4.1 程控交換機和多路復用技術

電信有線通信網絡系統是一種固定安裝的通信系統，由程控交換設備、電信網絡傳輸系統和用戶終端設備三部分組成。

程控交換機從技術結構上可分為空分程控交換機和數字程控交換機兩類。前者是對模擬話音信號進行交換，屬于模擬交換范疇。后者是采用PCM脈沖編碼數字話音信號進行交換，屬于功能強大的數字程控交換范疇。

從使用功能進行分類，可分為通用型程控交換機和專用型程控交換機兩大類。

1.通用型程控交換機

通用型用戶交換機的基本功能是完成單位內部用戶的相互通話，裝有接入市內公用電話網的中繼線，可與網中用戶通話（包括市話和國內、國際長話）。由于這類交換機系單位內部專用，可根據用戶需要增加若干附加功能以提供使用上的方便。所以，這類電話交換機具有較大的靈活性。

通用型用戶交換機是市話網的重要組成部分，是市話數字程控交換機的一種延伸設備，因為它為市話網承擔了大量的單位內部用戶間的話務量，減輕了市話網的話務負荷。用戶交換機設置在各單位，更靠近用戶，縮短了用戶線距離，節省了用戶電纜。同時用少量的出入中繼線接入市話網，起到話務集中的作用。

通用型用戶交換機適用于工廠、機關、學校等以話音業務為主的一般企事業單位，容量一般在200門以下，內部話務量所占比重較大，一般占總發話話務量的70%左右。目前國內生產的200門以下的程控空分交換機均屬此種類型，其特點是系統結構簡單、體積較小、使用方便、價格便宜和維護工作量少。

2.專用型程控交換機

專用型程控交換機采用功能強大的數字程控交換機，不僅可以交換電話業務，還可以交換數據等非話音業務，做到多種業務的綜合交換、傳輸。適用于需要提供各種特殊功能的企事業單位（如：賓館、醫院、銀行和各類智能建筑等）和政府機關。

4.1.1 數字程控交換機

數字程控交換機（Private Automatic Branch Exchange，PABX），是智能建筑通信系統的控制中心。它不僅能向用戶提供傳統的模擬通信環境，還能向用戶提供數據通信、多媒體通信和綜合業務數字網（Integrated Service Digital Network，ISDN）的通信環境。

數字程控交換機與數據傳輸相結合，可以構成ISDN綜合業務數字網，不僅可以實現語音信息交換，還能實現傳真、數據、圖像等信息交換。數字程控交換機處理速度快、體積小、容量大、靈活性強和服務功能多，便于改變交換機功能，便于構建智能通信網，向用戶提供更多、更方便的互聯互通服務。

1.數字程控交換機的基本功能

數字程控交換機實質上是采用計算機進行“存儲程序控制”的數據交換機器，它將各種控制功能編成程序，存入存儲器，利用對外部狀態的掃描數據和存儲程序來控制、管理整個交換系統的工作。

數字程控交換機的主要任務是實現用戶間通話的接續。基本劃分為兩大部分：話路設備和控制設備。話路設備主要包括各種接口電路（如用戶線接口和中繼線接口電路等）和交換（或接續）網絡；控制設備包括中央處理器（CPU）、存儲器和輸入/輸出設備。

（1）交換網絡。交換網絡的基本功能是根據用戶呼叫要求，通過控制部分的接續命令，建立主叫與被叫用戶間的連接通路。在數字程控交換機中主要采用由電子開關陣列構成的空分交換網絡，和由存儲器等電路構成的時分接續網絡。

（2）用戶接口電路。用戶接口電路（Subscriber Line Interface Circuit，SLIC）的作用是實現用戶線與交換機之間的連接。根據交換機制式和應用環境的不同，用戶接口電路也有多種類型。對于數字程控交換機來說，目前主要有與模擬話機連接的模擬用戶線電路（ALC）和與數字話機、數據終端連接的數字用戶線電路（DLC）。

模擬用戶線路是適應模擬用戶環境而配置的接口，其基本功能有：

1）饋電（Battery feed）：交換機通過用戶線向共電式話機直流饋電。

2）過壓保護（Overvoltage protection）：防止用戶線上的電壓沖擊或過壓而損壞交換機。

3）振鈴（Ringing）：向被叫用戶話機饋送鈴流。

4）監視（Supervision）：借助掃描點監視用戶線通斷狀態，以檢測話機的摘機、掛機和撥號等用戶線信號，轉送給控制設備，以表示用戶的忙閑狀態和接續要求。

5）編解碼（CODEC）：利用編碼器和解碼器、濾波器，完成話音信號的模數（A-D）與數模（D-A）變換，以便與數字交換機的數字交換網絡接口匹配。

6）混合（Hybrid）：2/4制式用戶線路的轉換，以滿足編解碼與數字交換對四線傳輸的要求。

7）測試（Test）：提供測試端口，進行用戶電路的測試。

這7種功能常用第一個字母組成的縮寫詞（BORSCHT）代表。對于模擬程控交換機，不需要編解碼功能；而在數字程控交換機中，除某些特定應用的小型交換機利用增量調制方式外，其他大部分均采用PCM編解碼方式。

