现代交换原理第三章.ppt

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1、第三章第三章 数字程控交换的硬件接口及交换网络数字程控交换的硬件接口及交换网络1 1语音数字化基础语音数字化基础 语音数字化常用脉冲编码调制（PCM）、增量调制（M）、差分PCM（DPCM）和自适应差分PCM（ADPCM）等。在数字程控交换系统中，主要使用PCM方法。一PCM的基本原理二 PCM的组成：1 采样 用很窄的矩形脉冲按周期读取模拟信号的瞬时值，形成幅度按模拟信号包络变化的脉冲序列。这是把模拟信号变成数字信号的第一步。根据采样定理，传输有限频带的连续信号，只要采样频率为其最高频率的2 倍以上，则只需要传送信号的采样序列，就能无失真地恢复原来的模拟信号。模拟语音信号的频率范围在 300

2、 3400HZ，采样频率选定为8KHZ。2量化 由于采样值的幅度是连续的，要用四舍五入的方法，将无限个采样值用有限个数字量来表示。有均匀量化和非均匀量化之分，在通信中，常用非均匀量化。3 编码和译码 编码是把量化后的信号变换成代码，其相反过程称为译码。将模拟信号的采样量化值按某种规律变换成代码，称为脉冲编码调制（PCM）。4再生 PCM波形经信道传输，会引入畸变和噪声，要消除这些影响，要在传输线路间适当设置一系列再生中继器，以重新恢复PCM原有的波形。再生中继器要完成均衡、定时和判决三种基本功能。二 PCM时分多路通信 一个话音两个样值间都是空闲时隙TS(Time Slot)，可以插入其它话路

3、的信号样值，即各话音采样信息依次轮流占用其中一个时隙，从而实现多路复用。我国通信标准规定，32个时隙组成一帧，周期为125s，每时隙占用3.9 s，16帧合成一复帧，周期时间为 2000 s。由于采样速率为 8KHZ，所以总码率为2.048Mb/S，每一话路码率为 64Kb/S。1 个复帧由16个帧组成，1 帧由32时隙构成，1 时隙为8b信息，时隙1 15及17 31共30个时隙用作话路信息传输，时隙0(TS0)装载帧同步码，用于收发同步，偶数帧时，TS0的b5 b0 位为帧同步码组，规定内容为011011，b6是偶帧标志位“0”，b7保留给国际用；奇数帧的b4 b0 位是备用码组，保留给国

4、内用，暂定为“1”，b6是奇帧标志位“1”，b7保留给国际用，b5是失步告警码A1，帧失步时为“1”。TS16用于传送各话路标志号码。除第0 帧(F0)外，其 余各帧(F1 F15)的TS16均用于传送标志信息，每话路标志信号占4b，因此每次可送2 路标志信号。F0的TS16传送复帧同步码，编码固定为0000，b2为复帧失步告警码A2，失步时为“1”，其余各位为备用，全为“1”。三 PCM高次群 上述PCM系统称为基群或一次群，速率为2048Kb/s，在时分多路复用系统中，高次群是由若干低次群通过数字复用设备汇总而成。二次群由4 个基群复接而成，速率为8448Kb/s，话路达120路。实际使用

5、的系统，一般为四次或五次群系统。四次群速率为139.264Mb/s，话路为1920路，五次群速率为565 Mb/s，话路达7680路。3 32 2 数字交换系统的终端接口数字交换系统的终端接口一用户模块 用户设备部分包括用户模块和远端用户模块。它们的结构基本一样，主要作用是集中话务量。若将用户设备放到用户集中点处，形成远端模块，它和交换网络间通过中继线相连，会提高线路利用率和节省投资。远端用户模块比用户模块多了数字中继，以完成PCM码型转换和信令收发。（1）基本结构 一般包含用户处理机、用户接口电路、T接线器构成的交换网、串/并及并/串转换电路和数字交换网的接口电路。用户处理机完成用户话路控制

6、。用户话务量集中与扩散由一级时分接线器（T接线器）完成，还需配备串/并和并/串转换电路。用户设备一般采用数字集中方式，因此要使用编译码器，实现A/D及D/A转换。在用户电路、处理机与交换网络间要有接口电路。（2）模拟用户电路 是用户模块的重要组成部分，完成模拟电话机至交换机所需的信号转换。模拟 用户电路必需具有编译码功能，由单路编译码器完成。模拟用户电路共有七大功能，通称BORSCHT功能。a.馈电（Battery Feeding)馈电电压为-48V，通话电流在20 50mA。有电压馈电和恒流馈电方式，目前多用后者。b.过压保护(Over-voltage Protection)使用二级保护措施

