2.1.2 数字程控交换机硬件结构
数字程控交换机的硬件组成如图2-2所示。
图2-2 数字程控交换机的硬件组成
2.1.2.1 话路子系统
话路子系统由中央级交换网络、用户级交换网络、各种接口电路以及信号音收发设备组成。其中，中央级交换网络部分已作介绍，这里重点介绍其他三个部分。
（1）用户级交换网络
用户级包括用户模块和远端用户模块。用户级主要完成话务量集中和话音编译码的功能。话务量的集中可以提高用户线的利用率。数字程控交换机的交换网络交换的是数字信号，而从用户线传送来的信号是模拟信号，因此需在用户级中完成模/数（A/D）转换，才可进入交换网络，从交换网络中送出的信号也必须经过数/模（D/A）转换才能进入用户线。用户级交换网络既可以是空分方式，也可以是时分方式。编译码功能可以在用户集中以前进行，也可以在集中之后进行。
远端用户模块与局内用户模块的功能相似，主要区别是远端用户模块通过数字中继电路与选组级相连，而用户模块是通过PCM中继电路与选组级相连。
（2）接口电路
接口电路是数字程控交换机与用户以及与其他交换机相连的物理连接部分。它的作用是完成外部信号与数字程控交换机内部信号的转换。具体的接口类型如图2-3所示。
图2-3 数字程控交换机接口类型
用户接口电路是用户通过用户线与数字程控交换机相连的接口电路。由于用户线和用户终端有数字和模拟之分，所以用户接口电路也有数字与模拟之分。
模拟用户接口又称Z接口，它是程控数字交换机连接模拟用户线的接口电路。由于某些信号（如振铃、馈电等）不能通过电子交换网络，因此把某些过去由公用设备实现的功能移到电子交换网络以外的用户电路来实现。数字程控交换机中的模拟用户接口功能可归纳为BORSCHT七项功能。
① B（Battery feeding），馈电。所有连接在交换机上的终端，均由交换机馈电。程控交换机的馈电电压一般为-48V。通话时馈电电流在20～100mA。馈电方式有恒压馈电和恒流馈电两种。
② O（Over voltage protection），过压保护。由于用户线是外线，所以可能会遭到雷电或高压电等的袭击，高压进入交换机内部会严重损坏交换机内部设备。为了防止外来高电压、过电流对程控交换机内元器件的袭击，一般采用二级保护措施。第一级保护是在用户线入局的配线架上安装保安器，主要用来防止雷电。但由于保安器在雷电袭击时，仍可能有上百伏的电压输出，对交换机内的集成元器件仍会产生致命的损伤，还需要采取进一步的保护措施；用户接口电路中的过压保护就是第二级保护。
③ R（Ringing control），振铃控制。铃信号送向被叫用户，用于通知被叫有呼叫进入。向用户振铃的铃流电压一般较高。我国规定的标准是用（75±15）V、25Hz交换电压作为铃流电压，向用户提供的振铃节奏规定为1s通、4s断。高电压是不允许从交换网络中通过的，因此，铃流电压一般通过继电器或高压集成电子开关独向用户话机提供，并由微处理机控制铃流开关的通断。此外，当被叫用户一摘机，交换机就能立即检测到用户直流环路电流的变化，继而进行截铃和通话接续处理。
④ S（Supervision），监视。为完成电话呼叫，交换机必须能够正确判断出用户线上的用户话机的摘/挂机状态和拨号脉冲的情况，这可通过监视用户线上直流环路电流的通/断来实现。用户挂机空闲时，直流环路断开，馈电电流为零；反之，用户摘机后，直流环路接通，馈电电流在20mA以上。
⑤ C（CODEC＆filters），编译码和滤波。编译码器的任务是完成模拟信号和数字信号间的转换。数字程控交换机只对数字信号进行交换处理，而话音信号是模拟信号，因此需要用编码器把模拟话音信号转换成数字话音信号，然后送到交换网络中进行交换，并通过解码器把从交换网络来的数字话音信号转换为模拟话音信号送给用户。
为避免在A/D变换中由于信号抽样而产生的混叠失真和50Hz电源以及3400Hz以上的频率分量信号的干扰，模拟话音在进行编码以前要通过一个带通滤波器。而在接收方向，从解码器输出的脉冲幅度调制信号要通过一个低通滤波器，以恢复原来的模拟话音信号，如图2-4所示。编译码器和滤波一般采用集成电路来实现。
