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实验三：电路交换系统硬件结构实验

　　实验目的：
　　 本次实验的目的是让学生通过使用实验仿真软件直观地理解电路交换系统的硬件结构及各功能实现方式与原理。
　　 实验原理：
　　 1.电路交换系统的硬件组成
　　 电路交换系统可用如图3.1的简化结构进行描述：

图3.1 电路交换系统组成
由图3.1可以看出，电路交换系统由控制系统、交换网络与接口模块等组成。由图3.1可以看出，电路交换系统由控制系统、交换网络与接口模块等组成。它们之间的关系如图3.1所示。接口模块的作用是将来自不同终端(如电话机、计算机等)或其它交换机的各种传输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，将消息传送给交换网络。交换网络的任务是实现各入、出线上信号的传递或接续。控制系统则负责处理信令，按信令的要求控制交换网络完成接续，通过接口发送必要的信令，协调整机工作以及管理整个通信网等等。
　　 对电路交换系统在呼叫处理方面的5项基本功能要求为：
　　 1)能随时发现呼叫的到来；
　　 2)能接收并保存主叫发送的被叫号码；
　　 3)能检测被叫的忙闲以及是否存在空闲通路；
　　 4)能向空闲的被叫用户振铃，并在被叫应答时与主叫建立通话电路
　　 5)能随时发现任何一方用户的挂机。
　　 接口是交换机中唯一与外界发生物理连接的部分。为了保证交换机内部信号的传送与处理的一致性，任何外界系统原则上都必须通过接口与交换机内部发生关系。为统一接口类型与标准，CCITT对交换系统应具备的接口种类提出了建议．规定了中继侧接口、用户侧接口、操作管理和维护接口的电气特性和应用范围，如图3.2所示。
　　 其中，中继侧接口为交换机至其他交换机的接口，包括一次群PCM数字中继接口A接口， 二次群PCM数字中继接口B接口与模拟中继接口C接口。用户侧接口有二线模拟接口Z接口和数字接口Z接口两种。操作、管理和维护(OAM)接口用于传递和操作维护有关的信息，如交换机系统状态、系统资源占用情况、计费数据、测试结果与告警信息等，接口是通过数据通信网(DCN)将交换机连接到电信管理网(TMN)操作系统的接口。

图3.2 CCITT所规定的标准接口
　　2. 模拟用户接口的功能与实现原理
　　模拟用户接口是程控交换设备连接到模拟话机的接口电路，是电路交换系统中数量最大的接口电路。模拟用户接口的基本功能可归纳为BORSCHT功能。

图3.3模拟用户接口的BORSCHT功能

　　（1）馈电 B（Battery Feeding）：
　　所有连在交换机上的电话分机用户，都由交换机向其馈电。在我国数字交换机的馈电电压一般为-48V，在通话时的馈电电流在20mA一50mA之间。
　　（2）过压保护O （Over Voltage Protection）：
　　由于程控交换系统中大量使用集成电路组件，为保护这些元器件免受可能从用户线进来的高压（如雷电、强电等）袭击，程控交换机一般采用两级保护措施。第一级保护是在配线架上安装防止高压的保安器（如气体放电管）和防止过流的熔丝，但是，由于保安器在雷电袭击时仍可能有上百伏的电压输出，这对交换机中的集成电路等元器件仍可能产生致命的损伤，因此，在用户电路中一般还用4个二极管组成钳位电路来作为第二级保护（或称为二次保护），以把用户线上的电压符制在用户电路所允许的范围之内。

