Сайт о телевидении

Второй формой реализации многозвенной коммутационной схемы со звеньями пространственной и временной коммутации является структура, приведенная на . Эту коммутационную схему обычно называют схемой время - пространство - время. Информация, поступающая по каналу входящего тракта с ВРК , задерживается на входящем звене временной коммутации до тех пор, пока не будет найден соответствующий свободный путь через звено пространственной коммутации.

В этот момент информация будет передана через звено пространственной коммутации на соответствующее выходное звено временной коммутации, где она будет храниться до тех пор, пока не наступит временной интервал, в котором требуется осуществить передачу данной информации. Предполагая, что на звеньях временной коммутации обеспечивается полнодоступность (т. е. все входящие каналы могут быть соединены со всеми исходящими), при установлении соединения на звене пространственной коммутации можно использовать любой временной интервал. В функциональном смысле звено пространственной коммутации как бы повторяется (копируется) по одному разу для каждого внутреннего временного интервала Это иллюстрирует вероятностный граф схемы ВПВ , приведенный на .

Важной особенностью коммутационной схемы ВПВ , на которую следует обратить внимание, является то, что звено пространственной коммутации работает с разделением времени независимо от внешних трактов с ВРК . По существу, число временных интервалов работы звена пространственной коммутации l не должно совпадать с числом временных интервалов с внешних трактов с ВРК .
Если звено пространственной коммутации является неблокирующейся коммутационной схемой, то блокировка в схеме ПВП может возникать в тех случаях, когда нет свободных внутренних временных интервалов звена пространственной коммутации, в течение которых промежуточная соединительная линия, ведущая от входящего звена временной коммутации, и промежуточная соединительная линия, ведущая к исходящему звену временной коммутации, одновременно свободны. Очевидно, что вероятность блокировки будет минимальней, если число временных интервалов звена пространственной коммутации l будет выбрано достаточно большим. Действительно, проводя прямую аналогию с трехзвенными пространственными коммутационными схемами, схему ПВП можно считать неблокирующейся, если l=2c-1. Общее выражение для вероятности блокировки для коммутационной схемы ВПВ , отдельные звенья которой (В, П, В) являются неблокирующимися, имеет вид

Где - коэффициент временного расширения (l/с), l - число временных интервалов работы звена пространственной коммутации.
Сложность реализации ВПВ -коммутации можно рассчитать по следующей формуле

Cтруктура ВПВ более сложная, чем структура ПВП . Заметим, однако, что в коммутационной схеме ВПВ используется временная концентрация, а в схеме ПВП - пространственная. По мере того, как будет расти использование входящих соединительных линий, будет уменьшаться степень возможной концентрации. Если окажется, что нагрузка входящих каналов достаточно высока, то для поддержания заданного значения вероятности блокировки в коммутационных схемах ВПВ и ПВП необходимо вводить расширение соответственно в первой - временное, во второй - пространственное. Поскольку реализация временного расширения значительно дешевле, чем пространственного, то при высоком использовании каналов коммутационная схема ВПВ окажется более экономичной, чем схема ПВП . На приведены зависимости сложности реализации схем ПВП и ВПВ от использования входящих каналов.

Как видно из , коммутационные схемы ВПВ имеют четко выраженное преимущество перед схемами ПВП в области больших значений использования каналов. Для коммутационных схем малой емкости более предпочтительной оказывается структура ПВП . Возможно, что выбор конкретной архитектуры в значительно большей степени будет зависеть от других факторов, таких как модульность, простота организации тестирования, легкость наращивания емкости. Одним из моментов, который обычно выделяют, отдавая предпочтение структуре ПВП , является относительно более простые требования к организации управления схемами ПВП , чем схемами ВПВ . Для станций большой емкости с большой нагрузкой необходимость преимущественного использования структуры ВПВ становится совершенно очевидной. В подтверждение справедливости этого утверждения можно привести систему № 4 ESS со структурой ВПВ , которая является самой большой по емкости коммутационной схемой, построенной до настоящего времени.
Коммутационные схемы типа ВПППВ . Если звено пространственной коммутации схемы ВПВ оказывается достаточно большим по емкости, что приводит и к дополнительному увеличению сложности управляющего устройства, то для уменьшения общего числа точек коммутации звено пространственной коммутации заменяется многозвенной схемой. На приведена структура типа ВПВ , когда звено пространственной коммутации заменено трехзвенной схемой.

