T接线器的时隙交换仿真教学提纲.doc

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HUBEI NORMAL UNIVERSITY

计算机科学与技术学院
College of Computer Science and Technolo

课 题 t接线器的时隙交换仿真
专 业 通信工程
班 级 1203 班
姓 名 张 豪
学 号 2012115020330

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目录
第1章 绪论 1
1.1 交换机 1
1.1.1交换的诞生 1
1.1.2交换机的发展与分类 1
1.1.3交换机的组成 1
1.1.4程控数字交换机的功能 2
1.1.5程控数字交换机的基本原理 2
1.1.6程控交换机的优越性与技术发展 3
1.2 MATLAB简介 3
1.3 C语言简介 4
第2章 接线器 6
2.1 空间接线器 6
2.1.1空间接线器的组成结构 6
2.1.2 空间接线器的工作方式 6
2.2 时间接线器 7
2.2.1时间接线器的组成结构 7
2.2.2时间接线器的工作方式 9
第3章 T接线器时隙交换原理的MATLAB仿真和C语言编程实现 11
3.1 T接线器时隙交换原理的MATLAB仿真 11
3.1.1 MATLAB仿真程序设计流程如下 11
3.1.2 MATLAB仿真程序 11
3.1.3仿真结果 12
3.1.4仿真结果分析 14
3.2 T接线器时隙交换原理的C语言实现 15
3.2.1 C语言程序设计流程 15
3.2.2 C语言程序设计 15
3.2.3 运行结果 16
3.2.4运行结果分析 17
3.3 两种实现方式的比较 17
第4章 总结 18
参考文献 19
第1章 绪论
1.1 交换机
1.1.1交换的诞生
1978年，美国人阿尔蒙.B.史端乔提出了交换的构想，其基本思想是将多个终端与一个转接设备相连，当任何两个终端要传递信息时，该转接设备就把这两个用户的有关电路接通，通信完毕再把相应的电路断开。我们称这个转接设备为交换机。交换机的出现不仅降低了线路投资，而且提高了传输线路的利用率。
1.1.2交换机的发展与分类
交换机的发展通常是由于交换技术或控制器的技术的发展而引起的。早期的交换设备有人工交换机、步进制交换机、纵横制交换机、空分式模拟程控交换机等，目前先进的交换机有时分式数字程控交换机、ATM交换机等。
按交换机的使用对象，电话交换机可分为局用交换机和用户交换机；按呼叫接续方式，可分为人工接续交换机和自动接续交换机；按所交换的信号特征，可分为模拟信号交换机和数字信号交换机；按接线器的工作方式，可分为空分交换机（接线器采用空间开关方式）和时分交换机（接线器采用时间开关方式）；按控制器电路的结构，可分为集中控制、分级控制和全分散控制。
1.1.3交换机的组成
一台程控数字交换机主要由交换网络、处理机控制系统和接口电路三部分组成。