7、，第一级在配线架安装保安器，防雷电，第二级为过压保护电路，使用钳位电路原理。c.振铃控制(Ringing Control)用户振铃的铃流电压较高，我国规定为9015v、25Hz 交流电，铃流电压一般通过继电器或高压集成电子开关单独向用户提供。铃流发生器是连续信号发生器，需要由软件控制继电器R 动作，实现1s 通4s 断的节奏。d.监视(Supervision)通过监视用户线上直流电流来监视用户回路的状态。用户回路的通断状态可以作为检测用户摘机状态和直流拨号脉冲，用户挂机时，直流环路断开，馈电电流为零；反之，用户摘机，馈电电流在20 mA以上。用户发的脉冲号码，可由用户直流环路的通断次数及其间隔

8、比表示，使用微处理器检测回路通断状态并进行计数，可判别用户所发的脉冲号码。e.编译码(Code and Decode)完成模拟信号和数字信号间转换。模拟信号变换成数字信号由编码器完成，数字信号变换成模拟信号，由译码器完成，统称CODEC。常用单路编译码器，对每个用户实行编译码，然后合并成PCM相应的时隙串。编码前和译码后均使用相应的滤波器，目前编译码器和滤波器集成在一块电路上。f.混合电路(Hybrid Circuit)模拟话音信号是2 线双向传送的，而数字信号的收发通路要分开，即要提供两对线给信号作输入与输出，形成四线单向传输。因此在用户话机和编译码器间应进行2/4线转换，把2 线双向信号换

9、成4 线单向信号，反之亦然。这是混合电路的功能，目前已使用集成电路来实现。在集成混合电路中，有一个平衡网络电路，其作用是对用户线进行阻抗匹配，使混合电路的发送端与接收端间有很大的端口衰耗，避免接收端信号回送到发送端而产生声音共鸣。g.测试(Test)交换系统在必要时，通过继电器或电子开关对用户电路进行功能测试。测试设备外接或由软件自动完成。用户电路功能示意图：（1）模拟中继器 是数字交换机和模拟交换机中继线相连时的接口电路。其结构形式和用户电路十分相似。和用户电路不同点：a.模拟中继单元不向外馈电和发送铃流；b.模拟用户电路需对用户线状态监视，而模拟中继器则对线路信号监视，监视对方送来的信号变

10、化；c.用户电路接至用户模块进行话务量集中，模拟中继是直接进入交换网络。二 中继器（2）数字中继器 是数字交换机与数字局的中继线相连的接口电路，其作用是发送及接收PCM信号。a.时钟提取 数字交换和数字传输系统都是以系统内部时钟来收发数据流，它们必须从输入的数据流中提取时钟信号作为输入数据流的基础时钟，所提取的时钟信号用于读取输入数据。可用锁相环、晶体滤波等方法实现。b.码型变换 把数字中继线上使用的HDB3码转换成交换机内部使用的单极性不归零码。反之亦然。HDB3码不会长时间出现连续的“0”和连续的“1”，便于在数据流中安插时钟信号。c.帧同步 帧同步是要从接收的数据流中搜寻并识别出该同步码

11、字，以此时隙作为一帧的开头，使接收端的帧结构排列与发送端完全一致。帧同步由帧同步检测器实现，有两个基本状态，帧同步状态或帧失步状态。在给定的同步码位上检测出已知码型，称帧同步状态，若测出的码型与已知的 同步码不一致，则称为失步状态。为了避免偶发性误码或对干扰的错判，发现失步经过调整，再判别是否进入同步状态。因此要采用同步保护措施，规定连续 4 次检测不到同步码，才判定系统失步，这叫前向保护。在失步状态下，规定连续检测两次帧同步码组，在其奇帧TS0 的b5 位（A1）为“0”，才判定同步恢复，这叫后向保护。在随路信令方式 中，复帧同步是为解决各路标志信号错位而设。在复帧TS16，各路标志信号都有