Поскольку три соседних звена являются звеньями пространственной коммутации, то эту структуру иногда называют коммутационной схемой ВПППВ. Сложность реализации схемы ВПППВ можно определить следующим образом:

Результаты показывают, что коммутационные схемы сверхбольшой емкости могут быть реализованы с использованием методов цифровою временного разделения на вполне приемлемом для практики уровне сложности. В середине 60-х годов стало очевидно, что на телефонной сети США необходимо использовать коммутационные схемы именно такой емкости. Поскольку для реализации сопоставимой с ними по емкости восьмизвеннои схемы пространственной коммутации потребовалось бы порядка 10 млн. точек коммутации, то традиционная технология, используемая при построении систем с пространственным разделением, была срезу же отвергнута, и фирма Bell System приступила к разработке системы № 4 ESS. Это была первая цифровая коммутационная система телефонной сети США, введенная в эксплуатацию в 1976 г. Система № 4 ESS (коммутационная схема типа ВПППВ) имеет емкость 107 520 соединительных линий, обеспечивает вероятность блокировки менее 0,005 при вероятности занятия канала 0,7 (11).

mstheme>

Ключи коммутации телефонных аппаратов (ТА) с линией являются, пожалуй, одним из наиболее сложных элементов сопряжения в микро-АТС.

Различают два вида коммутации:

По минусу питания схемы;

По плюсу питания схемы.

Комбинацией этих двух методов можно реализовать любой способ электрического (не механического) подключения ТА к линии. Рассмотрим их в отдельности.

На рис. 11 приведена простая схема ключа с использованием микросхемы 1014КТ1А по минусу питания.

В соответствии с параметрами микросхемы КР1014КТ1А, В, описанными в , схема обеспечивает надежную работу при максимальном токе коммутации до 110мА и импульсном напряжении до 200 В. Управляющее напряжение не должно превышать 3,5...5 В.

Достоинства схемы:

Высокое качество коммутации (сопротивление в открытом состоянии не превышает 10 Ом);

Простота схемного решения;

Совместимость с КМОП-логикой;

Сверхнизкое потребление по управляющему входу (устойчиво

переключается через сопротивление до 10 МОм). Недостатки схемы:

Невозможность простым схемным решением реализовать контроль за состоянием телефона (снята трубка или положена), что ограничивает применение этого способа коммутации.

На рис. 12 приведена схема коммутации по плюсу питания. Достоинством такой схемы является возможность увязки в схеме с общим корпусом различных узлов телефонной приставки: узла подъема трубки (контроля телефона), узлов коммутации, схемы обработки и пр. достаточно простым способом. Коммутационные свойства этой схемы так же высоки, так как в основе лежит токовый ключ 1014КТ1А.

Принцип работы заключается в следующем. При подаче на базу VT1 логической единицы напряжение на управляющий вход DA1 не подается. Емкость С1 разряжена, ключ DA1 закрыт, мост VD6...VD9 также закрыт, и телефонный аппарат изолирован от линии по плюсу.

При подаче на базу VT1 логического нуля напряжение телефонной линии за счет падения на VD4, VD5 и частично на диодах моста VD6...VD9 через резисторы R1, R2 поступает на управляющий вход 1 DA1. Цепочка VD2, С1 обеспечивает стабильность включения ключа при импульсных помехах на линии (например при наличии импульсов набора номера). Телефон включается по плюсу в линию.

Еще один способ коммутации ТА по плюсу питания схемы рассматривается в . На рис. 13 приведена схема ключа коммутации

с использованием оптопары АОТ101А. Диодно-транзисторный оптрон позволяет осуществить гальваническую развязку цепи управления и ключа коммутации, в качестве которого выступает транзистор КТ972А. Транзистор открывается напряжением с линии через R1, обеспечивая коммутацию ТА на линию. Следует отметить, что сопротивление в открытом состоянии у транзистора КТ972А несколько выше, чем у микросхемы 1014КТ1А, кроме этого, при наличии импульсов в телефонной линии открытое состояние транзистора поддерживается лишь за счет переходных процессов в полупроводнике. Это может несколько ухудшить соответствие схемы коммутации нормам ГОСТ . Для коммутации телефона либо разговорного ключа ТА, в описаны схемы импульсных ключей на составных транзисторах, приведенные на рис. 14, 15, 16.

