PSTN线路长短线驱动切换方法

高计丰

（福建星网锐捷通讯股份有限公司，福建 福州 350002）

PSTN线路长短线驱动切换方法

高计丰

（福建星网锐捷通讯股份有限公司，福建 福州 350002）

为解决对公共交换电话网络（PSTN）用户线路长短不一难以驱动的问题，提出了一种自动测量用户线路长度和电路切换的方法。通过建立用户线路模型，并根据线路传输信号类型进行简化分析。利用直流算法测量出用户线路长度，并分别针对“振铃”、“馈电”两种不同用户线路状态进行电路和参数的切换。实验结果表明，本方法可以降低用户线路接口电路（SLIC）的功耗，延长用户线路距离，提升用户体验。

公共交换电话网络；用户线路接口电路；线路模型；自动切换；长短线

1 引言

随着光纤技术的发展，用户级交换机（PBX）被逐渐推进到用户端，PBX可放在室内、楼道或街道机房，线路长度可能为数米到十数千米。传统PBX的SLIC电路采用单一参数，无法兼顾长线可靠性和中短线效率。本文介绍了一种方法，通过建立用户线路模型，并简化分析，采用动态切换的方式，有效降低系统功耗，并提升长线振铃电压。

2 用户线路参数模型的建立和简化分析

2.1 用户线路模型的建立

典型的用户线路为对称的两端口模型[1,2]，可用图1所示的模型描述。

图1 用户线的分布参数模型

2.2 直流馈电状态下的分析

直流馈电（DC feeding）状态下，线路传输为直流电，用户线路模型中的分布电感和分布电容将不起作用，PBX的SLIC电路经过线路到话机之间的模型简化为图2所示。

图2 直流馈电下用户线的简化模型

其中R0为线路环路的总直流电阻。

依据导体电阻计算公式

ρ为电阻率，L为导线长度，S为导线截面积。

设线路为长10km，线径0.5mm铜导体，铜的电阻率ρ= 1.75×10-8Ω·m，计算出R0=1782Ω。

国家标准[3]对话机摘机状态直流电阻限定为不大于300欧姆，国家标准[4]对于PBX的环路电流限定为不小于18mA，计算出

SLIC芯片的馈电电源

其中VAS为芯片恒流所需的最低电压差，一般为5V左右，200i为芯片内阻产生的压降。可计算出所需要的VBAT最低为

SLIC因为VBAT的压降所产生的功耗

计算出，在用户线长为10km时，P=0.15W，用户线长0km时，P=0.72W。

从结果可以看出，用户线路长度差异较大时，芯片不可避免会在短线下产生较大功耗。

2.3 振铃状态下的分析

首先在振铃状态下，对线路模型进行简化。

振铃（ringing）状态下，国家标准[4]对于信号的频率要求为25Hz，首先计算该频率下的趋肤深度[5]

f为信号的频率，μ为材料的磁导率，σ为材料的电导率。算得d=1151m，远大于导线半径0.25mm。

25Hz信号对应的波长

线路长度L一般为最大10km尺度，L≪λ/100，因此在振铃状态下可不用考虑分布参数，采用集中参数计算也可以得到较为精确的结果。将用户线路模型简化为如图3所示。

图3 振铃频率下用户线的简化等效模型

电阻R0在2.2章节中算出。

电容C0采用[6]的公式计算

电感L0采用[7]的公式计算

其中，b为用户线长度，a为导体中心间距，r为导体半径用户端电压

设用户线为导体直径0.5mm，绝缘外径1.4mm。

设SLIC输出振铃信号频率25Hz，电压有效值为65V。用户侧REN=1。

计算在10km下，用户侧的电压有效值uL。

1REN对应RL=4.7kΩ，CL=20uF。根据式（8）算出C0= 0.16uF，根据式（9）算出L0=2.6uH，待入式（10）

uL=46V

经过长线传输后振铃电压有效值偏低。

3 基于直流馈电模型的线路长度检测和切换方法

3.1 现有的设计

输入电源通过Cuk电路产生Vring和VBAT供SLIC，Cuk电路适用于通信领域[8]。

图4 现有设计SLIC及用户线的拓扑模型

3.2 电路拓扑优化

在Cuk电路和SLIC中间加入受控Boost电路[9]，Cuk电路产生低电压再经过Boost电路产生高电压供SLIC。Boost电源停止工作时，输出电压近似等于输入电压，容易实现电压切换。

图5 改进设计的拓扑

3.3 检测及切换方法

直流馈电状态下，线路参数可简化为纯阻。恒流馈电下，容易测量并换算出线路长度。

在SLIC电路中设置一个电压表（SLIC芯片的线路管理功能可实现线路电压检测），在直流馈电的状态下测量SLIC输出端的电压。

检测及切换流程如图6，先设置SLIC的初始状态，置线路为直流恒流馈电，电流为i，等待电话摘机，电话机摘机后，线路进入恒流馈电状态，读取线路输出端电压u，判断u和VBAT的关系，当u和VBAT满足下面的关系时

