2.2 固话电路交换机的硬件结构
2.2.1 概述
电路交换机使用了如下控制技术：呼叫处理完成交换网络入端口到出端口之间内部通道的预占，局间信令通过7号信令完成中继线上带宽资源的预占。7号信令本身采用的是分组交换的数据报方式，将在第5章详细介绍。
按交换网络传输的信号形式，可以将电路交换机分为模拟交换机和数字交换机。模拟交换机在我国的商用系统中基本上已淘汰。输入至数字交换机的信号可以是数字信号，也可以是模拟信号。如果是模拟信号，则在模拟用户接口实现模/数变换，详细内容见2.1节。
固话交换系统是典型的电路交换系统。本章以固话数字程控交换机和无线移动电话交换机为例展开分析。本节分析固话数字程控交换机。
固话电路交换机的总体结构包括硬件和软件两部分。硬件分为话路子系统和控制子系统，如图2.13所示。话路子系统由接口功能模块和交换功能模块组成。控制子系统由控制模块和运行管理与维护模块构成。控制模块主要由中央处理机和各种存储器构成。运行管理与维护模块主要完成系统的运行、管理与日常维护工作，包括用户测量台、系统监测台、输入/输出设备、计费等。
图2.13 固话电路交换机的硬件结构
2.2.2 话路子系统
话路子系统包括接口和交换网络等部件，接口功能模块包含多种接口，包括模拟用户接口、用户级、远端模块、数字用户接口、数字中继接口、模拟中继接口、信令设备等。接口将来自不同终端（电话机、计算机等）或其他交换机的各种信号转换成统一的交换机内部工作信号，并按信号的性质分别将信令传送给控制系统，将业务信息传送给交换网络。交换网络实现各输入、输出线上信号的传输或接续。
1.模拟用户接口
模拟用户接口是数字程控交换机连接模拟用户线的接口电路。模拟用户的传输线路为2线模拟线路，终端和交换机之间采用直流环路信令方式。终端经接口向数字交换网络传输语音信号、音频数据和双音多频信号，交换机向模拟话机提供直流馈电和振铃信号，并完成测试等功能。每一个模拟用户均要经各自的模拟用户接口电路连接到交换网络。固话电路交换机中这种接口电路占的硬件比例最大，它的功能是BORSCHT，模拟用户接口电路如图2.14所示。
图2.14 实现BORSCHT功能的模拟用户接口电路
BORSCHT的含义如下。
B（Battery feed）：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之间。馈电方式有恒压馈电和恒流馈电两种。
O（Over-voltage）：过压保护。程控交换机内有大量的集成电路，为保护这些元器件免受来自用户线的高电压、过电流的袭击，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，因此在模拟用户接口电路中一般还要完成第二级过压保护和过流保护。
R（Ring）：振铃。振铃信号送向被叫用户。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、25 Hz交流电压作为铃流电压，向用户提供的振铃节奏规定为l秒通、4秒断。高电压不允许从交换网络中通过。因此，铃流电压一般通过继电器或高压集成电子开关单独向用户话机提供，并由微处理机控制铃流开关的通断。
S（Supervision）：监视。用户话机的摘/挂机状态通过微处理机监视用户线上直流环路电流的有、无来实现。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。
对于双音多频（Dual-tone Multi Frequency，DTMF）话机，用户所拨号码以双音多频信号形式出现在线路上，交换机内的收号器接收和识别号码。
C（Codec）：编译码。数字交换机只能对数字信号进行交换处理，而语音信号是模拟信号，因此，在模拟用户电路中需编码器把模拟语音信号转换成数字信号，然后传送到交换网络实现交换。反之，解码器把来自对端交换网络输出端的数字语音转换成时间连续的信号送给用户。读者自己分析，解码之后的信号并非模拟信号（见习题2.3）。语音编解码具体技术见2.1节的分析。
H（Hybrid）：混合电路。数字交换网络采用4线（接收和发送各1对线），而用户传输线路用2线双向传输信号。因此，在用户话机和编/解码器间应进行2/4线转换，把2线双向信号转换成收、发分开的4线单向信号，而相反方向需进行4/2线转换；同时可根据每一用户线路阻抗的大小调节平衡网络，达到最佳平衡效果。这就是混合电路的功能。
T（Te st）：测试。交换机运行过程中，用户线路、用户终端和用户接口电路可能发生混线、断线、接地、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试或指定测试。测试工作由外接的测试设备完成，或利用交换机的软件测试程序自动测试。
