程控交換技術概述

程控數(shù)字交換技術概述電話通信的起源電話交換機的發(fā)展與分類

語音信號的數(shù)字化基礎目錄電信網(wǎng)概述1876年Bell發(fā)明了電話，從而開始了點到點的雙向會話通信“沃森先生，請過來！我有事找你！”最初的電話通信只能完成一部話機與一部話機的固定通信。這種僅涉及兩個終端的通信稱為點對點通信圖1.1點對點通信電話通信的起源Nx(N-1)/2用戶數(shù)電纜數(shù)

51010451004950100050萬點對點通信存在如下缺點：1）傳輸線的數(shù)量隨終端數(shù)的增加而急劇增加圖1.2多用戶全互連式連接電話通信的起源電話通信的起源點對點通信存在如下缺點： 2）每個終端都有N-1條線與其他終端相連接，因而每個終端需要N-1個線路接 3）增加第N+1個終端時，必須增設N條線路 4）當終端間相距較遠時，線路信號衰耗大這些缺點便造成了交換設備的誕生……電話通信的起源最早的自動電話交換機在1892年11月3日投入使用由美國人阿爾蒙.B.史瑞喬提出步進制自動電話交換機人工交換機1878步進制交換機1892縱橫制交換機1919空分模擬程控交換機1965時分數(shù)字程控交換機1970程控交換機的發(fā)展人工交換機1878步進制交換機1892縱橫制交換機1919空分模擬程控交換機1965時分數(shù)字程控交換機1970空分模擬自動交換1231234564電話交換機的分類電話交換機的分類:按交換機的使用對象：局用交換機（用于電信部門）和用戶交換機（用于企、事業(yè)集團）按呼叫接續(xù)方式：人工接續(xù)交換機和自動接續(xù)交換機按所交換的信號特征：模擬信號交換機和數(shù)字信號交換機按接線器的工作方式：空分交換機（接線器采用空間開關方式）和時分交換機（接線器采用時間開關方式）按控制器電路的結(jié)構(gòu)：集中控制、分級控制和全分散控制電話交換機的組成用戶電路用戶電路交換網(wǎng)絡出中繼入中繼存儲器CPUI/O設備收號器小王小李電源時鐘電話交換機的組成小王小王的舅舅用戶電路用戶電路出中繼入中繼存儲器CPUI/O設備收號器交換網(wǎng)絡惠州市用戶電路用戶電路出中繼入中繼存儲器CPUI/O設備收號器交換網(wǎng)絡廣州市程控數(shù)字交換機的基本原理程控交換機的基本原理是一種電路交換原理，主要包括以下三個通信階段：電路的建立階段。通過呼叫信令完成逐個節(jié)點的接續(xù)，建立起一條端到端的通信電路通信階段。在已建立的端到端的直通電路上，透明地傳送和交換數(shù)字化的話音信號信息電路的拆除階段。結(jié)束一次通信時，拆除電路連接，釋放節(jié)點和信道資源程控數(shù)字交換機的基本原理電路的建立階段信令/消息主叫：摘機-聽撥號音-撥號-聽回鈴音被叫：振鈴-應答通信階段語音信號電路的拆除階段信令/消息主叫：前向拆線被叫：后向拆線另一方聽催掛音電話通信的起源電話交換機的發(fā)展與分類

語音信號的數(shù)字化基礎目錄電信網(wǎng)概述及發(fā)展發(fā)信信源編碼器信道編碼器傳輸媒介信道譯碼器信源譯碼器收信噪聲模擬信號的數(shù)字化處理模擬信號：數(shù)值上連續(xù)變化的信號，某一種參量可以取無限多個數(shù)值，且直接與消息相對應數(shù)字信號：離散信號，由許多脈沖組成，某一參量只能取有限個數(shù)值，且不直接與消息相對應數(shù)字信號的調(diào)制

脈沖編碼調(diào)制（PCM）的模型

脈沖編碼調(diào)制（PCM）1.抽樣目的：使模擬信號在時間上離散化原理：通過抽樣脈沖按一定周期去控制抽樣器的開關電路，取出模擬信號的瞬時電壓值，從而將連續(xù)的原始話音信號變成間隔相等但幅度不等的離散電壓值1.抽樣所抽取的每個幅度值為樣值，可以看做是按幅度調(diào)制的脈沖信號，稱為脈沖幅度（PAM）信號話音信號頻率范圍為300-3400Hz。為了使抽樣信號不失真地還原為原始信號，抽樣頻率應大于話音信號的最高頻率的兩倍，實際中取8000Hz，則抽樣周期為1/8000,即125us脈沖編碼調(diào)制（PCM）脈沖幅度信號（PAM）脈沖編碼調(diào)制（PCM）數(shù)字信號的調(diào)制

