，系統軟件主要指操作系統，應用軟件又包括呼叫處理軟件、OAM（操作維護管理）軟件和數據庫系統，其軟件組成如圖3.32所示：圖3.32 程控交換機軟件系統的組成（1）操作系統）操作系統程控交換機的操作系統是交換機硬件與應用軟件之間的接口。是一個實時多任務的操作系統。實時多任務操作系統能對隨機發生的外部事件做出及時地響應，并進行處理。程控交換機的操作系統對任務調度一般采用基于優先級的搶占式調度算法，即系統中的每個任務都擁有一個優先級，任何時刻系統內核將CPU分配給

52、處于等待隊列中優先級最高的任務運行。所謂搶占式是指如果系統內核一旦發現有優先級比當前正在運行的任務的優先級高的任務，則使當前任務退出CPU進入等待隊列，立即切換到高優先級的任務執行。在處理同優先級別的任務時采用先來先服務或輪轉調度的算法。在程控交換系統中，可按照緊急性和實時性要求的不同將任務分為三種：故障級任務：完成故障緊急處理等功能的任務，具有最高優先級。周期級任務：由時鐘中斷周期性啟動執行的任務，如每隔10ms周期性啟動的撥號脈沖識別程序，啟動周期為100ms的用戶群掃描程序等。周期級任務的優先級較故障級任務低、比基本級任務高。基本級任務：由事件啟動的實時性要求不高、可以適當延遲執行的任務

53、，其優先級最低。不同級別的任務調度與處理如圖3.33所示：圖3.33 不同級別的任務調度與處理在圖3.33中，設每隔10ms產生一次中斷，在第一個10ms中斷周期內，處理機已執行完周期級和基本級任務，暫停并等待下一個中斷的到來；在第二個10ms周期內，先執行周期級任務，然后執行基本級任務，但基本級任務沒有執行完就被中斷了，進入第三個10ms周期。在第三個10ms周期內，由于發生了故障，周期級任務被中斷，轉去處理故障級任務。故障級任務執行完后，才再執行周期級任務。此外，由于程控交換系統的控制系統多采用分布式多處理機結構，所以其操作系統也具有網絡操作系統和分布式操作系統的特點。（2）程控交換機的應

54、用軟件程控交換機的應用軟件包括呼叫處理軟件、OAM（操作維護管理）軟件和數據庫系統。（a）呼叫處理軟件呼叫處理軟件主要負責呼叫連接的建立與釋放以及業務流程的控制，它是負責整個呼叫過程控制的軟件。具體完成的功能如下：用戶線和中繼線上各種輸入信號（呼叫信號、地址信號）的檢測和識別，如對用戶摘機、掛機信號以及被叫號碼的檢測和識別；呼叫相關資源的管理，如控制對時隙、中繼電路、DTMF收號器、MFC接收器和發送器等的分配和釋放；對用戶數據、呼叫狀態以及號碼等進行分析；路由選擇；控制呼叫狀態遷移；控制計時、送音和交換網絡的連接；信令協議的處理等。（b）OAM（操作維護管理）軟件：OAM軟件是程控交換機用于

55、操作、維護和管理的軟件，用于保證系統高效、靈活、可靠地運行，其完成的具體功能有：1.用戶數據和局數據的操作和管理2.測試3.告警4.故障診斷與處理5.動態監視6.話務統計7.計費8.過負荷控制等（c）數據庫系統程控交換機在進行呼叫處理和操作維護管理過程中，會使用和生成大量的數據，這些數據包括系統數據、用戶數據和局數據。系統數據與交換機的硬件體系結構和軟件程序有關，不隨交換局的應用環境而變化，不同的電話局若采用同一類型的交換系統，它們的系統數據是相同的，所不同的是用戶數據和局數據.用戶數據和局數據隨著交換機的應用環境和開局條件的不同而不同。 用戶數據是每個用戶所特有的，它反映用戶的具體情況，用戶

