数字交换原理

2．2．1　数字交换原理

1．话音信号的数字化

话音信号的数字化是模拟话音信号进行数字传输、数字交换的前提和基础，是话音信号进入数字交换网络之前完成的工作，通常由用户电路来完成。话音信号数字化要经过抽样、量化和编码3个过程，如图2．10所示。

图2．10　话音信号数字化过程

1）抽样

抽样是通过抽样脉冲按一定周期去控制抽样器的开关电路，取出模拟信号的瞬时电压值，从而将连续的原始话音信号变成间隔相等但幅度不等的离散电压值，这些样值序列的包络线仍与原模拟信号波形相似，如图2．11所示。

图2．11　抽样过程

抽样定理表明：一个频带限制在（0，fH）内的时间连续信号m（t），如果以TS≤1／2fH秒的间隔对它进行等间隔抽样，则m（t）将被所得到的抽样值完全确定。也就是说，要从样值序列无失真地恢复原时间连续信号，其抽样频率f_S必须满足f_S≥2fH。

话音信号的频率为300～3　400Hz，其最高频率为3　400Hz，满足抽样定理的最低抽样频率为6　800Hz，为了留有一定的防卫带，原CCITT规定话音信号的抽样频率为8　000Hz，则抽样周期为125μs。

2）量化

话音信号进行抽样后，其抽样值还是随信号幅度连续变化。当这些连续变化的抽样值通过噪声信道传输时，接收端不能准确地估计所发送的抽样。如果发送端用预先规定的有限个电平来表示抽样值，且电平间隔比干扰噪声大，则接收端将有可能准确地估计所发送的抽样。

利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程称为量化。把无限多种幅值量化成有限的值必然会产生误差，这个误差是由量化引起的，称为量化误差。

量化可分为均匀量化和非均匀量化两种。

（1）均匀量化。均匀量化是把输入信号的取值域按等距离分割的量化。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点，如图2．12所示。设输入信号的取值域为－U～＋U，将其均匀等分为N个量化间隔，则N称为量化级数，量化间隔为Δ，则Δ＝2U／N。

当信号的变化范围和量化级数确定后，量化间隔也被确定，它不能随信号幅度的变化而变化，故大信号时信噪比大，小信号时信噪比小，量化信噪比随信号电平的减小而减小。

图2．12　均匀量化过程示意图

（2）非均匀量化。非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔。对于信号取值小的区间，其量化间隔小；反之，量化间隔就大。采用非均匀量化可以有效改善小信号的量化信噪比。

实际中，非均匀量化的实现方法通常是将抽样值通过压扩再进行均匀量化。压扩的目的是改变大信号和小信号之间的比例关系，即大信号时其增益系数为1，随着信号的减小增益系数逐渐变大，从而保证大信号比例基本保持不变或变化较小，而小信号则相应按比例增大。目前我国使用的是对数压缩律中的A律13折线的压扩特性，如图2．13所示。

图2．13　A律13折线

具体方法是：把输入x轴和输出y轴用两种不同的方法划分。对x轴在0～1（归一化）范围内不均匀分成8段，分段的规律是每次以1／2对分，第一次在0～1之间的1／2处对分，第二次在0～1／2之间的1／4处对分，第三次在0～1／4之间的1／8处对分，其余类推。对y轴在0～1（归一化）范围内采用等分法，均匀分成8段，每段间隔均为1／8。然后把x、y各对应段的交点连接起来构成8段直线，得到图2．13的压扩特性。其中第1、2段斜率相同（均为16），因此可视为一条直线段，故实际上只有7段斜率不同的折线。再加上第三象限部分的7段折线，共14段折线，由于第一象限和第三象限的起始段斜率相同，所以共13段折线。

3）编码

编码是按照一定规律将量化后的样值信号按幅度大小转换成二进制码，从而形成PCM信号。实际应用中，通常用8位二进制代码表示一个量化样值。

PCM信号在信道中是以每路一个抽样值为单位传输的，因此单路PCM信号的传输速率为8×8　000＝64（kbit／s）。速率为64kbit／s的PCM信号称为基带信号，是程控数字交换机的基本交换单位。

2．时分多路复用

为了提高线路的利用率，使多个信号沿同一信道传输而互不干扰的通信方式，称为多路复用。有线通信中的多路复用技术主要有频分复用和时分复用。

（1）频分复用（FDM）是将所给的信道带宽分割成互不重叠的许多小的频率区间，利用每个频率区间传输一路话音信号。一般情况下，可以通过正弦波调制的方法实现频分复用。频分复用的多路信号在频率上不会重叠，但在时间上是重叠的。