2.量化目的：將抽樣得到的無數(shù)種幅度值用有限個狀態(tài)來表示，以減少編碼的位數(shù)原理：用有限個電平表示模擬信號的樣值量化方法有：舍去法（將小于1V的尾數(shù)舍去）補足法（將小于1V的尾數(shù)補足為1V）四舍五入法（將每個抽樣后的幅值用一個鄰近的“整數(shù)”值來近似）

脈沖編碼調(diào)制（PCM）量化誤差：量化值與信號值之間的差異。把無限多種幅值量化成有限的值必然會產(chǎn)生誤差量化誤差是數(shù)字通信中的主要噪聲來源之一減少信號的量化噪聲有以下兩種方法：增加量化級數(shù)采用非均勻量化的方法

脈沖編碼調(diào)制（PCM）四舍五入量化方法的示意圖脈沖編碼調(diào)制（PCM）抽樣值四舍五入量化值1000.31000100.510110.8115.150.510.200.030脈沖編碼調(diào)制（PCM）非均勻量化法的原理：非均勻量化是一種在信號動態(tài)范圍內(nèi)，量化分級不均勻、量化階距不相等的量化在均勻量化時，由于量化分級間隔是均勻的，對大信號和小信號量化階距相同，因而小信號時的相對誤差大，大信號的相對誤差小脈沖編碼調(diào)制（PCM）非均勻量化就是非線性量化，其壓、擴特性采用的是近似于對數(shù)函數(shù)的特性。CCITT建議采用的壓縮率有兩種，分別叫做A律和u律A律的壓縮系數(shù)（A）為87.6，用13折線來近似。歐洲各國、中國的PCM設備采用這種壓縮律。U律的壓縮系數(shù)（u）為255，用15折線來近似。北美各國的PCM設備采用這種壓縮律脈沖編碼調(diào)制（PCM）A律壓縮采用的是十三折線法斜率：1段：162段：163段：84段：45段：26段：17段：0.58段：0.25脈沖編碼調(diào)制（PCM）A律壓縮法的各折線段的斜率脈沖編碼調(diào)制（PCM）D1D2D3D4D5D6D7D8極性碼：1：正0：負段落碼段內(nèi)碼幅度碼樣值PCM信號脈沖編碼調(diào)制（PCM）02048△1024△512△256△128△64△32△16△各段折線序號12345678各段落長度0~1616~3232~6464~128128~256256~512512~10241024~2048對應的段落編碼000001010011100101110111各段內(nèi)均勻量化級△△2△4△8△16△32△64△512△1024△544△576△608△640△672△704△736△768△800△832△864△896△928△960△992△0△16△1△2△3△4△5△6△7△8△9△10△11△12△13△14△15△各段折線序號12345678各段落長度0~1616~3232~6464~128128~256256~512512~10241024~2048對應的段落編碼000001010011100101110111各段內(nèi)均勻量化級△△2△4△8△16△32△64△△表示最小量化間隔1/2048，稱為1個量化單位已知抽樣值為+635單位，試求編碼器輸出的8位碼組,并計算量化誤差。

∵信號為“+”故C7=1又∵

第七段為512△—1024△

∵Is=635△

在第七段故段落碼為110

而段內(nèi)碼為

635-512=123

即

C7+C1=64+32=96

∴

段內(nèi)碼為

0011編碼輸出：11100011量化誤差：635△-608△=27△

脈沖編碼調(diào)制（PCM）的模型

脈沖編碼調(diào)制（PCM）經(jīng)過編碼后的信號即為PCM信號PCM信號在信道中是以每路一個抽樣值為單位傳輸?shù)?，因此單路PCM信號的傳輸速率為 8*8000=64kb/s我們將速率為64kb/s的PCM信號稱為基帶信號PCM常用碼型有單極性不歸零（NRZ）碼雙極性歸零（AMI）碼三階高密度雙極性（HDB3）碼等脈沖編碼調(diào)制（PCM）單極性不歸零碼NRZ碼具有如下特點：信號“1”表示有脈沖，信號“0”表示無脈沖信號中有直流分量（即平均分量），直流信號衰耗大，不利于遠距離傳輸占用頻帶寬脈沖編碼調(diào)制（PCM）雙極性歸零碼AMI碼具有如下特點：“1”的極性交替變換，因此不存在直流分量與NRZ碼相比，寬度壓縮了一半，可有效利用信道有多個連續(xù)“0”出現(xiàn)，這樣會使中繼器長時間收不到信號而誤認為是空號，進而影響定時提取時鐘提取頻率的工作脈沖編碼調(diào)制（PCM）三階高密度雙極性碼HDB3碼具有如下特點：一組信碼中，連“0”數(shù)限制在三個以下，當出現(xiàn)第四個連“0”時，就自動加入一個“1”取代第四個“0”，從而解決了過多連續(xù)“0”的出現(xiàn)。被加入的這個“1”是認為加入的，稱為破壞點HDB3碼適合遠距離傳輸，常用于長途線路通信0100100000100100001110000010原碼NRZ碼AMI碼HDB3碼000V-