2.用户级
用户级是用户集线器（Line Concentration，LC）的简称，它完成话务集中的功能。一群用户经用户级集中后以较少的链路接至交换网络，以提高交换网络的利用率。用户级和用户接口电路还可以设置在远端，常称为远端模块。远端用户级与母局之间用数字链路连接，链路数与远端用户级的容量及业务量大小有关。远端模块的设置使得组网更加灵活，节省了用户线的投资。远端接口包括至集中维护运行中心（Centralized Maintenance & Operation Center，CMOC）、网管中心、计费中心等的数据传输接口。
3.数字用户接口
连接用户终端且用户线采用数字传输的交换机接口称为数字用户接口。已标准化的数字用户接口有基本速率接口（Basic Rate Interface，BRI）和基群速率接口（Primary Rate Interface，PRI）。这两种接口的传输帧结构分别为2B+D和30B+D，线路速率分别为144 kb/s和2.048 Mb/s。其中，“B”是64kb/s的业务信道，“D”是信令信道，在BRI中D是16kb/s，在PRI中D是64 kb/s。数字用户接口应具有图2.15所示的功能结构。过压保护和测试功能的实现与模拟用户接口类似。接口无须馈电功能，因为用户终端本身配备了工作电源。
图2.15 数字用户接口的功能结构
图2.15中收发器的主要作用是实现数字信号的双向传输。采用的方案为回波相消法。此外，收发器中还要有均衡器和扰码器。均衡器用来补偿数字信号传输时产生的非线性衰减和时延，消除码间干扰；扰码器的作用是在发送数据中加入一个伪随机序列，破坏传输数据中可能出现的全1、全0或某种信号周期重复的规律性，以减少相邻信号的串扰和定时信号的误判。收发器的原理如图2.16所示。
4.模拟中继接口
模拟中继（Analog Trunk，AT）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，通过模拟中继线接至模拟交换机。模拟中继接口具有测试、线路信令监视和配合、过压保护、编/译码等功能。
图2.16 收发器原理图
5.数字中继接口
数字中继（Digital Trunk，DT）接口是数字交换系统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。
数字中继具有码型变换、时钟提取、帧同步插入和复帧同步插入、帧定位、信令插入、信令提取和告警检测等功能，数字中继的原理如图2.17所示。
图2.17 数字中继的原理图
电话网络的组网原则之一是中继线利用率高（大于0.8 Erl）多局制市话中继网如图2.18所示。
图2.18 多局制市话网结构示意图
图2.19结合中继线和用户交换机的概念，给出了单局制市话网结构示意图。
图2.19 单局制市话网结构示意图
6.信令设备
信令设备的作用是收发信令。固话交换机中信令的作用是控制呼叫电路的建立和释放，并控制呼叫的进程。信令的详细分析见第5章。
用户信令包括监视信令、地址信令、各种音信令和铃流等。监视信令的实现分散在用户接口和中继接口电路中。地址信令和各种音信令体现在图2.13的信令设备中，包括各种音信号（拨号音、忙音、回铃音等）发生器、双音多频信号接收器。铃流发生器单独设置，通常放在用户接口中。
如今，交换局间均采用公共信道信令（Common Channel Signaling，CCS），图2.13中的信令设备主要完成7号信令第二功能级的功能（详见第5章），而第一功能级的功能由数字中继完成，第三和第四功能级的功能由控制系统完成。
7.交换网络
对电路交换而言，呼叫处理的目的是在需要通话的用户间建立一条通路，这就是交换功能。交换功能由交换机中的交换网络实现。交换网络在处理机的控制下建立任意两个终端之间的连接。
2.2.3 控制子系统
控制子系统对话路子系统进行控制，如监视用户线和中继线的状态、处理用户或其他交换局发送的信令、按信令要求控制交换网络接续、通过接口发送信令和协调交换机工作等。如前所述，控制子系统由控制模块和运行管理与维护模块组成。控制模块由处理机和存储器组成，存储器（进一步分为程序存储器和数据存储器）存储程序和数据。运行管理与维护模块由维护管理处理机、外部设备和远端接口等部件组成。外部设备有外存、打印机、维护终端等，是交换局维护人员使用的设备。运行管理与维护需用到远端模块。
控制模块的主要设备是处理机。处理机的数量和分工有多种配置方式，但归结起来可以分为两种基本的配置方式：集中控制和分散控制。
1.集中控制
集中控制方式如图2.20所示，其交换机的控制系统由多台处理机组成，每一台处理机均装载全部软件，可完成所有控制功能，访问所有硬件资源。