图1.1 交换机组成结构框图
（1）交换网络
交换网络可看成是一个有M条入线和N条出线的网络。其基本功能是根据需要是某一入线与某一出线连通，提供用户接口之间的连接。此连接可以是物理的，也可以是逻辑的。物理连接指通信过程中，不论用户有无信息传送，交换网络始终按预先分配方法，保持其专用的接续通路；而逻辑连接即虚连接，只有在用户有信息传送时，才按需分配提供接续通路。
（2）接口电路
接口电路分为用户接口电路和中继接口电路，其作用是把来自用户线或中继线的消息转换成交换设备可以处理的信号。
（3）控制系统
控制系统是程控数字交换机工作的指挥中心，它由处理机、存储器、I/O接口等部件组成。控制系统的功能通常分为三级。第一级为外围设备控制级，主要对靠近交换网络侧的端口电路及交换机的其他外围设备进行控制，跟踪监视终端用户、中继线的呼叫占用情况，向外围设备送出控制信息。第二级为呼叫处理控制级，主要对由第一级控制级送来的输入信息进行分析和处理，并控制交换机完成链路的建立或复原。第二级的控制部分有较强的智能性，所以这一级称为存储程交换系统的各个部分进行状态检测或试验，诊断各种可能出现的故障，并及时报告输出序控制。第三级为维护测试控制级，用于系统的操作维护和测试，定期自动地对异常情况信息。控制系统三级功能的划分可以是“虚拟”的内在分工，仅说明逻辑控制关系；也可以是“实际”的物理分工，即分别设置专用或通用的处理机来完成不同的功能。
1.1.4程控数字交换机的功能
程控数字交换机的功能分为交换机业务功能和用户功能两类。
（1） 交换机业务功能
控制功能、交换功能、接口功能、信令功能、公共服务功能、运行管理功能、维护诊断功能及计费功能。
（2） 用户功能
程控交换机为用户提供了诸如缩位拨号、热线服务、呼叫转移、禁止呼叫等20多种服务功能。
1.1.5程控数字交换机的基本原理
程控数字交换机的基本原理是一种电路交换原理，主要包括以下三个通信阶段：
（1） 电路的建立阶段。通过呼叫信令完成逐个节点的接续，建立起一条端到端的通信电路。
（2） 通信阶段。在已建立的端到端的直通电路上，透明地传送和交换数字化的语音信息。
（3） 电路的拆除阶段。结束一次通信时，拆除电路连接，释放节点和信道资源。
1.1.6程控交换机的优越性与技术发展
与传统的交换机相比，程控数字交换机由于采用了存储程序控制（SPC）技术，不仅大大增强了呼叫处理的能力，增添了许多方便用户的业务，而且显著地提高了网络运行、管理和维护（OAM）的自动化程度。
（1） 程控数字交换机的优越性
能提供许多新的用户服务性能；维护管理方便，可靠性高；灵活性大；便于向综合业务数字网方向发展；可以采用公共信道信号系统（NO.7）；便于利用电子器件的最新成果，可使系统在技术上的先进性得到发挥。
（2） 程控数字交换机技术的发展趋势
软、硬件进一步模块化，软件设计和数据修改采用数据处理机完成；控制部分采用计算机局域网技术，将控制部分设计成开放式系统，为今后适应新的业务和功能奠定基础；在交换网络方面进一步提高网络的集成度和容量，制成大容量的专用芯片；在接口电路方面进一步提高用户电路的集成度，从而降低整个交换机的成本；加强有关智能网、综合业务数字网性能的开发；大力开发各种接口；通过专用接口，完成程控数字交换机与局域网LAN、分组数据网PDN、ISDN接入网AN以及无线移动通信网的互联；加强接入网业务的开发，实现电信网、有线电视网、计算机网三网合一，从而给人们提供以宽带技术为核心的综合信息服务。
1.2 MATLAB简介
MATLAB是一个高精度的科学计算语言，它将计算、可视化和编程结合在一个容易使用的环境中，在这个环境中，用户可以把提出的问题和解决问题的方法用熟悉的数学符号表示出来。经过多年的完善和发展，MATLAB除了原有的数值计算的功能之外，还具备了越来越多的其他功能。包括数值计算功能、符号计算功能、数据分析和可视化功能、Simulink动态仿真功能。
Matlab是一个交互式系统，它的基本数据单元是数组，这个数组不要求固定的大小，因此可以让用户解决许多技术上的问题，特别是那些包含矩阵和矢量算的问题。Matlab的指令表达与数学、工程中常用的习惯形式十分相似，Matlab的最重要的特征是它拥有解决特定应用问题的程序组，也就是TOOLBOX，如信号处理工具箱、控制系统工具箱、神经网络工具箱、模糊逻辑工具箱、通信工具箱和数据采集工具箱等许多专用工具箱。
MATLAB由主包和功能各异的工具箱组成，其最基本的数据结构是矩阵，也就是说，它的操作对象是以矩阵为单位的。随着MATLAB的并不断发展，和各种工具箱的不断发展，它已经成为一种功能强大的综合性的实时工程计算软件，广泛应用于各种领域。其主要特点如下：
（1）MATLAB语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。
（2）运算符丰富。由于MATLAB采用C语言编写，提供了几乎和C语言一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符能使程序变得极为简短。
（3）MATLAB既具有结构化的控制语句（如while循环，for循环，if语句和break语句），又有面向对象编程的特性。
（4）程序限制不严格，程序设计自由度大。
（5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在任何型号的计算机或操作系统上运行。
（6）MATLAB图形功能强大，具有较强的编辑图形界面的能力。
（7）MATLAB的缺点是，和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。
（8）功能强大的工具箱是MATLAB的另一大特色。MATLAB包含两部分：核心部分和可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱又可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及硬件实时交互功能。学科性工具箱是专业比较强的，用于多种学科。
（9）源程序的开放性。除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可根据对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。
1.3 C语言简介
C语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。因此，它的应用范围广泛，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。同时C语言是一种成功的系统描述语言和通用的程序设计语言，世界上很多著名的计算公司都成功的开发了不同版本的C语言，很多优秀的应用程序也都使用C语言开发的，它是一种很有发展前途的高级程序设计语言。C语言是一种中级语言，它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。同时C语言也是一种结构式语言，显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。C语言功能齐全适用范围大，适合于多种操作系统和多种机型.C语言对编写需要硬件进行操作的场合，明显优于其它解释型高级语言，有一些大型应用软件也是用C语言编写的。 C语言具有较好的可移植性，并具备很强的数据处理能力，因此适于编写系统软件，三维，二维图形和动画。它是数值计算的高级语言。 常用的C语言IDE（集成开发环境）有Microsoft Visual C++，Dev-C++，Code::Blocks，Borland C++，Watcom C++，Borland C++ Builder，GNU DJGPP C++，Lccwin32 C Compiler 3.1，High C，Turbo C，C-Free，win-tc 等。
第2章 接线器
数字交换实质上就是把PCM系统有关的时隙内容在时间位置上进行搬移，因此数字交换也叫做时隙交换。话音信号数字化后在PCM线上传输时，一个话路占用一个时隙（TS）。时隙交换就是把PCM入端某个时隙的信息交换到PCM出端得另一个时隙中去，程控数字交换机必须能够进行时隙交换。消息在不同时隙之间的相互交换是由数字交换网络完成的。数字交换网络由数字接线器组成。有两种形式的数字接线器即时间（T）接线器和空间(S)接线器。
2.1 空间接线器
空间交换单元也称为空间接线器，简称S交换单元或S接线器，用来完成对传送同步时分复用信号的不同复用线之间的交换功能，而不改变其时隙位置。
2.1.1空间接线器的组成结构
空间接线器由电子交叉矩阵和控制存储器（CM）构成。电子交叉矩阵采用开关阵列来实现。空间接线器所含的CM数等于入(出)线数，每个CM所含的存储单元个数等于入（出）线上的复用时隙数。每个存储单元为n位bit，且满足，其中N为入（出）线数。
2.1.2 空间接线器的工作方式
（1）空间接线器有两种控制方式，按输出线配置的输出控制方式，如下所示：

