电信交换

電信交換，又稱為電話交換或電話轉換。在電訊行業中，電話交換就是讓一個連接用電話進行通話的電子系統。中央處理室就是安置各種設備（包括電話轉換機）的場所，連接電話線路並且傳遞通話信息。
在電信領域，交換局或者中心局用於存放連接電話呼叫的交換機。它可以建立鏈路並中轉語音信息，使電話呼叫能夠運作起來。電信交換指的是由交換機提供的服務。
許多電信交換局是長途局，負責長途電話的轉接。每個長途局會分配兩個或三個數位的區號。以前區號對應於交換機的名字，例如869-1234代表TOwnsend 9-1234，在某些地方還可能代表TOWnsend 1234（撥號的時候只撥大寫的字母和數位）。
1930年12月，紐約市成為美國第一個使用兩個字母+五個數位格式的地區，在二戰以前一直獨此一家。此後美國其它地方開始套用這種格式（某些地區如佛羅里達從1930年代到1950年代早期的電話號碼只有六位數位，兩個代表交換機名字的字母後面跟四個數位，比如「DUnkirk 0799」）。直到1950年代中期，直接跟在名字後面的數位從不為「0」或「1」，事實上除了洛杉磯鄰近地區以外「0」根本就不使用（「BEnsonhurst 0」電話號碼前綴在The Honeymooners這部著名電視情景喜劇中作為一個虛構細節出現）。
1955年，貝爾系統試圖通過將用於各種號碼組合的名字組成「建議名字列表」來標準化命名的區號。1961年，紐約電話公司引入「已選字母」交換機制，頭兩個字母不再作為任意特定名字的開頭（例如「FL 6-9970」），隨後在1965年全國所有新入網電話號碼僅包含數位（威奇托福爾斯是美國第一個實現這點的，早在1958年就實現了）。但直到1970年代，現存的號碼仍沿用老方法。芝加哥一個地毯商常常用他的電話號碼「NAtional 2-9000」（國家 2-9000）在WGN電台做廣告；更不用說TYler 8-7100（泰勒村，德克薩斯一個鄉村）是一個底特律建築商的名字了。
直到1958年實施用戶長途撥號制（Subscriber Trunk Dialling，簡稱STD)之前，在英國多數地區不使用帶有字母的電話號碼。只有使用導向的地區（伯明罕、愛丁堡、利物浦、格拉斯哥、倫敦和曼切斯特）和與它們不相鄰的非導向地區是用字母撥號，這些交換局使用三個字母、四個數位的的格式，直到1968年全部改成數位。

歷史

1878年，康乃狄克州的紐黑文市開設了第一個電信交換局。交換板用「車身螺絲」製成，話筒蓋和電話繩連接著手柄。它可以同時處理兩路會話。（參見 美國國家公園服務）。
隨後，電話接線員開始處理一到數百個接駁板的組合。每個接線員座位周圍可能有一面到三面接駁板，板上是一排排¼英寸耳機插座，前面還有電話綫。每條綫都是一路電話線的端點。當發話方提起話機，對應的插座附近會有燈亮起，然後接線員可以拿起話筒然後詢問「電話號碼多少？」。隨後，如果電話號碼在他管理的範圍之內，就將插頭插進一個本地的插孔，然後受話方就開始響鈴了。如果不歸他管轄，他就插進一個交接電路。這時，可能在其他接駁板前面的接線員，也可能千里之外的另一個房間的接線員會進行下一步處理。
1891年3月10日堪薩斯州托貝卡的殯葬工阿爾蒙·斯特羅格發明了斯特羅格交換機，又名步進式交換機。這種設備將電話電路交換技術帶入自動化時代。儘管在原始的專利基礎上有許多擴充和改良，但最為人熟知的設計就是安排10層接觸器每個有10個不同輸出，圍成一個圓弧，然後圓心處設置一個連接到輸入的中心接觸器。當用於撥號電話時，每撥打兩個號碼，第一個號碼使中心接觸器升降到對應的一層，第二個號碼則使它轉動到該層對應的10個接觸器中某一個。
這些步進開關排成一排，其中第一個用來檢測「提機」的用戶線，稱為「線路發現器」，最多可檢測100條。線路發現器將用戶線連至一個「撥號音」線路，使用戶知道已經可以撥號。隨後用戶進行脈衝撥叫，速度為每秒10個脈衝左右（不同的國家有不同的規定）。
基於斯特羅格設計的交換機後來受到縱橫式交換機（又名縱橫制交換機）技術的挑戰。新式電話交換機保證更快的交換速度，並可以接受大約20脈衝每秒的撥號速度，比斯特羅格的10脈衝每秒高約一倍。使用雙音多頻（DTMF）信令的固體繼電器交換機（可以支持按鍵式撥號）在縱橫式交換機徹底取代步進式之前成為最後的贏家。在中國，儘管也有幾種縱橫制交換機（部分為自行研製）投入使用，但尚未普及即被更先進的程控交換機取代。
有一種從脈衝撥號到雙音多頻撥號的過渡技術使用DTMF「連接發現器」將DTMF轉換為脈衝，然後送到舊的步進式或者縱橫式交換機去。這種技術直到1990年代末仍在使用。