Эти схемы применяются в телефонных аппаратах импортного и отечественного производства для формирования импульсов набора номера, но с таким же успехом их можно применять в любых телефонных приставках в качестве ключей коммутации по плюсу схемы.

Аннотация: Лекция посвящена общему описанию основных составляющих телефонной станции - коммутационным полям и устройствам управления, которые будут детально рассмотрены в дальнейших лекциях

Общие сведения о телекоммуникационных станциях

В данном разделе будут в основном рассмотрены станции, предназначенные для работы в телефонных сетях. Эти вопросы составляют основу телекоммуникации и изучались многие десятилетия. Существует ряд учебников (, , , ), которые являются базовыми при изучении данного материала, несмотря на то, что в настоящее время многие вопросы, изложенные в указанной литературе, необходимо адаптировать к современной технике. Развитие телекоммуникационной техники привело к интеграции, охватившей сначала сети информации (например, сети передачи речи и передачи данных), а потом соответствующие услуги. Вследствие набирающих силу интеграционных процессов ограничиться рассмотрением только задач передачи речи невозможно, поэтому будут рассмотрены и другие принципы коммутации и обработки информации. Основные принципы построения коммутационных станций не зависят от того, на какой базе (механические элементы или компьютерная техника) выполняются станции. Как мы увидим дальше, решения по построению станций диктуются в первую очередь экономическими и техническими требованиями, порождая таким образом возможность осуществлять новые услуги для абонентов.

Сегодня мы можем наблюдать большое разнообразие как телефонных станций, так и коммутационных узлов обработки информации. Однако все они содержат определенные группы устройств (рис. 1.1).

Рассмотрим задачи, выполняемые каждой из частей станции.

Коммутационное поле решает задачи соединения двух или нескольких источников между собой. На первых этапах внедрения телефонной техники эту роль играли электромеханические устройства на базе электромагнитных элементов. Эти базовые элементы определили названия для первых коммутационных систем:

• декадно-шаговая система Автоматических Телефонных Станций (АТС);
• координатная система АТС (АТС-К) или усовершенствованная АТС-К (АТС-КУ).

С появлением микроэлементной базы и развитием электронной вычислительной техники был разработан целый комплекс цифровых систем передачи и соответствующих цифровых систем коммутации. В настоящее время все больше задач коммутации выполняется совместно с задачами управления. Повышение быстродействия позволяет совместить эти задачи и тем самым приводит к дальнейшему прогрессу техники коммутации информации.

Управляющее устройство решает логические задачи, необходимые для установления соединения, а также выполняет работы, связанные с основными и дополнительными видами обслуживания. Первые системы АТС применяли управляющие устройства на базе электромагнитных реле, по сути представляющие собой медленные компьютеры. Число решаемых ими задач было ограничено вследствие их небогатых логических возможностей и большого времени выполнения. В дальнейшем, по мере развития микрокомпьютеров, для задач управления АТС стали применять универсальную компьютерную технику, и в настоящее время на ней реализованы все части телефонной станции. Поэтому наряду с существующими методами построения и управления сетей, характерными для традиционной телефонии, стали развиваться и получать все большее распространение методы, присущие компьютерным сетям (например, пакетная передача, адресная коммутация и т. п.). При переходе к управлению с помощью компьютеров появилась еще одна существенная составляющая - это программное обеспечение , которое берет на себя все задачи по управлению станцией (кроме физического и некоторых функций уровня звена данных).

Рис. 1.1.

Общая структурная схема современной станции с программным управлением (рис. 1.1) включает также:

• терминальные комплекты, обеспечивающие выполнение протоколов связи уровня звена данных и иногда физического уровня с абонентскими терминалами;
• линейные комплекты, выполняющие те же функции, что и терминальные, но по отношению к объектам сети (другие станции, узлы сети).

Рассмотрим более подробно структуру построения станций на примере телефонных станций. Особенности построения других объектов коммутации информации будут проанализированы отдельно.

