2.3 数字交换网络

2.3.1 分路与复用

在介绍数字交换网络之前，先结合串/并变换器和并/串变换器学习分路器与复用器的有关知识，它们是连接交换网络的接口。

信息以串行格式送入交换网络的入线并从出线送出。入线或出线上一帧的时隙数定义为复用度。在交换网络中，为了提高交换速度，信息以并行方式交换，因此在交换网络接口处，首先要进行串/并和并/串变换。

串/并变换过程如图2.24所示。

假设图2.24中有16条30/32的PCM复用线分别经串/并变换后进入“16选l”的多路选择器进行合路。8个16选1选择器中的每一个选择器接16个串/并变换器输出的同序号比特。

图2.25说明16条PCM复用线进行串/并变换后8条并行线的时隙合路的过程。在每个时隙3.91μs中，原来每一时隙的8bit串行码，现在变为并行码排列在b1～b8共8条线的同一比特，成为变换后的一个时隙。16套并行PCM合路后，原来的一个串行时隙内现在安排16个不同时隙的16bit码。变换前后时隙的对应关系为

以图2.24为例，变换前位于输入线5、时隙10的语音，变换后的并行时隙是10×16+5=165。

并/串变换电路的功能和串/并变换电路的相反。串/并变换电路之后是复用器，然后才接入交换网络。同理，来自交换网络的信号，经并/串变换电路后连接至分路器，然后接到所对应的用户接口。

2.3.2 基本交换单元

1.时分接线器

（1）时分接线器的组成及交换原理

时分接线器（Time Switch，TS）即T接线器完成时隙交换功能。T接线器采用控制读出或控制写入的方式实现时隙交换，主要由语音存储器（Speech Memory，SM）和控制存储器（Control Memory，CM）构成。SM用来暂存已编码的语音信息。每个时隙为8 bit编码，对应A律PCM的样值。SM的容量即所包含的字数等于输入复用线的复用度。

CM的作用是控制同步交换，其容量等于语音存储器的存储单元数，每个单元存储的内容为SM读出或写入的地址，由处理机控制写入。因此，CM中每个单元的比特数决定于SM地址码的比特数。例如，如果SM有512个单元，则CM需要用9bit地址码选择不同的单元，也就是说，CM每个单元的内容应有9bit（29=512）。

时分接线器的工作方式有两种。一是顺序写入，控制读出，简称输出控制；一是控制写入，顺序读出，简称输入控制。两种工作方式的T接线器工作原理如图2.26所示。这两种方式进行时隙交换的原理相同。由时钟控制语音信息顺序写入SM或者从SM顺序读出。数字通信系统中的时钟由系统周期性地产生和提供。语音信息从SM的控制读出或者控制语音信息写入到SM由CM完成。

（2）时分接线器的交换实例

下面分析顺序写入、控制读出方式实现时隙交换的原理。输入总线的信息在时钟控制下，依次写入SM。例如，如果接至时分接线器的总线的复用度为128，则在时钟控制下，各时隙的内容依次写入SM。显然，写时钟必须与输入时隙同步。如果读出也是顺序方式，则仅起缓冲作用，没有完成时隙交换。故读出时，需依照控制存储器中所存入的地址进行。图2.26(a)表示了语音信息A按顺序存入SM的第21单元，当第9时隙到来时，以CM第9单元的内容21为读取SM的地址，读出SM第21单元的内容A。这样，TS21输入的语音编码信息A就在TS9输出，实现了时隙交换。

处理机为输入时隙选定一个输出时隙后，控制信息就写入控制存储器。只要没有新的信息写入，控制存储器的内容就不变。于是，每一帧都重复以上的读写过程，每一输入帧TS21的语音信息，都交换到下一输出帧的TS9。直至通信结束，释放该信道。

控制写入、顺序读出的原理是相似的，不同的是：控制存储器的内容是语音存储器的写入地址，以控制语音存储器的写入。为了实现图2.26(a)的效果，在采用控制写入顺序读出的时分接线器时，需在CM的第21单元中写入9，表示第9时隙到来时，将输入总线第21单元的内容写入SM的第9单元，如图2.28(b)所示。由于是顺序读出，故在第9时隙时，读出SM第9单元的内容，同样完成了从TS21与到TS9的信息交换。