B400V+

000V-多路復用技術多路復用技術的出現(xiàn)提高了硬件資源的利用率，降低了通信網(wǎng)中硬件資源的成本目前，有線通信中的多路復用技術主要有頻分復用時分復用頻分復用頻分復用（FDM）是指把傳輸信道的總帶寬劃分成若干個子頻段，分為信道1、信道2、……信道n。每個子頻段可作為一個獨立的傳輸信道使用，每對用戶所占用的僅僅是其中的一個子頻段多路復用技術時分復用時分制是將信道的傳輸時間劃分成若干個時隙，每個被傳輸?shù)男盘柂毩⒄加闷渲械囊粋€時隙，各路信號輪流在自己的時隙內(nèi)完成傳輸，分為信道1、信道2、……信道n多路復用技術頻分制按頻率劃分信道，而時分制按時間劃分信道的；頻分制同一時間傳送多路信息，而時分制同一時間只傳送一路信息，頻分制的多路信息是并行傳輸?shù)?，而時分制的多路信息時串行傳輸?shù)?，實際應用中頻分制多用于模擬通信，而時分制多用于數(shù)字通信目前，程控數(shù)字交換機采用的多路復用技術為時分復用（TDM）多路復用技術時分多路復用是利用一個高速開關電路（抽樣器）來實現(xiàn)的。高速開關電路使各路信號在時間上按一定順序輪流接通，以保證任一瞬間最多只有一路信號接在公共信道上dN1aN1AA同步時鐘n+1N1nN1DCBADCBAdN1aN1BCDBCD幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸舉例多路復用技術每路信號經(jīng)PCM調(diào)制后，都是以8bit抽樣值為一個信號單元傳送的每個8bit所占據(jù)的時間為1個“時隙”（TS，TimeSlot時間片段），125μs的時間長度固定為一個幀一路基帶PCM在TDMPCM中每幀占有1個時隙多路復用技術PCM幀結(jié)構(gòu)目前國際上有兩種PCM體制：一種是貝爾（BELL）公司提出，主要在北美各國和日本采用的24路PCM（n=24）；另一種是歐洲郵電管理協(xié)會（CEPT）提出，主要在歐洲各國和中國等國家采用的30/32路PCM（n=32）項目CEPT30/32路BELL24路抽樣速率/Hz80008000比特數(shù)/抽樣88時隙/幀3224PCM話路/幀3024輸出比特速率（kb/s）20481544PCM幀結(jié)構(gòu)一個單幀中，PCM30/32系統(tǒng)的特征數(shù)據(jù)如下

話音頻帶：300－3400Hz

取幀速率：8000Hz

幀周期：125μs

每樣值編碼比特：8bit

每話路速率：64kbit/s

每幀時隙數(shù)：32

每幀比特數(shù)：256每秒傳送8000幀，每幀32個時隙，每個時隙8比特串行碼，16幀構(gòu)成一個復幀，其時間長度為125μs×16＝2ms。傳送碼率為8比特/時隙×32時隙/幀×8000幀/秒＝2048kb/s，而每一路信號的速率為64kb/s

通常將TS0作為幀同步時隙，TS16作為信令時隙。30個話路只有8bit的信令信息，這顯然是不夠的。為此采用復幀結(jié)構(gòu)，即由16個單幀組成一個復幀。這樣安排就可以保證在2ms時間內(nèi)為每個話路分配到4個信息bit，即信令速率為2kb/s，這就是30/32PCM復幀結(jié)構(gòu)中隨路信令的信息速率PCM幀結(jié)構(gòu)16幀,125

s×16=2msF0F15

01151617303132時隙,256bit,125

s,1幀保留給國際用(目前固定為1)同步時隙話路時隙TS1-TS15話路時隙TS17-TS31F0幀同步碼D1D2D3D4D5D6D7D8偶幀奇幀幀失步對告碼A1：F1

abcdabcd話路16信令碼話路1信令碼

11A111111保留給國際用(目前固定為1)F15

abcdabcd話路15信令碼話路30信令碼同步:A1=0;A2=0失步:A1=1;A2=1

10011011

00001A211復幀同步碼復幀對步碼PCM基群幀結(jié)構(gòu)(30/32)PCM幀結(jié)構(gòu)電話通信的起源電話交換機的發(fā)展與分類