Типы построения коммутационного поля

Однозвенное коммутационное поле

Для наиболее простого типа коммутационного поля - полнодоступного коммутационного поля - характерно, что каждый источник, включенный в его вход, может быть соединен с источником, включенным в выход.

Такой тип коммутационного поля применялся в станциях очень малой емкости (до 50 номеров и меньше). Но в последнее время прогресс элементной базы расширяет возможности его применения.

Предварительно можно сказать, что сейчас коммутаторы информационных сетей работают по однозвенному принципу, но постепенно современные коммутаторы, даже на базе программных маршрутизаторов, переходят к многозвенным схемам.

На рис. 1.2 приведено построение условной схемы коммутатора. На каждом пересечении горизонтали и вертикали коммутатора условно показан контакт, для простоты - механический.

Физический принцип реализации такого контакта может быть любым, в том числе и программно-адресным.

Рис. 1.2.

Такие полнодоступные принципы построения коммутационного поля не нашли широкого применения из-за их неэкономичности для станций большой емкости. Только в последнее время в связи с уменьшением габаритов и удешевлением микросхем, реализующих коммутаторы, стало возможным применять этот принцип для построения станций достаточно большой емкости (более 2000 входов/выходов). Но современные станции часто имеют большие емкости, до 300000 входов и 100000 выходов. В этом случае такая матрица просто не может быть выполнена, учитывая ее реальную цену и габариты.

В последнее время во многих важных приложениях для коммутации применяются программные способы, которые выполняются на компьютерах.

Эти способы коммутации эквивалентны способу с применением полнодоступной схемы. Но при больших емкостях один компьютер не может обеспечить обслуживание поступающих потоков вызовов ни по быстродействию, ни по объемам памяти. Поэтому на программном уровне требуется поиск решений, эквивалентных многозвенной коммутации.

Двухзвенные и многозвенные схемы коммутации

При большом числе пользователей более эффективны схемы коммутации, содержащие много звеньев. На рис. 1.3 приведена двухзвенная схема коммутации. Для определения областей применения сравним предыдущую и последующую схемы по числу требуемых точек коммутации.

Рис. 1.3.

На рис. 1.3 приняты следующие обозначения:

• n - число входов в матрицу звена A ;
• r - число матриц звена A ;
• m - число входов матрицы звена A ;
• s - число выходов матрицы звена B ;
• k - число выходов из матрицы звена B ;
• f - "связность".

Связность - это число промежуточных линий, которые соединяют одну определенную матрицу звена A с одной определенной матрицей звена В .

Пусть необходимо коммутировать N входов с M выходами. Тогда будут соблюдаться следующие условия: для полнодоступной коммутационной схемы число точек коммутации равно NM ;

Для неполнодоступной схемы коммутации число точек коммутации равно r (nm) + m/f (ks) .

Однако r (число коммутаторов звена A ) зависит от требуемого общего числа входов N и составляет

В то же время m/f (число коммутаторов звена B ) зависит от требуемого общего числа выходов M :

Тогда число точек коммутации неполнодоступной коммутационной схемы будет равно Nm + Ms .

Тем самым определяется условие: чтобы многозвенная коммутационная схема была более эффективна, чем однозвенная, число коммутационных точек в ней должно быть меньше, чем в полнодоступной:

NM > Nm + Ms 1 > m/M + s/N.

Последнему условию может соответствовать множество сочетаний параметров коммутационных схем , но для всех из них справедливо, чтобы соблюдались соотношения

Одним из популярных использований диодов является ослабление индуктивной "отдачи": импульсов высокого напряжения, возникающих при прерывании протекания постоянного тока через индуктивность. Возьмем, к примеру, простую схему на рисунке ниже без защиты от индуктивной отдачи.

Когда кнопка нажат, ток проходит через индуктивность, создавая вокруг нее магнитное поле. Когда кнопка отжимается, ее контакт разрывается, прерывая протекание тока через индуктивность и вызывая быстрое уменьшение магнитного поля. Поскольку напряжение, индуцируемое в катушке провода, прямо пропорционально скорости изменения магнитного потока во времени (закон Фарадея: e = NdΦ/dt), это быстрое уменьшение магнитного поля вокруг катушки создает "всплеск" высокого напряжения.