電話號碼趣聞

由於交換機之間的布線是固定的而且很難重新布線，某些大城市的電話交換局被用作專門處理北美洲標準的7位電話號碼中頭兩個或三個號碼相同的電話。在接駁板手工交換的時代過去以後，交換局們通常將交換局名字的頭兩位字母用作普通電話撥叫中該交換機的數位前綴。例如CAstle（22，城堡）、TRinity（87，三位一體）、Mutual（68，共聯）。某些號碼組合不服從這個命名約定，例如「57」、「95」和「97」，這是導致該命名系統最後被廢棄的因素之一。另一個因素是需要更多的號碼以防止區號不夠用。
因為步進式交換機的脈衝較費時，一個有很多8、9或者0的電話號碼意味著需要較長時間進行撥號。電話公司通常把這些「大」號碼分配給付費電話因為它們通常很少人撥打。
為測試鏈路中所有交換機的基本功能，全部由5組成的號碼（555–5555）作為特別的「測試」號碼被保留（正好位於交換開關排的上下左右中間）。「555」這個交換局號碼從來沒有實際分配過號，這就是今天的電視和電影節目總是使用555-xxxx的號碼的緣故（過去，這些節目常常用特定的後四位數位組合表達一些含義，例如西岸使用「0079」其他許多地方則用「9970」。例子如電視連續劇「Perry Mason」及1948年的電影「Sorry, Wrong Number」）。這樣，不可能用節目裡面的假號碼真的撥到某個人那裡去，於是避免了很多誤會。1982年搖滾樂手Tommy Tutone的歌曲867-5309/Jenny的歌詞暗示867-5309是一個名叫珍妮的女孩子的電話號碼，結果附加上各地的區號撥打這個電話號碼向珍妮問好儼然成為時尚，於是很多用戶收到很多不想要的呼叫。事實上，很多美國電話公司要麼不再使用這個號碼，要麼將它保留做測試用途。
然而，今天只有555-01xx開頭的可供虛構，其它的555號碼可以分配給「信息提供商」使用。副作用是可用的虛構號碼減少到只有100個，於是當初那些電影電視用過的號碼也被使用。「958」和「959」交換局也在多數地區被保留，於是只有很少公司或個人使用這些數位開頭的號碼（儘管這個事實不是很多人知道，因此很少人在虛構作品中使用這些號碼）。
葛倫·米勒管弦樂團演奏的作品「PEnnsylvania 6-5000」（賓夕法尼亞），剛好表示紐約賓夕法尼亞酒店的號碼。如果你想要撥打這個號，改撥(212)736-5000，一樣能找到該酒店。

