4.1 程控交换机和多路复用技术
电信有线通信网络系统是一种固定安装的通信系统，由程控交换设备、电信网络传输系统和用户终端设备三部分组成。
程控交换机从技术结构上可分为空分程控交换机和数字程控交换机两类。前者是对模拟话音信号进行交换，属于模拟交换范畴。后者是采用PCM脉冲编码数字话音信号进行交换，属于功能强大的数字程控交换范畴。
从使用功能进行分类，可分为通用型程控交换机和专用型程控交换机两大类。
1.通用型程控交换机
通用型用户交换机的基本功能是完成单位内部用户的相互通话，装有接入市内公用电话网的中继线，可与网中用户通话（包括市话和国内、国际长话）。由于这类交换机系单位内部专用，可根据用户需要增加若干附加功能以提供使用上的方便。所以，这类电话交换机具有较大的灵活性。
通用型用户交换机是市话网的重要组成部分，是市话数字程控交换机的一种延伸设备，因为它为市话网承担了大量的单位内部用户间的话务量，减轻了市话网的话务负荷。用户交换机设置在各单位，更靠近用户，缩短了用户线距离，节省了用户电缆。同时用少量的出入中继线接入市话网，起到话务集中的作用。
通用型用户交换机适用于工厂、机关、学校等以话音业务为主的一般企事业单位，容量一般在200门以下，内部话务量所占比重较大，一般占总发话话务量的70%左右。目前国内生产的200门以下的程控空分交换机均属此种类型，其特点是系统结构简单、体积较小、使用方便、价格便宜和维护工作量少。
2.专用型程控交换机
专用型程控交换机采用功能强大的数字程控交换机，不仅可以交换电话业务，还可以交换数据等非话音业务，做到多种业务的综合交换、传输。适用于需要提供各种特殊功能的企事业单位（如：宾馆、医院、银行和各类智能建筑等）和政府机关。
4.1.1 数字程控交换机
数字程控交换机（Private Automatic Branch Exchange，PABX），是智能建筑通信系统的控制中心。它不仅能向用户提供传统的模拟通信环境，还能向用户提供数据通信、多媒体通信和综合业务数字网（Integrated Service Digital Network，ISDN）的通信环境。
数字程控交换机与数据传输相结合，可以构成ISDN综合业务数字网，不仅可以实现语音信息交换，还能实现传真、数据、图像等信息交换。数字程控交换机处理速度快、体积小、容量大、灵活性强和服务功能多，便于改变交换机功能，便于构建智能通信网，向用户提供更多、更方便的互联互通服务。
1.数字程控交换机的基本功能
数字程控交换机实质上是采用计算机进行“存储程序控制”的数据交换机器，它将各种控制功能编成程序，存入存储器，利用对外部状态的扫描数据和存储程序来控制、管理整个交换系统的工作。
数字程控交换机的主要任务是实现用户间通话的接续。基本划分为两大部分：话路设备和控制设备。话路设备主要包括各种接口电路（如用户线接口和中继线接口电路等）和交换（或接续）网络；控制设备包括中央处理器（CPU）、存储器和输入/输出设备。
（1）交换网络。交换网络的基本功能是根据用户呼叫要求，通过控制部分的接续命令，建立主叫与被叫用户间的连接通路。在数字程控交换机中主要采用由电子开关阵列构成的空分交换网络，和由存储器等电路构成的时分接续网络。
（2）用户接口电路。用户接口电路（Subscriber Line Interface Circuit，SLIC）的作用是实现用户线与交换机之间的连接。根据交换机制式和应用环境的不同，用户接口电路也有多种类型。对于数字程控交换机来说，目前主要有与模拟话机连接的模拟用户线电路（ALC）和与数字话机、数据终端连接的数字用户线电路（DLC）。
模拟用户线路是适应模拟用户环境而配置的接口，其基本功能有：
1）馈电（Battery feed）：交换机通过用户线向共电式话机直流馈电。
2）过压保护（Overvoltage protection）：防止用户线上的电压冲击或过压而损坏交换机。
3）振铃（Ringing）：向被叫用户话机馈送铃流。
4）监视（Supervision）：借助扫描点监视用户线通断状态，以检测话机的摘机、挂机和拨号等用户线信号，转送给控制设备，以表示用户的忙闲状态和接续要求。
