用户电话程控交换机工作原理
用户电话程控交换机工作原理
内容提要：随着社会需求的日益增长和科技水平的不断提
高，电话已经成为每个单位和家庭不可缺少的一部分，本文
对与电话密不可分的程控交换机的工作原理、组成、工作流
程以及其中最关键的多路复用技术进行讲解。
关键词：程控交换机 原理 多路复用
自1876年美国贝尔发明电话以来，电话交换技术一直
处于飞速的变革和发展之中。随着电话数量的增加，我们身
边的电话网络变得越来越庞大，在这庞大的网络中，有一种
设备是不可缺少的，那就是用户电话程控交换机。因为用户
交换机为市话网承担了大量的内部用户间的话务量，减轻了
市话网的话务负荷，因此它是市话网的重要组成部分，是市
话交换机的一种补充设备。
用户电话交换机是进行内部电话交换的一种专用交换
机，其基本功能是完成单位内部用户的相互通话，也可以装
有出入中继线与公用电话网相连接。由于这类交换机可根据
用户需要增加若干附加性能以提供使用上的方便。因此这类
交换机具有较大的灵活性。另外用户交换机在各单位分散设
置，更靠近用户，因而缩短了用户线距离，节省了用户电缆；
同时用少量的出入中继线接入市话网，起到话务集中的作
用。从这些方面讲，使用用户交换机都有较大的经济意义。
因此公用网建设中，用户交换机起着重要的作用。
一 用户电话交换机的分类
用户电话交换机就控制方式主要分两大类：
1.1 布线逻辑控制交换机
是通过布线方式实现交换机的逻辑控制功能，通常这种
交换机仍使用机电接线器而将控制部分更新成电子器件，因
此称它为布控半电子式交换机，这种交换机相对于机电交换
机来说，虽然在器件与技术上向电子化迈进了一大步，但它
基本上继承与保留了纵横制交换机布控方式的弊端：体积
大、业务与维护功能低、缺乏灵活性。因此它只是机电式向
电子式演变历程中的过度性产物。
1.2 存储程序控制交换机
是将用户的信息和交换机的控制，维护管理功能预先编
成程序，存储到计算机的存储器内。当交换机工作时，控制
部分自动监测用户的状态变化和所拨号码，并根据要求执行
程序，从而完成各种交换功能。通常这种交换机属于全电子
型，采用程序控制方式，因此称为存储程序控制交换机，或
简称为程控交换机。
程控交换机按接续方式可分为程控空分交换机和程控
时分交换机；按信息传送方式可分为：模拟交换机和数字交
换机。
由于程控空分交换机的接续网络（或交换网络）采用空
分接线器（或交叉点开关阵列），且在话路部分中一般传送
和交换的是模拟话音信号，因而习惯称之为程控模拟交换
机，这种交换机不需进行话音的模数转换（编解码），用户
电路简单，因而成本低，目前主要用作小容量模拟用户交换
机。
程控时分交换机一般在话路部分中传送和交换的是模
拟话音信号和数字信号，因而习惯称为程控数字交换机。由
于程控数字交换技术的先进性和设备的经济性，使其交换技
术跨上了一个新的台阶，而且对实现综合业务数字交换奠定
了基础，因而成为交换技术的主要发展方向，随着微处理器
技术和专用集成电路的飞跃发展，程控数字交换的优越性愈
加明显的展现出来。目前所生产的中大容量的程控机全部为
数字式的。
二 程控交换机的基本组成
用户电话交换机的主要任务是实现用户间通话的接续。
基本划分为两大部分：话路设备和控制设备。话路设备主要
包括各种接口电路（如用户线接口和中继线接口电路等）和
交换网络；控制设备在程控交换机中，包括中央处理器
（CPU），存储器和输入 /输出设备。程控交换机基本构成如
图1所示。
程控交换机实质上是采用计算机进行“存储程序控制”
的交换机，它将各种控制功能，方法编成程序，存入存储器，
利用对外部状态的扫描数据和存储程序来控制，管理整个交
换系统的工作。
用户电路交
换
入中继
网
用户电路络收号器出中继
存储器中央处理器I/O设备
图1 程控交换机基本组成
2.1 交换网络
交换网络的基本功能是根据用户的呼叫要求，通过控制
部分的接续命令，建立主叫与被叫用户间的连接通路。在纵
横制交换机中它采用各种机电式接线器（如纵横接线器，编
码接线器，笛簧接线器等），在程控交换机中目前主要采用
由电子开关阵列构成的空分交换网络，和由存储器等电路构
成的时分接续网络。
2.2 用户电路
用户电路的作用是实现各种用户线与交换之间的连接，
通常又称为用户线接口电路（SLIC）。根据交换机制式和应
用环境的不同，用户电路也有多种类型，对于程控数字交换
机来说，目前主要有与模拟话机连接的模拟用户线电路
（ALC）及与数字话机，数据终端（或终端适配器）连接的
数字用户线电路
2.3 出入中继器
出入中继器是中继线与交换网络间的接口电路，用于交
换机中继线的连接。它的功能和电路与所用的交换系统的制
式及局间中继线信号方式有密切的关系。对模拟中继接口单
元（ATU），其作用是实现模拟中继线与交换网络的接口，基
本功能一般有：发送与接收表示中继线状态（如示闲、占用、
应答、释放等）的线路信号、转发与接收代表被叫号码的记