即线路长度

Boost_En打开，SLIC使用VBATH和VRingH；反之则使用VBATL和VRingL。

图6 切换流程图

4 实验验证

4.1 实验芯片的选择

实验在ZL88601芯片上完成。ZL88601单芯片即可完成完整的BORSCH功能。其线路管理可以完成线路电压的测量。

图7 芯片ZL88601的框图

图7为ZL88601的框图。芯片的VBL为馈电使用的电压，VBH为振铃使用的电压，Supervision Processing模块实现线路的管理，包括线路电压的测量。

4.2 芯片的初始参数配置

4.2.1 直流馈电参数的设置

打开Microsemi的Profile Wizard软件，在DC_Feed_Parameters中将Active Mode Current修改为18mA。

4.2.2 振铃参数的设置

打开Ring_Signal_Parameters，设置Frequency为25Hz，并分别设置Voc为90V和100V两份Profile。

保存并生成18mA-90V的Profile1和18mA-100V的Profile2。

实验1中调用API-II的VpMpiCmdWrapper，将Profile1加载到ZL88601中。

实验2中依据流程图6设计一段程序，根据线路长度自动切换profile。当线路长度小于5km时，加载Profile1，当线路长度超过5km时，加载Profile2。

4.3 实验结果

首先进行实验电路的设计和参数的选择。分别设计两块电路，电路1中采用如图4所示的拓扑。电路2中采用如图5所示的拓扑，并采用流程图6所示的检测及切换流程。

各电压参数设计为：电路1的VBAT为47V，Vring为90V；电路2的VBATL为30V，VBATH为47V，VringL为90V，VringH为100V。

用户线路选择为导体直径0.5mm，绝缘外径1.4mm的线缆。

设置线路状态为馈电，保持用户话机摘机通话10分钟之后测量。测试位置为ZL88601芯片表面。线路长度单位为千米，测试结果单位为摄氏度。

表1 馈电芯片温度

设置用户线路状态为连续振铃，用户端接等效振铃数（REN）为1的电话机，使用电压表测量电话机侧的振铃电压有效值。线路长度单位为千米，测量结果单位为伏特。

表2 用户侧振铃电压有效值

5 结语

本文通过分析信号对于线路的影响，提出了简化的线路模型，在该模型的基础上分析了现有技术存在的芯片功耗过大和长线下振铃电压偏低的原因。

本文还提供了一种自动检测和切换的方法。从实验验证结果可以看出，对于线路长度不固定的情况，使用自动切换的方法，可以有效降低芯片功耗和提升长线振铃电压有效值。

[1]吴祖耀．用双端口网络理论求均匀传输线特性阻抗和传输常数[J]．电气电子教学学报，1998(3)：27-29．

[2]周守昌．电路原理（第一版）[M]．北京：高等教育出版社，1999．

[3]GB/T 15279—94自动电话机技术条件[S]．

[4]GB/T 14381—93程控数字用户自动电话交换机通用技术条件[S].

[5]牟迁绥，胡晓秋．趋肤效应实验研究[J]．大学物理，1995，14(11)：27-28．

[6]张清．两无限长平行直导线间电容的精确解[J]．安徽工业大学学报:自然科学版，2003，20(1)：84-86．

[7]籍延坤．"无限长"平行导体回路单位长度自感的精确计算[J]．太原理工大学学报，2004，35(3)：375-378．

[8]柏咏菊．一种实用的小程控交换机供电电源[J]．重庆邮电大学学报:自然科学版，1996(3)：75-79．

[9]张占松．开关电源的原理与设计（第一版）[M]．北京：电子工业出版社，2004．

AMethod of Long-short Line Drive Switching for PSTN

Gao Jifeng
(Star-net Communication Co.,Ltd,Fuzhou 350002,Fujian)

To solve the problem of driving different length of public switched telephone network(PSTN)subscriber line,a method of automatic measurement of subscriber line length and switching circuit is presented.By the construction of subscriber line model,the line model is simplified according to the type of signal.A DC algorithm is used to measure the length of the subscriber line.Circuit and parameter profiles are switched automatically according to different line state of“ring"and"feed".Experiments show that the proposed method can reduce the power consumption of the subscriber line interface circuit(SLIC),extend the subscriber line distance,and enhance the subscriber’s experience.

Public Switched Telephone Network；subscriber line interface circuit；line model；auto switching；long-short line

TN916.2

A

1008-6609(2016)07-0115-04

高计丰，男，江苏睢宁人，本科，工程师，研究方向：PSTN网络，IP通信网络，嵌入式系统。