2.1.2　數(shù)字程控交換機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)字程控交換機(jī)的硬件組成如圖2-2所示。

2.1.2.1　話路子系統(tǒng)

話路子系統(tǒng)由中央級交換網(wǎng)絡(luò)、用戶級交換網(wǎng)絡(luò)、各種接口電路以及信號音收發(fā)設(shè)備組成。其中，中央級交換網(wǎng)絡(luò)部分已作介紹，這里重點介紹其他三個部分。

（1）用戶級交換網(wǎng)絡(luò)

用戶級包括用戶模塊和遠(yuǎn)端用戶模塊。用戶級主要完成話務(wù)量集中和話音編譯碼的功能。話務(wù)量的集中可以提高用戶線的利用率。數(shù)字程控交換機(jī)的交換網(wǎng)絡(luò)交換的是數(shù)字信號，而從用戶線傳送來的信號是模擬信號，因此需在用戶級中完成模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，才可進(jìn)入交換網(wǎng)絡(luò)，從交換網(wǎng)絡(luò)中送出的信號也必須經(jīng)過數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換才能進(jìn)入用戶線。用戶級交換網(wǎng)絡(luò)既可以是空分方式，也可以是時分方式。編譯碼功能可以在用戶集中以前進(jìn)行，也可以在集中之后進(jìn)行。

遠(yuǎn)端用戶模塊與局內(nèi)用戶模塊的功能相似，主要區(qū)別是遠(yuǎn)端用戶模塊通過數(shù)字中繼電路與選組級相連，而用戶模塊是通過PCM中繼電路與選組級相連。

（2）接口電路

接口電路是數(shù)字程控交換機(jī)與用戶以及與其他交換機(jī)相連的物理連接部分。它的作用是完成外部信號與數(shù)字程控交換機(jī)內(nèi)部信號的轉(zhuǎn)換。具體的接口類型如圖2-3所示。

用戶接口電路是用戶通過用戶線與數(shù)字程控交換機(jī)相連的接口電路。由于用戶線和用戶終端有數(shù)字和模擬之分，所以用戶接口電路也有數(shù)字與模擬之分。

模擬用戶接口又稱Z接口，它是程控數(shù)字交換機(jī)連接模擬用戶線的接口電路。由于某些信號（如振鈴、饋電等）不能通過電子交換網(wǎng)絡(luò)，因此把某些過去由公用設(shè)備實現(xiàn)的功能移到電子交換網(wǎng)絡(luò)以外的用戶電路來實現(xiàn)。數(shù)字程控交換機(jī)中的模擬用戶接口功能可歸納為BORSCHT七項功能。

① B（Battery feeding），饋電。所有連接在交換機(jī)上的終端，均由交換機(jī)饋電。程控交換機(jī)的饋電電壓一般為-48V。通話時饋電電流在20～100mA。饋電方式有恒壓饋電和恒流饋電兩種。

② O（Over voltage protection），過壓保護(hù)。由于用戶線是外線，所以可能會遭到雷電或高壓電等的襲擊，高壓進(jìn)入交換機(jī)內(nèi)部會嚴(yán)重?fù)p壞交換機(jī)內(nèi)部設(shè)備。為了防止外來高電壓、過電流對程控交換機(jī)內(nèi)元器件的襲擊，一般采用二級保護(hù)措施。第一級保護(hù)是在用戶線入局的配線架上安裝保安器，主要用來防止雷電。但由于保安器在雷電襲擊時，仍可能有上百伏的電壓輸出，對交換機(jī)內(nèi)的集成元器件仍會產(chǎn)生致命的損傷，還需要采取進(jìn)一步的保護(hù)措施；用戶接口電路中的過壓保護(hù)就是第二級保護(hù)。

