程控交换机：分机、环路中继与磁石模块架构分析

程控交换机：分机、环路中继与磁石模块架构分析

1. 绪论：现代通信网络中的模拟接口技术

1.1 程控交换技术的演进与外围接口的恒定性

在通信技术逾百年的发展历程中，核心交换网络经历了从步进制（Step-by-Step）、纵横制（Crossbar）到存储程序控制（Stored Program Control, SPC）及现代软交换（Softswitch）和IMS（IP Multimedia Subsystem）的革命性演进。然而，作为通信网络神经末梢的“最后一公里”，模拟接口技术展现出了惊人的生命力与稳定性。尽管核心网传输速度已跃升至太比特级别，但在接入层，基于双绞线的模拟语音业务（POTS）依然是全球范围内最广泛、最可靠的基础通信手段。

程控交换机的外围接口层（Peripheral Interface Layer）承担着连接物理世界与数字世界的关键使命。它不仅要处理千差万别的电气特性——从标准电话机的阻抗匹配到铁路调度电话的高压磁石信号，还要在极其恶劣的电磁环境中（如雷击浪涌、电力线感应）保护核心交换矩阵的安全。分机模块（FXS）、环路中继模块（FXO）与磁石模块（Magneto）构成了这一层面的三大支柱，它们分别服务于用户终端接入、局间互联以及特殊专网通信。

1.2 报告范围与技术维度

本报告旨在对上述三种关键模块进行详尽的工程级剖析。分析维度涵盖：

1. 硬件电路架构：深入BORSCHT功能模型的物理实现，解析SLIC（用户线接口电路）与SLAC（用户线音频处理电路）的协同机制。
2. 信令协议逻辑：剖析环路启动（Loop Start）、地启动（Ground Start）及磁石振铃（Ring-down）的握手时序与电气特征。
3. 数字化映射机制：阐述模拟信号如何转换为PCM时隙中的语音数据及CAS（随路信令）ABCD比特，以及在SS7/ISUP信令网中的状态映射。
4. 行业应用与维护：结合铁路调度、军事野战通信等特殊场景，探讨磁石模块的不可替代性，并提供基于电气参数的故障诊断策略。

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2. 程控交换机外围层硬件架构体系

2.1 分层控制与分布式处理

现代大型SPC交换机（如西门子EWSD、阿尔卡特S12、华为C&C08等）普遍采用分布式控制结构。外围接口板通常驻留于外围机框（Peripheral Shelf）或接入模块（Access Module）中。每个外围机框配备独立的从处理器（Slave Processor）或微控制器，负责扫描端口状态、收集信令并控制板卡上的继电器与芯片。

外围板卡通过背板总线与机框主控通信，通常包含两条主要总线：

• PCM总线：用于传输64kbps的数字化语音时隙（Time Slot）。
• HDLC/控制总线：用于传输信令消息、告警信息及配置指令。

2.2 接口模块的通用电路模型

尽管FXS、FXO和Magneto模块的功能截然不同，但其物理电路设计遵循相似的隔离与防护原则。所有外围接口必须具备抵抗雷击、电力线搭接（Power Cross）的能力，并且必须在2线制模拟线路与交换机内部的4线制数字逻辑之间建立精确的转换界面（Hybrid Circuit）6。

下表概括了三种模块在交换机系统中的角色与电气特征差异：

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3. 分机模块（FXS）：BORSCHT功能模型的深度解析

分机模块，亦称为用户板（Subscriber Board），是交换机中数量最庞大的组件。其设计严格遵循电信工业界的黄金标准——BORSCHT模型。这七个字母代表了模拟用户线接口必须具备的七大核心功能：馈电（Battery）、过压保护（Overvoltage）、振铃（Ringing）、监视（Supervision）、编解码（Coding）、混合电路（Hybrid）和测试（Test）6。

3.1 B - Battery Feed（直流馈电技术）

3.1.1 负电压供电的物理基础

交换机必须向普通电话机（共电式话机）提供直流电源以驱动其通话电路。标准规定使用-48V直流电压（相对于地），这一标准源于早期电信工程的防腐蚀需求。在潮湿的地下电缆沟中，如果使用正电压，导线中的铜离子会在电解作用下向地层迁移，导致线缆迅速腐蚀断裂；而使用负电压，导线作为阴极，金属离子受到保护，极大延长了基础设施寿命。