图2-4 混合电路
⑥ H（Hybrid circuit），混合电路。用户话机的模拟信号是2线双向的，数字交换网的PCM数字信号是4线单向的，因此在编码以前和译码以后一定要进行2/4线转换。在数字程控交换机中由混合电路完成该功能。如图2-4所示，混合电路的平衡网络用于实现用户线阻抗匹配。
⑦ T（Test），测试。换机运行过程中，用户线路、用户终端和用户接口电路可能发生混线、断线、地、与电力线相碰、元器件损坏等各种故障，因此需要对内部电路和外部线路进行周期巡回自动测。测试工作可由外接的测试设备来完成，也可利用交换机的软件测试等距离进行自动测试。测试是通过测试继电器或电子开关为用户接口电路或外部用户线提供的测试接入口而实现的。
数字用户接口又称V接口，它是数字终端与程控数字交换机之间的接口电路。ITU-T建议的数字用户接口电路有5种，即V1～V5，其中V1、V3、V5是常用的标准。V1是综合业务数字网（ISDN）中的基本速率（2B+D）接口，B为64Kbit/s，D为16Kbit/s，在建议G.960和G.961中规定了这种接口的有关特性。接口V2、V3、V4的传输要求实质上是相同的，均符合G.703、G.704和G.705的有关规定，它们之间的区别主要在复用方式和信令要求方面。V2主要用于通过一次群或二次群数字段去连接远端或本端的数字网络设备，该网络设备可支持任何模拟、数字或ISDN用户接入的组合；V3是综合业务数字网中的基群速率接口，主要用于通过一般的用户数字段，以30B+D或23B+D（其中B、D均为64Kbit/s）的信道分配方式去连接数字用户群设备，例如，PABX；V4用于连接一个数字接入链路，该链路包括一个可支持几个基本速率接入的静态复用器，实质上是ISDN基本接入的复用。V5接口是交换机与接入网络（AN）之间的数字接口。这里的接入网络是指交换机到用户之间的网络设备。因此V5接口能支持各种不同的接入类型。
数字用户终端与交换机数字用户接口电路之间传输数字信号的线路，仍采用普通的二线传输方式。为此须采用频分、时分或回波抵消技术来解决2线上传输双向数字信号的问题。
中继接口电路是交换机与中继线的物理连接设备。交换机的中继接口电路分为模拟中继接口电路和数字中继接口电路。
模拟中继接口又称C接口，是数字交换机为适应局间模拟环境而设置的接口电路，用来连接模拟中继线。模拟中继接口具有测试、过压保护、线路信令监视和配合、编/译码等功能。
数字中继接口又称A接口或B接口，它是数字交换机与数字中继线之间的接口电路，可适配PCM一次群或高次群的数字中继线。A接口通过PCM一次群线路连接至其他交换机，又称基群接口，它通常使用双绞线或同轴电缆传输；B接口通过PCM二次群线路连接其他交换机；高次群接口通常采用光缆传输。数字中继器的主要作用是将对方局送来的PCM30/32路信号分解成30路64Kbit/s的信号，然后送至数字交换网络。同样，它也把数字交换网络送来的30路64Kbit/s信号复合为PCM30/32路信号，送到对方局。
（3）信号音收发设备
在电话交换过程中，交换机需要向用户及其他交换机发送各种信号，例如拨号音、忙音、多频互控信号等，同时也要接收用户或其他交换机发送的信号，例如多频互控信号、双音多频信号等。这些信号在数字程控交换机中均为数字音频信号。信号音收发设备的功能就是完成这些数字音频信号音的产生、发送和接收。
信号音发生器一般采用数字音存储方法，将拨号音、忙音、回铃音等音频信号进行抽样和编码后存放在只读存储器（ROM）中，在计数器的控制下读出数字化信号音的编码，经数字交换网络发送到所需的话路上去。当然，如果需要，也可通过指定的时隙（如TS0、TS16）传送。
多频信号接收器和发送器用于接收和发送多频（MF）信号，包括音频话机的双音多频（DTMF）信号和局间多频信号（MFC），这些多频信号在相应的话路中传送，以数字化的形式通过交换网络而被接收和发送。故数字交换机中的多频接收器和发送器应能接收和发送数字化的多频信号。
2.1.2.2 控制子系统
