现代数字交换技术.ppt
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1、第5章 现代数字交换技术,5.1 引言 5.2 交换的相关概念 5.3 主要交换方式与原理介绍,5.1 引言,最早的交换机是人工操作的,第一个人工电话交换局1878年在美国康涅狄格州纽好恩建成,人工电话交换机有两种。一种是磁石式电话交换机,用户首先用手摇发电机发出呼叫信号,使相应的用户接口电路上的指示灯亮。话务员发现后,将自己的话路与呼叫者的话路接通,问明被叫者后,选定一条空闲绳路,然后将铃流发生器与被叫话路接通。被叫方摘机,指示灯亮后,话务员拆断铃流,接通绳路,使发话、受话双方通话。通话结束后,用户挂机,接口指示灯灭,话务员拆除绳路,完成一次通话过程。另一种是共电式电话交换机,话务员的操作基
2、本上同磁石式交换机一样,不同的是通话电源由电话局集中供电。人工交换机因其容量小、接续速度慢、需设话务员等缺点,现已被淘汰或仅用在某些特殊场合。,1889年,美国人史端乔发明了第一台无需话务员接线的步进式自动交换机,并在三年后投入了使用。此后,随着技术的发展,交换机的自动控制方式先后主要经历了机电制、布控制和程控制三代。机电制控制系统的接续过程是依靠对步进(侍服)电机等的控制来完成的。在布控系统中,存在许多由继电器或电子器件构成的控制单元电路,接续中所需的逻辑功能是通过适当设计这些控制单元之间的布线来完成的。机电制和布控制交换机中的控制系统所采用的器件和电路都较简单,它们的功能通常仅限于基本的呼
3、叫接续处理。,随着电子技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用,人们开始将计算机作为交换机的控制部分,以预先编制好的程序来控制话路接续部分的工作,这也就出现了程控交换机。与机电式布控交换机相比,程控交换机在接续速度、灵活性等方面,都有了极大的提高。受当时电子器件和集成电路技术的限制,开始的程控交换机是空分程控交换机,即它的控制部分是存有交换程序的计算机,而话路接续部分仍然采用机电式接线器或空分电子接线器,组成空分模拟交换网络,以交换模拟话音信号。,后来,在传输线路上产生了数字传输系统,随着传输系统数字化比例的增大,就越显示出模拟交换系统与数字传输系统连接时在技术上、经济上的种种不足,也就更迫切地需
4、要能直接交换数字信号的交换系统。随着集成电路技术的不断发展,我们把脉码调制PCM技术应用到交换领域中,在程控交换机的话路接续部分采用大规模集成电路组成的数字交换网络,直接交换PCM数字信号,这也就出现了时分数字交换机,标志着交换技术进入了数字交换的时代。,数字交换机的诞生不但使电话交换跨上了一个新的台阶,而且对开通非电话业务提供了有利条件。在数字交换机上既能进行电路交换,又能进行分组交换,而且能实现话音和非话业务等多种业务通信,组成综合业务数字网(ISDN)。这表明交换技术已经进入了一个新的世纪,人们早已将交换概念的内涵扩展了,其外延也一直延伸至广义的信息交换。交换的概念不仅涉及对延时敏感的话
5、音,而且包含数据交换和视频交换,也就是说,现在的交换概念不再是电路交换,也不完全是分组交换,而是信息交换。,5.2 交换的有关概念,5.2.1 接线器和接续网一台交换机通常由交换网络、接口、控制系统三部分组成,它们之间的关系如图5.1所示。接口的作用是将来自不同终端(如电话机、计算机等)或其他交换机的各种传输信号转换成统一的交换机内部工作信号,并按信号的性质分别将信令传送给控制系统,将消息传送给交换网络。交换网络的任务是实现各入线与出线上信号的传递或接续。控制系统则负责处理信令,按信令的要求控制交换网络以完成接续,通过接口发送必要的信令,协调整个交换机的工作。,图5.1 交换机组成示意图,交换