③ R（Ringing control），振鈴控制。鈴信號送向被叫用戶，用于通知被叫有呼叫進(jìn)入。向用戶振鈴的鈴流電壓一般較高。我國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)是用（75±15）V、25Hz交換電壓作為鈴流電壓，向用戶提供的振鈴節(jié)奏規(guī)定為1s通、4s斷。高電壓是不允許從交換網(wǎng)絡(luò)中通過的，因此，鈴流電壓一般通過繼電器或高壓集成電子開關(guān)獨向用戶話機(jī)提供，并由微處理機(jī)控制鈴流開關(guān)的通斷。此外，當(dāng)被叫用戶一摘機(jī)，交換機(jī)就能立即檢測到用戶直流環(huán)路電流的變化，繼而進(jìn)行截鈴和通話接續(xù)處理。

④ S（Supervision），監(jiān)視。為完成電話呼叫，交換機(jī)必須能夠正確判斷出用戶線上的用戶話機(jī)的摘/掛機(jī)狀態(tài)和撥號脈沖的情況，這可通過監(jiān)視用戶線上直流環(huán)路電流的通/斷來實現(xiàn)。用戶掛機(jī)空閑時，直流環(huán)路斷開，饋電電流為零；反之，用戶摘機(jī)后，直流環(huán)路接通，饋電電流在20mA以上。

⑤ C（CODEC＆filters），編譯碼和濾波。編譯碼器的任務(wù)是完成模擬信號和數(shù)字信號間的轉(zhuǎn)換。數(shù)字程控交換機(jī)只對數(shù)字信號進(jìn)行交換處理，而話音信號是模擬信號，因此需要用編碼器把模擬話音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字話音信號，然后送到交換網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行交換，并通過解碼器把從交換網(wǎng)絡(luò)來的數(shù)字話音信號轉(zhuǎn)換為模擬話音信號送給用戶。

為避免在A/D變換中由于信號抽樣而產(chǎn)生的混疊失真和50Hz電源以及3400Hz以上的頻率分量信號的干擾，模擬話音在進(jìn)行編碼以前要通過一個帶通濾波器。而在接收方向，從解碼器輸出的脈沖幅度調(diào)制信號要通過一個低通濾波器，以恢復(fù)原來的模擬話音信號，如圖2-4所示。編譯碼器和濾波一般采用集成電路來實現(xiàn)。

⑥ H（Hybrid circuit），混合電路。用戶話機(jī)的模擬信號是2線雙向的，數(shù)字交換網(wǎng)的PCM數(shù)字信號是4線單向的，因此在編碼以前和譯碼以后一定要進(jìn)行2/4線轉(zhuǎn)換。在數(shù)字程控交換機(jī)中由混合電路完成該功能。如圖2-4所示，混合電路的平衡網(wǎng)絡(luò)用于實現(xiàn)用戶線阻抗匹配。

⑦ T（Test），測試。換機(jī)運行過程中，用戶線路、用戶終端和用戶接口電路可能發(fā)生混線、斷線、地、與電力線相碰、元器件損壞等各種故障，因此需要對內(nèi)部電路和外部線路進(jìn)行周期巡回自動測。測試工作可由外接的測試設(shè)備來完成，也可利用交換機(jī)的軟件測試等距離進(jìn)行自動測試。測試是通過測試?yán)^電器或電子開關(guān)為用戶接口電路或外部用戶線提供的測試接入口而實現(xiàn)的。

數(shù)字用戶接口又稱V接口，它是數(shù)字終端與程控數(shù)字交換機(jī)之間的接口電路。ITU-T建議的數(shù)字用戶接口電路有5種，即V₁～V₅，其中V₁、V₃、V₅是常用的標(biāo)準(zhǔn)。V₁是綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）中的基本速率（2B+D）接口，B為64Kbit/s，D為16Kbit/s，在建議G.960和G.961中規(guī)定了這種接口的有關(guān)特性。接口V₂、V₃、V₄的傳輸要求實質(zhì)上是相同的，均符合G.703、G.704和G.705的有關(guān)規(guī)定，它們之間的區(qū)別主要在復(fù)用方式和信令要求方面。V₂主要用于通過一次群或二次群數(shù)字段去連接遠(yuǎn)端或本端的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可支持任何模擬、數(shù)字或ISDN用戶接入的組合；V₃是綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)中的基群速率接口，主要用于通過一般的用戶數(shù)字段，以30B+D或23B+D（其中B、D均為64Kbit/s）的信道分配方式去連接數(shù)字用戶群設(shè)備，例如，PABX；V₄用于連接一個數(shù)字接入鏈路，該鏈路包括一個可支持幾個基本速率接入的靜態(tài)復(fù)用器，實質(zhì)上是ISDN基本接入的復(fù)用。V₅接口是交換機(jī)與接入網(wǎng)絡(luò)（AN）之間的數(shù)字接口。這里的接入網(wǎng)絡(luò)是指交換機(jī)到用戶之間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。因此V₅接口能支持各種不同的接入類型。

