Поперечный переключатель - Crossbar switch

Электромеханический переключатель перекладины в офисной АТС

В электронике и телекоммуникациях , A координатный коммутатор ( кросс-точка переключения , матричный переключатель ) представляет собой набор переключателей , расположенных в виде матрицы конфигурации. Поперечный переключатель имеет несколько входных и выходных линий, которые образуют перекрестный узор из соединительных линий, между которыми может быть установлено соединение, замыкая переключатель, расположенный на каждом пересечении элементов матрицы. Первоначально перекладина переключателя состояла буквально из пересекающих металлических стержней, которые обеспечивали входные и выходные пути. Более поздние реализации достигли такой же топологии переключения в твердотельной электронике . Поперечный переключатель - это одна из основных архитектур телефонных станций , вместе с поворотным переключателем , переключателем памяти и кроссоверным переключателем .

Общие свойства

Поперечный переключатель - это набор отдельных переключателей между набором входов и набором выходов. Переключатели расположены в матрице. Если на перекрестном переключателе есть M входов и N выходов, то перекладина имеет матрицу с M × N точками пересечения или местами пересечения соединений. В каждой точке пересечения есть переключатель; в закрытом состоянии он соединяет один из входов с одним из выходов. Данная перекладина представляет собой однослойный неблокирующий переключатель. Неблокирующий переключатель означает, что другие одновременные подключения не препятствуют подключению других входов к другим выходам. Наборы перекладин могут использоваться для реализации многослойных и блокирующих переключателей. Система переключения перекладины также называется системой переключения координат.

Приложения

Поперечные переключатели обычно используются в приложениях обработки информации, таких как телефония и коммутация каналов , но они также используются в таких приложениях, как механические сортировочные машины .

Матричная компоновка перекрестного переключателя также используется в некоторых полупроводниковых запоминающих устройствах, которые обеспечивают передачу данных. Здесь стержни представляют собой очень тонкие металлические провода, а переключатели - плавкие вставки . Предохранители перегорают или размыкаются при высоком напряжении, а считывание - при низком напряжении. Такие устройства называются программируемой постоянной памятью . На конференции NSTI Nanotechnology в 2008 году был представлен доклад, в котором обсуждалась реализация схемы сложения в наномасштабе, используемой в качестве альтернативы логическим вентилям для вычислений.

Матричные массивы являются основой современных плоских дисплеев. Жидкокристаллические дисплеи с тонкопленочными транзисторами имеют транзистор в каждой точке пересечения, поэтому можно рассматривать их как часть своей структуры с перекрестным переключателем.

Для коммутации видео в домашних и профессиональных кинотеатрах перекрестный переключатель (или матричный переключатель, как его чаще называют в этом приложении) используется для распределения вывода нескольких видеоустройств одновременно на каждый монитор или каждую комнату в здании. В типовой установке все видеоисточники расположены в стойке для оборудования и подключаются как входы к матричному коммутатору.

Там, где центральное управление матрицей практично, типичный матричный коммутатор для монтажа в стойку предлагает кнопки на передней панели, позволяющие вручную подключать входы к выходам. Примером такого использования может быть спортивная панель , где одновременно отображаются несколько программ. Обычно в спортивной панели устанавливается отдельная настольная приставка для каждого дисплея, для которого требуется независимое управление. Матричный переключатель позволяет оператору направлять сигналы по своему желанию, так что достаточно только телеприставок, необходимых для покрытия общего количества уникальных программ, которые будут просматриваться, при этом упрощая управление звуком из любой программы в общей звуковой системе.

Такие переключатели используются в домашних кинотеатрах высокого класса. Обычно совместно используемые видеоисточники включают телевизионные приемники или DVD-чейнджеры; та же концепция применима к аудио. Выходы подключены к телевизорам в отдельных комнатах. Матричный коммутатор управляется через соединение Ethernet или RS-232 с помощью контроллера автоматизации всего дома, например, произведенных AMX , Crestron или Control4 , который предоставляет пользовательский интерфейс, который позволяет пользователю в каждой комнате выбирать, какое устройство использовать. смотреть. Фактический пользовательский интерфейс зависит от марки системы и может включать сочетание экранных меню, сенсорных экранов и портативных пультов дистанционного управления. Система необходима для того, чтобы пользователь мог выбрать программу, которую он желает смотреть, из той же комнаты, из которой он будет ее смотреть, в противном случае им пришлось бы идти к стойке с оборудованием.