56、數據是每個用戶所特有的，它反映用戶的具體情況，有有靜態用戶數據靜態用戶數據和和動態用戶數據動態用戶數據之分，用戶數據主要包括之分，用戶數據主要包括以下幾種：以下幾種：用戶類別：住宅用戶、公用電話用戶、PABX用戶、傳真用戶等話機類別：PULSE話機、DTMF話機用戶狀態：空閑、忙、測試、阻塞等限制情況：呼出限制、呼入限制等呼叫權限：本局呼叫、本地呼叫、國內長途、國際長途等計費類別：定期、立即、免費等優先級：普通用戶、優先用戶使用新業務權限：表示用戶是否有權使用呼叫轉移、會議電話、三方通話、呼叫等待、熱線電話、鬧鐘服務等新業務新業務登記的數據：鬧鐘時間、轉移號碼、熱線號碼等用戶號碼：用戶電話薄號

57、碼、用戶設備號等呼叫過程中的動態數據：呼叫狀態、時隙、收號器號、所收號碼、各種計數值等 局數據局數據是反映是反映交換局設置和配置情況的數據交換局設置和配置情況的數據，主要包，主要包括以下幾種：括以下幾種：交換機硬件配置情況：用戶端口數、出/入中繼線數、DTMF收號器數、MFC收發器數、信令鏈路數等各種號碼：本地網編號及其號長、局號、應收號碼、信令點編碼等路由設置情況：局向、路由數計費數據：呼叫詳細話單（CDR）等統計數據：話務量、呼損、呼叫情況等交換機類別：C1C5，C5又分為市話端局、長市合一等復原方式：主叫控制、被叫控制、互不控制3.6.2 3.6.2 呼叫處理的基本原理呼叫處理的基本原理

58、1 1、呼叫處理過程及其特點、呼叫處理過程及其特點設用戶A和用戶B位于同一個交換機內，且兩個用戶均處于空閑狀態。在某個時刻，用戶A要發起與用戶B的一個呼叫，即主叫為A、被叫為B，則交換機對這個本局呼叫的基本處理過程如表3.2所示。通過上面對一個本局呼叫的基本呼叫過程的描述，我們不難發現整個呼叫處理過程就是處理機在某個狀態，監視、識別外部來的各種輸入信號（例如用戶摘掛機、撥號等），然后進行分析，執行任務和輸出信號（例如振鈴、送各種信號音等），進入另外一個狀態，再進行監視、識別輸入信號、再分析、執行、輸出信號的過程，我們可以通過圖3.35來進一步說明這種呼叫處理的特點。從上圖可知，一個呼叫處理的過

59、程可以分為幾個階段，每個階段對應一個穩定的狀態，在每個穩定狀態下，只有當交換機檢測到輸入信號時，才進行分析處理和任務執行，任務執行的結果往往要產生一些輸出信號，然后躍遷到另一個穩定的狀態，如此反復。 呼叫處理的過程具有以下的特點：呼叫處理的過程具有以下的特點：整個呼叫處理過程可分為若干個階段，每個階段可以用一個穩定的狀態來表示；整個呼叫處理的過程就是在一個穩定狀態下，處理機監視、識別輸入信號，進行分析處理，執行任務和輸出命令，然后躍遷到下一個穩定狀態的循環過程；兩個穩定的狀態之間要執行各種處理；在一個穩定狀態下，若沒有輸入信號，狀態不會遷移；相同的輸入信號在不同的狀態下會有不同的處理，并遷移到

60、不同的狀態；在同一狀態下，對不同輸入信號的處理是不同的；在同一狀態下，輸入同樣信號，也可能因不同情況得出不同結果通過上述對呼叫處理過程特點的分析，我們可以將呼叫處理過程劃分為以下三個部分：（1）輸入處理 在呼叫處理的過程中，輸入信號主要有摘機信號、掛機信號、所撥號碼和超時信號，我們把這些輸入信號也叫做事件，輸入處理就是指識別和接收這些輸入信號的過程，在交換機中，它是由相關輸入處理程序負責完成的。（2）分析處理 分析處理就是對輸入處理的結果（接收到的輸入信號）、當前狀態以及各種數據進行分析，以決定下一步執行什么任務的過程，如號碼分析、狀態分析等。分析處理的功能是由分析處理程序來完成的。（3）任務執行和輸出處理任務執行