人工接綫服務

人工服務的情況下，用戶摘機並請接線員接通某一號碼. 如果被叫號碼在同一個中心局, 接線員通過將線插入交換台上對應被叫用戶線的插孔來建立通話。如果通話是連到其他中心局，接線員則插入其他局的中繼線路，並要求該局接線員應答 (稱為「轉入」接線員)並建立通話。
各大城市多數人工交換局都是共電式的，電話線路由中心局供電，直到今天都是如此。當用戶提起話機，線路狀態轉變為提機，在接線員地交換台上面會有燈亮起，蜂鳴器響起。在一般的共電系統，從用戶電話機到交換機（或者人工交換局）的一對電纜在電話掛機或者空閒狀態時是開路的。從電話局穿過導線到達端點時，兩端有48伏直流電壓。當用戶提機，電話在兩條線之間加上一個直流阻抗。在人工交換過程里，通過提機狀態的電流會流過接線員控制台上的蜂鳴器和燈。蜂鳴器和燈告訴接線員，有個用戶提機請求服務了。如果連到交換機的時候，提機時則會通過合上一個繼電器使用戶線連至撥號音以及收號設備。
較小的城鎮裡，早期一般採用磁石電話，或者搖柄電話。用戶轉動搖炳發出電流激活呼叫狀態，通知接線員有呼入。在用戶家裡的電池提供會話所需電流。磁石系統直到1980年代末期仍在美國一些小鎮使用。
在有數百個中心局的大城市如紐約市，要花很多年才全部從人工轉變成撥號服務。在此過程中，為了將轉接到人工局的服務自動化，使用了一種能顯示用戶所撥號碼的特殊交換台。例如，如果MUrray Hill交換局的用戶拿起電話並撥打CIty Island交換局的用戶，用戶將不需要知道目標電話號碼是手工接線的。撥打該號碼會連接到CIty Island交換局的入線接線員，他能從交換台上看到電話號碼，從而將線路插入適當的插孔。

數位化以前的程控交換

程控交換，或撥號服務，在1900年代早期就已經出現。其目的是減少人工電話接線員。在程控交換出現以前，接線員必須對每一個電話呼叫完成連接的工作。現在幾乎所有地方的接線員都被程控交換所取代。電話交換機就是程控交換的神經中樞。它能將一個呼叫從一個電話路由到另一個，一般來說是公用交換電話網路（PSTN）的一部分。
本地交換機可以自動感應電話的提機狀態，並為該電話提供撥號音，接受脈衝或者DTMF號音，然後將呼入電話連接到同一個交換機的被叫電話，或者遠方的另一個交換機。
交換機隨後保持連接直到有一方掛機，此時連接斷開。對連接狀態的跟蹤稱為監控。也可以讓交換機集成更多的功能組件，例如計費設備等。
貝爾系統的撥號服務實現了一個名為「自動號碼識別」（ANI）的特性。ANI可以支持一些服務如自動計費、免費800號碼、以及911（緊急報警電話）等。在人工接線服務裡面，操作員可以根據交換台上亮起的燈在哪個耳機孔附近確定發話方是誰。在早期的撥號服務里沒有ANI。長途電話會由一隊操作員處理並且他們會詢問發話方的電話號碼，然後寫在紙質票據上面。
早期的交換機的部件包括馬達、凸輪、旋轉開關和繼電器等。某種程度上，交換機是繼電器邏輯的計算機。自動交換機有斯特羅格式（也稱為步進交換機）、全繼電器式、X-Y式、配電盤式以及縱橫式交換機等一些類型，統稱為機電式交換機。