控制子系统是交换机的“指挥系统”，交换机的所有动作都是在控制系统的控制下完成的。
控制系统的主要设备是处理机。处理机有各种配置方式，但归纳起来大致分为两种：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，任何一台处理机都可以实现对交换机的全部控制，管理交换机的全部硬件和软件资源。集中控制配置方式如图2-5所示。
图2-5 集中控制配置方式
集中控制的主要优点是只需要一个处理机，控制系统结构简单。处理机能掌握了解整个系统的运行状态，使用、管理系统的全部资源，不会出现争抢资源的冲突。此外，在集中控制中，各种控制功能之间的接口都是程序之间的软件接，任何功能的变更和增删都只涉及软件，从而使其实现较为方便、容易。
缺点：一是由于控制高度集中，使得这种系统比较脆弱，一旦控制部件出现故障，就可能引起整个交换局瘫痪；二是处理机要完成全部的控制功能，使得控制过于集中，软件的规模很大且很复杂，系统的管理维护很困难。
为了解决这个问题，集中控制一般采用双处理机或多处理机的冗余配置方式。
（2）分散控制方式
分散控制方式的程控交换机中，任何一台处理机都只能执行部分控制功能，管理交换机的部分硬件和软件资源。
分散控制克服了集中控制的主要缺点，是目前普遍采用的一种控制方式。分散控制系统是一个多处理机系统。根据处理机的自主控制能力，分散控制可分为分级控制和分布（全分散）控制。
分散控制系统中，各台处理机可按容量分担或功能分担的方式工作。容量分担方式指每台处理机只分担一部分用户的全部呼叫处理任务。按这种方式分工的每台处理机所完成的任务都是一样的，只是所面向的用户不同。容量分担方式的优点是，只需要配置相应数量的处理机，即可适应不同数量用户群的需要。其缺点是，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各项控制功能按功能类别分配给不同的处理机去执行，不同的处理机调用相应的系统资源。功能分担方式的优点是，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，很容易通过软件实现。其缺点是，在容量小时，也必须配齐全部处理机。
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，是指资源和功能的分配一次完成，各处理机可以根据不同分工配备一些专门的硬件。采用静态分配的优点是，软件没有集中控制时那么复杂，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，是指每台处理机可以处理所有功能，也可以控制所有资源，但根据系统的不同状态，对资源和功能进行最佳分配。这种方式的优点在于，当有一台处理机发生故障时，可由其余处理完成全部功能。缺点是系统非常复杂。
分级控制有单级控制和多级控制两种。其中，单级控制系统又叫单级多机系统，如图2-6所示。系统各台处理机并行工作，每台处理机有专用的存储器，也可设置公用存储器，用于各处理机之间的通信。
图2-6 单级多机系统
多级控制系统按交换机控制功能层次的高低分别配置处理机。对于较低层次的、处理简单但工作量繁重的控制功能，如用户扫描、摘挂机及脉冲识别等，采用外围处理机（或用户处理机）完成。对层次较高、处理较复杂、工作量较小的控制功能，如号码分析、路由选择等，由呼叫处理机承担。对于处理更复杂、执行次数更小的故障诊断和维护管理等控制功能，则单独配置一台专用的主处理机。这样，一般形成三级控制系统，如图2-7所示。
图2-7 三级控制系统
这种三级控制系统按功能分担的方式分别配置外围处理机、呼叫处理机和主处理机。每一级又采用容量分担的方式，每几百个用户配置一台外围处理机；呼叫处理机因要处理外围处理机传输来的信息，故数台外围处理机只需配备一台呼叫处理机；对于主处理机，一般全系统只需配置一对即可。
