1.3 規模擴張，交換演進
人類在發明電話和無線電報之后，將其視為兩種相互獨立的通信技術，分別進行研究。
我們先來看看電話的發展史。
貝爾在申請電話專利之后的第二年，創辦了貝爾電話公司，開始了電話的商業化運營。到當年年底，用戶數很快就達到了3000戶。沒過多久，貝爾又完成了波士頓和紐約之間（相距300多千米）的首次長途電話實驗，進一步推動了電話的快速普及。
隨著電話用戶的迅速增加，人們發現傳統的電話連線方式存在很大的問題。電話的工作原理，其實就是將聲音信號轉換成電信號，通過電線傳輸之后再將電信號轉換成聲音信號。說白了，電話的連通與否，關鍵在于電線。最早的連線方式是直連模式（見圖1-8），也就是一對一模式。這種模式適用于用戶數量很少的情況。隨著用戶數的快速增長，成本也會快速增加：要連接n個電話，需要n×(n- 1)/2條電線。例如，要連接10 000個電話，就需要49 995 000條電線。
圖1-8 直連模式
于是，人們開始引入“交換”（switch）的概念，發明了電話交換機。所謂“交換”，就是“進和出”。交換機所做的，就是控制消息從哪里來、到哪里去。交換機的出現不僅可以大幅減少線纜和線桿的成本，還有利于簡化管理和維護。如圖1-9所示，在交換模式下，n個電話只需要n條電線。
圖1-9 交換模式
世界上最早的電話交換機誕生于1878年。這種交換機由話務員進行人工操作，所以稱為“人工交換機”。用戶在打電話時，要先與話務員通話，告訴話務員想要找誰，然后由話務員幫忙接續（見圖1-10）。
圖1-10 話務員和人工交換機
根據當時電話的分類，人工交換機也分為兩種，分別是磁石式和共電式的。早期的電話機由自身提供電能，主要由送話器、受話器、手搖發電機、電鈴、干電池等部件構成。因為手搖發電機上有兩塊永久磁鐵，所以得名“磁石式電話機”（見圖1-11）。“共電式電話機”則出現于1880年。這種電話機的通話雙方可以共同使用電話局的電源，從而大大簡化了電話機的結構。這種電話機使用方便，拿起便可呼叫。
圖1-11 早期的磁石式電話機
人工交換機雖然實現了交換的功能，但也有明顯的缺點：占用大量人力，效率低下，且容易出錯。1891年，有一個名叫A. B. 史端喬（Almon Brown Strowger）的殯儀館老板就吃了人工交換機的虧。他發現，客戶打到自己店里的電話總會被話務員轉接到另一家殯儀館。原來，這個話務員是另一家殯儀館老板的堂弟。得知原因后的史端喬非常生氣，發誓一定要發明一個不需要人工操作的交換機。結果，他真的做到了—他在自己的車庫里制作了世界上第一臺步進制電話交換機（又稱為“史端喬交換機”，見圖1-12）。
圖1-12 早期的步進制交換機
步進制交換機由預選器、選組器和終接器等部件組成，以機械動作代替話務員的人工動作。當用戶撥號時，預選器隨著撥號發出的脈沖電流，一步一步地改變接續位置，從而將主叫和被叫用戶間的電話線路自動接通（工作原理見圖1-13）。
圖1-13 步進制交換機的工作原理
值得一提的是，除了步進制交換機之外，大家經常在電視上看到的旋轉式撥號盤（見圖1-14）也是史端喬發明的。對于一個殯儀館老板來說，他的發明天賦真的很了不起。正因為他的杰出貢獻，20世紀90年代末，還有人專門給他建立了一個網站，以示紀念。
圖1-14 帶有旋轉式撥號盤的電話機
1892年，第一個史端喬步進制電話機在美國投入使用。后來，在史端喬步進制交換機的基礎上，又出現了旋轉式和升降式的交換機。1909年，德國西門子公司對史端喬步進制電話交換機進行改進，制造出了西門子步進制電話交換機。
總的來說，步進制交換機雖然可以替代人工交換機，但仍然存在很多缺點。例如，步進制交換機的接點是滑動式的，不僅可靠性差、易損壞，而且結構復雜、體積大、動作慢。于是，工程師們轉而繼續尋求更好的解決方案。
1915年，貝爾公司旗下的西部電氣公司設計了一款用于切換電話呼叫的機電設備，并將其命名為坐標選擇器（coordinate selector）。1919年，瑞典工程師G. A. 貝塔蘭德（Gotthilf Ansgarius Betulander）和尼爾斯·帕爾姆格倫（Nils Palmgren）在坐標選擇器的基礎上加以改進，共同發明了一種叫作“縱橫接線器”（crossbar，見圖1-15）的新型選擇器，并申請了專利。這種接線器沒有采用過去的滑動式接點，而是改用點觸式接點，從而減少了磨損，延長了使用壽命。在縱橫接線器的基礎上，1926年，世界上第一個大型縱橫制自動電話交換機在瑞典松茲瓦爾市投入使用。1938年，美國開通了1XB縱橫制自動電話交換系統。緊接著，法國、日本等國家也相繼生產和使用了該類系統。從此，人類正式進入縱橫制交換機（見圖1-16）時代。
圖1-15 縱橫接線器
圖1-16 縱橫制交換機
“縱橫制”和“步進制”都利用電磁機械動作進行接線，所以它們同屬于“機電制自動電話交換機”。機械終歸是機械，效率低、容量小、故障多，難以滿足人類日益增長的通信需求。于是，科學家們沒有停下腳步，而是繼續研究和探索更先進的交換處理方式。