Специальные перекрестные переключатели, используемые при раздаче сигналов спутникового телевидения, называются мультисвичами .

Реализации

Исторически перекрестный переключатель состоял из металлических стержней, связанных с каждым входом и выходом, вместе с некоторыми средствами управления подвижными контактами в каждой точке пересечения. В конце 20-го века эти буквальные перекрестные переключатели пришли в упадок, и этот термин стал использоваться в переносном смысле для прямоугольных матричных переключателей в целом. Современные переключающие планки обычно реализуются с использованием полупроводниковой технологии. Важный новый класс оптических перекладин реализуется с помощью технологии MEMS .

Механический

Тип телеграфного обмена середины 19-го века состоял из сетки вертикальных и горизонтальных латунных стержней с отверстиями на каждом пересечении. Оператор вставил латунный штифт, чтобы соединить одну телеграфную линию с другой.

Электромеханическое переключение в телефонии

Поперечный переключатель телефонии - это электромеханическое устройство для коммутации телефонных звонков. Первой разработкой того, что сейчас называется поперечным переключателем, был переключатель координат компании Bell Western Electric 1915 года. Чтобы сэкономить деньги на системах управления, эта система была организована по принципу шагового переключателя или переключателя, а не по принципу связи. Он мало использовался в Америке, но шведское правительственное агентство Televerket разработало его собственный дизайн (дизайн Gotthilf Betulander с 1919 года, вдохновленный системой Western Electric), и использовал его в Швеции с 1926 года до оцифровки в 1980-х годах на малых и средних предприятиях. -размерные переключатели модели А204. Конструкция системы , используемая в AT & T Corporation «s 1XB перекладины биржах, который вступил коммерческую эксплуатацию с 1938, разработанной Bell Telephone Labs , была вдохновлена шведским дизайном , но была основана на принципе вновь открытой связи. В 1945 году аналогичная конструкция шведского Televerket была установлена ​​в Швеции, что позволило увеличить мощность коммутатора модели A204. Задержка из-за Второй мировой войны, несколько миллионов городских линий 1XB были проложены с 1950-х годов в Соединенных Штатах.

В 1950 году шведская компания Ericsson разработала собственные версии систем 1XB и A204 для международного рынка. В начале 1960-х годов продажи линейных переключателей компании превышали продажи их вращающейся системы с 500 переключателями, если судить по количеству линий. Переключение поперечин быстро распространилось по всему миру, заменив самые ранние конструкции, такие как Strowger (пошаговая) и панельные системы, в более крупных установках в США. Выйдя из полностью электромеханического управления при внедрении, они были постепенно доработаны, чтобы иметь полностью электронное управление. управление и различные функции вызова, включая короткий код и быстрый набор. В Великобритании компания Plessey произвела ряд перекрестных коммутаторов TXK , но их повсеместное развертывание почтовым отделением Великобритании началось позже, чем в других странах, а затем сдерживалось параллельной разработкой язычковых реле TXE и электронных систем обмена, поэтому они никогда не работали. достигли большого количества подключений клиентов, хотя и добились некоторого успеха в виде тандемных коммутаторов .

Поперечные переключатели используют матрицы переключения, состоящие из двумерного массива контактов, расположенных в формате xy. Эти коммутационные матрицы управляются серией горизонтальных стержней, расположенных над контактами. Каждую такую ​​полосу выбора можно раскачивать вверх или вниз с помощью электромагнитов, чтобы обеспечить доступ к двум уровням матрицы. Второй набор вертикальных удерживающих стержней установлен под прямым углом к ​​первому (отсюда и название «перекладина») и также управляется электромагнитами. На отдельных стержнях есть подпружиненные проволочные пальцы, которые позволяют удерживающим стержням управлять контактами под стержнями. Когда электромагниты выбора и затем удержания работают последовательно для перемещения стержней, они захватывают один из пружинных пальцев, чтобы замкнуть контакты ниже точки пересечения двух стержней. Затем это устанавливает соединение через коммутатор как часть настройки пути вызова через коммутатор. После подключения магнит выбора затем освобождается, чтобы он мог использовать другие пальцы для других подключений, в то время как удерживающий магнит остается под напряжением на время вызова для поддержания соединения. Интерфейс коммутации с перекрестной панелью именовался переключателем TXK или TXC (перекрестная панель телефонной станции) в Великобритании.