2.數字程控交換機組成

數字程控交換機是一個以計算機為基礎的高科技裝置，由硬件和軟件組成。

（1）數字程控交換機硬件。數字程控交換機集各種功能模塊和網絡傳輸模塊于一體，可全部覆蓋智能建筑需要的語音、數據、圖像、窄帶和寬帶等多媒體業務范圍，并能與無線移動通信系統進行聯網。具有極強的組網能力。硬件包括話路部分、控制部分和輸入輸出部分。

1）話路部分用于收發電話信號、監視電路狀態和完成電路連接，主要包括用戶電路、中繼電路、交換網絡、服務電路（包括發號器、收號器、振鈴器、回鈴音器、連接器等）、掃描器和驅動器等部件。

2）控制部分用于運行各種程序、處理數據和發出驅動命令，主要包括處理機和主存儲器。

3）輸入輸出部分用于提供維護和管理所需的人機通信接口，主要包括外存儲器、鍵盤、顯示器、打印機等部件。

（2）數字程控交換機軟件。軟件包括程序部分和數據部分：程序部分包括操作系統程序和應用程序。用于任務調度、輸入/輸出控制、故障檢測、故障診斷和恢復處理、命令執行控制等。數據部分用于實施各種電話交換事件統計、服務觀察、軟件維護和自動測試等。

3.專用型程控交換機

賓館、醫院、銀行、辦公自動化和專網型等單位，需要一些專用功能的數字程控交換機，下面分別說明這些專用型程控數字交換機的功能要求。

（1）賓館型。賓館型數字程控用戶交換機的話務量大，需有很強的話務臺功能。為滿足客人打長途電話的需要，應具有PAMA（Private Automatic Message Accounting）計費功能。為賓館客房提供以下功能管理軟件：

1）房間控制：客人離店結賬電話自動閉鎖。

2）留言中心：對臨時外出的客人提供留言服務。

3）客房狀態：隨時提供客房占用、空閑和是否打掃的情況。

4）自動叫醒：按客人需要，準時叫醒客人。

5）請勿打擾：為客人提供安靜環境，客人在電話輸入指令后，任何電話不能呼入，但超過一定時限失效。

6）綜合話音和數據系統：為商務辦公人員通過個人計算機從遠處計算機或數據庫，取得重要商業信息及資料。

（2）醫院型。這是裝有醫院特點軟件的專用數字程控交換機。軟件功能中除具有賓館功能外，還具有呼叫寄存、呼叫轉移、病房緊急呼叫、熱線電話及配合救護車的移動通信接口的功能。

（3）銀行型。銀行型專用軟件包括總行和分行間的通信聯絡、呼叫代答、電話銀行業務、警衛線路和外線保留等。同時具備辦公自動化PABX的功能。

（4）辦公自動化型。

1）呼出要求快速自動直撥，即縮位撥號功能。采用計算機應答的全自動呼入，即DID（Di-rect Inward Dialing）功能，省掉話務員介入，提高效率。

2）辦公計算機可通過程控數字交換機使用內部的數據資源和外部的數據庫。目前程控用戶交換機能提供傳輸速率為144KB/s的用戶線數字傳輸通道，即2B+D（64KB/s傳輸話音+64KB/s傳輸數據+16KB/s傳輸信令）。并且通過異步、同步適配器傳輸方式，傳送傳真、文字及固定圖像等。先進的第四代數字程控電話交換機可提供2MB/s的傳輸通路，可提供寬帶非話音業務，傳輸動態圖像和電視電話等。

3）提供X.25分組交換接口，提高與公用數據網及分組交換網的并網能力。

4）具有話音郵遞和電子郵箱等功能。

（5）專網型。具有組網匯接功能的程控數字用戶交換機，具有多位號碼存儲和轉發能力、直達優先路由選擇、自動迂回、外線呼叫等級限制、縮位撥號、功能透明、遠端集中維護管理及話務臺集中設置等。

SOPHO數字程控交換機以其盡善盡美的軟硬件模塊化設計，卓越的功能，高度的可靠性，能完全滿足各種類型數字程控交換機的要求，并在世界各地組成了龐大的各類專用通信網。