3.1.2 恒流源与功耗管理

在空闲状态（On-hook），线路呈现开路状态，端电压接近-48V。当用户摘机（Off-hook），线路闭合，电流流过话机。SLIC（用户线接口电路）芯片必须精确控制这一电流。

• 恒流特性：为了保证通话质量并防止短线路（靠近交换机的话机）电流过大损坏设备，SLIC通常配置为恒流源模式，将环路电流限制在20mA至60mA之间（典型值为25mA）。
• 功耗挑战：对于短线路，外部电阻极小，大部分电压降落在SLIC芯片内部的晶体管上，产生大量热量。早期的SLIC采用巨大的散热片。现代SLIC（如Harris/Renesas HC-550X系列或Silicon Labs Si3210）采用开关电源技术或多级电压馈电（如自动切换到-24V），根据线路长度动态调整输出电压，从而大幅降低热损耗。

3.2 O - Overvoltage Protection（多级过压防护）

分机接口直接延伸至室外，极易遭受雷电感应或高压电力线接触。防护设计必须分级进行：

1. 初级防护（Primary Protection）：位于配线架（MDF）。使用气体放电管（GDT）或半导体放电管（TSS），当电压超过250V时瞬间导通，将大电流泄放入地。
2. 次级防护（Secondary Protection）：位于分机板卡入口。通常使用正温度系数热敏电阻（PTC）。当线路发生电力线搭接（如220V市电）引起持续大电流时，PTC发热导致阻值剧增（从几欧姆升至兆欧姆），从而切断电流，保护板卡不被烧毁。
3. 芯片级防护：SLIC芯片输入端集成瞬态抑制二极管（TVS）及二极管桥，能承受短时（微秒级）高达1000V的静电或残压冲击。

3.3 R - Ringing（振铃信号生成）

为了呼叫用户，分机模块必须产生足以驱动机械铃锤或电子振铃电路的高压交流信号。

• 信号特征：标准振铃电压为75Vrms至90Vrms，频率为20Hz（北美/日本）或25Hz（欧洲/中国）。该信号通常叠加在-48V直流偏置之上，以便在振铃期间通过直流分量检测用户摘机（截铃）。
• 生成机制的演变：
  • 传统方式：利用集中式的铃流发生器（Ring Generator）产生大功率交流电，通过板卡上的机械继电器（Ring Relay）切换到用户线。缺点是继电器触点易磨损，且产生电磁噪声。
  • 现代方式：高压SLIC芯片内部集成振铃合成电路。利用高压半导体工艺（如90V BCD工艺），直接由低压电源升压并调制出正弦波或梯形波振铃。这种方式消除了机械部件，且支持软件编程调整频率和幅度，甚至能针对不同用户设置个性化铃声（Cadence）。
• 零交叉切换（Zero-Crossing Switching）：为了减小切换高压时产生的射频干扰（RFI），控制电路会精确监测正弦波的过零点，仅在电压为零的瞬间接通或切断振铃信号。

3.4 S - Supervision（状态监视）

交换机需要实时知晓用户话机的状态（摘机、挂机、拨号）。SLIC内部集成了高精度的电流/电压比较器。

• 摘挂机检测：设定电流阈值（通常为10mA-15mA）。低于此值判为挂机，高于此值判为摘机。
• 脉冲拨号识别：对于老式转盘话机，拨号过程实际上是快速的断续（摘机/挂机）过程。SLIC必须能准确分辨10Hz的断续脉冲，并将其转换为数字并报告给CPU。
• 拍叉（Hook Flash）检测：用户在通话中短暂按下叉簧（通常300ms-1000ms）以请求呼叫转移或三方通话。软件算法通过检测电流中断的时长来区分“拍叉”与“挂机”，防止误断线。

3.5 C - Coding（编解码与PCM映射）

模拟语音信号（300Hz-3400Hz）在板卡上被数字化，以便进入中心交换网络。

• 量化算法：根据ITU-T G.711标准，采用非线性量化以在8位深度下获得高动态范围。北美和日本使用m u \\mumu-law（m u \\mumu律），欧洲、中国及其他地区使用A-law（A律）。分机模块的DSP或Codec芯片负责这种转换。
• 时隙分配：数字化后的64kbps码流被复用到PCM总线（如2.048Mbps的E1总线）的特定时隙（Time Slot）上。板卡控制逻辑负责时隙的动态分配与交换。