12、自己位置，只要复帧同步，标志信号就不会错位，使接收端第0 帧（F0）开始与发送端排列一致。d.位同步 在异步通信网中，接收端交换机本身时钟与中继线上提供的时钟信息，可能在频率及相位不完全一致，位同步就是要实现它们间的同步。读取输入数据，必须使用从它里面提取的时钟，将数据流通过时钟提取电路便得到此时钟。但数据交换是以本身系统为基准的，提取得到的时钟不能直接用来交换。使用弹性存储器强制输入数据和系统时钟同步。弹性存储器按提取时钟写入数据，使用系统时钟读出数据，保证读出的数据和系统时钟同步，完成由提取时钟过渡到系统时钟的调整。当提取时钟比系统时钟快时，会出现输入数据虽存入存储器，但以前存入的数据未被

13、读出，造成数据丢失现象；反之，如果提取时钟比系统时钟慢，会出现新的数据还没写入，原有的数据被读两次。这两种情况都引起数据传输损伤，称滑动损伤。同时，提取时钟相位抖动也会引起滑动。抖动是指信号在各个有效瞬时对其理想位置的偏移。若弹性存储器读写地址指针比较接近，抖动会使读写操作发生错误。针对上述两种情况，常使弹性存储器容量为两帧字节（64字节），初始化时，写指针初值为0，而读指针为32。正常情况下，读和写地址相差32个字节。当检测到有滑动时，同时使两指针内容相对变化32，使滑动损伤和相位抖动不会出现读写错误。滑动检测可以通过读写指针所示的地址内容差值来判断，当其差值达某个数值时，可认为滑动的出现。

14、数字中继单元结构框图：接收部分，从数据流中提取外时钟，按外时钟对数据流采样，把 HDB3 码变换成单极码。信号进入帧同步检测器进行帧同步码字检测，经过零时隙插入电路，加入帧同步码字，送入弹性存储器进行位同步。最后把读出的数据经接口送往交换网络。发送部分，从数字交换网络来的数据，经接口电路送入帧同步插入电路，数据被移位，直到零时隙控制信号有效，把帧同步码字插入到零时隙中去，然后通过HDB3编码器，把单极性码变换成HDB3码送出。三音频信号的产生、发送和接收 交换机需要向用户发送拨号音、回铃音、忙音及各种提示音，同时也需要向其它交换机发送、接收各种局间多频互控信号。这些都是模拟信号，必须将它们数字

15、化，用PCM信号表示。信号音有两种：单音频和双音频信号。单音频信号用于用户方面；双音频用于局间互控，分前向信号和后向信号。前者从6 个频率中取2 个合成一个双音频信号，后者从4 个频率中取2 个合成。我国国际长途使用的 R1信号，国内长途采用的R2 信号，均是双音频信号。一 单音频信号的产生 为简单起见，以500Hz信号为例。将500Hz音频信号以8KHz频率采样，然后进行量化和编码，得到各采样点幅值的PCM码，放进ROM中存放。由于500Hz的周期时间为2 ms，8000Hz的周期时间为0.125ms，前者周期时间刚好为后者16倍，采样16 次就是一个完整的正弦波形，因此存放在ROM中的数据

16、只占16个字节，从ROM中按顺序读出，就是数字化500Hz音频信号。二 双音频信号的产生 例如要产生1380Hz和1500Hz数字化双音频信号。找出一个重复周期时间，使1380、1500与8000Hz三个频率在其内恰好成为整数循环。为此，取三个频率最大公约数，应为20Hz，其周期为50ms，在50ms内，1380Hz重复69次，1500Hz重复75次，8KHz重复400次，因此需要有400个样值要存储。计算机直接从ROM中按顺序读出存储数据可得双音频信号。三数字音频信号的发送和接收 和普通话音信号一样，各种数字化的音频信号可以通过数字交换网发送，由于从ROM中读出的信号是8 位并行PCM码，需

17、变成串行码并通过复接电路送入指定的时隙。单频信号由用户电话机接收，在用户环路中进行译码变成模拟信号，再送用户电话机。多频信号由专用接收器处理，为区别各种不同频率和组合，6 个数字滤波器对信号滤波，从中取出2 个不同频率信号，再由数字逻辑识别电路识别出它们的组合。3.3 数字交换网数字交换网 多路PCM信号交换使用时分交换方式。它要求实现空分线路（母线）交换和时隙交换。图中，母线1 上的A用户使用时隙5、B用户使用时隙9，经交换网络后，A用户的信息交换到母线m 的时隙25中，而B 用户的信息交换到母线2 的时隙21中。一般情况下，小容量模拟交换机采用空分交换网络；小容量的数字交换机采用时分交换网