機電信令

連接兩台交換機的電路稱為局間中繼。在七號信令以前，貝爾系統的機電交換機在美國的幹線上使用各種不同的電壓和信號音。這些在今天已經極少見到。
某些信令通過撥號數位通訊。早期的一種形式叫做配電盤呼叫指示脈衝，它使用一些非標準格式的脈衝來設置兩台配電盤交換機之間的呼叫。也許更通用的機電交換機間撥號數位通訊形式是發送撥號脈衝，它相當於反向發送的撥號脈衝，但在交換機之間的幹線電路上發送。在貝爾系統的幹線上，縱橫式交換機和縱橫式匯接器通常以20脈衝每秒的速度傳送。這個速度比北電/貝爾系統的電話撥號快一倍。由於交換機要花一半的時間偵聽聽數位，使用較快的脈衝速度可使幹線設施運作效率更高。DTMF不用於幹線信令。在數位化以前，多頻（MF）是最後一種信令形式。它用與DTMF不同的一套音調，但也是兩兩組合。撥號之前先撥一個特別的鍵脈衝（KP）信號，撥號完畢則補充一個開始（ST）。貝爾系統MF音調體系的一個編鐘成為CCITT標準。同一體系也用於美國和部分歐洲國家，包括西班牙。交換機之間傳輸的數位串常常被簡寫以便改善功能。例如，某個交換機可能只發送電話號碼的最後四位或者五位。有一種情況是，七位數位之前加上一到兩位以便區分兩個區號（每呼叫二位數位節約）。這可以增加幹線的效益且減少了對交換機上的數位收發器數目的要求。每台機電交換機都要用許多巨大的金屬部件製造。如果每一秒鐘都能分成兩半來使，就可以用更少的機架處理更多的話務量。
其它用於通訊監控或呼叫過程的信令還有E和M信令、單頻信令、奪位信令（RBS）等等。從物理連接而不是傳送的信號路數上，E和M信令的幹綫有四條綫。這樣交換機之間的五十條幹綫就需要一百對。這四條綫分別命名為「頂、鈴、眼、耳」。使用E和M信令時，為防止兩台交換機同時在同一幹綫上發起撥號呼叫，需要一個握手過程。握手協議開始於綫路電壓從地壓轉爲-48福特的時候。通過直流電壓的變化，本地交換機發送一個信號表示已經準備好接受呼叫，而遠程交換機就應答一個確認信息，表示即將發送撥號脈衝。這是通過繼電器邏輯和離散電子雪實現的。在幹綫電路上的這些電壓變化會導致用戶綫上聽到啵、嘎這樣的電流聲，表示握手協議一步一步進行中。另一種握手過程用來啓動計時，目的是計費。在受話方應答時它會導致另外一些雜音。
另一種常見的監視信令稱爲單頻信令或者SF信令。最常見的形式是利用一個固定2600Hz的聲音來標明幹綫處於空閒。當交換機聽到這個2600赫茲的聲音持續一段時間之後，就進入空閒狀態（對持續時間的要求可以減少出錯機會）。某些系統使用的聲音頻率超過3000赫茲，尤其是SSB頻率復用微波波段。在T-1數字載波上，數字的格式稱爲交替傳號反轉（AMI），有時候會通過從T-1數字流中奪取一些位來傳送信令。如果小心地設計，所奪去的位不會對於因質量造成影響。這可以在直流電不能夠持續供應時直接支持通過一個數字載波在兩個機電交換機之間發送E和M信令，或者脈衝撥號。

機電電話網中的各種聲音

機電交換設備的一個特點是維護人員可以聽見步進式的機械裝置和縱橫式的繼電器響聲。貝爾系統大多數中心局都有鋼筋混凝土結構，天花板和地板都是混凝土製成。在農村地區，某些小型交換設施例如通訊撥號局（CDOs）有時候放在鉄屋子裏。這些設施總是使用混凝土地板。這種堅實的表面會反射聲音。
在話務繁忙的時候，大型交換機處理呼叫時發出的喀噠聲達到讓人難以聽見彼此閒談話的程度。例如，在美國的星期一或者星期五傍晚大約五點鐘，金屬踫撞發出的嘎嘎聲就會讓你不得不提高説話音量。這種噪音聼起來就像是冰雹砸在金屬屋頂上的聲音。在周日黎明時分，呼叫處理可能會放慢下來，讓人能聽見單個的電話撥號和綫路接駁。另外的噪音來源是嗚嗚響的電源轉換器和嗡嗡叫的鈴聲發生器。某些系統中使用的WireSpring繼電器會發出連續而有節奏的「喀-喀-喀」聲音，這是正在產生重排（每分鐘120次）和忙（每分鐘60次）兩種信令。貝爾系統的電話網中，一般有警示鈴聲、鑼音、或者鈡聲等幾種告警聲音。它們可以在某些交換機部件發生故障時發出告警信號。還有一種噪音來源是：穿孔卡式故障報告系統是連接到交換機一般控制單元上的。這個故障報告系統會在卡片上根據一種內部調試代碼穿孔以記錄發生故障時的實際情況。