3.6 H - Hybrid（2/4线转换与回声消除）

这是模拟接口物理层最复杂的部分。

• 转换原理：模拟用户线是2线制（一对线同时传输发送和接收信号，全双工）。交换机内部的PCM链路是4线制（发送Tx和接收Rx是分开的通道）。混合电路（Hybrid）负责将2线信号分离为Tx和Rx。
• 回声产生与消除：理想情况下，混合电路能完全分离收发信号。但在现实中，由于用户线阻抗（受线路长度、线径、话机特性影响）是动态变化的，如果混合电路的平衡网络（Balance Network）与线路阻抗不匹配，接收端（Rx）的信号会泄漏到发送端（Tx），导致远端用户听到自己的回声。
• 技术实现：传统的变压器混合电路只能针对固定阻抗匹配。现代分机模块利用DSP实现自适应滤波器，实时计算线路的复数阻抗并调整滤波器系数，从而最大限度地抵消回声（即提高回声损耗ERL），保证长途通话质量。

3.7 T - Test（自动化线路测试）

为了降低运维成本，分机模块集成了线路测试功能。

• GR-909标准：现代SLIC芯片支持GR-909测试标准，能够在不派遣技术人员的情况下，检测线路的混线（Tip-Ring短路）、接地故障（Tip-GND漏电）、断线以及外接电压故障。
• 维护模式：在夜间闲时，交换机可自动轮询测试所有分机端口，生成线路健康报告，提前预警绝缘老化的线路。

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4. 环路中继模块（FXO）：局间互联的物理桥梁

环路中继模块（FXO）在电气特性上模拟一部标准电话机，用于连接PSTN局端或上级交换机的模拟用户口。尽管数字中继（E1/T1/ISDN PRI）是主流，但在许多边缘局点、企业PBX及应急备份线路中，模拟环路中继依然是关键的互联手段。

4.1 环路启动信令（Loop Start Signaling）

这是最基础的信令方式，主要用于家庭线路和小型商用线路。

• 物理机制：FXO模块平时处于高阻抗监视状态。当需要呼出时，模块内部闭合继电器，使Tip和Ring之间形成约600欧姆的直流回路。局端检测到电流后，发送拨号音。
• 振铃检测：FXO模块包含一个光耦隔离的交流电压检测电路。当检测到局端发送的20Hz/90V振铃信号时，电路触发中断通知CPU“有外线呼入”。
• 致命缺陷：Glare（碰撞）：环路启动信令无法检测“振铃前间隙”。当局端刚刚分配了一次呼入但尚未发送第一次振铃时，线路看起来是空闲的。如果此时FXO模块恰好发起呼出（闭合回路），双方都会认为自己占用了线路，导致呼叫碰撞（Glare）。用户会听到莫名其妙的声音或忙音。这一缺陷限制了环路启动在高话务量中继组中的应用。

4.2 地启动信令（Ground Start Signaling）

为了彻底解决Glare问题，大型程控交换机的中继模块普遍支持地启动协议。这是一种基于“握手”机制的协议，要求交换机与局端共地。

4.2.1 详细握手时序

1. 空闲态（Idle）：
   • 局端（CO）：Tip线开路（连接接地检测器），Ring线连接-48V电源。
   • 用户端（PBX/FXO）：Tip线连接接地检测器，Ring线开路。
2. PBX发起呼叫（Seizure）：
   • PBX的FXO模块将Ring线瞬间接地。
   • 电流流经局端的Ring线圈，局端检测到请求。
3. 局端确认（Acknowledgement）：
   • 局端确认线路可用后，将Tip线接地。
4. 连接建立（Connection）：
   • PBX检测到Tip线上的地电位（原为悬空或带电），确认局端已响应。
   • PBX移除Ring线的接地，并闭合Tip-Ring回路。
   • 局端检测到回路电流，发送拨号音。

• 防碰撞原理：如果局端想要发起呼入，它会先将Tip接地并发送振铃。PBX在发起呼叫前会先检测Tip线状态，如果发现Tip已被接地（表明局端占线），PBX就会等待，从而彻底避免了碰撞。