Если речь идет о катушке электромагнита, например, о соленоиде или реле, (сконструированной для создания физической силы при помощи магнитного поля при протекании тока), эффект индуктивной "отдачи" вообще не имеет никакой полезной цели. Фактически, он очень вреден для коммутатора, так как вызывает чрезмерное искрение контактов, что значительно сокращает их срок службы. Из практических способов уменьшения высоковольтного переходного процесса, возникающего при размыкании переключателя, нет более простого, чем так называемый коммутирующий диод, показанный на рисунке ниже.

Индуктивная отдача с защитой: (a) Ключ разомкнут. (b) Ключ замкнут, сохранение энергии в магнитном поле. (c) Ключ разомкнут, индуктивная отдача накоротко замыкается диодом.

В этой схеме диод подключен параллельно катушке, поэтому, когда постоянное напряжение будет подаваться на катушку через кнопку, он будет смещен в обратном направлении. Таким образом, когда катушка находится под напряжением, диод не проводит ток (рисунок выше (b)).

Однако когда ключ размыкается, индуктивность катушки реагирует на уменьшение тока индуцированием напряжения обратной полярности с целью поддержания тока той же величины и в том же направлении. Это внезапное изменение полярности напряжения на катушке смещает диод в прямом направлении, и диод обеспечивает путь для протекания тока катушки индуктивности, поэтому вся ее накопленная энергия рассеивается медленно, а не мгновенно (рисунок выше (c)).

В результате напряжение, наведенное в катушке резко ее уменьшающимся магнитным полем, довольно мало: просто величина прямого падения напряжения на диоде, а не сотни вольт, как было ранее. Таким образом, во время процесса разряда к контактам ключа прикладывается напряжение, равное напряжению батареи плюс примерно 0,7 В (если используется кремниевый диод).

В языке электроники термин коммутация относится к изменению полярности напряжения или направления тока. Таким образом, назначение коммутирующего диода состоит в том, чтобы действовать всякий раз, когда напряжение меняет полярность, например, на катушке индуктивности при прерывании протекания через нее тока. Менее формальный термин для коммутирующего диода - демпфер, поскольку "демпфирует" или "гасит" индуктивную отдачу.

Примечательным недостатком этого метода является дополнительное время, которое добавляет к разрядке катушки. Поскольку наведенное напряжение ограничивается до очень низкого значения, скорость изменения магнитного потока во времени сравнительно невелика. Помните, что закон Фарадея описывает скорость изменения магнитного потока (dΦ/dt), как пропорциональную наведенному мгновенному напряжению (e или v). Если мгновенное напряжение ограничено некоторым низким значением, то скорость изменения магнитного потока во времени будет также ограничена низким (медленным) значением.

Если катушка электромагнита "погашена" с помощью коммутирующего диода, магнитное поле буде рассеиваться с относительно низкой скоростью по сравнению с изначальным сценарием (без диода), где поле исчезает почти мгновенно после размыкания ключа. Количество времени, о котором идет речь, будет, скорее всего, меньше одной секунды, но оно будет заметно больше, чем без коммутирующего диода. Это может привести к неприемлемым последствиям, если катушка используется для приведения в действие электромеханического реле, поскольку реле будет иметь естественную "временную задержку" обесточивания катушки, и нежелательная задержка даже в доли секунды может нанести ущерб некоторым схемам.

К сожалению, нельзя одновременно и исключить высоковольтный переходной процесс индуктивной отдачи, и сохранить быстрое снятие намагниченности катушки: невозможно нарушить закон Фарадея. Однако, если медленное снятие намагниченности неприемлемо, можно достигнуть компромисса между переходными напряжением и временем, позволяя напряжению на катушке подняться до некоторого более высокого уровня (но не настолько высокого, как без коммутирующего диода). Схема на рисунке ниже показывает, как это можно сделать.

(a) Последовательно с коммутирующим диодом включен резистор. (b) Диаграмма напряжения. (c) Уровень без диода. (d) Уровень с диодом, но без резистора. (e) Компромиссный уровень с диодом и резистором.

Резистор, включенный последовательно с коммутирующим диодом, позволяет напряжению, наведенному катушкой, подниматься до уровня превышающего прямое падение напряжения на диоде, ускоряя тем самым процесс размагничивания. Это, конечно же, будет давать большее напряжение на контактах, и поэтому резистор должен быть такого номинала, чтобы ограничить переходное напряжение на приемлемом максимальном уровне.