管理與維護

機電系統的維護一部分是直流電氣的，另一部分是機械調整的。不像現代的交換機，當電話撥通以後流過交換機的直流電流是持續的。話音會通過一條金屬組成的物理綫路進行傳輸。
在所有的系統中，都不希望用戶注意到由於維護工作失敗對服務質量的影響。許多「置忙」工具作爲部件加入到機電交換機中，當系統失敗的時候，就會將本交換機的所有受影響綫路標記為正在使用，以便交換邏輯路由到其他地方。TD工具起類似的作用，當用戶沒及時繳納話費的時候就會被臨時暫停服務。這會影響到用戶的局方設備（縱橫式）或者綫路組（步進式）。用戶可以接受呼叫但不能撥出。
貝爾系統的斯特羅格步進式交換局的維護工作一直持續著。他們需要不斷清洗。步進局裏設備面板上的指示燈用來提示操作員一些情況，例如保險絲斷了通常會亮白燈，或者什麽地方卡住了（比如一直保持提機狀態）一般亮綠燈。與較新式的技術相比，步進局更容易出現單點故障。
縱橫局使用更通用和一般的控制電路。例如，數字收發器（是來源暫存器這個組件的一部分）僅在需要接受用戶所撥號碼這段時間連接到呼叫上。縱橫式結構比步進式更靈活。後期的縱橫式系統具有穿孔式故障記錄系統。到1970年代，貝爾系統已經將為幾乎所有步進式和縱橫式交換機加裝自動號碼識別功能。

電子交換機

第一台電子交換機並不是數位的。西部電器的1ESS是一種使用金屬導綫的電子交換機。它使用了微處理器和存儲程序控制交換技術（SPC）。
修改電話號碼、測試或者對綫路置忙都是在電腦終端上輸入相應指令完成的。1ESS可以支持縱橫式電話交換機和步進式電話交換機所使用的正常機電信令。 這些交換機引入了一種新的數據通訊形式：兩台1ESS交換機可以互相通過一種稱爲公共信道局間信令（CCIS）的方法互相通訊。這種數據連接方法是七號信令系統的前身。
早期電子程控交換系統和機電式交換機並無本質區別，都採用空分話路交換，所交換的信號也全部為模擬信號。因此，這類程控交換機也叫做模擬程控交換機。

數位交換機

數位交換機根據所撥的電話號碼，將兩個或多個數位虛電路連接起來完成交換。在兩台交換機之間建立起呼叫需要用到七號信令協定（或其變種）。根據Federal Standard 1037C（美國國家標準）及MIL-STD-188（美國軍方標準），在美國和軍事通訊中，數位交換機是指執行數位訊號的時分復用交換的設備。1980年代以後建造的所有交換機都是數位的，所以這種術語上的區分是沒有差別的。本節描述數位交換機，包括算法和設備。
數位交換機在極短的時間片（一秒很多個）內對語音進行編碼。在每一個時間片，實時產生語音信號的數位表示方式。所產生的數位將被發送至接收端，那裡則反過來在接收端的電話中產生聲音。換句話講，當你使用電話時，你的聲音被編碼，然後在對方那裡重新產生聲音。在整個過程中，你的聲音只發生了非常小，一般只有幾分之一秒的延遲。換句話說，電話並不是真正的實時通訊，因爲聲音需要重新產生，但只延遲了非常短的時間。
每個本地環路電話線都連接到一個遠程集中器。集中器在很多情況下位於交換機所在的同一座建築。在集中器和電話交換機之間的接口由歐洲電信標準協會規範為V5協定。
某些電話交換機並不直接連接到集中器，而只用於和其他交換機連接。通常一個中心交換局裏面會有一個或多個複合機器被稱爲「載波級」交換機或者匯接器。
電話交換機通常由電信服務提供商或者「中轉商」擁有和運作，也會放在他們自己的建築物裏。但有時候獨立的企業或者私營商業單位也會在自己的地方放置自己的交換機，稱爲用戶交換機（PBX）。