4.3 信号音检测与阻抗匹配

• 断开监督（Disconnect Supervision）：模拟线路缺乏明确的“对方挂机”数字信令。FXO模块必须依赖局端的**CPC（Calling Party Control）**信号——即局端在对方挂机后瞬间切断线路电压（通常500ms-1000ms）。FXO检测到电压跌落（Wink）后，自动释放线路。若局端不支持CPC，FXO往往会发生“咬线”故障（即通话结束后线路一直忙）。
• 复杂阻抗合成：不同国家对中继线阻抗有严格规定。例如，中国标准要求复数阻抗（200Ω+680Ω||0.1μF），而美国标准多为600Ω纯阻。FXO模块通过软件配置DSP的滤波器参数来合成特定的交流阻抗，以满足各国入网许可要求并消除回声。

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5. 磁石模块（Magneto）：专网通信的坚固基石

磁石通信（Magneto Telephony）虽然是最古老的电话形式之一，但因其不依赖中心供电、传输距离远、组网灵活，在铁路、矿山、石油及军事领域仍有大量应用。

5.1 磁石通信系统的独特机制

• 本地电池（Local Battery, LB）：磁石话机的通话电路（麦克风）由话机内部的干电池供电，而非交换机供电。因此，磁石模块的音频接口通常是单纯的变压器耦合，没有直流馈电能力。
• 手摇信令：呼叫信号由话机端的手摇发电机（或电子振荡器）产生，电压高达70V-100V AC，频率约20Hz。这种高压信号能穿透几十公里的劣质线路驱动远端的铃铛。

5.2 磁石模块的电路与逻辑设计

5.2.1 摇铃检测（Crank Detection）

磁石模块必须能识别远端传来的交流呼叫信号。

• 阈值与滤波：由于线路衰减，远端传来的信号可能低至20V。模块通常设置检测阈值为16Vrms。为了防止语音信号或工频干扰误触发，检测电路包含严格的带通滤波器（15Hz-30Hz）和积分电路（要求信号持续一定时间，如250ms，才判定为有效呼叫）。

5.2.2 信号生成与PLAR逻辑

• PLAR（Private Line Automatic Ringdown）：磁石模块最核心的应用模式。
  • 进线逻辑：当磁石用户摇铃，模块检测到信号，立即自动向交换机核心发送“摘机”消息，并由交换机自动拨打预设的热线号码（如调度台）。对于用户而言，摇铃即通调度，无需拨号。
  • 出线逻辑：调度台呼叫磁石分机，交换机指令磁石模块向线路发送高压铃流。模块可配置振铃节奏（如通1秒断2秒），直到对方摘机（检测到语音活动或人工应答）。

5.3 行业深度应用：铁路与军事

5.3.1 铁路总机电路（Omnibus Circuits）

铁路沿线通信具有特殊的拓扑结构：一条双绞线贯穿几十公里的区间，沿途并联多个车站或信号楼的话机。

• 选叫功能（Selective Ringing）：为了呼叫特定站点，调度系统采用编码振铃。例如，长铃代表群呼，短铃组合（如两短一长）代表呼叫特定站点。SPC交换机的磁石模块必须支持软件定义的振铃序列，通过控制继电器精确输出长短不一的铃流脉冲。
• 会议模式：在总机电路中，任何提起话机的人都能加入通话。磁石模块接入此类线路时，需具备高阻抗监听能力，避免拉低线路电平影响其他站点通话。

5.3.2 军事野战通信（Field Telephones）

如TA-312等经典野战电话广泛使用磁石模式。

• 数模融合：在现代战术通信网中，SPC交换机通过磁石模块连接前沿阵地的野战电话，将其模拟语音转换为IP数据包或PCM流，传回后方指挥中心。磁石模块在此充当了从二战技术到21世纪网络中心战的网关。

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6. 数字化映射：信令系统（CAS与SS7）

当模拟信号进入交换机内部，它们必须被抽象为标准的数字信令，以便在E1/T1链路或核心网中传输。

6.1 CAS（随路信令）的ABCD比特映射

在E1传输标准（G.704）中，第16时隙（TS16）专门用于传输话路的信令状态。每个话路分配4个比特（A, B, C, D）。对于模拟接口，这4个比特被用来编码线路的物理状态。