图3.4模拟用户接口过压保护电路

　　图3.4中电阻R也可使用热敏电阻，该热敏电阻在正常状态下电阻值较小，从而对馈电和话音的传输损耗影响较小；而当高压进入时，由于电流增大、热敏电阻的温度上升而导致阻值增大，这将降低二极管桥路两端的电压，进而保护了箝位二极管免受高压的损坏。同时，若电压过高，热敏电阻将由于过热而烧毁，此时，用户线路被断开，高压就不可能进入用户电路而损坏元器件。
　　（3）振铃控制 R （Ringing Control）
　　振铃控制的基本功能是提供符合规定的铃流信号，以便向被叫分机振铃，提示用户有电话呼叫到来，同时还要随时检测被叫用户摘机应答，以便及时截铃。
　　由于历史的原因向用户振铃的铃流信号一般具有较高的电压，我国规定的标准是90V±15V， 25Hz的交流信号作为铃流信号，这么高的铃流电压是不允许通过用户接口电路的，以避免损坏用户接口电路及交换机内部的元器件。因此，一般是通过在用户接口电路上采用继电器或高压集成电子开关单独向用户话机提供铃流。当需要向用户话机振铃时，由控制处理器发出控制信号，使用户接口电路上的继电器闭合，接通振铃回路，发送铃流至用户话机；当用户摘机时，由环路监视电路检测到用户回路的直流通断变化，立即切断铃流回路，停止振铃。
　　（4）监视 S （Supervision）：
监视功能主要是通过监视用户接口电路中测试电阻上直流电平的变化来实现对分机用户的摘挂机状态和拨号脉冲数字进行检测。
　　（5）编译码和滤波 C（CODEC & Filters）
　　数字交换机只能对数字信号进行交换处理，而模拟用户接口电路输入的话音信号是模拟信号，因此，需要用编码器（coder）把模拟话音信号转换成数字话音信号在交换网络中交换。或者通过解码器（decoder）把从交换网络来的数字话音转换成模拟话音送向模拟用户终端。Codec是coder 和decoder这两个英文单词字头的缩写。
　　同时为避免在模数变换（A／D变换）中由于信号抽样而产生混叠失真以及50Hz电源的干扰影响，模拟话音在进行编码以前要通过一个带通滤波器，以滤除50Hz电源的干扰和3400Hz以上的频率分量信号。而在接收方向，从解码器输出的脉冲幅度调制（PAM）信号，要通过一个低通滤波器以恢复原来的模拟话音信号。

图3.5 模拟用户接口编译码与混合功能实现原理
　　（6）混合电路H （二/四线转换）H（Hybrid Circuit）
用户话机送出的信号是模拟信号，采用二线进行双向传输。而PCM数字信号，在去话方向上要进行编码，在来话方向上又要进行译码，这样就不能采用二线双向传输，必须采用四线制的单向传输，所以要采用混合电路进行二／四线转换。
　　（7）测试 T（Test）
　　测试功能指通过测试继电器或电子开关对模拟用户接口电路的内侧或外侧进行测试。这里，内侧指模拟用户接口电路本身，外侧则指包括用户话机在内的用户线环路。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程序进行自动测试，而且自动测试的结果可以在交换机的维护终端上显示出来。
　　模拟用户接口的其他功能包括极性倒换．衰减控制，收费脉冲发送，公用电话接入控制，来电显示，固网短信等等。
　　 3.数字中继接口的功能与实现原理
　　数字中继接口包括A接口和B接口，是数字中继线与交换机之间的接口，常用于长途、市内交换机，用户小交换机和其他数字传输系统。
　　数字中继接口的功能主要是解决数字中继信号的传输、同步和局间信令配合三方面问题。
　　数字中继信号传输功能主要是实现从数字中继接口PCM总线输入至交换机侧以及从交换机侧至数字中继接口PCM总线输出的功能。
　　同步功能包括实现数字中继传输的位同步、帧同步以及复帧同步功能。
　　信令配合功能包括提供对局间信令的提取与插入功能支持。