數(shù)字用戶終端與交換機(jī)數(shù)字用戶接口電路之間傳輸數(shù)字信號的線路，仍采用普通的二線傳輸方式。為此須采用頻分、時分或回波抵消技術(shù)來解決2線上傳輸雙向數(shù)字信號的問題。

中繼接口電路是交換機(jī)與中繼線的物理連接設(shè)備。交換機(jī)的中繼接口電路分為模擬中繼接口電路和數(shù)字中繼接口電路。

模擬中繼接口又稱C接口，是數(shù)字交換機(jī)為適應(yīng)局間模擬環(huán)境而設(shè)置的接口電路，用來連接模擬中繼線。模擬中繼接口具有測試、過壓保護(hù)、線路信令監(jiān)視和配合、編/譯碼等功能。

數(shù)字中繼接口又稱A接口或B接口，它是數(shù)字交換機(jī)與數(shù)字中繼線之間的接口電路，可適配PCM一次群或高次群的數(shù)字中繼線。A接口通過PCM一次群線路連接至其他交換機(jī)，又稱基群接口，它通常使用雙絞線或同軸電纜傳輸；B接口通過PCM二次群線路連接其他交換機(jī)；高次群接口通常采用光纜傳輸。數(shù)字中繼器的主要作用是將對方局送來的PCM30/32路信號分解成30路64Kbit/s的信號，然后送至數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)。同樣，它也把數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)送來的30路64Kbit/s信號復(fù)合為PCM30/32路信號，送到對方局。

（3）信號音收發(fā)設(shè)備

在電話交換過程中，交換機(jī)需要向用戶及其他交換機(jī)發(fā)送各種信號，例如撥號音、忙音、多頻互控信號等，同時也要接收用戶或其他交換機(jī)發(fā)送的信號，例如多頻互控信號、雙音多頻信號等。這些信號在數(shù)字程控交換機(jī)中均為數(shù)字音頻信號。信號音收發(fā)設(shè)備的功能就是完成這些數(shù)字音頻信號音的產(chǎn)生、發(fā)送和接收。

信號音發(fā)生器一般采用數(shù)字音存儲方法，將撥號音、忙音、回鈴音等音頻信號進(jìn)行抽樣和編碼后存放在只讀存儲器（ROM）中，在計數(shù)器的控制下讀出數(shù)字化信號音的編碼，經(jīng)數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到所需的話路上去。當(dāng)然，如果需要，也可通過指定的時隙（如TS₀、TS₁₆）傳送。

多頻信號接收器和發(fā)送器用于接收和發(fā)送多頻（MF）信號，包括音頻話機(jī)的雙音多頻（DTMF）信號和局間多頻信號（MFC），這些多頻信號在相應(yīng)的話路中傳送，以數(shù)字化的形式通過交換網(wǎng)絡(luò)而被接收和發(fā)送。故數(shù)字交換機(jī)中的多頻接收器和發(fā)送器應(yīng)能接收和發(fā)送數(shù)字化的多頻信號。

2.1.2.2　控制子系統(tǒng)

