2.1.2　數字程控交換機硬件結構

數字程控交換機的硬件組成如圖2-2所示。

2.1.2.1　話路子系統

話路子系統由中央級交換網絡、用戶級交換網絡、各種接口電路以及信號音收發設備組成。其中，中央級交換網絡部分已作介紹，這里重點介紹其他三個部分。

（1）用戶級交換網絡

用戶級包括用戶模塊和遠端用戶模塊。用戶級主要完成話務量集中和話音編譯碼的功能。話務量的集中可以提高用戶線的利用率。數字程控交換機的交換網絡交換的是數字信號，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（A/D）轉換，才可進入交換網絡，從交換網絡中送出的信號也必須經過數/模（D/A）轉換才能進入用戶線。用戶級交換網絡既可以是空分方式，也可以是時分方式。編譯碼功能可以在用戶集中以前進行，也可以在集中之后進行。

遠端用戶模塊與局內用戶模塊的功能相似，主要區別是遠端用戶模塊通過數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

接口電路是數字程控交換機與用戶以及與其他交換機相連的物理連接部分。它的作用是完成外部信號與數字程控交換機內部信號的轉換。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字程控交換機相連的接口電路。由于用戶線和用戶終端有數字和模擬之分，所以用戶接口電路也有數字與模擬之分。

模擬用戶接口又稱Z接口，它是程控數字交換機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絡，因此把某些過去由公用設備實現的功能移到電子交換網絡以外的用戶電路來實現。數字程控交換機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。所有連接在交換機上的終端，均由交換機饋電。程控交換機的饋電電壓一般為-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。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，高壓進入交換機內部會嚴重損壞交換機內部設備。為了防止外來高電壓、過電流對程控交換機內元器件的襲擊，一般采用二級保護措施。第一級保護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，對交換機內的集成元器件仍會產生致命的損傷，還需要采取進一步的保護措施；用戶接口電路中的過壓保護就是第二級保護。

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入。向用戶振鈴的鈴流電壓一般較高。我國規定的標準是用（75±15）V、25Hz交換電壓作為鈴流電壓，向用戶提供的振鈴節奏規定為1s通、4s斷。高電壓是不允許從交換網絡中通過的，因此，鈴流電壓一般通過繼電器或高壓集成電子開關獨向用戶話機提供，并由微處理機控制鈴流開關的通斷。此外，當被叫用戶一摘機，交換機就能立即檢測到用戶直流環路電流的變化，繼而進行截鈴和通話接續處理。

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

⑤ C（CODEC＆filters），編譯碼和濾波。編譯碼器的任務是完成模擬信號和數字信號間的轉換。數字程控交換機只對數字信號進行交換處理，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換成數字話音信號，然后送到交換網絡中進行交換，并通過解碼器把從交換網絡來的數字話音信號轉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制信號要通過一個低通濾波器，以恢復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。

⑥ H（Hybrid circuit），混合電路。用戶話機的模擬信號是2線雙向的，數字交換網的PCM數字信號是4線單向的，因此在編碼以前和譯碼以后一定要進行2/4線轉換。在數字程控交換機中由混合電路完成該功能。如圖2-4所示，混合電路的平衡網絡用于實現用戶線阻抗匹配。

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

數字用戶接口又稱V接口，它是數字終端與程控數字交換機之間的接口電路。ITU-T建議的數字用戶接口電路有5種，即V₁～V₅，其中V₁、V₃、V₅是常用的標準。V₁是綜合業務數字網（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中規定了這種接口的有關特性。接口V₂、V₃、V₄的傳輸要求實質上是相同的，均符合G.703、G.704和G.705的有關規定，它們之間的區別主要在復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字段去連接遠端或本端的數字網絡設備，該網絡設備可支持任何模擬、數字或ISDN用戶接入的組合；V₃是綜合業務數字網中的基群速率接口，主要用于通過一般的用戶數字段，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字用戶群設備，例如，PABX；V₄用于連接一個數字接入鏈路，該鏈路包括一個可支持幾個基本速率接入的靜態復用器，實質上是ISDN基本接入的復用。V₅接口是交換機與接入網絡（AN）之間的數字接口。這里的接入網絡是指交換機到用戶之間的網絡設備。因此V₅接口能支持各種不同的接入類型。