图3.6 数字中继接口框图
　　与模拟用户接口的BORSCHT功能相对应，数字中继接口的基本功能可用GAZPACHO八大功能进行描述。
　　（1）帧码产生G（ Generation of Frame Code）
　　在PCM数字通信帧结构中，每帧的TS0是供传输同步码组和系统告警码组用的。为了实现帧同步，发端固定在偶帧的TS0的bit2~bit8发一特定码组“0011011”，经过比较、保护和调整，控制收端的位脉冲发生器和时隙脉冲发生器产生时隙脉冲的顺序，达到帧同步。
　　（2）帧定位A （Alignment of Frames）
　　帧定位功能是利用弹性存储器作为缓冲器，使输入PCM码流的相位与网络内部局时钟相位同步。具体地说，就是从PCM输入码流中将提取的时钟控制输入码流存入弹性存储器，然后用同时钟控制读出，这样输入PCM信号经过弹性存储器后，读出的相位就统一在本局时钟相位上，达到与网络时钟同步的目的。
　　（3）连零抑制Z （Zero string suppression）
为了达到收发双方同步的目的，数字中继接口采用锁相环、谐振回路或晶体滤波等方法从PCM输入的PCM码流中，提取对端局的时钟频率，作为输入基准时钟，使收端定时和发端定时绝对同步，以便接口电路在正确时刻判决数据。但连续零码将导致接收方无法有效提取位同步信号。因此在数字中继接口采用HDB3编码技术，实现对连零码的抑制。
　　（4）极性变换P（Polar conversion）：
　　由于在PCM中继线上传输的数字码采用高密度双极性码HDB3码或双极性AMI码，而在数字交换系统内部的信号则通常需要采用单极性不归零码NRZ码，因此必须进行两种不同码型的互相转换。
　　（5）告警及告警处理A （Alarm processing ）：
告警及告警处理功能包括：误码检测、帧同步检测、复帧同步检测、滑码检测、计次统计、对端告警响应、告警位插入等。
　　（6）时钟恢复C （Clock recovery ）：
　　指从输入的PCM码流中提取收端用的时钟信号，作为插入时间基准，实现收端与发端定时同步的过程。具体有PLL；谐振；滤波等方法。例如，对PCM 30／32路一次群码流，提取的时钟频率就是2048kHz 。
　　（6）帧同步H（Hunt during reframe ）：　
　　数字中继接口需要从输入码流中识别发端插入的帧同步码组，经比较和调整，达到收端与发端的帧同步，以便能正确地接收各路信号。
在数字中继单元中，帧同步由帧同步检测器来实现。帧同步检测器有两个基本状态．即帧同步状态和帧失步状态。为避免偶发性误码或干扰影响到数字中继的工作状态，规定连续四次检测不到同步码组才判定系统失步，这叫前向保护。而在失步状态下，规定连续两次检测到帧同步码组，且中间奇帧TS0bit2为“1”才判定同步恢复，这叫后向保护。
　　（8）信令插入和提取O（Office Signaling）：
信令插入和提取功能负责从数字传输线上传来的信号流中提取控制信令并在交换网输出信号流插入控制信令。
在数字中继传送的局间信令中有不同的信令方式，如我国使用的中国1号随路信令-与国际通用的共路信令7号信令等。　　　
　　 4. 数字信号音的实现原理
　　在数字交换机中可通过对模拟信号音抽样、量化编码、按照一定的规律存入只读存储器中，再配合控制电路，在使用时按需要读出即可 。
这里以500Hz音频信号的产生为例。
　　图3.7为500Hz音频信号产生的原理图。把信号音按125μs间隔抽样、量化并进行编码运算，得到各抽样点的PCM编码，然后存入存储器中。500Hz音频信号的周期为2ms，按照每秒8000次的抽样率抽样16次即可完成一个周期信号的采样，因此占用存储器的16个单元，在需要时再对存储器按照PCM采样节拍读出时就是数字化的500Hz音频信号了。在实用中还可利用500Hz音频的对称性用对1/4周期信号的采样值来恢复完整信号。目前可利用该原理在FPGA,CPLD等可编程器件中利用查找表法直接生成任意指定波形。

图3.7 音频信号产生原理图
　　在数字交换机中，各种数字音频信号可以通过数字交换网络送出，和普通话音信号一样处理。也可以通过指定时隙，固定作为信号音依序按时间节拍存入次级T话音存储器的通道，这种连接方法称为“半永久性链路”连接法。

图3.8 数字音频信号的发送方式举例
　　各种信号音最终是由用户话机接收的，因此在模拟用户接口电路中需对数字音频信号进行译码后变成模拟信号音发送给用户接听。
　　 5.双音多频信号接收器工作原理
　　普通的话机有两种拨号方式，一种是脉冲拨号方式，一种是双音多频拨号DTMF (Dual Tone Multifrequency)方式。
　　传统的脉冲拨号方式是用拨号盘实现的。用户顺时钟波动号码盘后，号盘在弹簧的作用下均匀回转，使弹簧电键时通时断，形成脉冲号码。这种脉冲拨号方式有以下不足：
　　（1）拨号速度慢
　　拨号速度慢，所拨号码间的时间间隔要求大于200ms，各数字的传输时间也有所不同，如最短的号码“1”需要约100 ms，最长的号码“0” 需要约1s。增加了占用交换机的时间，使程控交换机接续速度快的优点得不到充分发挥，从而影响了交换机的接通率。
　　（2）脉冲信号在线路传输中易产生波形畸变，可能产生错号。
双音多频拨号方式中的双音多频是指用两个特定的单音频信号的组合来代表数字或功能，两个单音频的频率不同，所代表的数字和功能也不同，在双音多频电话机中有16个按键，其中有10个数字键0~9，6个功能键*、#、A、B、C、D（其中A,B,C,D四个按键作为预留按键编码，暂不使用），按照组合原理，它必须有8种频率中任意抽出2种进行组合，又称其为8种取2的编码方式。