时分接线器中的语音存储器和控制存储器都是高速的随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）。

本例帧结构中，大序号时隙的内容交换到了小序号时隙。同样的，还可以有小序号时隙的内容交换到大序号时隙。请读者分析有何异同。

2.空分接线器

（1）空分接线器组成及工作原理

空分接线器（Space Switch，SS）即S接线器，由交叉点矩阵和控制存储器CM组成，图2.27所示为输入控制和输出控制空分接线器的工作原理图。N×N的电子交叉点矩阵有N条输入复用线和N条输出复用线，每条复用线上有若干个时隙。每条输入复用线可以选择到N条输出复用线中的任一条，这种选择建立在时隙相同的基础上。以第1条输入复用线为例，其第1个时隙可能选通任一条输出复用线的第1个时隙。各个交叉点在哪些时隙应闭合、在哪些时隙应断开，均由CM控制。

显然，对于点到点的通信，同一条输入复用线上的某一时隙，不能同时选通几条输出复用线。举例来说，对于图2.27所示的空分接线器，位于同一输入线或同一输出线上的任何两个或多个交叉点，不能在同一时隙闭合。任一输入复用线的各个时隙，可以选通到总线号相同或不同的输出复用线。

空分接线器有输入控制和输出控制两种控制方式。输入控制时，空分接线器的各个CM与各条输入复用线分别对应，CM各存储单元的内容为输出复用线的线号，如图2.27(a)所示。输出控制时空分接线器的各个CM与各条输出复用线分别对应，CM各存储单元的内容是输入复用线的线号，如图2.27(b)所示。

需要注意的是，空分接线器具有空间交换功能，没有时间交换功能。

（2）空分接线器的交换实例

输入控制的S接线器如图2.27(a)所示，每条入线都配有一个控制存储器，用来控制入线上各个时隙接通到哪一条出线上，所以控制存储器的存储单元数等于每条复用线上的时隙数，而每个单元的内容为所选择输出线的线号。例如，若每条复用线上有512个时隙，交叉点矩阵是32×32，则要配备32个控制存储器，每个控制存储器有512个单元，每个单元至少5bit （25=32），以选择32条出线中的任一条。

图2.27(a)中，第1个控制存储器的第7个单元中由处理机控制写入了2，表示第1条输入复用线与第2条输出复用线的交叉点在TS7接通。在每一帧期间，处理机依次读出控制存储器各单元的内容，以控制交叉点矩阵中对应交叉点的启闭。这里的控制存储器就是控制接续的转发表。

输出控制的S接线器，其每一条输出复用线对应一个控制存储器，控制该输出复用线上各个时隙依次与哪些输入复用线接通。为了实现图2.27(a)所示的空分交换功能，在图2.27(b)的第2个控制存储器中，写入的内容是输入复用线的线号1，表示第7时隙时，输入复用线1的TS7的内容交换到了输出复用线2的TS7。

由空分交换器构成交换网络的最显著的例子就是ATM系统的Banyan网络，关于Banyan网络详见第6章。

3.时空一体的数字交换单元

还有一种交换部件，可以实现时空交换功能，即时空一体的数字交换单元（Digital Switching Element，DSE），例如S-1240交换机使用的数字交换单元就是这样的一种类型，它属于总线形交换单元。

DSE内部用户信息交换的过程包括两个阶段：首先，按照外围模块送来的信道选择命令字，在DSE内部建立起一条通路；其次，在已经建立起来的通路上传输用户的语音、数据信息。

多个数字交换单元（DSE）按照一定方式连接，可构成数字交换网络（DSN）。

2.3.3 交换网络

对容量不大的数字交换机，在交换网络接收侧加入串/并变换电路和复用器，同时在交换网络发送侧加入并/串变换电路和分路器，就可以只用时分接线器构成单级的数字交换网络，完成多条32路PCM总线间的时隙交换。

小容量的数字交换网络可以用上述方法构成。但当容量很大时，不能无限地增加一条复用线上的时隙数，否则会加大实现的难度，使得成本剧增。这时可采用T接线器和S接线器相结合完成较大容量系统的信息交换。

下面以常见的TST交换网络为例，简要介绍交换网络的基本原理。

TST是三级交换网络，它的两侧为时分接线器，中间一级为空分接线器。TST网络的工作原理如图2.28所示。

图2.28中，输入侧有6个T接线器，每个T接线器可容纳1条PCM复用线，完成同一根总线上任意输入时隙与输出时隙间的交换。初级语音存储器用SMA0～SMA5表示，次级语音存储器用SMB0～SMB5表示。初级控制存储器用CMA0～CMA5表示，次级控制存储器用CMB1～CMB5表示。空分接线器为输出控制，含有6×6的矩阵，对应6条输入6条输出复用线和6个控制存储器，6个控制存储器用CMC0～CMC5表示。每条内部链路的复用度都是32。