图2.1 输出控制方式的S接线器
输出控制方式是输出线和时隙选择输入线。图中，时隙7和输出线1选择输入线。
（2）按输入线配置的输入控制方式，如下所示：

图2.2 输入控制方式的S接线器
输入控制方式是输入线和时隙选择输出线。图中，时隙7和输入线2选择输出线。
因为每条复用线上具有若干个时隙，也即每条复用线上传送了若干个用户的信息，所以，输入复用线与输出复用线应在某一指定时隙接通。也就是说空间接线器不进行时隙交换，而仅仅实现同一时隙的空间交换。在同步复用信号的每一帧期间，所有控制存储器的各单元的内容依次读出，控制矩阵中各个交叉点的通断。输出控制方式的优点是某一输入线上的某一个时隙的内容可以同时在几条输出线上输出，即具有同发和广播功能。而在输入控制方式时，若在多个控制存储器的相同单元中写入相同的内容，只会造成重接或出线冲突，这对于正常的通话是不允许的。
2.2 时间接线器
对同步时分复用信号来说，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。因此，对用户信息的交换就是对时隙里内容的交换，即时隙交换。同步时分复用信号交换实现的关键是时隙交换。时间接线器用来完成在一条复用线上时隙交换的基本功能，可简称为T接线器。
2.2.1时间接线器的组成结构
时间接线器采用缓冲存储器暂存话音的数字信息，并用控制读出或控制写入的方法来实现时隙交换，因此，时间接线器主要由话音存储器（SM）和控制存储器（CM）构成。如下图所示：

