一、基本概念
数字程控交换是指通过计算机程序控制（“程控”）实现数字信号的交换，是现代通信网络（如电话网、IP 网络）的核心技术。其核心目标是在多个通信终端之间建立临时通信链路，实现语音、数据等信息的传输。
关键术语：
交换网络：负责连接不同用户线或中继线，实现信号通路的建立与拆除。
信令系统：用于在通信设备之间传递控制信息（如摘机、拨号、挂机等指令）。
时分复用（TDM）：将时间划分为多个时隙，不同用户信号在各自时隙中传输。
空分交换：通过物理触点或电子开关在空间上建立连接。
二、数字程控交换机的组成
数字程控交换机主要由控制子系统、交换网络、接口电路和信令系统四部分组成：
控制子系统（CPU）
处理用户呼叫请求（如拨号号码解析）；
管理交换网络的连接与释放；
维护用户状态（忙 / 闲）、计费信息等。
核心为计算机系统（如单片机、嵌入式处理器），通过软件程序控制整个交换机的运行。
功能：
交换网络
时分交换：
空分交换：
基于 TDM 技术，将语音信号数字化后（如 PCM 编码）按时间时隙分配通路。
典型设备：数字交换单元（DSU），通过存储器暂存和转发不同时隙的信号。
通过电子开关矩阵在空间上建立物理连接（如继电器、半导体开关）。
现代交换机多采用时分 + 空分结合的混合交换网络（如 T-S-T 结构，T 为时分模块，S 为空分模块）。
实现用户线或中继线之间的信号交换，分为时分交换和空分交换两类：
接口电路
用户接口（Z 接口）：连接普通电话用户，提供 BORSCHT 功能：
中继接口（A/B 接口）：连接其他交换机或通信设备（如中继线），支持 E1/T1 数字中继（速率 2.048Mbps/1.544Mbps）。
B（Battery）：馈电（向话机提供直流电源）；
O（Overvoltage protection）：过压保护；
R（Ringing）：振铃控制；
S（Supervision）：监视用户状态（摘机、挂机、拨号）；
C（Codec）：编码解码（将模拟语音转为数字信号 PCM）；
H（Hybrid circuit）：混合电路（分离收 / 发信号）；
T（Test）：测试接口。
连接交换机内部与外部设备，根据用户类型分为：
信令系统
用户线信令：用户与交换机之间的信令（如摘机信号、拨号音、忙音）。
局间信令：交换机之间的信令，用于建立跨局连接，典型协议包括：
随路信令（CAS）：信令与语音在同一信道传输（如中国 1 号信令）；
共路信令（CCS）：信令在独立信道传输（如 SS7 信令，用于长途电话网）。
负责在通信设备间传递控制指令，分为用户线信令和局间信令：
三、数字交换的核心技术
PCM 编码与时分复用
32 个时隙组成一个 E1 帧（时长 125μs），其中 30 个时隙用于语音传输（TS1~TS30），TS0 为帧同步时隙，TS16 为信令时隙。
采样频率 8kHz（符合奈奎斯特定理），每个样本量化为 8 位二进制数，速率为 64kbps（称为一个话路）。
PCM（脉冲编码调制）：将模拟语音信号转换为数字信号的过程，包括采样、量化、编码三步：
时分复用帧结构：
时隙交换原理
示例：用户 A 占用 TS5，用户 B 占用 TS20，交换时将 TS5 的数据写入 TS20 的位置，反之亦然。
输入侧：将各用户的 PCM 信号按顺序存入输入缓冲存储器；
控制逻辑：根据呼叫请求，将源时隙的数据读取到输出缓冲存储器的目标时隙位置；
输出侧：按帧结构重组信号，完成交换。
在时分交换网络中，通过时隙交换器实现不同用户时隙的信号转发：
空分交换矩阵
由多级电子开关（如交叉点矩阵）组成，每个开关对应一个连接通路，通过控制开关通断建立物理连接。
优点：延迟低、适合高带宽信号；缺点：硬件规模随用户数增长呈平方级增加（如 N×N 矩阵需 N² 个开关）。
四、呼叫处理流程
以两个用户跨局通话为例，数字程控交换机的处理流程如下：
主叫摘机
主叫用户摘机，用户接口检测到状态变化，向控制子系统发送 “摘机信号”。
控制子系统标记用户为 “忙”，并通过用户接口回送拨号音。
拨号阶段
本局呼叫：直接查找被叫用户线状态；
出局呼叫：通过中继接口向对端交换机发送局间信令（如占用中继线、传递被叫号码）。
主叫拨打被叫号码（如 DTMF 信号或脉冲信号），用户接口将号码转换为数字信号并传送至控制子系统。
控制子系统解析号码，判断被叫属于本局还是其他局：
建立连接
时分交换：分配主叫和被叫的时隙，并在交换网络中绑定时隙对；
空分交换：闭合对应开关矩阵的交叉点。
若被叫空闲，控制子系统通过交换网络建立主叫与被叫的通路：
向被叫用户发送振铃信号，向主叫用户回送回铃音。
通话阶段
被叫摘机，控制子系统检测到应答信号，拆除振铃和回铃音，建立双向通信链路。
语音信号通过 PCM 编码在交换网络中按时隙传输。
拆线阶段
主叫或被叫挂机，控制子系统检测到挂机信号，拆除交换网络中的连接，释放时隙或开关资源，并进行计费处理。
五、典型应用与发展趋势
应用场景
传统电话网（PSTN）：通过数字程控交换机实现模拟电话的数字化交换。
企业通信系统：PBX（用户交换机）为企业内部提供分机互拨、外线共享等功能。
IP 电话（VoIP）：结合软交换技术，将传统程控交换与 IP 网络融合（如 SIP 协议）。
发展趋势
软交换（Softswitch）：用软件定义的逻辑替代传统硬件交换矩阵，基于 IP 网络实现多媒体通信（如语音、视频、即时消息）。
IMS（IP 多媒体子系统）：统一管理语音、数据、视频业务，支持移动网络（如 4G/5G）与固网的融合。
SDN（软件定义网络）：通过集中控制器动态管理交换资源，提高网络灵活性和效率。
六、学习要点
基础理论
掌握 PCM 编码、TDM 帧结构、信令系统（如 SS7）的工作原理。
理解时分交换与空分交换的数学模型（如时隙交换表、开关矩阵逻辑）。
实践工具
模拟软件：OPNET、NS-3（用于网络通信仿真）；
硬件平台：FPGA 开发板（如 Xilinx Artix-7）实现简单交换逻辑。
延伸知识
结合 IP 网络技术，学习 VoIP 中的编解码（如 G.729）和实时传输协议（RTP/RTCP）；
了解 5G 核心网中的会话管理（SMF）与用户面功能（UPF），其本质是程控交换的演进形态。
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