6、网络又称为接续网络,它可由一个或多个接线器组成。接线器的工作原理可用图5.2说明。接线器左边是入线,右边是出线。接线器的作用是根据需要使某一入线与某一出线接通。例如,当我们希望将1号用户线与1号中继线接通时,只需将网络交点(交叉接点)a接通。又如2号线用户欲与3号线用户通话时,可以选择通路1,这时只需将交叉接点b、c接通,即可使二者接通。如4号线用户欲与5号线用户线通话,可以选择通路2,这时只需将交叉接点d、e都接通,即可使二者接通。用户入线除能与中继线相通或经过通路互通外,还可与信令的收、发装置连接。例如,将f点接通可使1号入线与信号音发生器接通,使1号线用户听信号音(如拨号音、忙音、回铃音
7、等)。将g点接通,可使1号入线与收号器接通,由收号器接收1号用户所拨出的电话号码。,图5.2 接线器原理示意图,因此,接线器可看作是一个有M条入线和N条出线的网络,它有MN个交叉接点,每个接点都可在控制系统的控制下接通或断开。最早的磁石接线器通过人工插拔来完成交叉接点的通断。此后,出现了各种便于自动控制的接线器,其中较典型的有步进式和纵横式等。这些名称仅反映了接线器的控制方式和动作原理的特点,它们的效果都是相同的,即实现交叉接点的机械闭合和断开。,机械接线器的最大优点是接点的断通阻抗比很大,且能实现双向传输。缺点是体积大、速度慢、寿命短、噪音高、可靠性较差。为此,人们设计出了电子接线器。在这类
8、接线器中,接点的通断是通过一个有源固体器件(如晶体管、晶闸管等)的导通和截止来实现的。电子接点的速度远比机械接点快,但它的断通阻抗比不如机械接点,因而必须注意防止因接点截止阻抗不够高而引起的串话。另外,电子接点通常只允许单向传输,且最大电流或电压受到固体有源器件的限制。在实际中,尤其当出线和入线数目很大时,出于实现技术和经济上的考虑,常需要用多个接线器组成一个交换网络。但无论交换网络如何组成,从外部看,它们的作用都是相同的,即可随意地、有选择地使一条入线与一条出线接通。,5.2.2 交换和交换机的基本概念关于交换和交换机,有三对概念是最基本的,分别是布控和程控、模拟和数字、空分和时分。1.布控
9、和程控 布控和程控是交换设备控制部分两种不同的实现方法。布控是布线逻辑控制的简称,程控是存储程序控制的简称。所谓布控,是指将交换机各控制部件按逻辑要求设计好,并用电路板布线的方法将各元器件固定连接好,交换机的各项功能即能实现的一种控制方法。这种交换机的控制部件做成后不好修改,灵活性很小。,所谓程控,是指将对交换机的控制功能先按一定的逻辑要求设计成软件形式,存放在计算机(内存)中,然后由这台计算机来控制交换机的各项工作。即把各种控制功能、步骤、方法编成程序,放入存储器,利用存储器,由所存储的程序控制整个交换机的工作。整个交换机要在全部硬件设备(包括计算机)与交换软件的配合下才能工作。若要改变交换
10、机功能,增加交换机的新业务,只需要修改程序就可实现。,2.模拟和数字模拟和数字反映了交换接续的两种不同实现方法。所谓模拟方式,是指通过交换机交换接续的是模拟信号;所谓数字方式,是指通过交换机交换接续的是数字信号。当然,对数字方式而言,如果交换机所接终端产生的信号是模拟信号,则有一个A/D或D/A转换的过程。数字交换与模拟交换的接续方法有较大的不同。在实际的数字交换中,并不采用交叉接点闭合的方式,而是仿效计算机总线技术,首先将输入的数字信号存储在一个固定的缓存器中,然后在控制系统的控制下读出,经总线送到指定的输出端。,3.空分和时分空分和时分是交换网络的两种不同的实现方式。空分是指空间分隔,时分