5）编解码（CODEC）：利用编码器和解码器、滤波器，完成话音信号的模数（A-D）与数模（D-A）变换，以便与数字交换机的数字交换网络接口匹配。
6）混合（Hybrid）：2/4制式用户线路的转换，以满足编解码与数字交换对四线传输的要求。
7）测试（Test）：提供测试端口，进行用户电路的测试。
这7种功能常用第一个字母组成的缩写词（BORSCHT）代表。对于模拟程控交换机，不需要编解码功能；而在数字程控交换机中，除某些特定应用的小型交换机利用增量调制方式外，其他大部分均采用PCM编解码方式。
2.数字程控交换机组成
数字程控交换机是一个以计算机为基础的高科技装置，由硬件和软件组成。
（1）数字程控交换机硬件。数字程控交换机集各种功能模块和网络传输模块于一体，可全部覆盖智能建筑需要的语音、数据、图像、窄带和宽带等多媒体业务范围，并能与无线移动通信系统进行联网。具有极强的组网能力。硬件包括话路部分、控制部分和输入输出部分。
1）话路部分用于收发电话信号、监视电路状态和完成电路连接，主要包括用户电路、中继电路、交换网络、服务电路（包括发号器、收号器、振铃器、回铃音器、连接器等）、扫描器和驱动器等部件。
2）控制部分用于运行各种程序、处理数据和发出驱动命令，主要包括处理机和主存储器。
3）输入输出部分用于提供维护和管理所需的人机通信接口，主要包括外存储器、键盘、显示器、打印机等部件。
（2）数字程控交换机软件。软件包括程序部分和数据部分：程序部分包括操作系统程序和应用程序。用于任务调度、输入/输出控制、故障检测、故障诊断和恢复处理、命令执行控制等。数据部分用于实施各种电话交换事件统计、服务观察、软件维护和自动测试等。
3.专用型程控交换机
宾馆、医院、银行、办公自动化和专网型等单位，需要一些专用功能的数字程控交换机，下面分别说明这些专用型程控数字交换机的功能要求。
（1）宾馆型。宾馆型数字程控用户交换机的话务量大，需有很强的话务台功能。为满足客人打长途电话的需要，应具有PAMA（Private Automatic Message Accounting）计费功能。为宾馆客房提供以下功能管理软件：
1）房间控制：客人离店结账电话自动闭锁。
2）留言中心：对临时外出的客人提供留言服务。
3）客房状态：随时提供客房占用、空闲和是否打扫的情况。
4）自动叫醒：按客人需要，准时叫醒客人。
5）请勿打扰：为客人提供安静环境，客人在电话输入指令后，任何电话不能呼入，但超过一定时限失效。
6）综合话音和数据系统：为商务办公人员通过个人计算机从远处计算机或数据库，取得重要商业信息及资料。
（2）医院型。这是装有医院特点软件的专用数字程控交换机。软件功能中除具有宾馆功能外，还具有呼叫寄存、呼叫转移、病房紧急呼叫、热线电话及配合救护车的移动通信接口的功能。
（3）银行型。银行型专用软件包括总行和分行间的通信联络、呼叫代答、电话银行业务、警卫线路和外线保留等。同时具备办公自动化PABX的功能。
（4）办公自动化型。
1）呼出要求快速自动直拨，即缩位拨号功能。采用计算机应答的全自动呼入，即DID（Di-rect Inward Dialing）功能，省掉话务员介入，提高效率。
2）办公计算机可通过程控数字交换机使用内部的数据资源和外部的数据库。目前程控用户交换机能提供传输速率为144KB/s的用户线数字传输通道，即2B+D（64KB/s传输话音+64KB/s传输数据+16KB/s传输信令）。并且通过异步、同步适配器传输方式，传送传真、文字及固定图像等。先进的第四代数字程控电话交换机可提供2MB/s的传输通路，可提供宽带非话音业务，传输动态图像和电视电话等。
3）提供X.25分组交换接口，提高与公用数据网及分组交换网的并网能力。
4）具有话音邮递和电子邮箱等功能。
（5）专网型。具有组网汇接功能的程控数字用户交换机，具有多位号码存储和转发能力、直达优先路由选择、自动迂回、外线呼叫等级限制、缩位拨号、功能透明、远端集中维护管理及话务台集中设置等。
SOPHO数字程控交换机以其尽善尽美的软硬件模块化设计，卓越的功能，高度的可靠性，能完全满足各种类型数字程控交换机的要求，并在世界各地组成了庞大的各类专用通信网。