*注：具体比特定义随国家标准（如R2信令、贝尔标准）略有不同，上表为典型定义。

这种映射机制使得远端的另一台交换机能够“感知”到本地话机的摘挂机状态，仿佛物理线路被延长了一样。

6.2 SS7 (ISUP) 与模拟事件的互通

当模拟模块接入PSTN核心网时，其动作会触发SS7信令流程。

• 呼出流程：
  1. FXO模块检测到用户摘机拨号。
  2. 交换机收集号码，向核心网发送IAM (Initial Address Message)。
  3. 对方振铃，核心网回送ACM (Address Complete Message)，交换机向用户送回铃音。
  4. 对方应答，核心网回送ANM (Answer Message)，交换机接通语音通路并开始计费。
• 释放流程：
  1. 用户挂机，FXO检测到回路断开。
  2. 交换机发送REL (Release)消息。
  3. 核心网确认释放，回送RLC (Release Complete)。

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7. 工程维护与故障排查指南

由于模拟接口涉及复杂的物理线路，故障率通常高于纯数字接口。以下是针对三种模块的深度故障排查策略。

7.1 分机模块（FXS）故障诊断

• 杂音（Noise/Hum）：
  • 原因：线路绝缘层破损导致对地漏电，或线路平衡度（Longitudinal Balance）下降导致共模干扰（如50Hz工频）转化为差模噪声。
  • 对策：使用万用表测量Tip/Ring对地电阻（应>1MΩ）。检查混合电路平衡参数，必要时调整DSP的阻抗设置。
• 单通（One-way Audio）：
  • 原因：DSP通道故障或时隙交换错误。
  • 对策：复位板卡；检查软件的时隙分配表。
• 无法振铃：
  • 原因：线路过长导致压降过大，或是话机内振铃电容（通常1μF）老化短路。
  • 对策：在MDF处断开外线测试。若局内正常，则需检查外线长度是否超过模块驱动能力（通常限制在1500Ω环路电阻以内）25。

7.2 环路中继（FXO）故障诊断

• 咬线（Lock-up）：
  • 现象：通话结束后，中继线一直显示“忙”，无法释放，导致后续呼叫无法进入。
  • 原因：局端交换机未发送CPC信号（瞬时断电），或者FXO模块的CPC检测时间设得太长（如>500ms），而局端信号太短（如300ms），导致漏检。
  • 对策：调整FXO模块的Disconnect Threshold参数，使其更灵敏。
• 呼叫碰撞（Glare）：
  • 现象：高峰期频繁出现拨号后听到忙音或陌生人声音。
  • 对策：将信令方式由Loop Start改为Ground Start（需局端支持）。若不支持，可在软件中设置“出局防撞延时”，即在检测到线路空闲后，随机等待几秒再占用。

7.3 磁石模块（Magneto）故障诊断

• 摇铃不响/检测失效：
  • 原因：线路衰减过大，导致到达模块的电压低于16Vrms阈值；或者手摇发电机磁钢退磁，输出电压不足。
  • 对策：调低模块的检测灵敏度；检查线路接头氧化情况（氧化会增加电阻）；更换话机测试。
• 误振铃（False Ringing）：
  • 原因：线路上的感应电压或瞬态脉冲被误判为摇铃信号。
  • 对策：开启模块的频率过滤器（仅允许20Hz±5Hz通过）和时域滤波器（要求信号持续>300ms）。

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8. 结论与未来展望

程控交换机的分机、环路与磁石模块不仅是通信技术的历史见证，更是现代通信网络不可或缺的基石。它们通过精密的BORSCHT电路、复杂的信令状态机以及数字化的映射逻辑，成功地将百年前的模拟通信技术融入了21世纪的全光网络。

尽管VoIP、SIP Trunking正在逐步取代传统的模拟中继，但在电力、铁路、军事及偏远地区，由于既有基础设施的庞大存量及特殊的高可靠性需求，这些模拟接口技术将在未来数十年内继续发挥作用。对于通信工程师而言，深入理解这些模块的物理机制与信令逻辑，不仅是维护现网设备的必要技能，更是设计新一代综合接入网关（IAD/AG）和多业务接入节点（MSAN）的重要理论基础。通过将这些古老的接口IP化，我们正在赋予它们新的生命，实现从TDM到IP的平滑演进。

[报告结束]

引用的著作

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