11、是指时间复用。空分交换由空分交换网络来实现。不同通话话路是通过空间位置的不同来进行分隔的,即在空间位置上实现的一种交换方式。时分交换是指对时分复用的信号进行交换。时分复用通常采用脉冲编码调制(PCM)。模拟的语音信号经过脉码调制后,就变成了PCM信号。对PCM信号进行交换叫做“脉码时分交换”,也称“时隙交换”,通过数字接线器来实现。,5.2.3 电交换与光交换电交换与光交换反映交换的信息载体两种不同的形式。电交换是指对电信号进行的交换,即交换的信息载体是电流或电压形式的电信号。光交换是对光信号直接进行的交换,它不需将光缆送来的光信号先变成电信号,经过交换后再复原为光信号。由于被交换的信息载体从
12、电变成了光,从而使光交换具有宽带特性,且不受电磁干扰。光交换系统被认为是可以适应高速宽带通信业务的新一代交换系统。,实现光交换的主要设备是光交换机,与电交换系统一样,它在功能结构上可分为光交换网络和控制回路两大部分。光交换的主要研究课题是如何实现交换网络和控制回路的光化。由于至今还没有成熟的光计算机,因此目前主要围绕光交换网络,即交换网络的光化。目前的光交换机严格地说,应该称为“电控光交换机”。随着光器件技术的发展,光交换技术最终的发展趋势将是光控光交换。,5.2.4 集中控制与分散控制集中控制与分散控制是指由程控交换系统的控制机构所配置的两种结构方式。这里所讨论的系统是指一台由若干台处理机控
13、制的交换机的控制部分,其结构方式分为集中控制和分散控制。设某一台交换机的控制部分由n台处理机组成,它实现f项功能,每一项功能由一个程序来提供,系统有r个资源,如果在这个系统中,每一台处理机均能控制全部资源,也能执行所有功能,则这个控制系统就叫做集中控制系统,如图5.3所示。,图5.3 集中控制系统结构,集中控制的主要优点是处理机对整个交换系统的状态能全面了解,处理机能控制所有资源。因为各功能间的接口主要是软件间的接口,所以改变功能也主要是改变软件,比较简单。主要缺点是它的软件包括所有功能,规模很大,因此系统管理相当困难,同时系统也相当脆弱。在上述系统中,如果每台处理机只能控制部分资源,只能执行
14、交换系统的部分功能,那么这个控制系统就是分散控制系统。在分散控制系统中,各台处理机可分为容量分担方式和功能分担方式两种方式工作。,容量分担方式是每台处理机只分担一部分用户的全部呼叫处理任务,即承担这部分用户的信号接口、交换接续和控制功能。按这种方式分工的每台处理机所完成的任务都是一样的,只是所面向的用户数不同而已。容量分担的优点是处理机的数量随用户数量的增加而增加,缺点是每台处理机都要具有呼叫处理的全部功能。功能分担方式是将交换机的信令与终端接口功能、交换接续功能和控制功能等基本功能,按功能类别分配给不同的处理机去执行。功能分担的优点是每台处理机只承担一部分功能,可以简化软件,若需增强功能,在
15、软件上也易于实现。缺点是在容量小时,也必须配备全部处理机。,在大、中型的交换机中,多将这两种方式结合起来使用。当着眼点放在提高处理能力时,就采用容量分担的工作方式;当着眼点放在简化软件时,就采用功能分担的工作方式。在分散控制系统中,处理机之间的功能分配可能是静态的,也可能是动态的。所谓静态分配,就是资源和功能的分配一次完成,各处理机根据不同的分工而配备一些专门的硬件。这样做使软件没有集中控制时复杂,另外还可以做成模块化系统,在经济和可扩展性方面显示出优越性。,所谓动态分配,就是指每台处理机可以处理所有功能,也可以控制所有资源,根据系统的不同状态,可对资源和功能进行最佳分配。这种方式的优点在于当