數字用戶終端與交換機數字用戶接口電路之間傳輸數字信號的線路，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來解決2線上傳輸雙向數字信號的問題。

中繼接口電路是交換機與中繼線的物理連接設備。交換機的中繼接口電路分為模擬中繼接口電路和數字中繼接口電路。

模擬中繼接口又稱C接口，是數字交換機為適應局間模擬環境而設置的接口電路，用來連接模擬中繼線。模擬中繼接口具有測試、過壓保護、線路信令監視和配合、編/譯碼等功能。

數字中繼接口又稱A接口或B接口，它是數字交換機與數字中繼線之間的接口電路，可適配PCM一次群或高次群的數字中繼線。A接口通過PCM一次群線路連接至其他交換機，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；高次群接口通常采用光纜傳輸。數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，然后送至數字交換網絡。同樣，它也把數字交換網絡送來的30路64Kbit/s信號復合為PCM30/32路信號，送到對方局。

（3）信號音收發設備

在電話交換過程中，交換機需要向用戶及其他交換機發送各種信號，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發送的信號，例如多頻互控信號、雙音多頻信號等。這些信號在數字程控交換機中均為數字音頻信號。信號音收發設備的功能就是完成這些數字音頻信號音的產生、發送和接收。

信號音發生器一般采用數字音存儲方法，將撥號音、忙音、回鈴音等音頻信號進行抽樣和編碼后存放在只讀存儲器（ROM）中，在計數器的控制下讀出數字化信號音的編碼，經數字交換網絡發送到所需的話路上去。當然，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送器用于接收和發送多頻（MF）信號，包括音頻話機的雙音多頻（DTMF）信號和局間多頻信號（MFC），這些多頻信號在相應的話路中傳送，以數字化的形式通過交換網絡而被接收和發送。故數字交換機中的多頻接收器和發送器應能接收和發送數字化的多頻信號。

2.1.2.2　控制子系統

控制子系統是交換機的“指揮系統”，交換機的所有動作都是在控制系統的控制下完成的。

控制系統的主要設備是處理機。處理機有各種配置方式，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，任何一臺處理機都可以實現對交換機的全部控制，管理交換機的全部硬件和軟件資源。集中控制配置方式如圖2-5所示。

集中控制的主要優點是只需要一個處理機，控制系統結構簡單。處理機能掌握了解整個系統的運行狀態，使用、管理系統的全部資源，不會出現爭搶資源的沖突。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，從而使其實現較為方便、容易。

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

為了解決這個問題，集中控制一般采用雙處理機或多處理機的冗余配置方式。

（2）分散控制方式

分散控制方式的程控交換機中，任何一臺處理機都只能執行部分控制功能，管理交換機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。分散控制系統是一個多處理機系統。根據處理機的自主控制能力，分散控制可分為分級控制和分布（全分散）控制。

分散控制系統中，各臺處理機可按容量分擔或功能分擔的方式工作。容量分擔方式指每臺處理機只分擔一部分用戶的全部呼叫處理任務。按這種方式分工的每臺處理機所完成的任務都是一樣的，只是所面向的用戶不同。容量分擔方式的優點是，只需要配置相應數量的處理機，即可適應不同數量用戶群的需要。其缺點是，每臺處理機都要具有呼叫處理的全部功能。功能分擔方式是將交換機的各項控制功能按功能類別分配給不同的處理機去執行，不同的處理機調用相應的系統資源。功能分擔方式的優點是，每臺處理機只承擔一部分功能，可以簡化軟件，若需增強功能，很容易通過軟件實現。其缺點是，在容量小時，也必須配齊全部處理機。

在分散控制系統中，處理機之間的功能分配可能是靜態的，也可能是動態的。所謂靜態分配，是指資源和功能的分配一次完成，各處理機可以根據不同分工配備一些專門的硬件。采用靜態分配的優點是，軟件沒有集中控制時那么復雜，可以做成模塊化系統，在經濟和可擴展性方面顯示出優越性。所謂動態分配，是指每臺處理機可以處理所有功能，也可以控制所有資源，但根據系統的不同狀態，對資源和功能進行最佳分配。這種方式的優點在于，當有一臺處理機發生故障時，可由其余處理完成全部功能。缺點是系統非常復雜。