图2.3 时间接线器
其中，话音存储器和控制存储器都采用随机存取存储器（RAM）构成。话音存储器用于寄存经过PCM编码处理的话音信息，每个单元存放一个时隙的内容，即存放一个8bit的编码信号，故SM的单元数等于PCM复用线上的时隙总数。控制存储器又称为地址存储器，其作用是寄存话音信息在SM中的单元号，如某话音信息存放于SM的5号单元中，那么在CM的单元中就应写入“5”。通过在CM中存放地址，从而控制话音信号的写入或读出。一个SM的单元号占用CM的一个单元，故CM的单元数等于SM的单元数，且每个单元所存储的内容是由处理机控制写入的。设CM每个单元的比特数为n，SM的单元数为N，则有,N为复用线上的时隙数。
在时隙交换过程中，各个输入时隙的信息在时钟控制下，依次写入话音存储器的各个单元，时隙1的内容写入第一个存储单元，时隙2的内容写入第二个存储单元，依次类推，控制存储器在时钟控制下依次读出各单元的内容，读至第j单元时，其内容i用于控制话音存储器在输出时读出i单元的内容，从而完成了所需的时隙交换。
输入时隙选定一个输出时隙后，由处理机控制写入控制存储器的内容在整个通话期间是保持不变的。于是，每一帧都重复以上的读写过程，输入TSi的语音信息，在每一帧中都在TSj中输出，直到通话终止。
2.2.2时间接线器的工作方式
若话音存储器（SM）的写入信号受定时脉冲控制，而读出信号受控制存储器（CM）控制，称其为输出控制方式，即SM是“顺序写入，控制读出”。反之，若话音存储器（SM）的写入信号受控制存储器（CM）控制，而读出信号受定时脉冲控制，称其为输入控制方式，即SM是“控制写入，顺序读出”。上述两种控制方式只针对话音存储器（SM），对于控制存储器（CM）来说，只有一种工作方式，是“控制写入，顺序读出”，即由CPU控制写入，定时脉冲控制读出。
（1） 输出控制方式

图2.4 输出控制方式原理图
对输出控制方式来说，其交换过程为：第一步，在定时脉冲控制下，将每个输入时隙所携带的话音信息依次写入SM的相应单元中；第二步，CPU根据交换要求，在CM的相应单元中填写SM的读出地址；第三步，在定时脉冲控制下，按顺序在输出时隙到来时，根据SM的读出地址，读出SM中的话音信息，从而完成交换。

（2）输入控制方式

图2.5 输入控制方式原理图
对输入控制方式来说，其交换过程为：第一步，CPU根据交换要求，在CM单元内写入话音信号在SM的地址上；第二步，在CM控制下，将话音信息写入SM的相应单元中；第三步，在定时脉冲控制下，按顺序读出SM中的话音信息，完成交换。
实际上，在一个时钟脉冲周期内，由RAM构成的话音存储器和控制存储器都要完成写入和读出两个动作，这是由RAM本身提供的读、写控制线控制，在时钟脉冲的正、负半周分别完成的。

第3章 T接线器时隙交换原理的MATLAB仿真和C语言编程实现
3.1 T接线器时隙交换原理的MATLAB仿真
3.1.1 MATLAB仿真程序设计流程如下

编程产生32位的随机信源即32位的0,1序列，并绘出随机信源的波形
产生随机的1~32的整数序列，即CM中存入SM的写入地址
在CM控制下，将话音信息写入SM的相应单元中
按顺序读出SM中的话音信息，即输出out，绘出输出序列波形
结束
开始