16、有一台处理机发生故障时,可由其余处理机完成全部功能,缺点是这个动态分配非常复杂,从而降低了系统的可靠性。根据各交换系统的要求,目前生产的大、中型交换机的控制部分多采用分散控制方式的分级控制系统或分布式控制系统。,5.3 主要的几种交换方式及其原理,5.3.1 时隙交换现用图5.4来说明时隙交换的概念。设有n条PCM复用线进入数字交换网络,任一条 PCM复用线的任一个话路时隙的8 bit编码信息,通过交换网络交换到其他PCM复用线或本复用线的任一时隙中去。图5.4中表示了第一条PCM复用线的第2时隙与第n条PCM复用线的第3时隙、第二条PCM复用线的第3时隙与第一条PCM复用线的第22时隙、第n
17、条PCM复用线的第21时隙与第2时隙之间所实现的交换。,图5.4 时隙交换示意图,数字交换机中的接续网络或交换网络称为数字交换网络,其功能就是完成时隙交换,也就是要完成任意PCM复用线上任意时隙之间的信息交换。在具体实现时应具备以下两种基本功能:(1)在一条复用线上进行时隙交换功能;(2)在复用线之间进行同一时隙的交换功能。时分数字交换要解决的两个问题:一是时分复用,二是时隙交换。前者由复用器和分路器来实现,后者由数字交换网络来实现。由于复用器与串/并变换、分路器与并/串变换关系密切,下面分别讨论。,1复用器和串/并变换复用器又叫并路器,它的作用是把PCM复用线的复用度提高。复用器的组成框图如
18、图5.5所示。从图5.5中可知,在复用器中先把串行传送的PCM信号变为并行传送,即进行串/并变换(SP),然后再进行并路。为什么要进行串/并变换呢?我们知道30/32系统的PCM一次群,每帧125 s,每个时隙3.9 s,8位码串行传送,故每位码为488 ms,传送码率为2.048 Mb/s。如果将时隙32、数码率为2.048 Mb/s的信号提高到1024个时隙时,仍采用串行码传送,则其码率将达到64 Mb/s以上。这样高的数码率对接线器工作速率的要求也就太高,在目前技术上难以实现。,因此,我们既要提高复用度,又要求其码率不致于太高,就必须把PCM 8位串行码变换为8位并行码,这时在复用度提高
19、到1024个时隙时,并行码的码率只达到8.192 Mb/s,这一码率是目前接线器的工作速率能够适应的。,图5.5 复用器组成示意图,由图5.5可知,采用串/并变换后,一条复用线变成了8条,每1个比特位占用l条,一个时隙的8位码在8条线上并行输送,其数码率仅为256 kb/s,再经8:1复用后,其数码率变为25682.048 Mb/s,随后又经4:1复用后变为2.04848.192 Mb/s。其时隙数为1024个时隙。复用器(含串/并变换)框图的输入是8条线,每条线是一端脉码的串行码,在一帧内有256 bit(即32时隙8位码),码率为2048 kb/s。框图的输出仍是8条线,但每条线代表的内容
20、与输入处不同,输出处每条线是代表8端脉码共256个时隙(每端32个时隙)的某一位码,虽然在一帧内仍是256个比特,码率也仍是2048 kb/s,但框图的输入和输出在每条线上代表的内容却是不相同的,见图5.6。,图5.6 串/并变换和复用器的波形示意图,2分路器和并/串变换分路器的作用是把交换网络输出的信息编码先进行分路,然后再进行并/串变换(PS),使它恢复为原来的复用度和数码率,所以分路器的组成框图与图5.5复用器的组成框图刚好相反。3时间接线器(T接线器)时间接线器(Time Switch)也称时分接线器或T接线器,其功能是完成一条PCM复用线上各时隙间信息的交换。时间接线器主要由信息存储