控制子系統(tǒng)是交換機(jī)的“指揮系統(tǒng)”，交換機(jī)的所有動作都是在控制系統(tǒng)的控制下完成的。

控制系統(tǒng)的主要設(shè)備是處理機(jī)。處理機(jī)有各種配置方式，但歸納起來大致分為兩種：集中控制方式和分散控制方式。

（1）集中控制方式

集中控制方式中，任何一臺處理機(jī)都可以實現(xiàn)對交換機(jī)的全部控制，管理交換機(jī)的全部硬件和軟件資源。集中控制配置方式如圖2-5所示。

集中控制的主要優(yōu)點是只需要一個處理機(jī)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。處理機(jī)能掌握了解整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，使用、管理系統(tǒng)的全部資源，不會出現(xiàn)爭搶資源的沖突。此外，在集中控制中，各種控制功能之間的接口都是程序之間的軟件接，任何功能的變更和增刪都只涉及軟件，從而使其實現(xiàn)較為方便、容易。

缺點：一是由于控制高度集中，使得這種系統(tǒng)比較脆弱，一旦控制部件出現(xiàn)故障，就可能引起整個交換局癱瘓；二是處理機(jī)要完成全部的控制功能，使得控制過于集中，軟件的規(guī)模很大且很復(fù)雜，系統(tǒng)的管理維護(hù)很困難。

為了解決這個問題，集中控制一般采用雙處理機(jī)或多處理機(jī)的冗余配置方式。

（2）分散控制方式

分散控制方式的程控交換機(jī)中，任何一臺處理機(jī)都只能執(zhí)行部分控制功能，管理交換機(jī)的部分硬件和軟件資源。

分散控制克服了集中控制的主要缺點，是目前普遍采用的一種控制方式。分散控制系統(tǒng)是一個多處理機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)處理機(jī)的自主控制能力，分散控制可分為分級控制和分布（全分散）控制。

分散控制系統(tǒng)中，各臺處理機(jī)可按容量分擔(dān)或功能分擔(dān)的方式工作。容量分擔(dān)方式指每臺處理機(jī)只分擔(dān)一部分用戶的全部呼叫處理任務(wù)。按這種方式分工的每臺處理機(jī)所完成的任務(wù)都是一樣的，只是所面向的用戶不同。容量分擔(dān)方式的優(yōu)點是，只需要配置相應(yīng)數(shù)量的處理機(jī)，即可適應(yīng)不同數(shù)量用戶群的需要。其缺點是，每臺處理機(jī)都要具有呼叫處理的全部功能。功能分擔(dān)方式是將交換機(jī)的各項控制功能按功能類別分配給不同的處理機(jī)去執(zhí)行，不同的處理機(jī)調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)資源。功能分擔(dān)方式的優(yōu)點是，每臺處理機(jī)只承擔(dān)一部分功能，可以簡化軟件，若需增強(qiáng)功能，很容易通過軟件實現(xiàn)。其缺點是，在容量小時，也必須配齊全部處理機(jī)。

在分散控制系統(tǒng)中，處理機(jī)之間的功能分配可能是靜態(tài)的，也可能是動態(tài)的。所謂靜態(tài)分配，是指資源和功能的分配一次完成，各處理機(jī)可以根據(jù)不同分工配備一些專門的硬件。采用靜態(tài)分配的優(yōu)點是，軟件沒有集中控制時那么復(fù)雜，可以做成模塊化系統(tǒng)，在經(jīng)濟(jì)和可擴(kuò)展性方面顯示出優(yōu)越性。所謂動態(tài)分配，是指每臺處理機(jī)可以處理所有功能，也可以控制所有資源，但根據(jù)系統(tǒng)的不同狀態(tài)，對資源和功能進(jìn)行最佳分配。這種方式的優(yōu)點在于，當(dāng)有一臺處理機(jī)發(fā)生故障時，可由其余處理完成全部功能。缺點是系統(tǒng)非常復(fù)雜。