18、络；大、中型数字程控交换机使用时分与空分相结合的交换网络。数字交换网络是由时分接线器（T接线器）和空分接线器（S接线器）组合而成。一.时分接线器（T接线器）T 接线器是进行时隙交换的基本部件。由话音存储器和控制存储器组成。它们都是动态RAM，前者存放话音PCM码和奇偶校验位，其容量由交换时隙的数量而定；后者用于控制前者的读写操作，存放内容为前者读写地址，字长由地址长度而定，另加校验位。T接线器有输出控制方式和输入控制方式。1.输出控制方式 设将输入端TS26的话音交换到TS225中。a.CPU通过软件在控制存储器的225号单元写入26（为方便，用十进制表示）；b.在连续地址脉冲作用下，时隙 2

19、6，用户的话音按顺序写入的要求，把话音信息写入话音存储器的第26号单元；c.在定时脉冲作用下，控制存储器是按顺序读出，因此在 TS225 读出225 号单元的内容26，并以此作为读话音存储器的地址，从第26号单元中，读取用户刚存入的话音信息。d.经过上述过程，用户原存放在TS26的话音信息，在TS225时隙被取出，实现了信息的时分交换。可见，T接线器在输出控制工作方式下，控制存储器是控制写入，顺序读出；而话音存储器则相反，顺序写入，控制输出。2.输入控制方式 T 接线器在输入控制工作方式下，控制存储器是控制写入，顺序读出；而话音存储器也是控制写入，顺序输出。以TS26TS225为例。a.CPU

20、根据交换时隙的序号，在控制存储器26号单元写入225；b.顺序读控制存储器，在时隙26读得内容为225；c.以读得225为地址，找到话音存储器相应单元，把TS26的话音内容，写入225号单元中；d.顺序读话音存储器时，在时隙225读得225号单元内容，实现了把TS26内容交换到TS225中。在交换过程中，用户通话，总要占用一对固定时隙，如上例的TS26和TS225，占用直至通话结束。在每一个时隙中，交换系统必须完成一次写入和一次读出过程，前半段时间为写入，后半段时间为读出。T接线器的输出信号一定比输入信号延迟一段时间，但最多不超过一帧时间。二.空分接线器（S接线器）交换机使用S接线器扩大交换网

21、络容量。S接线器由两部分组成，其一是电子开关组成的交叉接点矩阵，可有 n 路输入和 n 路输出，其二是控制存储器，应有n 个控制存储器，每个有N个单元。控制存储器有输出控制和输入控制之分。所谓输出控制，指控制表每一纵列代表一个控制存储器，共有N个单元，它们的序号就是输出母线号，纵向的行号序列为控制存储器的单元号，对应时隙号，而控制存储器单元内所填的内容代表输入母线号。控制过程：a.CPU根据路由选择结果在控制存储器表中写入相应内容；b.控制存储器按顺序读出，在TS1读出各控制存储器 1 号单元内容：表示 4 号入线与 1 号出线接通；2 号入线与 2 号出线接通；1 号入线与 3 号出线接通；

22、TS2时隙到来时，2 号入线与1 号出线接通；1 号入线与3 号出线接通；可见，S 接线器每个交叉点只接通一个时隙的时间，下一个时隙其它交叉点接通，故S 接线器是按时分工作的。控制存储器也可以输入控制方式工作，此时控制表中每列控制器的序号，代表输入母线号，而表中内容代表输出母线号，行序列号仍代表时隙号。三.串/并变换与并/串变换 T 接线器和S 接线器的存储和交换都是用并行数字信号，因此PCM串行码在交换前后要经串/并及并/串变换。这些变换过程常和复接与分接结合使用。1.串/并变换（1）时钟和定时脉冲 程控交换机的基本时钟频率应为PCM的数码率，30/32系统时钟应不小于2048KHz，故其周

23、期时间为：1/204810-3=0.488 10-6 (s)即CP脉冲周期为0.488S，其占空比为50%。由于一个时隙传送8 b 信息，故它的时间应为0.488 8=3.9 S。CP的8 分频得A0 A7，构成顺序增加的8 位计数器输出脉冲。A0 A2三个计数脉冲可组成8 个位控脉冲 TD0 TD7，分别代表8b的位脉冲，而A3 A7可译出32个时隙脉冲，代表TS0 TS31时隙。（2）串/并变换电路串/并变换电路如下：a.8 条母线的串行码送入各自移位寄存器，在CP脉冲作用下，变成8 位数据并行码。由于移位输出是逐位出现，故要加锁存器。在TD7 位控脉冲与 CP 非（第八个CP脉冲后半周反