100-позиционный шестипроводной поперечный переключатель Western Electric типа B

Однако в 1960-х годах было произведено наибольшее количество поперечных переключателей Bell System Type B. Большинство из них были переключателями на 200 точек, с двадцатью вертикалями и десятью уровнями по три провода. Каждая полоса выбора имеет десять пальцев, так что любая из десяти цепей, назначенных на десять вертикалей, может подключаться к любому из двух уровней. Пять полос выбора, каждая из которых может вращаться вверх или вниз, означают выбор из десяти ссылок на следующий этап переключения. Каждая точка пересечения в этой конкретной модели соединяла шесть проводов. Вертикальные ненормальные контакты рядом с удерживающими магнитами выровнены вдоль нижней части переключателя. Они выполняют логические функции и функции памяти, а полоса удержания удерживает их в активном положении, пока установлено соединение. Горизонтальные отклонения от нормы на сторонах переключателя активируются горизонтальными полосами, когда магниты-бабочки вращают их. Это происходит только во время установки соединения, так как бабочки только тогда получают энергию.

Поперечный переключатель Western Electric последней модели
Задняя часть типа C

Большинство Bell System переключателей были сделано , чтобы соединить три провода в том числе наконечника и кольца из более сбалансированной пары цепи и втулки свинца для контроля. Многие соединили шесть проводов, либо для двух отдельных цепей, либо для четырехпроводной цепи или другого сложного соединения. Миниатюрная перекладина Bell System Type C 1970-х годов была похожа, но пальцы выступали вперед со спины, а избранные стержни держали лопасти для их перемещения. У большинства типа C было двенадцать уровней; это были менее распространенные десятиуровневые. Northern Electric бар используется в SP1 переключатель был похож , но еще меньше. ITT Pentaconta Multiswitch той же эпохи обычно имел 22 вертикали, 26 уровней и от шести до двенадцати проводов. Поперечные переключатели Ericsson иногда имели всего пять вертикалей.

Приборы

Для использования в КИП компания James Cunningham, Son and Company изготовила высокоскоростные перекрестные переключатели с очень долгим сроком службы с физически небольшими механическими частями, которые обеспечивали более быструю работу, чем перекрестные переключатели телефонного типа. Многие из их переключателей имели механическую логическую функцию И, как коммутационные переключатели телефонной сети, но другие модели имели отдельные реле (по одной катушке на точку коммутации) в матричных массивах, соединяющих контакты реле с шинами [x] и [y]. Эти последние типы были эквивалентны отдельным реле; не было встроенной логической функции AND. Переключатели на перекладине Cunningham имели контакты из драгоценных металлов, способные обрабатывать милливольтные сигналы.

Обмен телефонами

Ранние перекрестные коммутаторы были разделены на исходную и оконечную стороны, в то время как более поздние и известные канадские и американские коммутаторы SP1 и коммутаторы 5XB - нет. Когда пользователь взял телефонную трубку, образовавшаяся линейная петля, задействующая линейную ретрансляцию пользователя, заставила коммутатор подключить телефон пользователя к исходному отправителю, который вернул пользователю тональный сигнал готовности. Затем отправитель записал набранные цифры и передал их исходному маркеру, который выбрал исходящую магистраль и задействовал различные ступени коммутации перекрестной панели для подключения к ней вызывающего пользователя. Затем исходный маркер передал отправителю требования к завершению вызова по внешней линии (тип импульса, сопротивление магистрали и т. Д.), А также данные вызываемой стороны и высвобождал. Затем отправитель ретранслирует эту информацию завершающему отправителю (который может быть либо на том же, либо на другом обмене). Затем этот отправитель использовал маркер завершения для подключения вызывающего пользователя через выбранную входящую магистраль к вызываемому пользователю и заставлял набор управляющих реле отправлять сигнал вызова на телефон вызываемого пользователя и возвращать сигнал вызова вызывающему абоненту.

Сам перекрестный переключатель был прост: конструкция обмена перенесла все логические решения на общие элементы управления , которые были очень надежными, как наборы реле. Критерии проектирования предусматривали только два часа простоя для обслуживания каждые сорок лет, что было большим улучшением по сравнению с более ранними электромеханическими системами. Концепция дизайна АТС допускала постепенное обновление, поскольку элементы управления можно было заменять отдельно от элементов переключения вызовов. Минимальный размер перекрестной телефонной станции был сравнительно большим, но в городских районах с большой установленной пропускной способностью телефонная станция занимала меньше места, чем другие обменные технологии эквивалентной мощности. По этой причине они также, как правило, были первыми коммутаторами, которые заменялись цифровыми системами, которые были еще меньше и надежнее.