发器信号、向控制设备提供所接收的线路信号。
2.4 控制设备
控制部分是程控交换机的核心，其主要任务是根据外部
用户与内部维护管理的要求，执行存储程序和各种命令，以
控制相应硬件实现交换及管理功能。
程控交换机控制设备的主体是微处理器，通常按其配置
与控制工作方式的不同，可分为集中控制和分散控制两类。
为了更好的适应软硬件模块化的要求，提高处理能力及增强
系统的灵活性与可靠性，目前程控交换系统的分散控制程度
日趋提高，已广泛采用部分或完全分布式控制方式。
三 程控交换机基本工作流程
当用户在使用程控交换机网络中的电话时，每次通话都
要分为：摘机、拨号、通话和挂线这四个步骤，下面介绍一
下这四个步骤中程控交换机的工作流程。程控交换机基本工
作流程示意图如图2所示
收拨号音建立连接通话结束断开连接
通话过程：用户摘机用户拨号用户通话用户挂线用户摘机：
用户拨号：用户挂线：控制分配线路交换网络摘机或振铃呼叫控制用户1用户电路控制设备接口单元控制送出拨号音用户电路分配收号器拨号送电话号码控制控制连接线路用户1用户电路控制设备接口单元交换网络用户用户闲时送等待音、用户忙时送忙音控制控制送振铃信号用户电路用户电路2控制关闭拨号音用户电路关闭收号器挂线信号控制控制断开线路
用户控制设备接口单元交换网络
图2 程控交换机基本工作流程示意图
7
3.1 摘机
当用户每次摘机或磁石电话用户振铃时，用户向程控交换机发出请求，这时由用户电路将检测到的信号呼叫给控制设备，控制设备通过接口单元用交换网络为用户分配一条线路，同时通过用户电路给用户发出拨号音并分配收号器。
3.2 拨号
用户在听到拨号音后，使用电话上的DTMF拨号器将要呼叫的电话号码通过用户电路传递给控制设备，这时控制设备通过接口单元控制交换网络将主叫用户与被叫用户的线路相连接，并通过用户电路向被叫用户发出振铃信号，同时主叫用户可以听到提示音：如果被叫用户如果处于空闲状态时，主叫用户听到的是等待音；如果被叫用户处于忙状态时，主叫用户将听到忙音。当线路连接成功后，程控交换机将关闭拨号音和收号器。
3.3 通话
当被叫用户听到振铃信号并摘机后，主叫用户和被叫用户的话音信道就搭建成功，双方可以使用这条信道进行语音通话或数据传输（如传真等）。
3.4 挂线
当通话双方的任意一方挂线时，用户向程控交换机中的控制设备发出挂线信号，这时控制设备将控制交换网络断开通话双方的线路，并向未挂线的一方发出忙音信号。这标志
着本次通话结束。
四 程控交换机中的多路复用技术
在程控交换机中最关键的技术就是多路复用技术，多路复用（MUX）这一术语来源于拉丁词multi（许多）和plex（混合）。多路复用指的是复用信道，即是利用一个物理信道同时传输多个信号，以提高信道利用率，使得一条线路能同时由多个用户使用而互不影响。多路复用器连接许多条低速线路，并将它们各自所需的传输容量组合在一起后，在一条速度较高的线路上传输。也即低速线路在其远端合并，仅由一条较高速度的线路传输所有信息，而不是在一个发送端和接收端之间连接着许多低速线路。如图3所示 n个输入
1条链路，n个通道
MUXDEMUXn个输出
图3 多路复用示意图
多路复用的优点是：仅需一条传输线路，所需介质较少，所用的传输介质的容量可以得到充分利用。从而降低了设备费用，提高了工作效率。而且用户不需要进行任何实际的修改，多路复用系统对用户是透明的，每个很远的地点都好像仍然直接接到总部所在地。同时，由于线路中用的缓冲部件
较少，时间延迟较少。
多路复用技术分为空分复用技术（SDM）和时分复用技术，时分复用技术又分为频分复用技术（FDM）和时分复用技术（TDM）
4.1 空分复用技术（SDM）
空分复用是指通过信号在空间上的分离来达到信道的复用。每一条链路对应一对用户，这种技术适用于用户较少的程控交换机。
4.2 频分复用技术（FDM）
频分复用（FDM）是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种技术。FDM常用于模拟传输的宽带网络中。
在通信系统中，信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的，为了能够充分利用信道的带宽，就可以采用频分复用的方法。在频分复用系统中，信道的可用频带被分成若干个互不交叠的频段，每路信号用其中一个频段传输，因而可以用滤波器将它们分别滤出来，然后分别解调接收。
4.2.1 频分复用原理
频分复用原理如图4
CH1CH1
CH2CH2
MUXCH1
CH2CH3
CH3CH3带宽复用后波形
原始波形频分后波形
图4 频分复用示意图
在物理信道的可用带宽超过单个原始信号（如图4中的
