1.2 电话通信网

电话通信网是针对用电信号传输语音信息而设计的通信网。它是世界上最早的通信网络。电话通信按话路接续操作方式的不同分为人工电话和自动电话；按传输介质的不同可分为有线电话和无线电话；按通信距离和范围的不同分为市内电话和长途电话；按传输信号形式的不同分为模拟电话和数字电话。它包括公用交换电话网（Public Switched Telephone Network,PSTN）、专用电话通信网和移动电话通信网。1876年3月10日，贝尔发明了电话。1878年，美军安装了军用实验电话。1965年，在美国萨加桑纳开通了世界上第一部商用2000门空分程控电话交换机。1970年，在法国皮诺斯盖利克第一部商用数字时分程控电话交换机投入运转，标志着电话通信数字时代的开始。

1.2.1 公用交换电话网

公用交换电话网是电话通信网的核心骨干网，涉及的基本概念和常用技术较多。本节主要介绍以下几方面的内容：公用电话通信的基本要求，公用交换电话网的产生、发展和种类。

1.公用电话通信的基本要求

（1）损耗要小，效率要高

效率是保证声音响度的一项指标。电话传输是将声振动转换为随声振动变化的语音电流，再将变化的语音电流转换为相应的声振动。这种转换实际上是能量的转换，如果电话通信设备质量很差，能量转换时损耗就大，它将影响声音的响度，使受话人听不清楚或听不到发话人的声音。为保证声音的响度，而发话人也不需高声呼叫，使人们感到在电话听筒前说话就像双方面对面交谈一样，一般要求送话器接收1～10µW 的功率就能可靠地工作，送入受话器的电功率在1µW 以上时，就可听到足够大的声音。电话通信系统所允许的最大净损耗不超过：

10lg10=10dB

（2）非线性失真系数要小

在某一固定频率下，通过电话通信设备的声电转换并不是线性关系，因此，需用非线性失真系数来评定能量转换中信号失真的情况。非线性失真系数越小，电信设备质量越好。通常是取通频带中间的一个频率（如800Hz），经过设备转换后，测量其基波和各次谐波的幅度，再经过计算求得非线性失真系数。

一般要求送话器非线性失真系数为15%～20%，受话器非线性失真系数不得超过20%。

（3）频率特性要好

在电话通信系统中，能量转换的效率与频率有关系。在同样的声能下，频率变化会引起相应的响度变化。一般来说，声音强度大，听起来就响，这只是对同一个频率来说才是正确的。由于电话通信具有一定宽度的频带，所以评价送话器、受话器等设备的标准指的是平均效率的概念。平均效率在数值上等于频率特性曲线所包围的总面积除以所在频带内的横坐标轴的长度。现代电话通信系统选用的电话传输频带为300～3400Hz。

（4）清晰度要高

电话通信中，要保证一定通信质量，并不要求毫无失真地发出原来的声音，而是要求能听懂所传递的语言，要准确，清晰度要高。所谓清晰度，就是在发话端发出一定数量的无意义音节，在收听端由几个收听者记录听到的音节，统计其记录中正确接收的音节和发话端所发音节总和的百分比。清晰度能较客观地判断电话传输系统的质量。实验证明，电话系统如果传送信号频率为300～2 000Hz时，清晰度可达92%；如传送信号频率为300～3400Hz时，清晰度可达96%。现代电话通信系统选用的电话传输频带为300～3400Hz。

（5）速度要快

现代通信的关键是要准确快捷，在信息社会，时间就是效益。

2.公用交换电话网的产生

自从1876年贝尔发明电话以来，就产生了在一群用户之间互相通话的要求。由此，公用交换电话网应运而生。这里要明确两个不同网络的层次，即电话机终端的交换网络和交换机终端的交换网络。