語音信號的數(shù)字化基礎目錄電信網(wǎng)概述及發(fā)展電信網(wǎng)概述與發(fā)展電信網(wǎng)組成電信網(wǎng)分類通信網(wǎng)交換技術通信網(wǎng)發(fā)展1.電信網(wǎng)組成從邏輯上電信網(wǎng)是由節(jié)點（Node）、鏈路（Link）和端點（End）以及信令（協(xié)議）組成的從物理上完善的電信網(wǎng)則是由交換網(wǎng)、傳輸承載網(wǎng)和終端設備以及支撐系統(tǒng)組成的舉例：兩個電話用戶或兩個計算機用戶互相通信需要經(jīng)過的設備。（終端可以是電話、計算機等）

終端傳輸交換傳輸終端1.電信網(wǎng)組成1.電信網(wǎng)組成基本的電信網(wǎng)由終端、傳輸和交換三類設備組成終端設備：終端設備的主要功能是把待傳送的信息和在信道上傳送的信號進行互相轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)通信終端電話業(yè)務的終端1.電信網(wǎng)組成傳輸設備：傳輸設備是傳輸媒介的總稱，它是電信網(wǎng)中的連接設備，是信息和信號的傳輸通路衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)字微波系統(tǒng)1.電信網(wǎng)組成交換設備：如果說傳輸設備是電信網(wǎng)絡的神經(jīng)系統(tǒng)，那么交換系統(tǒng)就是各個神經(jīng)的中樞，它為信源和信宿之間架設通信的橋梁。其基本功能是根據(jù)地址信息進行網(wǎng)內(nèi)鏈路的連接，以使電信網(wǎng)中的所有終端能建立信號通路，實現(xiàn)任意通信雙方的信號交換

由此可見，交換機在通信網(wǎng)中起著非常重要的作用，它就像公路中的立交橋，可以使路上的車輛(信息)安全、快捷地通往任何一個道口(交換機輸出端口)1.電信網(wǎng)組成2.電信網(wǎng)分類電信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)在數(shù)學上可用拓撲學來描述其特性，這里我們用簡單的連線和節(jié)點來表示典型的電信網(wǎng)結(jié)構(gòu)有網(wǎng)狀網(wǎng)、星型網(wǎng)、樹形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)和總線網(wǎng)2.電信網(wǎng)分類電信網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)：基礎網(wǎng)、支撐網(wǎng)和業(yè)務網(wǎng)信令網(wǎng)同步網(wǎng)電信管理網(wǎng)業(yè)務網(wǎng)支撐網(wǎng)基礎網(wǎng)電話網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)移動網(wǎng)N-ISDNB-ISDN交換網(wǎng)傳輸網(wǎng)接入網(wǎng)2.電信網(wǎng)分類保證傳輸快速準確完成數(shù)據(jù)和話路的交換控制傳輸信令的通道保證網(wǎng)絡設備的時鐘同步提供大量的智能業(yè)務整個電信網(wǎng)絡的控制管理2.電信網(wǎng)分類面向連接和無連接：面向連接是指兩個用戶之間的通信信息沿著預先建立的通路傳輸；面向無連接是指依靠路由來完成選路工作物理連接和邏輯連接：物理連接是建立專用的物理鏈路；邏輯連接不獨占線路，是在一條物理鏈路上建立多條虛電路2.電信網(wǎng)分類同步時分交換和異步時分交換同步時分交換是指每個連接屬于不同的呼叫，它們在信道中各自占用不同的時間，但屬于同一呼叫的連接位置是固定的，交換時按照時間位置來區(qū)分每個連接異步時分交換是指每個連接所占用的時間、位置都不固定，屬于某個呼叫的連接時根據(jù)該連接所需的帶寬大小來靈活分配的2.電信網(wǎng)分類交換系統(tǒng)的功能最終可歸納為兩種不同的描述：一種功能是在網(wǎng)絡的入端和出端之間建立連接，即交換系統(tǒng)好比一堆開關，當需要時把一個入端和一個出端連接起來另一種功能是交換系統(tǒng)好比一個信息轉(zhuǎn)運站，它把網(wǎng)絡入端的信息根據(jù)需要分發(fā)到網(wǎng)絡不同的出現(xiàn)上經(jīng)歷了電路交換報文交換分組交換電路交換特點電路交換是面向物理連接的交換。在發(fā)送消息前，必須建立起點到點的物理通路電路交換采用靜態(tài)復用、預分配帶寬并獨享通信資源的方式，即交換機根據(jù)用戶的呼叫請求，為用戶分配固定位置、恒定帶寬（通常是64kb/s）的電路電路交換的通信過程分為三個階段：電路建立消息傳輸電路拆除3.通信網(wǎng)交換技術用戶線交換機交換機交換機交換機用戶線中繼線中繼線ABCD電路交換3.通信網(wǎng)交換技術工作原理：電路交換技術即為已對需要進行通信的裝置之間提供一條臨時的專用傳輸通道