CH1、CH2和CH3这3路信号）所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道；然后在每个子信道上传输一路信号，以实现在同一信道中同时传输多路信号。多路原始信号在频分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽不相互重叠（搬移后的信号如图4中的中间3路信号波形）；然后用不同的频率调制每一个信号，每个信号都在以它的载波频率为中心，一定带宽的通道上进行传输。为了防止互相干扰，需要使用抗干扰保护措施带来隔离每一个通道。
4.2.2 频分复用系统的优点
频分复用系统的优点是信道复用率高，分路方便，因此
频分复用是目前模拟通信中常采用的一种复用方式。但同时频分复用又存在一些问题，主要表现在各路信号之间的相互
干扰，即串扰。引起串扰的主要原因是滤波器特性不够理想和信道中的非线性特性造成的已调信号频谱的展宽。调制非线性所造成的串扰可以部分地由发送带通滤波器消除，但信道传输中非线性所造成的串扰则无法消除。因而在频分复用系统中对系统线性的要求很高。合理选择载波频率，并在各路已调信号频谱之间留有一定的保护间隔，也是减小串扰的有效措施。
4.3 时分复用技术（TDM）
时分复用是指一种通过不同信道或时隙中的交叉位脉冲，同时在同一个通信媒体上传输多个数字化数据、语音和视频信号等的技术。
4.3.1 时分复用原理
时分复用（TDM）技术原理如图5。
A1D1
A2D2
MUX1234时隙
A3D3
D1D2
复用后数据D3
原始信号数字化信号
图5 时分复用示意图
时分复用建立在抽样定理基础上，因为抽样定理使连续的基带信号变成在时间上离散的抽样脉冲（见图5中的“原
始信号”和“数字化信号”两部分的3路信号波形），这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙。利用这种空隙便可以传输其他信号的抽样值，因此，就有可能在一条信道同时传送若干个基带信号（见图5中右部分的“复用后数据”）。时分复用以时间作为信号分割的参量，故必须使各路信号在时间轴上互不重叠。由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为“同步时分复用”。
若媒体能达到的传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，可采用时分复用（TDM）技术将一条物理信道按时间分成若干个时间片，然后轮流分配给多个信号使用，每一时间片由复用的一个信号占用。这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。时分复用不仅局限于传输数字信号，也可同时交叉传输模拟信号。
4.3.2 时分复用的应用
当使用频分复用时占有不同频带的多路信号合在一起在同一信道中传输，各路频带间要有防护频带；而时分复用则使占有不同时隙的多路信号合在一起在同一信道中传输，各路时隙间要有防护时隙。时分复用的典型例子：脉码调制（PCM）信号的传输，把多个话路的PCM话音数据用TDM的方法装成帧（帧中还包括帧同步信息和信令信息），每帧在
一个时间片内发送，每个时隙承载一路PCM信号。
对于PCM基群系统，目前国际上有两种复用制式：30/32路帧结构与24帧结构，我国采用的复用制式为30/32路结构方式，即一帧占125μs，分为32个时隙(TS0-TS31)，而只传送30路话音编码信息。CCITTG.732建议对基群(一次群)规定的技术数据如下表。
对30/32 路制式，帧长为125μs，帧频为8kHZ，一帧包含32个时隙，每时隙为8bit，占3.9μs，显然每帧共有256位码，码长为0.488μs。其中 TS1-TS15，TS17-TS31时隙依次传送第1-30路话音各自的8位编码组；TS0的后7位传送供接收端作路序标志用的帧同步码 (0011011)，TS16传
送各路控制，标志信号与复帧同步码。所以，每路码率为64kb/s，复用码流速率为2048kb/s。在我国广泛应用的程控数字交换系统中普遍利用2048kb/s时分复用总线作为外围模块与交换网络模块间、交换网络模块与中央控制模块间、远端外围模块与交换网络模块间的通信链路。
以时分复用技术为基准，PCM复用设备也按复用路数和速率划分为群路等级，在各个复用等级上将数个低速率群路信号复接为一个高速率群路信号，以满足传输信道容量日益增长的要求，提高信道利用率。为此CCITT推荐了群路复用等级，我国采用：2048kb/s（基群）、8448kb/s(二次群)、24368kb/s(三次群)、189264kb/s(四次群)、564992kb/s(五次群)。
五 结束语
本文主要从用户电话程控交换机组成、工作流程以及多路复用技术三个方面，阐述了程控交换机的工作原理。只有熟练掌握程控交换机的原理我们才能更加灵活的使用它为大家服务。我相信随着社会的飞速发展，功能更加强大的用户电话程控交换机一定会出现在我们面前。
参考文献：
《程控数字交换技术原理》 张文东 北京邮电大学出版社 《程控数字交换原理与应用》 朱世华 西安交通大学出版社 《程控数字交换与现代通信网》 叶 敏 北京邮电大学出版社