（1）电话机终端的公用电话交换网络

① 全连接：全连接意味着网络中任意两个用户在需要时都可以直接进行通话。在用户数很少时，可以采用这种个个相连的全连接方法，加上相应的开关控制即可，但用户较多时，就行不通了。全连接存在以下缺点。

a.需用线对数增加。当用户数为N时，互连线对数为L = N（N − 1）/2。如当N = 8时，互连线就需要有28对，如图1-2所示。

b.对相距很远的两地，则需要大量的长途线路。

c.在N个终端基础上，每增加一个终端，就必须增设N对线路。这种全连接的方法很不经济，而且操作复杂，当 N 较大时根本无法实用化。由此，引入公用交换电话网的概念。

② 交换中心连接：把所有用户线都连到交换中心，由交换中心控制任意用户之间的接续，如图1-3所示。这种方法使每个终端都有一对连线引出，很经济，但交换中心工作负担却很重，且一旦出现故障，则全网瘫痪。由此，引出了部分交换的概念，如图1-4所示。

③ 部分连接：部分连接是一种分布式网络，是把交换任务分配到节点，同时适当增加链路。设节点数为 N，链路数为 L，分布式交换网络连接时设每个节点只与其余节点中的K个连接，K＜N − 1，则可以得到链路与节点之间的关系为：L = NK/2（N取偶数）。

电话交换机分人工和自动两大类。在人工交换机的接续中，建立和拆除通话连接均由话务员完成。而自动电话交换机的接续工作，是由主叫用户话机上发出的选择信号控制自动电话交换机的动作来完成的。

自动电话交换机的基本接续过程如下：主叫用户一经摘机，自动交换机立即进行识别，并为主叫用户连接好一个收号设备，同时向主叫用户送出拨号音。主叫用户听到拨号音后就可拨打被叫用户号码。交换机收到选择信号后，就控制交换网络选到被叫用户。交换机能自动测试被叫用户的忙闲，如被叫用户空闲，则向被叫用户送振铃电流和向主叫用户送回铃音；如果被叫用户忙，则向主叫用户送忙音。当被叫听到铃响摘机应答时，自动停止振铃，两用户即可通话。通话完毕挂机后，交换机自动拆线。

（2）交换机终端的公用电话交换网络

当电话用户分布的区域较广时，就要设置多个交换节点，交换节点之间用中继线相连。当交换的范围更广时，多个交换节点之间也不能个个相连，要引入汇接交换节点。长途电话网中的长途交换节点一般要分为几级，形成逐级汇接的交换网。

位于交换网边缘的交换机称为交换机终端。交换机终端的多层公用电话交换网络结构要比电话机终端的单层公用交换电话网络结构复杂得多，图1-5所示是固定电话网的基本形式。

① 网状网：网状网也称全互连网，是电话局间的直接中继，如图1-5（a）所示。在网中的每个电话局均有直达路由同所有其他电话局连接。这种网的优点是任何两个电话局之间的接续一般不需经过第3个电话局，接续迅速；当某两个电话局的中继线出故障时，又可组织迂回通信，并只需经过另一个局的转接就可完成接续，因此电路调度灵活，可靠性高。

② 星状网：星状网的结构如图1-5（b）所示。它设有一个中心局T，该中心局也称汇接局，其他各局至汇接局设有直达中继线，各局之间的通信都需经由汇接局转接，构成一辐射的形状，所以又称为辐射式电话网。

③ 复合网：复合网一般是网状网和星状网的综合，如图1-5（c）所示。

复合网以星状网为基础，在局间话务量小的时候采用汇接接续；在局间话务量较大时设置直达电路，构成部分直达式网。这是根据实际情况汲取上述两种基本形式的优点的组网方法。

从图1-5（c）可以看出，这种形式的网在H、I、J 三个汇接局之间采用网状网结构，而汇接局以下的各局分别采用星状网结构。它既提高了电路利用率，又有适当的灵活性，并且根据需要还可在局间话务量较大的F局和G局之间，设置直达电路，这种方法经济实用。

在这里要说明的是，固定电话网是一个统称，在固定电话网中还有本地电话网、长途电话网，相关内容将在第2章中介绍。

3.电话交换技术的发展过程

1918年美国首次使用架空明线开通载波电话通信。在美国，1921年开始出现汽车移动电话，1941年出现军用陆上移动电话通信。20世纪初中国清朝政府从国外购买通信器材，建立起电话通信。20世纪60～70年代期间，中国建成了具有一定规模的地下电缆载波通信网，并在20世纪80年代进一步完善网络的结构，改进和增强了通信网络的交换功能。应当明确，公用交换电话网的发展是与交换技术的发展密切相关的，也就是说，公用交换电话网发展的前提是交换技术和交换机的推陈出新。