分級控制有單級控制和多級控制兩種。其中，單級控制系統(tǒng)又叫單級多機(jī)系統(tǒng)，如圖2-6所示。系統(tǒng)各臺處理機(jī)并行工作，每臺處理機(jī)有專用的存儲器，也可設(shè)置公用存儲器，用于各處理機(jī)之間的通信。

多級控制系統(tǒng)按交換機(jī)控制功能層次的高低分別配置處理機(jī)。對于較低層次的、處理簡單但工作量繁重的控制功能，如用戶掃描、摘掛機(jī)及脈沖識別等，采用外圍處理機(jī)（或用戶處理機(jī)）完成。對層次較高、處理較復(fù)雜、工作量較小的控制功能，如號碼分析、路由選擇等，由呼叫處理機(jī)承擔(dān)。對于處理更復(fù)雜、執(zhí)行次數(shù)更小的故障診斷和維護(hù)管理等控制功能，則單獨配置一臺專用的主處理機(jī)。這樣，一般形成三級控制系統(tǒng)，如圖2-7所示。

這種三級控制系統(tǒng)按功能分擔(dān)的方式分別配置外圍處理機(jī)、呼叫處理機(jī)和主處理機(jī)。每一級又采用容量分擔(dān)的方式，每幾百個用戶配置一臺外圍處理機(jī)；呼叫處理機(jī)因要處理外圍處理機(jī)傳輸來的信息，故數(shù)臺外圍處理機(jī)只需配備一臺呼叫處理機(jī)；對于主處理機(jī)，一般全系統(tǒng)只需配置一對即可。

分布式控制也成為全分散控制。它是指交換機(jī)的全部用戶線和中繼線被分成多個模塊（用戶?；蛑欣^模塊），每個模塊包含一定數(shù)量的用戶線和中繼線，且每個模塊都有一個控制單元。在控制元中配備微處理機(jī)，包括所有呼叫控制和數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)控制在內(nèi)的一切控制功能都由微處理機(jī)執(zhí)行，每個模塊基本上可以獨立地進(jìn)行呼叫處理。

根據(jù)各交換系統(tǒng)的要求，目前生產(chǎn)的大、中型交換機(jī)的控制部分多采用分散控制方式下的分級控系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng)。為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，處理機(jī)需要進(jìn)行冗余配置，即備用配置。冗余配置方式有如下4種。

（1）微同步方式（同步雙工方式）

兩臺處理機(jī)之間接有一個比較器，每一臺處理機(jī)都有一個供自己專用的存儲器，而且每一臺處理機(jī)所能實現(xiàn)的控制功能完全一樣。圖2-8所示是一個同步雙機(jī)配置的典型結(jié)構(gòu)。

正常工作時，兩臺處理機(jī)均接收從外圍設(shè)備來的信息，同時執(zhí)行同一條指令，進(jìn)行同樣的分析處，但只有主用機(jī)輸出控制消息，執(zhí)行控制功能。所謂微同步，就是在執(zhí)行每一條指令后，檢查比較臺處理機(jī)的執(zhí)行結(jié)果是否一致，如果一致，就轉(zhuǎn)移到下一條執(zhí)行指令，繼續(xù)運行程序；如果不一致，說明可能有一臺處理機(jī)出錯，兩臺處理機(jī)立即中斷正常處理，并各自啟動檢查診斷程序，如果發(fā)現(xiàn)一臺有故障，則退出服務(wù)，以做進(jìn)一步故障診斷；而另一臺則繼續(xù)工作。如果檢查發(fā)現(xiàn)兩臺均正常，說明是由于偶然干擾引起的出錯，處理機(jī)恢復(fù)原有工作狀態(tài)。

同步工作方式的優(yōu)點是發(fā)現(xiàn)錯誤及時，中斷時間很短（20ms左右），對正在進(jìn)行的呼叫處理幾乎沒有影響。其缺點是雙機(jī)進(jìn)行指令比較占用了一定資源。