出123n...1’2’3’n’入...3.通信網(wǎng)交換技術電路交換——空分電路交換電路交換——時分電路交換t1t2tn12n入t’1t’2t’n1’2’n’出輸入控制門輸出控制門公用通信線路3.通信網(wǎng)交換技術報文交換報文交換的定義信息以報文（邏輯上完整的信息段）為單位進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式叫報文交換報文交換的通信過程接收和存儲報文（給報文加上報頭符號和報尾符號）將報文送到輸出隊列上排隊輸出線空閑時發(fā)送報文例如，A用戶向B用戶發(fā)送信息，A用戶不需要叫通B用戶之間的電路，而只需要與交換機接通，由交換機暫時把A用戶要發(fā)送的報文接收并存儲起來，交換機根據(jù)報文中提供的B用戶的地址在交換網(wǎng)中確定路由，并將報文送到下一個交換機，最后送到終端用戶B3.通信網(wǎng)交換技術工作原理：報文交換技術不需要事先建立物理線路，它將發(fā)送的數(shù)據(jù)作為一個整體發(fā)給中間交換設備。中間交換設備先將數(shù)據(jù)存儲起來，然后選擇一條合適的空閑線路將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一個交換設備，如此循環(huán)直至數(shù)據(jù)發(fā)送到目的節(jié)點

N3MMMMN1N2N4N5N6HSHD3.通信網(wǎng)交換技術分組交換定義：以分組為單位進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式通信過程：信息打包數(shù)據(jù)分組排隊處理信息轉(zhuǎn)發(fā)分組交換也叫數(shù)據(jù)包交換，處理機將要傳送的數(shù)據(jù)裁剪并封裝成若干較短的、長度不等的數(shù)據(jù)塊，并在每個數(shù)據(jù)塊中加上必需的控制信息（如初始分組、源地址、目的地址、控制信息），然后按規(guī)定的格式進行排列組成一個個數(shù)據(jù)分組3.通信網(wǎng)交換技術分組交換技術工作原理：分組交換技術是報文交換技術的改進，它將用戶傳送的數(shù)據(jù)劃分成一定的長度，每個部分叫做一個分組。在每個分組的前面加上一個分組頭，用以指明該分組發(fā)往何地址，然后由交換機根據(jù)每個分組的地址標志，將它們轉(zhuǎn)發(fā)至目的地，這一過程稱為分組交換分組交換技術是在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中最廣泛使用的一種交換技術N1N2N3N4N5N6HSHDMMP3P3P3P2P2P23.通信網(wǎng)交換技術總結(jié)歸納三種數(shù)據(jù)交換技術與三種火箭運輸方案的對應關系電路交換技術——甲線報文交換技術——乙線分組交換技術——丙線可進行類比的項目 數(shù)據(jù)———火箭（即所需運輸?shù)呢浳铮┲虚g交換設備———火車頭線路———鐵路線路利用率———鐵路的使用率3.通信網(wǎng)交換技術3.通信網(wǎng)交換技術3.通信網(wǎng)交換技術交換技術特點優(yōu)點缺點電路交換（1）呼叫建立時刻進行網(wǎng)絡資源分配（2）通信過程中執(zhí)行端到端協(xié)議，數(shù)據(jù)透明傳輸（3）采用同步時分復用技術，帶寬固定分配(1)信息交換的時延小(2)對話音信息控制簡單，當電路接通之后，交換機的控制電路不再干預消息的傳輸(1)通路的建立時間長(2)寬帶