自从电话问世以来，电话交换技术经历了从人工到自动、从机电到电子、从布控到程控、从空分到时分，以及从模拟到数字的发展过程。

（1）机电与电子交换技术

早期的电话交换设备都是采用机电式元件制造的，因而称为机电制交换机，如步进制、旋转制和纵横制交换机等。

机电制交换机体积大，噪声高，难于制造又易于磨损，存在不少缺点。在半导体等电子元件出现后，人们开始采用电子元件来制造电话交换机，以克服机电制交换机的缺点。电话交换机一般由控制部分和通话接续部分组成。起初，是用电子元件实现电话交换机中的控制部分，而通话接续部分仍采用机电元件实现，这种电话交换机称为半电子式的交换机。后来，随着技术的进步，通话接续部分也采用了电子元件，这种通话接续部分和控制部分都采用电子元件的交换机就称为全电子交换机。电子元件后来发展了集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路，这使得电子式交换机的体积更小、性能更优越。

（2）布控与程控交换技术

布控和程控是电话交换设备控制部分两种不同的实现方法。所谓布控是布线逻辑控制的简称，是指将交换机各控制部件按逻辑要求设计好，并用布线将各部件连好焊好，通电后交换机的各种功能即能实现的一种控制方法。早期的机电制交换机一般都只能采用布控方式，如纵横制交换机就是采用布控来实现其控制的。

程控是程序存储控制的简称，是指对交换机的控制先按一定逻辑要求设计成软件形式，存放在计算机的内存中，然后由这台计算机来控制交换机的各项工作。因此，程控交换机实质上就是用计算机来控制的交换机。采用存储程序控制方法具有很多优点，例如，它在修改交换机功能和增加新功能时，只需修改相应的程序，这比改动布线电路方便得多；又如采用程控方式后，存储功能集中，便于开发较多的新业务，而且可以采用公共信道信号，实现集中维护，集中计费等，并能适应现代电话网向综合业务数字网（Integrated Service Digital Network,ISDN）发展的要求。

（3）空分与时分交换技术

空分和时分是交换接续两种不同的实现方法。所谓空分，是指对各个通话接续分别提供空间，即实线通道的一种接续方式。它是通过入线和出线的交叉点闭合方式来进行接续的，如图1-6所示。图中任一入线可和任一出线接通，接通均在相应的交叉点上进行。如A点表示入线2与出线4＇ 接通；B点表示入线4与出线2＇ 接通。

时分接续是将许多用户经各自的接点复接到一个公共话路上，时间分割的概念就是在任一瞬间，接到公共话路上的接点只能闭合一对，其余的接点都呈断开状态，如图1-7所示。

图1-7中表示有n个用户，每个用户经过自己独用的一副开关接点接到公共话路上。如用户1和用户2要通话，应闭合K1和K2；如用户3和用户4要通话，应闭合K3和K4。即任意一对用户要通话，只需闭合相应接点。用户1和2，用户3和4在同一时间都可通话而又不互相干扰，如果在K1和K2闭合的同时，又将K3和K4闭合显然不行。这将使用户1和2，用户3和4都连到公共话路上，形成4个用户互相通话的现象。如将K1和K2,K3和K4这两对接点的闭合时间互相错开，即K1和K2闭合时，K3和K4不闭合；或K3和K4闭合时，K1和 K2不闭合，那么这两对用户既能通话而又不互相干扰。只要接点在时间上按顺序依次错开即可。

一般来讲，由空分实现的交换机其设备体积大且接续速度慢，而由时分实现的交换机其设备体积小且接续速度快。

（4）模拟与数字交换技术

模拟和数字广义上指包括传输、交换在内的通信过程，狭义上指反映交换接续的两种不同实现方法，即交换机的信号是模拟信号还是数字信号。

所谓模拟方式是指通过交换机交换接续的是模拟信号，通常模拟电信号由声波通过送话器变换而成。所谓数字方式是指通过交换机交换接续的是数字信号，即一系列由“0”和“1”组成的二进制信号。

通常，在模拟交换时采用二线制接续，因此反方向模拟信号也在这一接续中传送。数字交换一般采用四线制接续，来去方向数字信号分别通过两条途径传送。

模拟和数字与空分和时分又有什么关系呢？一般空分制只能采取模拟交换，这是因为作为空分制的机电元件（包括准电子元件）速度比较慢，不能适应数字交换的速度要求。时分制可以采取模拟交换，也可以采取数字交换，但实际上时分制主要是采取数字交换。