24、相）共同作用下，并行码被锁存。b.在下一个时隙第一个CP作用下，由8 选1 电子多路开关使并行码重新排列，形成图3.23的结构形式。（3）并/串变换 由锁存器和并入串出8 位移位寄存器组成。a.8 个锁存器分别在8 个门控脉冲作用下，把HW0的D0 D7(见图3.23)写入锁存器0，HW1的D0 D7写入锁存器1，b.在下一个时隙的TD0，CP前半周期将置位端S 设置成“1”，此时移位寄存器只置位，不移位，各母线的D0 D7位分别送入各移位寄存器。CP后半周到来，CP=0，S 端为“0”，移位寄存器处于移位状态。其后的CP，因TD0=0，S=0，继续移位，按CP节拍逐位移出至各母线中，直至下个

25、TD0为止。四.数字交换网络 前期的数字交换网络，一般用T 接线器和S 接线器组合成大容量的交换网。目前因T 接线器能直接交换上万个用户，因此，趋向采用单T 交换网络。1.T-S-T网络 设网络有3 条母线，每母线有32时隙。A 级T 接线器负责输入母线时隙交换，输出控制；S 接线器负责母线间空分交换，输入控制；B 级T 接线器负责输出母线时隙交换，输入控制。假设A 用户占用母线HW1 的TS2，而B 用户占用HW3 的TS31，网络内部空闲时隙为7，先讨论话音从A 传送至B。A B方向接续过程：a.CPU向HW1 的CMA的7 号单元写入“2”，向HW3 的CMB的7 号单元写入“31”，1

26、 号CMC的7 号单元写入“3”；b.SMA顺序写入，在TS2将A 话音写入HW1的SMA的2号单元，在TS7，顺序读出CMA的7 号单元内容“2”，作为SMA读出地址，把话音交换到TS7。同时，CMC的1 号输入线和3 号输出线接通，A话音信号到达B 级的T 接线器；c.3 号母线上的SMB在CMB控制下，将TS7 中的A 话音写到31号单元 中，在SMB顺序读出时，TS31读出A话音送往B用户，实现A向B的话音交换；d.话终折线，CPU清除各控制存储单元。B向A方向接续，原则上可另选一条空闲路由，重复上述过程，但要求CPU 作二次控制。另一种方法称反相法，即来、去方向的路由相差半帧时隙，上

27、半帧作来话时隙，下半帧作去话时隙。上例中，A 到 B 使用时隙7，则 B 至A 应使用7+16=23 时隙，这两时隙同时示闲和占用。B A方向接续过程请自行分析。2.S-T-S 网络 设A用户占用 HW1 的TS2，B用户占用HW3的TS31，A 级S 接线器和 B级S 接线器共用一个控制存储器 CMS，因CPU选定3 号链路，所以在CMS3中写入控制信息。a.CPU选择空闲的T 接线器，设选中SMT3/CMT3，CPU在CMT3的2 号单元写入“31”，31号单元写入“2”；b.SA 和SB 接线器共用一个控制存储器，因CPU选3 号 T 接线器，故在 CMS3 的2 号单元写入“1”，31

28、号单元写入“3”；c.在TS2，SA的1 号入线和3 号出线接通，A话音被送入SMT3，按顺序写入SMT3 的2 号单元；d.在TS31，SA的3 号入线和3 号出线接通，B话音按顺序写入SMT3的31号单元。在CP的后半周，CMT3送出读SMT3 的地址，把2 号单元的A话音信号输出至SB的3号入线。此时SB的3 号入线和3 号出线在CMS3 控制下接通，A出现在HW3 母线上；e.在下一个TS2，除执行c 的操作外，CMT3 送出读地址，把31号单元的B信号送到SB的3 号入线上。此时，SB的3 号入线和1 号出线在CMS3控制下接通，B出现在HW1母线上；f.上述过程往返重复，完成 A、B 间双方信息交换。话终折线，CPU清除各控制存储器单元内容。T-S-T网络可靠性较差，一般采用双套网络，并定期对交换网络送入测试码，比较输入、输出结果，或对两套网络信息进行实时比较，若有不符，由CPU再作处理。第三章练习题 书本第54 55 页:3.9、3.10、3.11、3.13 题