4.1.2 話音信號數字化和多路復用技術

目前，用戶終端多為模擬話機。來自用戶線的話音要進入數字程控交換機，需先在用戶接口電路通過模-數（A-D）轉換，將模擬話音編碼成數字話音。

1.話音信號的數字化方法

話音信號的數字化方法很多，常用的有脈沖編碼調制（PCM）、增量調制（DM）、線性預測編碼（LPC）等方案。在程控數字交換機系統中，除個別特殊應用外，都采用PCM數字化方法。

PCM數字編碼過程包括脈沖采樣、量化和編碼三個環節。模擬話音先經防混疊低通濾波器，得到限止頻帶（300～3400Hz）的話路信號，將其采樣變成脈沖調幅（PAM）信號，根據采樣定理，只要采樣脈沖頻率f_s不低于模擬信號最高頻率f_m的2倍，即f_s≥2f_m，則在接收端用低通濾波器能夠恢復出原模擬話音信號。

CCITT建議規定f_s=8kHz。然后將模擬話音信號的振幅進行連續采樣，采樣取得的脈沖振幅用四舍五入的方法量化為有限個數值的量化信號，然后再把量化數據進行編碼，變換成二進制代碼。CCITT G.711、CCITT G.712建議每個采樣值的量化為8bit，即共有256個量化級，因而每路模擬話音轉換成相應的數字話音的標準碼率為64KB/s（即8bit×8kHz）。

各路PCM編碼信號，先經時分多路復用設備，把它們按時間順序組成多信道復用幀，再通過傳輸線路傳送到接收端。在接收端先進行信碼的再生、分路和用低通濾波器進行PCM解碼，便可以恢復出模擬話音信號。

話音信號在量化過程中，會產生誤差（或失真），引起通話時附加量化噪聲。對于線性量化情況，量化噪聲功率僅與量化間隔大小有關，因而大信號時信噪比高，小信號時信噪比低。

為解決線性量化時小信號音質差的問題，在實際中通常采用不均勻分層量化辦法，對小信號時的量化bit分配少些，而在大信號時的量化bit分配多些。這樣大信號就能在編碼位數較多的情況下得到較高的信噪比，以改善通話質量。

為此需要在發送端先將話音信號進行非線性幅度壓縮，再進行線性量化和編碼，與此對應，在接收端解碼后則需對話音信號加以擴張，以補償因壓縮而造成的非線性失真。在理想情況下，擴張器與壓縮特性應是完全互補的。在實際中廣泛應用兩種對數形式的壓縮特性，即A律和μ律。CCITT和歐洲郵電部長會議（CEPT）已對A律壓縮特性形成了標準；而CCITT與北美貝爾系統已對μ律壓縮特性形成了標準，前者主要用于歐洲，后者主要用于北美和日本，我國采用A律壓縮方式。

2.多路復用技術

為提高傳輸信道的利用率，通常采用多路復用技術（multiplex），將若干路信息綜合在同一個信道內進行傳送。目前常用的復用方式有兩大類：頻分復用（FDM）和時分復用（TDM），它們分別按頻率（頻域）或時間（時域）劃分信道。

（1）頻分復用。頻分復用是指信道的可用頻帶被分割成若干互不重疊的頻段，每路信號的頻譜各占用一個頻段，即對各路語音信號用不同載頻進行調制，實行頻譜搬移和分割，然后再把各頻段的信號相加后，用能包容全部合成頻譜的一個寬帶通道傳輸。接收端借助不同中心頻率的帶通濾波器進行解調。

FDM是一種傳統的多路復用技術，系統結構簡單，但隨著復用信道數量的增加，復用信道間的干擾也會同時增大，復用通道的數量也會受到很大限制。FDM主要用于載波電話通信。

（2）時分復用。時分復用是將一個通信信道按時間順序加以分割，各路數字話音信息依一定的順序輪流地占用信道的某一時段（或時隙），從而實現多路復用。

在程控數字交換系統中，為提高傳輸速率和交換容量，通常采用PCM復用方式。對于PCM基群系統，目前國際上有兩種復用制式：30/32路幀結構或24路幀結構。我國采用30/32路幀結構方式，即一個數據幀占125μs，把一個數據幀分為32個時隙（TS0～31），其中TS0傳送時間同步信息，TS1～31傳送30路話音編碼信息。

國際上現已廣泛使用的復用制式有兩種，一種是以24路作為一個基群；另一種是以30/32路為一個基群。

對30/32路制式，幀長為125μs，幀頻為8kHz，一幀包含32個時隙，每時隙為8bit（256bit碼），占3.9μs，顯然1bit占0.488μs。所以，每路碼率為64KB/s，32路的復用碼流速率為2048KB/s（=32×64kbit/s）。