数字交换和模拟交换相比有很多优点，如数字信号的质量不会随传输距离加大而有所降低等。因此，从模拟向数字方向发展，是一种必然趋势。

1.2.2 专用电话通信网

专用通信网就其概念来说，它是政府各专业部门为专门用途而建立的内部通信网。专用通信网的设备性能一般与公用交换通信网相类似，但其覆盖的范围相对要小、专用性较强。例如军队使用的军用电话通信网，铁路部门使用的铁路通信网，高速公路通信网，电力通信网，气象通信网，还有特殊单位、企业内部使用的专用通信网，学校使用的校园网等。专用通信网是国家通信网的一个重要组成部分，有些是全面依托公用网，一切由电信部门提供；有些则租用公用网的电路，而其他相关的设备自备；有些是全部自行解决，相对独立、没有列入公网运行的专用通信网。

现代企业内部通信网不断发展，功能不断增强，目前使用较普遍的是内部Internet，就是Intranet。严格意义上Intranet是属于计算机网络的一种局域网（Local Area Network,LAN）。这种网络的特点是实现系统软、硬件资源共享，使网络上的用户共享大容量的存储设备，允许用户之间进行有关的信息交换，发挥高性能计算机的处理能力，提高工作效率。特别是进行分布式处理，选择网内最适合的资源来优化处理，对于大型问题采取合适的算法，将任务分散到不同的计算机上进行分布处理，具有解决复杂问题的能力。

1.2.3 移动电话通信网

移动通信是指双方或至少有一方在运动中所进行的信息交换，如移动体（车辆、船舶、飞机或行人）与固定体之间的通信，移动体与移动体之间的通信，均属于移动通信范畴。如寻呼、蜂窝移动电话、集群移动电话、无绳电话等移动通信方式，成为用户随时随地快速可靠进行各种信息（语音、数据等）交换的理想形式，给人们的工作和生活带来极大的便利。

1.移动通信网的发展

移动通信是在无线电通信的基础上发展起来的。1837年，S.P.B.莫尔斯发明了电报机，1854年，莫尔斯电报开始用于军事通信。20世纪初，陆军中装备了野战无线电台，海军中有了舰对舰、岸对舰无线通信。空军于1912年实现了空对地通信。第一次世界大战时，参战大国无线电台配备到营一级指挥所。1979年北欧移动电话公司（NMT）开发成功世界上第一个实用的蜂窝移动电话系统。1986年，爱立信公司在瑞典建成世界上第一个公用移动电话网。

20世纪90年代移动通信网得到了高速的发展。我国的移动通信网络发展很快，已成为目前世界上最大的移动通信网络。到2003年全国电话用户4.8亿户，其中固定电话2.407 5亿户，移动电话达到2.394 5亿户，移动电话与固定电话几乎平分秋色。目前在我国和全球，手机用户数都大大超过固定电话用户数。

2.移动通信系统构成

移动通信系统一般由移动台（MS）、基站（BS）、移动业务交换中心（Mobile Switching Center,MSC）以及与市话网（Public Switched Telephone Network,PSTN）相连接的中继线等组成，如图1-8所示。

移动台和基站设有收、发信机和天馈线等设备。移动台通过空中接口和分布设置的固定基站接入系统；每个基站都有一个可靠通信的服务范围，称为无线小区。无线小区的大小，主要由发射功率和基站天线的高度决定。通常，各基站均通过专用通信链路和移动业务交换中心相连，移动业务交换中心主要用来处理信息的交换和负责整个系统的集中控制管理。大容量移动电话系统可以由多个基站构成一个移动通信网，如图1-8所示。

由图1-8不难看出，通过基站、移动业务交换中心就可以实现在整个服务区内任意两个移动用户之间的通信；也可以经过中继线与市话局连接，实现移动用户和市话用户之间的通信，从而构成一个有线、无线综合的移动通信系统。

移动通信综合了无线通信、交换、信令、传输、数字信号处理等众多领域的技术，尤其是蜂窝式移动电话系统几乎汇集了上述所有技术。