分布式控制也成为全分散控制。它是指交换机的全部用户线和中继线被分成多个模块（用户模或中继模块），每个模块包含一定数量的用户线和中继线，且每个模块都有一个控制单元。在控制元中配备微处理机，包括所有呼叫控制和数字交换网络控制在内的一切控制功能都由微处理机执行，每个模块基本上可以独立地进行呼叫处理。
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下的分级控系统或分布式控制系统。为了提高控制系统的可靠性，处理机需要进行冗余配置，即备用配置。冗余配置方式有如下4种。
（1）微同步方式（同步双工方式）
两台处理机之间接有一个比较器，每一台处理机都有一个供自己专用的存储器，而且每一台处理机所能实现的控制功能完全一样。图2-8所示是一个同步双机配置的典型结构。
图2-8 微同步工作方式
正常工作时，两台处理机均接收从外围设备来的信息，同时执行同一条指令，进行同样的分析处，但只有主用机输出控制消息，执行控制功能。所谓微同步，就是在执行每一条指令后，检查比较台处理机的执行结果是否一致，如果一致，就转移到下一条执行指令，继续运行程序；如果不一致，说明可能有一台处理机出错，两台处理机立即中断正常处理，并各自启动检查诊断程序，如果发现一台有故障，则退出服务，以做进一步故障诊断；而另一台则继续工作。如果检查发现两台均正常，说明是由于偶然干扰引起的出错，处理机恢复原有工作状态。
同步工作方式的优点是发现错误及时，中断时间很短（20ms左右），对正在进行的呼叫处理几乎没有影响。其缺点是双机进行指令比较占用了一定资源。
（2）负荷分担（话务分担）方式
荷分担也叫话务分担，两台处理机独立进行工作，在正常情况下，各承担一半的话务负荷。当一机发生故障，可由另一机承担全部负荷，如图2-9所示。
图2-9 负荷分担方式
处理机A、B都从外围设备提取信息进行处理，各自承担一部分话务负荷，独立进行工作，发出控制信息。为了沟通工作情况，它们之间有信息链路及时地交换信息。为了防止两台处理机同时处理相同任务，它们之间设有“禁止”电路，避免“争夺”现象。两台处理机必须有自己专用的存储器，一旦某一处理机出现故障，则由另一台处理机承担全邵负荷，无需切换过程，呼损很小。只是在非正常工作时，单机可能有轻微过载，但时间很短，一旦另一台处理机恢复运行，便会一切正常。
负荷分担方式的优点是两台处理机都承担话务，因而过载能力很强。在理想情况下，负载能力几乎提高一倍。因此，实际运用处理机的处理能力只为话务负荷的50%～100%。其缺点是两台处理机需经常保持联系，亦占用处理机部分机时。
（3）主/备用方式
主/备用方式是一台处理机联机运行，另一台处理机与话路设备完全分离而作为备用。工作的计算机称为主用机，另一台计算机称为备用机，它们以通过软件相互倒换工作。当主机发生故障时，进行主/备用倒换，如图2-10所示。
图2-10 双机主/备用配置方式
主/备用方式，在任何情况下只有其中一台处理机（A或B）与外围设备交换信息，即一台主用，一台备用。主用机承担全部外围设备的话务负荷，当主用机出现故障时，利用切换程序使其退出服务，备用机联机工作。
主备用方式有冷备用（Cold Standby）与热备用（Hot Standby）两种。冷备用时，备用机中没有保存呼叫数据，也不作任何处理，当收到主机发来的转换请求信号后，新的主用机需要重新初始化，开始接收数据，进行处理。缺点是：一旦主用机有故障而转向备用机时，数据全部丢失，重新启动，一切正在进行的通话全部中断。热备用时，平时主、备用机都随时接收并保留呼叫处理数据，但备用机不做处理工作。当收到主用机倒换请求时，备用机立即工作。呼叫处理的暂时数据基本不丢失，原来处于通话状态的用户不中断，损失的只是正在处理过程中的用户。在主备用方式中，通常采用热备用方式，备用机中存有主用机送来的相关信息，可随时接替工作。
主备用方式的优点是硬件电路比较简单，软件亦不太复杂。缺点是主备用切换时给外围设备造成的损失比较大，工作效率较负荷分担方式低。
（4）N+1方式
在单级多机系统中，有时采用N+1配置方式，即其中一台处理机专作备用机，平时不工作，在N台工作机中的任一台出现故障时，备用机立即替代之。