4.1.2 话音信号数字化和多路复用技术
目前，用户终端多为模拟话机。来自用户线的话音要进入数字程控交换机，需先在用户接口电路通过模-数（A-D）转换，将模拟话音编码成数字话音。
1.话音信号的数字化方法
话音信号的数字化方法很多，常用的有脉冲编码调制（PCM）、增量调制（DM）、线性预测编码（LPC）等方案。在程控数字交换机系统中，除个别特殊应用外，都采用PCM数字化方法。
PCM数字编码过程包括脉冲采样、量化和编码三个环节。模拟话音先经防混叠低通滤波器，得到限止频带（300～3400Hz）的话路信号，将其采样变成脉冲调幅（PAM）信号，根据采样定理，只要采样脉冲频率fs不低于模拟信号最高频率fm的2倍，即fs≥2fm，则在接收端用低通滤波器能够恢复出原模拟话音信号。
CCITT建议规定fs=8kHz。然后将模拟话音信号的振幅进行连续采样，采样取得的脉冲振幅用四舍五入的方法量化为有限个数值的量化信号，然后再把量化数据进行编码，变换成二进制代码。CCITT G.711、CCITT G.712建议每个采样值的量化为8bit，即共有256个量化级，因而每路模拟话音转换成相应的数字话音的标准码率为64KB/s（即8bit×8kHz）。
各路PCM编码信号，先经时分多路复用设备，把它们按时间顺序组成多信道复用帧，再通过传输线路传送到接收端。在接收端先进行信码的再生、分路和用低通滤波器进行PCM解码，便可以恢复出模拟话音信号。
话音信号在量化过程中，会产生误差（或失真），引起通话时附加量化噪声。对于线性量化情况，量化噪声功率仅与量化间隔大小有关，因而大信号时信噪比高，小信号时信噪比低。
为解决线性量化时小信号音质差的问题，在实际中通常采用不均匀分层量化办法，对小信号时的量化bit分配少些，而在大信号时的量化bit分配多些。这样大信号就能在编码位数较多的情况下得到较高的信噪比，以改善通话质量。
为此需要在发送端先将话音信号进行非线性幅度压缩，再进行线性量化和编码，与此对应，在接收端解码后则需对话音信号加以扩张，以补偿因压缩而造成的非线性失真。在理想情况下，扩张器与压缩特性应是完全互补的。在实际中广泛应用两种对数形式的压缩特性，即A律和μ律。CCITT和欧洲邮电部长会议（CEPT）已对A律压缩特性形成了标准；而CCITT与北美贝尔系统已对μ律压缩特性形成了标准，前者主要用于欧洲，后者主要用于北美和日本，我国采用A律压缩方式。
2.多路复用技术
为提高传输信道的利用率，通常采用多路复用技术（multiplex），将若干路信息综合在同一个信道内进行传送。目前常用的复用方式有两大类：频分复用（FDM）和时分复用（TDM），它们分别按频率（频域）或时间（时域）划分信道。
（1）频分复用。频分复用是指信道的可用频带被分割成若干互不重叠的频段，每路信号的频谱各占用一个频段，即对各路语音信号用不同载频进行调制，实行频谱搬移和分割，然后再把各频段的信号相加后，用能包容全部合成频谱的一个宽带通道传输。接收端借助不同中心频率的带通滤波器进行解调。
FDM是一种传统的多路复用技术，系统结构简单，但随着复用信道数量的增加，复用信道间的干扰也会同时增大，复用通道的数量也会受到很大限制。FDM主要用于载波电话通信。
（2）时分复用。时分复用是将一个通信信道按时间顺序加以分割，各路数字话音信息依一定的顺序轮流地占用信道的某一时段（或时隙），从而实现多路复用。
在程控数字交换系统中，为提高传输速率和交换容量，通常采用PCM复用方式。对于PCM基群系统，目前国际上有两种复用制式：30/32路帧结构或24路帧结构。我国采用30/32路帧结构方式，即一个数据帧占125μs，把一个数据帧分为32个时隙（TS0～31），其中TS0传送时间同步信息，TS1～31传送30路话音编码信息。
国际上现已广泛使用的复用制式有两种，一种是以24路作为一个基群；另一种是以30/32路为一个基群。
对30/32路制式，帧长为125μs，帧频为8kHz，一帧包含32个时隙，每时隙为8bit（256bit码），占3.9μs，显然1bit占0.488μs。所以，每路码率为64KB/s，32路的复用码流速率为2048KB/s（=32×64kbit/s）。