图2.20 集中控制方式
集中控制的主要优点是：处理机掌握整个系统的状态，可访问所有资源；控制功能的改变一般都在软件上进行，比较方便。集中控制的最大缺点是：软件包括所有功能，系统管理困难。
2.分散控制
所谓分散控制，就是在给定的系统状态下，每台处理机只能访问一部分资源和执行一部分功能。
（1）单级多机系统
图2.21所示为单级多机系统示意图。该系统中多台处理机并行工作，每台处理机有专用的存储器，也可设置公用存储器，用于处理机间的通信。多台处理机之间的工作可分为容量分担与功能分担两种方式。
图2.21 单级多机系统
① 容量分担：每台处理机只承担一部分容量的呼叫处理任务。容量分担的优点是处理机数量可随着容量的增加而逐步增加，缺点是每台处理机要具有所有的功能。
② 功能分担：每台处理机只承担一部分功能，只需装入一部分程序，分工明确。缺点是容量较小时，也需配置各种功能的处理机。
在大型程控交换系统中，通常将容量分担与功能分担结合使用。无论是容量分担还是功能分担，为了保证系统安全可靠，每台处理机均有备用机，按主、备用方式工作，也可采用N+1备用方式。对于控制容量很小的处理机，可以不设备用机。
（2）多级处理机系统
在交换处理中，有一些工作执行频繁而处理简单，如用户扫描等；另一些工作处理较复杂，但执行次数相对少一些，如数字接收与数字分析。至于故障诊断等维护管理工作则执行次数更少而处理更复杂。可见，交换处理时处理的复杂性与执行次数成反比。多级系统可以很好地适应以上特点。用预处理机处理执行频繁而简单的功能，以减少中央处理机的负荷；用中央处理机执行分析处理较复杂的功能，也就是与硬件无直接关系的较高层的呼叫处理功能；用维护管理处理机专门执行维护管理的各种功能。这样，就形成了多级系统。
图2.22所示为三级处理系统结构，它实际上采用了功能分担与容量分担相结合的方式：三级之间体现了功能分担，而在预处理机这一级采用容量分担，即每个预处理机控制一定容量的用户线或中继线。中央处理机也可以采用容量分担，而维护管理处理机一般只用一台。预处理机又称为外围处理机，通常使用微机。中央处理机和维护管理处理机可使用小型机或功能强的高速微机。
3.双机冗余配置
图2.22 三级处理系统
为了确保控制系统安全可靠，程控交换机的控制系统通常采用双机冗余配置，配置方式有微同步、负荷分担，以及主、备用方式。
（1）微同步
微同步（Micro-Synchronization）方式工作的系统具有两台相同的处理机，其间有一个比较器。两台处理机各自具有专用的存储器，其内容完全相同。
在正常工作时，两台处理机同时接收来自话路设备的各种输入信息，执行相同的程序，进行同样的分析处理，但是只有一台处理机输出控制信息，控制话路设备的工作。所谓微同步，就是要将两台处理机的执行结果通过比较器不断地进行检查比较。如果结果完全一样，说明工作正常，程序可继续执行；如果结果不一致，表示其中有一台处理机发生故障，应立即告警并进行测试和必要的故障处理。
微同步方式的优点是较易发现硬件故障，且一般不影响呼叫处理。缺点是对软件故障的防卫较差。此外，由于不断地进行同步复核，导致效率不高。
（2）负荷分担
负荷分担（Load Sharing）也叫话务分担，其特点是两台处理机独立工作，正常情况下各承担一半话务负荷。当一台处理机产生故障时，由另一台承担全部负荷。为接替故障处理机的工作，两台处理机必须互相了解呼叫处理的情况，故双机应具有互通信息的链路。
负荷分担的主要优点如下：
① 过负荷能力强。由于每台处理机都能单独处理整个交换系统的正常话务负荷，故在双机负荷分担时，能适应较大的话务波动。
② 防止由软件差错引起的系统阻断。由于交换软件系统的复杂性，总会存在一些差错。这种程序差错往往在特定的动态环境中才显示出来。由于双机独立工作，程序差错不会在双机上同时出现，加强了软件故障的防护性。
③ 在扩充新设备、调试新程序时，可使一台处理机承担全部话务，另一台脱机测试，从而提供了有力的测试工具。
负荷分担方式由于是双机独立工作方式，因此在程序设计中要避免双机同抢资源的现象，双机互通信息也较频繁，这都使得软件较复杂，且负荷分担方式不如微同步方式那样较易发现处理机硬件故障。
（3）主、备用
主、备用（Active-Standby）方式的基本结构如图2.23所示，一台处理机联机运行，另一台处理机与话路设备完全分离或为备用。当主用机发生故障时，主、备用机切换。
图2.23 主备用方式
主、备用方式分为冷备用与热备用两种方式。冷备用时，备用机不保存呼叫数据，接替主用机时从头开始工作。热备用时，备用机根据原主用机故障前保存在存储器中的数据继续工作，也可以重新启动系统，进行数据初始化。冷备用和热备用的差别是：故障时，冷备用损失正在进行的呼叫，而热备用不会。