图3.1 MATLAB程序设计流程图
3.1.2 MATLAB仿真程序
（1）信号源产生函数
sig=randint(1,32); %生成1行32列的数组即32位的随机0、1序列
figure(1);stairs(sig)； %生成32位的随机0、1序列的波形；
axis([0 40 -0.1 1.1])； %定义横竖坐标范围；
（2）CM中时隙产生函数
CM=randperm(32); %生成随机排列的1到32的整数即SM的写入地址
CM
（3）SM的控制写入
SM=[]
For i=1:1:32
SM(1,CM(1,i))=sig(1,i); %完成交换
SM
end
（4）SM中的内容顺序读出
out=SM
out
figure(1);stairs(out)； %生成输出序列波形
axis([0 40 -0.1 1.1])； %定义横纵坐标范围
end
3.1.3仿真结果
（1）产生32位的随机0、1序列

（2）32位随机0、1序列的波形

图3.2 32位随机0、1序列的波形图
（2） CM中话音信息在SM中的写入地址

（3） 在CM控制下，将话音信息写入SM的相应单元

（4） 按顺序读出SM中的话音信息

（5） 输出0、1序列的波形

图3.3 交换后输出的随机0、1序列波形图
3.1.4仿真结果分析
首先编程产生32位的随机0、1序列，作为SM的话音信息。然后再编程生成1~32的随机排列的32个整数，存入CM中，作为话音信息在SM中的写入地址。，每一个CM单元对应一个SM中话音信息的写入地址，再编程实现在CM的控制下，将话音信息写入SM的相应单元中，即完成了交换。最后按时隙顺序读出SM中的话音信息。对程序的输出结果进行了核对检验，时隙交换后所得的结果正确，即所编写的MATLAB程序实现了T接线器输入控制方式时隙交换原理的仿真。
3.2 T接线器时隙交换原理的C语言实现
3.2.1 C语言程序设计流程
C语言程序设计流程如下所示：
产生32位随机0、1序列存入数组a[M]中，输出a[M]
从键盘输入随机排列的0到31的32个整数，存入数组b[M]中,输出b[M]
将数组b[j]的内容即话音信息在SM中的写入地址赋给变量x
在b[j]的控制下按顺序输出a[x]，完成SM的控制写入顺序读出
开始
结束

图3.4 总C语言程序流程图
3.2.2 C语言程序设计
（1）随机0、1序列生成程序
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<time.h>
#define M 32
main()
{
int I; /*定义一个整型变量*/
int a[M]; /*定义一个整型数组*/
srand((unsigned)time(NULL)); /*调用产生随机数的库函数*/
for(i=0;i<M;i++)
{
a[i]=(int)(rand()%2); /*将产生的随机数对2取余即得到随机0、1序列并存入数组a[M]中*/
printf("%d",a[i]); /*输出数组a[M]*/
}
}
(2)总程序
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<time.h>
#define M 32
main()
{
int i,x; /*定义整型变量*/
int j; /*定义一个整型变量*/
int a[M]; /*定义一个整型数组a[M]*/
int b[M]; /*定义一个整型数组b[M]*/
srand((unsigned)time(NULL)); /*调用产生随机数的库函数*/
for(i=0;i<M;i++)
{
a[i]=(int)(rand()%2); /*将产生的随机数对2取余即得到0、1序列并存入数组a[M]中*/
printf("%d",a[i]); /*输出数组a[M]*/
}
printf("\t");
for(j=0;j<M;j++)
scanf("%d",&b[j]); /*给数组b[M]赋值*/
for(j=0;j<M;j++)
printf("%d\t",b[j]);printf("\n"); /*输出数组b[M]*/
for(j=0;j<M;j++)
{
x=b[j]; /*将数组b[M]赋予变量x*/
printf("%d\t",a[x]); /*输出数组a[M]*/
}
}
3.2.3 运行结果
（1）产生32位随机0、1序列运行结果如下：