21、器(IM,Information Memory)和控制存储器(CM,Control Memory)所组成,如图5.7所示。,图5.7 T接线器的组成和工作原理(a)顺序写入,控制读出;(b)控制写入,顺序读出,信息存储器用来暂时存储要交换的脉码信息,又称为“缓冲存储器”。控制存储器是用来寄存脉码信息时隙地址的,又称为“地址存储器”。T接线器中IM的存储单元数由输入PCM复用线每帧内的时隙数所决定,IM中每个存储单元的位数取决于每个时隙中所含的码位数。例如,图5.7中PCM复用线每帧有32个时隙,则IM容量应为32个存储单元,其每一时隙有8位码,则IM每一存储单元至少要存8位码。CM的存储单元数
22、与 IM的存储单元数相等,但每个存储单元只需存放IM的地址码。图5.7的这个例子中只需存储5位码,因为 SM的地址只有32位。,T接线器的工作方式有两种:一种是“顺序写入,控制读出”,如图5.7(a)所示;另一种是“控制写入,顺序读出”,如图5.7(b)所示。顺序写入和顺序读出中的“顺序”是指按照信息存储器地址的顺序,可由时钟脉冲来控制;而控制读出和控制写入的“控制”是指按控制存储器中已规定的内容来控制信息存储器的读出或写入。至于控制存储器中的内容则是由处理机控制写入的。下面先介绍第一种方式“顺序写入,控制读出”的工作原理。,如图5.7(a)所示,T接线器的输入和输出线各为一条有32个时隙的
23、PCM复用线。如果占用TS3(第3时隙)的用户A要和占用TS19的用户B通话,在A讲话时,就应把TS3的话音脉码信息交换到TS19中去。在时钟脉冲控制下,则当TS3时刻到来时,把TS3中的话音脉码信息写入IM内的地址为3的存储单元内。由于此T接线器的读出是受CM控制的,则当TS3时刻到来时,从CM读出地址3中的内容“19”,以这个“19”字为地址去控制读出IM内地址是19中的话音脉码信息。当TS19时刻到来时,从CM读出地址19中的内容“3”,以这个“3”字为地址去控制读出IM内地址是3中的话音脉码信息,这样就完成了把TS3中的话音信息和TS19中的话音信息交换的任务了。,由于PCM通信是采用
24、发送和接收分开的方式,即为四线通信,因此数字交换是四线交换。在B用户讲话A收听时,就要把TS19中的话音脉冲信息交换到TS3中去,这一过程与上述过程相似,即在TS19时刻到来时,把TS19中的脉码信息写入IM的地址为19的存储单元内,读出这一脉码信息,这就是在CM控制下的下一帧TS3时刻了。从上所述可知,T接线器在进行时隙交换的过程中,被交换的脉码信息要在IM中存储一段时间,这段时间小于l帧(125 s),这也就是说,在数字交换中会出现时延。另外也可看出,PCM信码在T接线器中需每帧交换一次,如果说TS3和TS19两用户的通话时长为2 min,则上述时隙交换的次数达96万次,计算如下:,对于第
25、二种方式“控制写入,顺序读出”的T接线器的工作原理,与上述“顺序写入,控制读出”方式的T接线器相似,所不同的只是CM用来控制IM的写入,IM的读出则是随时钟脉冲的顺序而输出的。对于时间接线器,不论是顺序写入,还是控制写入,都是将PCM复用线中的每个输入时隙内的信码对应存入IM的一个存储单元,这意味着由空间位置的划分来实现时隙交换,所以时间接线器是按空分方式工作的。弄清这一概念,对掌握T接线器的工作原理是很有帮助的。,4空间接线器(S接线器)空间接线器(Space Switch)也称空分接线器或S接线器。其作用是完成不同PCM复用线之间的信码交换,即当接入数字交换网络的复用线为2条或2条以上时,
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