通常情况下，TST三级交换网络共有4种部署方式，这4种三级控制的部署方式如下。

（1）第一种方式：顺序输入控制输出、输入控制、控制输入顺序输出。

（2）第二种方式：顺序输入控制输出、输出控制、控制输入顺序输出。

（3）第三种方式：控制输入顺序输出、输入控制、顺序输入控制输出。

（4）第四种方式：控制输入顺序输出、输出控制、顺序输入控制输出。

如果采用第四种方法，假设要完成图2.28中HW0的TS5输入时隙与HW5的TS20输出时隙的交换，那么构造转发表的详细过程如下。

首先，由处理机在32个内部时隙中寻找一个空闲时隙，这必须是在SMA0侧和SMB5侧都空闲的同一个时隙。设找到第10时隙，就在CMA0的第5单元（对应于第5个内部时隙）中写10，在CMB5的第20单元中写10，在CMC5的第10单元中写入0。表示以后HW0每一帧的第5输入时隙的语音信息，都在CMA0的控制下，写入SMA0的第10单元中，于第10时隙顺序读出。在CMC5的第10单元中写入0，表示在第10内部时隙到来时，HW5输出线与HW0输入线的交叉点闭合，上述语音信息就通过S接线器顺序写入SMB5的第10个单元。在CMB5的控制下，当输出时隙20到达时，信息就读出到输出线上，完成了交换。

上述过程只实现了双工通信一个方向的语音信息传输。结合图2.28看，建立另一方向的通信通路，就是要完成HW5的TS20输入时隙与HW0的TS5输出时隙的交换。为此，必须再选用一个内部时隙。为简化控制，可使两个方向的内部时隙具有一定的对应关系，一般相差半帧。设一个方向选用第10个时隙，当总线复用度为32时，另一方向选用的时隙为10+32/2=26。这种相差半帧的成对内部时隙选择法叫反相法（Antiphase Method）。图2.28中各级控制存储器单元内显示的内容都是按反相法工作原理得到的。

如果初级T接线器采用顺序输入、控制输出，次级T接线器采用控制输入、顺序输出，结合图2.28工作原理，不难看到，凡是有关T接线器的控制存储器的地址和内容都相互颠倒一下，即把内容变为地址，把地址变为内容，而有关S接线器的控制存储器的地址和内容仍然相同。例如，CMA0原来是在第5单元写入10去控制SMA0的写入，表示将输入线上的第5时隙的语音控制写入第10单元，当内部时隙TS10到来时，顺序读出SMA0第10单元（相当于输入第5时隙）的内容；现在则应在CMA0的第10单元写入5，去控制SMA0的读出，表示输入第5时隙到来的语音，按顺序写入SMA0的第5单元，而在内部时隙TS10到来时控制读出。如图2.29、图2.30和图2.31所示，分别给出了上述第一种方式、第二种方式和第三种方式下，各自的TST网络接续图。

对于TST网络来说，输入T接线器和输出T接线器的控制存储器是可以合用一个容量大1倍的RAM实现。观察图2.28所示的TST网络的工作原理，可以看出，在双向通路所选用的内部时隙存在一定的对应关系时，CMA0和CMB0可以合并，CMA5和CMB5可以合并，其他同号输入/输出复用线的初级T接线器和次级T接线器的CM对也可以合并。在相差半帧的关系时，CMA0的地址5中内容为10，CMB0的地址5中的内容是26，相同地址中的内容相差半帧的数量，这反映了两者具有合并的可能性。

在输入/输出两侧T接线器的控制存储器合并后，如何用同一个控制存储器既控制输入侧SM的写入又控制输出侧SM的读出呢？可以这样实现：在输入侧的第5时隙到来时，用第5地址单位的内容控制SMA0的写入，同时将内容10变换为26去控制SMB0的读出，就可以实现控制存储器的合并；另一种相反工作方式的控制存储器的合并方法请读者自己考虑。

从上面4种情况TST交换网络的设计可以看出，初级T接线器和次级T接线器可以没有任何依赖关系，因此，理论上，TST交换网络的设计可以扩展为8种，即TST三级交换网络的级间相互独立。