（2）負(fù)荷分擔(dān)（話務(wù)分擔(dān)）方式

荷分擔(dān)也叫話務(wù)分擔(dān)，兩臺處理機(jī)獨立進(jìn)行工作，在正常情況下，各承擔(dān)一半的話務(wù)負(fù)荷。當(dāng)一機(jī)發(fā)生故障，可由另一機(jī)承擔(dān)全部負(fù)荷，如圖2-9所示。

處理機(jī)A、B都從外圍設(shè)備提取信息進(jìn)行處理，各自承擔(dān)一部分話務(wù)負(fù)荷，獨立進(jìn)行工作，發(fā)出控制信息。為了溝通工作情況，它們之間有信息鏈路及時地交換信息。為了防止兩臺處理機(jī)同時處理相同任務(wù)，它們之間設(shè)有“禁止”電路，避免“爭奪”現(xiàn)象。兩臺處理機(jī)必須有自己專用的存儲器，一旦某一處理機(jī)出現(xiàn)故障，則由另一臺處理機(jī)承擔(dān)全邵負(fù)荷，無需切換過程，呼損很小。只是在非正常工作時，單機(jī)可能有輕微過載，但時間很短，一旦另一臺處理機(jī)恢復(fù)運行，便會一切正常。

負(fù)荷分擔(dān)方式的優(yōu)點是兩臺處理機(jī)都承擔(dān)話務(wù)，因而過載能力很強(qiáng)。在理想情況下，負(fù)載能力幾乎提高一倍。因此，實際運用處理機(jī)的處理能力只為話務(wù)負(fù)荷的50%～100%。其缺點是兩臺處理機(jī)需經(jīng)常保持聯(lián)系，亦占用處理機(jī)部分機(jī)時。

（3）主/備用方式

主/備用方式是一臺處理機(jī)聯(lián)機(jī)運行，另一臺處理機(jī)與話路設(shè)備完全分離而作為備用。工作的計算機(jī)稱為主用機(jī)，另一臺計算機(jī)稱為備用機(jī)，它們以通過軟件相互倒換工作。當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障時，進(jìn)行主/備用倒換，如圖2-10所示。

主/備用方式，在任何情況下只有其中一臺處理機(jī)（A或B）與外圍設(shè)備交換信息，即一臺主用，一臺備用。主用機(jī)承擔(dān)全部外圍設(shè)備的話務(wù)負(fù)荷，當(dāng)主用機(jī)出現(xiàn)故障時，利用切換程序使其退出服務(wù)，備用機(jī)聯(lián)機(jī)工作。

主備用方式有冷備用（Cold Standby）與熱備用（Hot Standby）兩種。冷備用時，備用機(jī)中沒有保存呼叫數(shù)據(jù)，也不作任何處理，當(dāng)收到主機(jī)發(fā)來的轉(zhuǎn)換請求信號后，新的主用機(jī)需要重新初始化，開始接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理。缺點是：一旦主用機(jī)有故障而轉(zhuǎn)向備用機(jī)時，數(shù)據(jù)全部丟失，重新啟動，一切正在進(jìn)行的通話全部中斷。熱備用時，平時主、備用機(jī)都隨時接收并保留呼叫處理數(shù)據(jù)，但備用機(jī)不做處理工作。當(dāng)收到主用機(jī)倒換請求時，備用機(jī)立即工作。呼叫處理的暫時數(shù)據(jù)基本不丟失，原來處于通話狀態(tài)的用戶不中斷，損失的只是正在處理過程中的用戶。在主備用方式中，通常采用熱備用方式，備用機(jī)中存有主用機(jī)送來的相關(guān)信息，可隨時接替工作。

主備用方式的優(yōu)點是硬件電路比較簡單，軟件亦不太復(fù)雜。缺點是主備用切換時給外圍設(shè)備造成的損失比較大，工作效率較負(fù)荷分擔(dān)方式低。

（4）N+1方式

在單級多機(jī)系統(tǒng)中，有時采用N+1配置方式，即其中一臺處理機(jī)專作備用機(jī)，平時不工作，在N臺工作機(jī)中的任一臺出現(xiàn)故障時，備用機(jī)立即替代之。