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

多級控制系統按交換機控制功能層次的高低分別配置處理機。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、摘掛機及脈沖識別等，采用外圍處理機（或用戶處理機）完成。對層次較高、處理較復雜、工作量較小的控制功能，如號碼分析、路由選擇等，由呼叫處理機承擔。對于處理更復雜、執行次數更小的故障診斷和維護管理等控制功能，則單獨配置一臺專用的主處理機。這樣，一般形成三級控制系統，如圖2-7所示。

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

分布式控制也成為全分散控制。它是指交換機的全部用戶線和中繼線被分成多個模塊（用戶模或中繼模塊），每個模塊包含一定數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，包括所有呼叫控制和數字交換網絡控制在內的一切控制功能都由微處理機執行，每個模塊基本上可以獨立地進行呼叫處理。

根據各交換系統的要求，目前生產的大、中型交換機的控制部分多采用分散控制方式下的分級控系統或分布式控制系統。為了提高控制系統的可靠性，處理機需要進行冗余配置，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）

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

正常工作時，兩臺處理機均接收從外圍設備來的信息，同時執行同一條指令，進行同樣的分析處，但只有主用機輸出控制消息，執行控制功能。所謂微同步，就是在執行每一條指令后，檢查比較臺處理機的執行結果是否一致，如果一致，就轉移到下一條執行指令，繼續運行程序；如果不一致，說明可能有一臺處理機出錯，兩臺處理機立即中斷正常處理，并各自啟動檢查診斷程序，如果發現一臺有故障，則退出服務，以做進一步故障診斷；而另一臺則繼續工作。如果檢查發現兩臺均正常，說明是由于偶然干擾引起的出錯，處理機恢復原有工作狀態。

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

（2）負荷分擔（話務分擔）方式

荷分擔也叫話務分擔，兩臺處理機獨立進行工作，在正常情況下，各承擔一半的話務負荷。當一機發生故障，可由另一機承擔全部負荷，如圖2-9所示。

處理機A、B都從外圍設備提取信息進行處理，各自承擔一部分話務負荷，獨立進行工作，發出控制信息。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同時處理相同任務，它們之間設有“禁止”電路，避免“爭奪”現象。兩臺處理機必須有自己專用的存儲器，一旦某一處理機出現故障，則由另一臺處理機承擔全邵負荷，無需切換過程，呼損很小。只是在非正常工作時，單機可能有輕微過載，但時間很短，一旦另一臺處理機恢復運行，便會一切正常。

負荷分擔方式的優點是兩臺處理機都承擔話務，因而過載能力很強。在理想情況下，負載能力幾乎提高一倍。因此，實際運用處理機的處理能力只為話務負荷的50%～100%。其缺點是兩臺處理機需經常保持聯系，亦占用處理機部分機時。

（3）主/備用方式

主/備用方式是一臺處理機聯機運行，另一臺處理機與話路設備完全分離而作為備用。工作的計算機稱為主用機，另一臺計算機稱為備用機，它們以通過軟件相互倒換工作。當主機發生故障時，進行主/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（A或B）與外圍設備交換信息，即一臺主用，一臺備用。主用機承擔全部外圍設備的話務負荷，當主用機出現故障時，利用切換程序使其退出服務，備用機聯機工作。

主備用方式有冷備用（Cold Standby）與熱備用（Hot Standby）兩種。冷備用時，備用機中沒有保存呼叫數據，也不作任何處理，當收到主機發來的轉換請求信號后，新的主用機需要重新初始化，開始接收數據，進行處理。缺點是：一旦主用機有故障而轉向備用機時，數據全部丟失，重新啟動，一切正在進行的通話全部中斷。熱備用時，平時主、備用機都隨時接收并保留呼叫處理數據，但備用機不做處理工作。當收到主用機倒換請求時，備用機立即工作。呼叫處理的暫時數據基本不丟失，原來處于通話狀態的用戶不中斷，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，備用機中存有主用機送來的相關信息，可隨時接替工作。

主備用方式的優點是硬件電路比較簡單，軟件亦不太復雜。缺點是主備用切換時給外圍設備造成的損失比較大，工作效率較負荷分擔方式低。

（4）N+1方式

在單級多機系統中，有時采用N+1配置方式，即其中一臺處理機專作備用機，平時不工作，在N臺工作機中的任一臺出現故障時，備用機立即替代之。