（2）时分复用（TDM）是建立在抽样定理基础上的。抽样定理使连续（模拟）的基带信号有可能被在时间上离散出现的抽样脉冲值所代替。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，利用一条信道就可以同时传送若干个话音的基带信号。

目前，程控数字交换机采用的多路复用技术为时分复用。

1）PCM时分多路复用

图2．14表示一个只有3路PCM复用的原理图。图中，发送端和接收端各有一个高速转换开关，两者的旋转速度相同（1s8000圈）。3路信号首先通过相应的低通滤波器，将频带限制在3　400Hz以下，然后送到高速转换开关（抽样开关），转换开关每125μs将3路信号依次抽样一次，这样，3个抽样值按先后顺序依次纳入到抽样间隔125μs之内，经过量化、编码后，合成多路复用信号送入信道传输。

图2．14　PCM时分复用的原理

接收端将3路信码进行统一译码，还原后的信号由分路开关依次接通各分路，在各分路中经过低通滤波器将重建的话音信号送往接收端用户。需要注意的是，发送端的转换开关和接收端的分路开关必须同步，否则将造成错收。

对于每一个话路来说，每次抽样值经过量化以后编成8位二进制码组，其所占的时间间隙称为路时隙，简称时隙（Time Slot，TS）。所有用户单次抽样的时隙总时间称为一帧。

2）PCM30／32的帧结构

对于多路数字电话系统，国际上有两种标准化制式，即PCM30／32路（A律压扩特性）制式和PCM24路（μ律压扩特性）制式。并规定国际通信时，以A律压扩特性为准，凡是两种制式的转换，其设备接口均由采用μ律压扩特性的国家负责解决。

我国规定采用A律压扩特性的PCM30／32路制式，30／32的含义是整个系统共分为32个时隙，其中30个时隙分别用来传送30路话音信号，一个时隙用来传送帧同步码，另一个时隙用来传送信令码，其帧结构如图2．15所示。

图2．15　PCM30／32路帧结构

各时隙安排如下：

（1）TS₁～TS₁₅为传送CH₁～CH₁₅路话音信号。

（2）TS₁₇～TS₃₁为传送CH16～CH30路话音信号。

（3）TS₀为帧同步时隙。其中偶帧TS₀用来传送帧同步码，奇帧TS₀用来传送帧失步对告码、监视码等。

（4）TS₁₆为信令信息传送时隙。

从图2．15中可以看出，PCM30／32的帧周期为125μs（抽样频率8　000Hz），每帧32个时隙，每个时隙占用的时长为125μs／32＝3．9μs，包含8bit，则PCM30／32路系统的传输速率为8　000×32×8bit／s＝2　048kbit／s。

为了更好地利用信令信道，PCM采用了复帧结构传输。一个复帧由16个PCM帧（F₀～F₁₅）组成，占用时间为125μs×16＝2ms。用16帧中第一帧（F₀）的TS₁₆传输复帧同步码，其他15帧（F₁～F₁₅）的TS₁₆分别传输30路话路的信令，每个话路的信令采用4bit传输，如图2．16所示。

3．数字交换

数字交换是通过时隙交换来实现的。在程控数字交换机中，用户信息固定在某个时隙里传送，一个时隙就对应一条话路，各用户信息都是按照各个时隙的位置在系统中顺序传送的。在图2．17中，A用户占据的是TS₂时隙，则A用户的话音信息就将每隔125μs在TS₂时隙内以数字信号的方式向交换网络传递一次。由交换网络传送给A用户的话音信息也将每隔125μs在TS₂时隙内送给A用户，即TS₂时隙是固定给A用户使用的话路，无论是发话还是受话，均使用这个TS₂时隙的时间。当A、B两个用户要互相通话时，A用户的话音信息要在TS₂时隙送至数字交换网络，而在TS₃₁时隙将其取出送至B用户。反过来，B用户的话音信息也必须在TS₃₁时隙送至数字交换网络，而在TS₂时隙从数字交换网络中取出送至A用户。这就是话音交换，它实质上是一种时隙交换。

交换网络是由若干个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式构成的，也就是说交换单元是构成交换网络的最基本的部件。数字交换网络的基本交换单元有时间接线器、空间接线器和数字交换单元（DSE）。电路交换是同步交换，因此构成电路交换网络的基本交换单元也必须是同步交换的。

图2．16　PCM复帧结构

图2．17　数字交换系统的交换过程