图3.5 产生随机0、1序列的运行结果图

（2）总程序运行结果

图3.6 总的运行结果图
3.2.4运行结果分析
首先调用随机数产生函数生成32个随机整数然后对产生的随机整数对2取余就得到32位的随机0、1序列即话音信息存入数组a[]中，然后输入0到31的32个随机整数作为控制存储器的内容存入数组b[]中，也就是话音存储器中话音信息的写入地址，一个b[j]对应一个a[x],在CM即b[j]的控制下，将话音信息写入SM的对应单元，最后按顺序读出SM中的话音信息。根据T接线器输入控制方式的时隙交换原理，对运行结果进行了检验，结果正确，即用C语言编程完成了控制写入顺序读出方式T接线器时隙交换。
3.3 两种实现方式的比较
用MATLAB仿真和用C语言编程实现T接线器输入控制方式的时隙交换，思路是一样的，只是实现方式不同。相对来说，MATLAB程序更为简捷，仿真结果也一目了然；C语言编程较复杂，但运行结果简单明了。总的来说，MATLAB和C语言是解决实际问题的两种不同的工具，各有所长，应根据实际需要具体选择。

第4章 总结
这次课程设计做的是T接线器时隙交换原理的仿真，且是输入控制方式，即SM是控制写入顺序读出的，课设时间为三周。第一周我们主要是通过上网和到图书馆找相关的资料，弄明白T接线器输入控制方式的时隙交换原理。老师也给了几篇文章，让仔细研究从中找出设计思路。虽然原理很清楚了，但是要如何编写程序来实现，就觉得思维很混乱，不知道从哪儿开始。一周时间都过了，没有一点思路，很着急。第二周老师来了，讲了设计思路，感觉有点眉目了，我们就开始着手编程序。但编写程序时又有困难了，老是纠结于用T接线器时隙交换原理的思路来编程，不知道怎么将T接线器输入控制方式的时隙交换的原理转换为MATLAB和C语言的编程思想来编写程序。MATLAB的程序还算顺利，修改了几次后，就出结果了。可C语言，就很麻烦了，我们将找的相关的程序和自己编的程序进行了整合，调试运行，可是运行好多次都没有预期的结果。尤其上火的是，程序调试没有错误，但就是不出结果。最后只有请教老师，在老师的帮助下，终于出现了预期的运行结果。当时，可真是高兴极了。
这次课程设计，我觉得我们做的好的就是用MATLAB和C语言两种方式都完成了T接线器时隙交换原理的仿真。这样，做的内容就不会很单一，还有就是两种方式可以进行对比。我们做的不好的就是在用C语言编写程序时，产生随机的0到31的32个整数的程序，用的是直接从键盘输入再输出，而不是用C程序产生。因为，我们找了好多产生随机整数的相关程序，进行了修改，可运行结果是随机整数有重复，每个数不是唯一的。然后又进行修改，运行的最好结果就是出现了按顺序排列的32个整数，不是随机的。我们试着打乱32个数的顺序，可是试了好多次，要么是程序出错，要么结果不正确。到最后，由于时间紧迫，还要写说明书，只好放弃了。其实，这次课设，我们有待于改善的主要就是T接线器时隙交换原理的仿真，还可以用MATLAB软件中的Simulink工具箱来完成。Simulink工具箱有相关的模块，可通过画模块图来仿真出结果。由于我们对MATLAB软件的运用还不熟悉，对Simulink工具箱中模块实现T接线器输入控制方式的时隙交换的原理理解的不深，做起来就存在很多问题。
每一次课程设计我都是很认真的去做，总想做的更好。这次课程设计，我还是从中学到了好多东西。首先是对T接线器时隙交换的原理理解的更深入。其次，重拾C语言，因为C语言学完都快两年了，现在又拿来编程，就得看看书，看看程序。对MATLAB软件又多了点儿练习，对MATLAB的编程思想有了初步的了解。再者就是，又多了个将所学习的理论知识应运于实践的能力的提高的机会。
最后，衷心的感谢贾科军老师和丁老师的悉心指导，同时也要感谢我们组的各位同学的热心帮助，有了你们的指导与帮助，我的课程设计才得以顺利完成。
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