При большом числе пользователей более эффективны схемы коммутации, содержащие много звеньев. На рис. 2.3. приведена двухзвенная схема коммутации. Для определения

областей применения сравним эту и предыдущую схемы по числу тре­буемых точек коммутации.

Рис. 2 Двухзвенная коммутационная схема

На рис. 2 приняты следующие
обозначения: -

я - число входов в матрицу

звена А; г - число матриц звена А; т - число промежуточных ли­ний между звеньями А и В; s - количество входов в матри­цу звена В; к- число выходов из матрицы

звена В; /- связность.

Связность - это число проме­жуточных линий, которые соединя­ют одну определенную матрицу зве­на А с одной определенной матри­цей звена В. Пусть необходимо коммутировать N входов с М выходами. Тогда будут соблю­даться следующие условия:

для полнодоступной коммутационной схемы число точек коммутации равно NM;

для неполнодоступной схемы коммутации число точек коммутации равно r{nm) + (m/f) (fa);

число коммутаторов звена А (г) зависит от требуемого общего числа входов N и составляет г = N/n;

Число коммутаторов звена В (m/f) зависит от требуемого общего числа выходов М, т.е. m/f=M/k.

Тогда число точек коммутации неполнодоступной коммутационной схемы будет равно Nm + Ms. Тем самым определяется условие того, что многозвенная коммутационная схема более эффективна, чем однозвенная: число коммутационных точек в ней должно быть мень­ше, чем в полнодоступной

Последнему условию может соответствовать множество сочетаний параметров комму­тационных схем, но для всех из них справедливы соотношения

т/М< 1 и s/N< 1 (гдеN, M, m, s 0).

Эти требования означают, что число выходов матрицы звена А не должно быть больше общего числа выходов всей коммутационной схемы М, а число входов звена В не должно быть больше общего числа входов в коммутационную схему N.

Такое условие выполняется для всех реальных задач. Число выходов матриц, которые используются для малых станций (100...500 входов и тот же диапазон числа выходов) варьи­руется от 4 до 8, а для больших емкостей (4000...300 000 входов и выходов) используются матрицы, имеющие 512 выходов. Из приведенных данных следует, что в современных теле­фонных станциях однозвенные коммутационные схемы во много раз менее экономичны, чем многозвенные. Однако небольшое число входов в коммутационную матрицу не позво­ляет построить коммутационную двухзвенную схему с достаточно большим числом выхо­дов. Для этих случаев применяются многозвенные схемы (рис. 3).

Рис. 3 Пример построения 4-звенной коммутационной схемы 512x512

На рис. 3 показан блок, содержащий 8 коммутационных матриц 8x8. Он имеет общее число входов N = 64 и выходов М = 64. Для увеличения числа входов и выходов строится схема из 8 блоков, которая позволяет увеличить число входов и выходов до N = М = 512.

Показанная на рис. 3 схема коммутации имеет равное количество входов и выходов, однако, для построения телефонных систем применяются различные типы блоков. Они различаются не только параметрами коммутаторов и числом каскадов, но и назначением. Например, известно, что уровень загрузки абонентских линий довольно низок (за исключе­нием таксофонов, линий с терминалами сети Интернет). В среднем они используются на 10-15%. Для межстанционных линий, стоимость которых очень высока, необходимо увели­чить интенсивность использования и тем самым снизить требования по числу линий, выде­ляемых для заданной группы абонентов. Поэтому для включения абонентских линий при­меняются специальные схемы с концентрацией (рис. 2.5).

Рис.4 Концентрация нагрузки на звене А: а) 2-звенная схема с концентрацией; б)пример создания матрицы с концентрацией

Для этого применяются матрицы, которые имеют число входов большее, чем число выхо­дов. Это может достигаться конструктивно или путем запараллеливания выходов (рис. 4). В цифровых системах коммутации широко применяются варианты, когда концентрация пу­тем запараллеливания делается на абонентских (терминальных) комплектах, что вносит до­полнительные удобства. При рассмотрении вопросов построения терминальных комплектов будут рассмотрены и такие варианты.