图3.9双音多频信号频率组成成分
　　 DTMF发送器的原理与构成如图3.10，它主要包括：
　　 1.晶体振荡器。
　　 2.键控可变时钟产生电路
　　 3.正弦波产生电路

图3.10 DTMF发送电路
　　 4.混合电路：将键盘所对应产生的行，列正弦波信号（即低，高群频率）相加，混合成双音信号输出。
　　 5.附加功能单元，如有时含有单音抑制，输出控制，双键同按无输出等控制电路。
　　 DTMF发送的每位号所用的时间都是相同的，各数字间的间隔可以仅为40ms，与脉冲拨号要求的时间间隔（大于200ms）相比，前者大大节约了拨号时间。特别地，当用户要拨的号码很长时，双音多频拨号在速度上的优势更加明显。双音多频拨号采用的是双频制音频信号，可以提高抗干扰能力，减少交换机接续的差错，从而提高了交换机的接通率。因此这种信号方式不仅应用于程控交换系统中，同时也被广泛应用于线路质量不高的其他通信场合，如遥控遥测等领域。
本实验系统针对采用MT8870组成的双音多频收号电路，它的输入为来自模拟用户接口的双音多频信号，输出为4位二进制数据，供处理器从数据总线口读入。MT8870的功能模块图见图3.11。其基本工作流程如下：模拟信号从IN-脚引入后，经双音滤波器初步滤除带外干扰信号，随后，此滤出信号再经高群滤波器和低群滤波器分别滤出其中的高频和低频分量，这两种分量分别通过过零检测后送给数字检测计算电路；该电路对音频信号进行进一步的优化，能排除外部噪声因偶然含有某些特定频率而被编码器编码，或者影响编码器的编码，从而引起后续的收号错误。当高，低频组信号同时被编码器测到时，ESt脚将输出高电平作为有效检测DTMF信号的标志；而当此DTMF信号消失时，ESt脚将输出低电平；为了防止外部噪声被MT8870误编码，编码器要求被编码的音频信号能维持一段时间。这段时间由外部的一个RC电路（如图3.12）来决定。如前所述，当音频信号被检测到时，Est输出高电平1，电容放电，Vc上的电压值上升（假设信号在整个要求时间内都存在），Vc升到一个门限VTSt时，该音频信号即被编码，变成了数字信号，该数字信号将被锁存起来。此时，GT脚输出高电平，使Vc点的电压由门限值升到VDD，此后，只要EST仍保持为高，GT就为高，使外部的RC电路回到初始状态。随后，经过一段锁存操作引起的延时后，STD脚输出高电平，表示信号已锁存完毕。这时，外部器件若要从Q1~Q4上读这四位编码，应使TOE为高，打开锁存器。具体时序图可参见图3.13。

图3.11MT8870功能模块图

图3.12 基本控制电路

图3.13时序图
信号注释：
Vin 混合DTMF信号输入
Est前控制输出。表示检测到音频信号。
St/GT控制输入/监测时间输出。驱动外部RC电路。
Q1~Q4 四位双音多频信号编码输出。
StD 延时控制操作。表示有效的频率在要求的监测时间内已经存在/不存在，从而形成了一个有效的信号。
TOE 双音多频信号编码输出使能。为低电平时，使Q1~Q4为高阻状态。
NtREC 非被寄存信号可持续的最长时间。
tREC 被寄存信号要求持续的最短时间。
tID 有效信号间的时间间隔。
tDO 允许的最长有效信号中断时间。
tDP 检测到DTMF信号所需时间。
tDA 检测到DTMF信号消失所需时间。
tGTP 监测时间。表示信号存在。
tGTA监测时间。表示信号不存在。
　　由图3.13可见，读取数字信号时，控制软件通过定时轮询读取StD的状态，当StD上产生了一个上升沿的脉冲时，即StD的前一状态为低而当前状态为高时，表示用户拨了一个新的号码，处理器从数据总线读取收号器的输出数据，对收到的号码按位存储，对“应收位”、“已收位”进行记数，根据读入的是首位号码，中间号码或末尾号码进行相应处理，将收到的号码送向分析程序进行号码分析，根据分析结果判断被叫用户端口。
根据以上介绍的MT8870的工作原理，即可设计电路与控制软件，控制实现对MT8870检测双音多频信号的收号过程，