交換機在電信系統中的地位

電話交換機只是龐大的電信網路中的一小部分。電話系統最艱巨的工作和最昂貴的部分是中心局外面的布線。早期的電信系統中，每個用戶號碼需要從交換機到用戶電話拉一根線。普普通通的一個交換局可能有數萬對線連接到終端盒上（稱為總配線架，MDF）。MDF有保護部件如放電管等防止電源線短路或者外部電壓過高等。典型的電話公司里有一個大資料庫跟蹤每一對用戶線。在1980年代貝爾系統的記錄系統電腦化之前，這些信息是用鉛筆寫在帳本上的。
為了減少外部電路的成本，一些電信公司採用「線對增容」設備來為用戶提供電話服務。這些設備用於在現有銅線已經用完或者在附近就有用戶時，可以減少銅線對的長度，並可以使用ISDN或者DSL這些數位服務。線對增容或者數位環路載波（DLC）放置在中心局以外，通常是在大用戶旁邊，距離中心局有一定距離的地方。
DLC常常指的是用戶環路載波（SLC），在朗訊為其綫對增容的專有設備起了專有名字之後，早期的SLC系統（SLC-1）使用模擬載波在中心局和遠端之間通訊。隨後的系統（SLC-96、SLC-5）和其他廠商的DLC產品如綫路卡可將模擬信號轉換為數字信號（使用PCM編碼）。這種數字信號可以通過銅綫、光纜或其他傳輸介質傳送到中心局。其他組件包括用以產生振鈴電流的振鈴發生器和備份電池等。
DLC綫路可以配製成通用的（UDLC）或者集成的（IDLC）。通用DLC有兩個終端，一個中心局終端（COT）和遠程終端（RT），其功能是一樣的。兩個終端都直接面對模擬信號，並將它們轉換成數字信號，並傳送到另一方。有時候，傳送是由獨立設備處理的。在集成的DLC裏，不用COT。相反，RT通過數字方式連接到電話交換機。這減少了所需設備的數量。某些標準如Telcordia的TR/GR-008和TR/GR-302涵蓋了DLC。
交換機也用於兩個中心局之間以及長途中心局中。

交換設計

相比於中心局，長途交換機可能使用較慢但更有效的交換分配算法，因爲它們的輸入輸出通道使用率接近100%。中心局則有超過90%的通道容量閒置。
傳統電話交換機連接到物理電路（即綫對），現代電話交換機則使用多路設備和時分交換技術。換句話說，每條語音通道是在一條物理綫對（用A或者B表示）上面的時隙（用1或者2表示）。爲了把兩條語音通道（例如A1和B2）連接起來，電話交換機會將A1和B2上面的信息進行交換，如果交換機同時具有這兩條物理連接和時隙的話。為了做到這點，它需要在時隙和連接之間以每秒鐘8000次的速度交換數據。這是在用於循環處理當前連接的電子列表的數字邏輯電路控制之下進行的。利用這兩種類型的交換技術使現代交換機比不使用多路和時分技術的交換機體積減少很多。
交換機結構使用更小、更簡單的子交換機組成奇數個層次。每一層的每個子交換機互相連接，然後與下一層的子交換機連接。多數的設計中，物理交換層與時間交換層是交錯的。這些層的負載是平衡的，因爲電話系統裏面主叫方同時也可以充當受話方。
時分交換機讀取將一個時隙循環完整讀入記憶體，然後以不同的順序寫入，同樣是在一個循環電腦記憶體的控制下。這會導致一些信號延遲。
多路交換機交換的是電路，常常使用非阻塞最小跨度交換的某種變體，或者使用交叉直通交換機。

完全連接網路

爲了確保電話連接總能成功，一種方法是建造完全連接網路，也就是所有的交換機之間都互相互聯。這種方法通常用於中心局內部的交換機，其資源利用率較低。

Clos非阻塞交換算法

子交換機之間的層閒連接是交換系統中的短缺資源。控制邏輯必須分配好這些鏈接，多數交換機通過一種可容錯的方法實現。參見非阻塞最小跨度交換裏面關於查理斯·克魯斯算法的討論，它用於許多電話交換機，並也許是現代工業中最重要的算法之一。

容錯性

組合交換機本質上有很好的容錯性。如果一個子交換機崩潰，控制電腦會在周期性檢測過程中發現。然後電腦會將所有到該子交換機的鏈接標記為「佔用」。這可以防止新的呼叫進入該交換機，也不會中斷還在通話的呼叫。這樣，在這些呼叫結束後，子交換機就不再使用了。一段時間之後，就會有技術人員來更換電路板。下一次測試如果能成功，到這個修理好的子交換機的連接將被標記為「空閒」，於是交換機恢復所有功能。
爲了防止一些檢測不出的錯誤，交換機內所有層間的鏈路通過一個先進先出隊列進行分配。這樣，如果有用戶提機並重撥，他們就會由子交換機之間不同的鏈路服務。後進先出的鏈路分配可能導致用戶老是撥號失敗。