Существовали два принципа переключения перекладины. Ранний метод был основан на принципе селектора и использовал переключатели в качестве функциональной замены для Strowger или шаговых переключателей . Управление было распределено на сами переключатели. Установление вызова продвигалось через обмен поэтапно по мере набора последовательных цифр. При использовании принципа селектора каждый переключатель мог обрабатывать только свою часть одного вызова за раз. Каждый движущийся контакт массива был умножен на соответствующие точки пересечения на других переключателях с селектором в следующем наборе переключателей. Таким образом, обмен с сотней коммутаторов 10 × 10 в пять этапов может иметь только двадцать текущих разговоров. Распределенное управление означало, что не было общей точки отказа, но также означало, что этап настройки длился десять секунд или около того, чтобы вызывающий абонент набирал требуемый номер. С точки зрения занятости управления этот сравнительно длинный интервал снижает пропускную способность коммутатора.

Банджо-проводка 100-контактного шестипроводного переключателя системы звонка типа B

Начиная с коммутатора 1XB , более поздний и более распространенный метод был основан на принципе соединения и использовал коммутаторы как точки пересечения. Каждый подвижный контакт был соединен с другими контактами на том же уровне более простыми проводами типа «банджо», соединенными на одном из входов переключателя на следующем этапе. Коммутатор мог обрабатывать свою часть из такого количества вызовов, сколько у него было уровней или вертикалей. Таким образом, обмен с сорока коммутаторами 10 × 10 в четыре этапа может иметь сто разговоров в процессе. Принцип связи был более эффективным, но требовал более сложной системы управления для поиска незанятых каналов через коммутационную матрицу .

Это означало общий контроль , как описано выше: все цифры записывались, затем передавались на общее контрольное оборудование, маркер , для установления вызова на всех отдельных ступенях переключения одновременно. Система перекладин, управляемая маркером, имела в маркере очень уязвимый центральный орган управления; это неизменно защищалось дублированными маркерами. Большим преимуществом было то, что занятость управления на переключателях составляла порядка одной секунды или меньше, что соответствует задержкам срабатывания и отпускания якоря X-затем-Y переключателей. Единственным недостатком общего контроля была необходимость обеспечить достаточное количество цифровых регистраторов, чтобы иметь дело с максимальным прогнозируемым уровнем исходящего трафика на АТС.

В конструкции Plessey TXK 1 или 5005 использовалась промежуточная форма, в которой свободный путь отмечался через коммутационную матрицу с помощью распределенной логики, а затем закрывался сразу.

Коммутационные коммутаторы остаются прибыльными только в нескольких телефонных сетях. Сохранившиеся инсталляции хранятся в музеях , таких как Музей связи в Сиэтле, Вашингтоне и Музей науки в Лондоне .

Полупроводник

Полупроводниковые реализации поперечных переключателей обычно состоят из набора входных усилителей или ретимеров, подключенных к серии металлических пластин или шин внутри полупроводникового устройства. Аналогичный набор металлизации или планок подключается к выходным усилителям или ретимерам. В каждой точке пересечения стержней реализован проходной транзистор, соединяющий стержни. Когда проходной транзистор включен, вход подключен к выходу.

По мере совершенствования компьютерных технологий перекрестные переключатели нашли применение в таких системах, как многоступенчатые взаимосвязанные сети, которые соединяют различные блоки обработки в едином параллельном процессоре доступа к памяти с массивом элементов памяти.

Арбитраж

Стандартная проблема при использовании перекрестных переключателей - это установка точек пересечения. В классическом приложении для телефонии с перекрестными панелями точки пересечения закрываются и открываются, когда телефонные звонки приходят и уходят. В асинхронном режиме передачи или приложениях с коммутацией пакетов точки пересечения должны быть созданы и разорваны на каждом интервале принятия решения. В высокоскоростных коммутаторах настройки всех точек пересечения должны быть определены, а затем установлены миллионы или миллиарды раз в секунду. Один из подходов к быстрому принятию этих решений - использование арбитра волнового фронта .

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки