Перекладной переключатель

Ригельная телефонная станция 1903 года на четыре абонента (вертикальные полосы), имеющая четыре поперечные переговорные линии (горизонтальные полосы) и одну планку для подключения оператора (Т). Самая нижняя перемычка соединяет неиспользуемые станции с массой для включения сигнальных индикаторов (F). Выключатель управляется вручную с помощью металлических штифтов, которые создают соединение между горизонтально и вертикально расположенными стержнями.

В электронике и телекоммуникациях перекрестный переключатель ( перекрестный переключатель , матричный переключатель ) представляет собой совокупность переключателей , расположенных в матричной конфигурации. Ригельный переключатель имеет множество входных и выходных линий, образующих перекрещивающуюся структуру взаимосвязанных линий, между которыми можно установить соединение путем замыкания переключателя, расположенного на каждом пересечении элементов матрицы. Первоначально перекрестный переключатель представлял собой буквально пересекающиеся металлические стержни, которые обеспечивали входные и выходные пути. Более поздние реализации достигли той же топологии переключения в твердотельной электронике . Ригельный переключатель является одной из основных архитектур телефонных станций , наряду с поворотным переключателем , переключателем памяти, и перекрестный переключатель .

Общие свойства

Ригельный переключатель представляет собой совокупность отдельных переключателей между набором входов и набором выходов. Переключатели расположены в виде матрицы. Если ригельный переключатель имеет M входов и N выходов, то ригель имеет матрицу с M × N точками пересечения или местами, где могут быть выполнены соединения. В каждой точке пересечения есть переключатель; в закрытом состоянии он соединяет один из входов с одним из выходов. Данная перемычка представляет собой одноуровневый неблокирующий переключатель. Ригельную систему переключения еще называют системой переключения координат.

Коллекции поперечин можно использовать для реализации многоуровневых и блокирующих переключателей. Блокирующий переключатель предотвращает подключение более одного входа. Неблокирующий переключатель допускает другие одновременные соединения от входов к другим выходам.

Приложения

Перекрестные 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 схема перекрестного переключателя также используется в некоторых полупроводниковых устройствах памяти, что обеспечивает передачу данных. Здесь стержни представляют собой чрезвычайно тонкие металлические провода, а переключатели — плавкие вставки . Предохранители перегорают или открываются при высоком напряжении и считываются при низком напряжении. Такие устройства называются программируемой постоянной памятью . На конференции по нанотехнологиям NSTI 2008 года был представлен документ, в котором обсуждалась наномасштабная реализация суммирующей схемы, используемая в качестве альтернативы логическим элементам для вычислений.

Матричные матрицы имеют основополагающее значение для современных плоских дисплеев. ЖК-дисплеи с тонкопленочными транзисторами имеют транзистор в каждой точке пересечения, поэтому можно считать, что они включают в себя перекрестный переключатель как часть своей структуры.

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

Там, где централизованное управление матрицей практично, типичный матричный коммутатор, монтируемый в стойку, оснащен кнопками на передней панели, позволяющими вручную подключать входы к выходам. Примером такого использования может быть спортивный бар , где одновременно отображаются многочисленные программы. Обычно в спорт-баре для каждого дисплея, которым требуется независимое управление, устанавливается отдельная настольная приставка. Матричный переключатель позволяет оператору маршрутизировать сигналы по своему усмотрению, так что требуется ровно столько телеприставок, сколько необходимо для покрытия общего количества уникальных программ для просмотра, одновременно облегчая управление звуком из любой программы в общей звуковой системе.

Такие переключатели используются в домашних кинотеатрах высокого класса. К общим источникам видео обычно относятся телевизионные приставки или DVD-чейнджеры; та же концепция применима и к аудио. Выходы подведены к телевизорам в отдельных комнатах. Матричный коммутатор управляется через соединение Ethernet или RS-232 с помощью контроллера автоматизации всего дома, например, производства AMX , Crestron или Control4 , который обеспечивает пользовательский интерфейс, позволяющий пользователю в каждой комнате выбирать, какое устройство использовать. смотреть. Фактический пользовательский интерфейс зависит от марки системы и может включать в себя комбинацию экранных меню, сенсорных экранов и портативных пультов дистанционного управления. Система необходима для того, чтобы пользователь мог выбирать программу, которую он хочет смотреть, из той же комнаты, из которой он будет ее смотреть, в противном случае ему придется идти к стойке с оборудованием.

Специальные ригельные переключатели, используемые при распространении сигналов спутникового телевидения, называются мультисвитчами .

Реализации

Исторически сложилось так, что перекрестный переключатель состоял из металлических стержней, связанных с каждым входом и выходом, а также некоторых средств управления подвижными контактами в каждой точке пересечения. В первых переключателях использовались металлические штыри или вилки для соединения вертикальной и горизонтальной перекладины. Во второй половине 20-го века использование механических перекладинных переключателей сократилось, и этот термин описывал любую прямоугольную группу переключателей в целом. Современные ригельные переключатели обычно реализуются с использованием полупроводниковой технологии. Важный новый класс оптических поперечин реализован с использованием технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС).

Механический

Тип телеграфной станции середины 20-го века представлял собой сетку из вертикальных и горизонтальных латунных стержней с отверстиями на каждом пересечении ( см. Верхнее изображение). Оператор вставил металлический штифт, чтобы соединить одну телеграфную линию с другой.

Электромеханическая коммутация в телефонии.

Переключатель телефонный ригельный — это электромеханическое устройство для переключения телефонных звонков. Первой конструкцией того, что сейчас называется перекрестным переключателем, был координатный селектор компании Bell Western Electric в 1915 году. Чтобы сэкономить деньги на системах управления, эта система была организована по принципу шагового переключателя или селектора, а не по принципу связи. В Америке он мало использовался, но шведское правительственное агентство Televerket разработало собственную конструкцию ( дизайн Gotthilf Betulander 1919 года, вдохновленный системой Western Electric) и использовало ее в Швеции с 1926 года до перехода на цифровые технологии в 1980-х годах в малых и средних предприятиях. Переключатели модели А204 размера. Конструкция системы, используемая в AT&T корпорации АТС 1XB перекрестных , которые поступили в коммерческое обслуживание с 1938 года и разработана Bell Telephone Labs , была вдохновлена ​​шведской разработкой, но была основана на вновь открытом принципе связи. В 1945 году аналогичная конструкция шведской компании Televerket была установлена ​​в Швеции, позволившая увеличить мощность выключателя модели А204. Из-за задержки Второй мировой войны в 1950-х годах в США было установлено несколько миллионов городских линий 1XB.

В 1950 году шведская компания Ericsson разработала собственные версии систем 1XB и A204 для международного рынка. В начале 1960-х годов продажи поперечных переключателей компании превысили продажи ее вращающейся системы из 500 переключателей, если судить по количеству линий. Поперечное переключение быстро распространилось по всему миру, заменив большинство более ранних конструкций, таких как системы Строугера (пошаговая) и панельные системы, в более крупных установках в США. После внедрения полностью электромеханического управления они постепенно дорабатывались, чтобы иметь полностью электронное управление. контроль и разнообразные функции вызова, включая короткий код и быстрый набор. В Великобритании компания Plessey выпустила ряд перемычек TXK , но их широкое внедрение в Британском почтовом отделении началось позже, чем в других странах, а затем было затруднено параллельным развитием TXE герконовых реле и систем электронного обмена, поэтому они никогда не использовались. добились большого количества связей с клиентами, хотя они и добились определенного успеха, поскольку тандемные коммутаторы .

В перекрестных переключателях используются коммутационные матрицы, состоящие из двумерного массива контактов, расположенных в формате x – y. Эти переключающие матрицы управляются серией горизонтальных полос, расположенных над контактами. Каждую такую ​​панель выбора можно качать вверх или вниз с помощью электромагнитов, обеспечивая доступ к двум уровням матрицы. Второй набор вертикальных удерживающих планок установлен под прямым углом к ​​первому (отсюда и название «перекладина») и также приводится в действие электромагнитами. На избранных стержнях имеются подпружиненные проволочные пальцы, которые позволяют удерживающим стержням управлять контактами под стержнями. Когда электромагниты выбора, а затем удержания действуют последовательно, перемещая стержни, они захватывают один из пружинных пальцев, замыкая контакты под точкой пересечения двух стержней. Затем устанавливается соединение через коммутатор как часть настройки пути вызова через коммутатор. После подключения магнит выбора отпускается, и он может использовать другие пальцы для других соединений, в то время как магнит удержания остается под напряжением на время вызова для поддержания соединения. Интерфейс коммутации перекрестной панели назывался Коммутатор TXK или TXC (перекрестная телефонная станция) в Великобритании.

100-точечный шестипроводной перекрестный переключатель Western Electric типа B

Однако ригельный переключатель Bell System Type B 1960-х годов производился в наибольшем количестве. Большинство из них представляли собой 200-точечные переключатели с двадцатью вертикалями и десятью уровнями по три провода. На каждой панели выбора имеется десять пальцев, так что любая из десяти цепей, назначенных десяти вертикалям, может подключаться к любому из двух уровней. Пять полосок 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 нестандартные контакты рядом с удерживающими магнитами расположены вдоль нижней части переключателя. Они выполняют логические функции и функции памяти, а полоса удержания удерживает их в активном положении, пока существует соединение. Горизонтальные отклонения по бокам переключателя активируются горизонтальными полосами, когда магниты-бабочки вращают их. Это происходит только во время установки соединения, так как бабочки только тогда подаются под напряжение.

Ригельный переключатель Western Electric последней модели

Задняя часть типа C

Большинство переключателей Bell System были предназначены для подключения трех проводов, включая наконечник и кольцо схемы симметричной пары , а также соединительный провод для управления. Многие подключали шесть проводов либо для двух отдельных цепей, либо для четырехпроводной цепи , либо для другого сложного соединения. Миниатюрная перекладина Bell System Type C 1970-х годов была похожа, но пальцы выступали вперед сзади, а на некоторых перекладинах были лопасти для их перемещения. Большинство типов C имело двенадцать уровней; это были менее распространенные десятиуровневые. Мини Northern Electric, -бар используемый в коммутаторе SP1, был похож, но даже меньше. Мультипереключатель ITT Pentaconta той же эпохи обычно имел 22 вертикали, 26 уровней и от шести до двенадцати проводов. Поперечные переключатели Ericsson иногда имели только пять вертикалей.

Инструментарий

Для использования приборов: James Cunningham, Son and Company. изготовлены высокоскоростные и долговечные ригельные переключатели с физически небольшими механическими деталями, которые обеспечивали более быструю работу, чем перекладинные переключатели телефонного типа. Многие из их переключателей имели механическую логическую функцию И, как телефонные перекрестные переключатели, но другие модели имели отдельные реле (одна катушка на точку пересечения) в матричных массивах, соединяющих контакты реле с шинами [x] и [y]. Эти последние типы были эквивалентны отдельным реле; не было встроенной логической функции И. Поперечные переключатели Каннингема имели контакты из драгоценного металла, способные обрабатывать милливольтовые сигналы.

Телефонная станция

Ранние перекрестные обмены были разделены на исходящую сторону и завершающую сторону, в то время как более поздние и известные переключатели SP1 в Канаде и США и коммутатор 5XB не были разделены. Когда пользователь снял трубку телефона , возникшая в результате линейная петля, управляющая линейным реле пользователя, заставила станцию ​​подключить телефон пользователя к исходному отправителю, что вернуло пользователю гудок. Затем отправитель записывает набранные цифры и передает их исходному маркеру, который выбирает исходящую соединительную линию и управляет различными каскадами перекрестного переключателя для подключения к ней вызывающего пользователя. Затем исходный маркер передает отправителю требования завершения вызова по соединительной линии (тип импульсного сигнала, сопротивление соединительной линии и т. д.), а также сведения о вызываемой стороне и освобождается. Затем отправитель передал эту информацию конечному отправителю (который мог находиться как на той же, так и на другой бирже). Затем этот отправитель использовал маркер завершения для подключения вызывающего пользователя через выбранную входящую соединительную линию к вызываемому пользователю и заставил набор управляющих реле отправить сигнал вызова на телефон вызываемого пользователя и вернуть сигнал вызова вызывающему абоненту.

Сам ригельный переключатель был прост: конструкция коммутатора перенесла все логические решения на общие элементы управления , которые были очень надежны в качестве релейных комплектов. Критерии проектирования предусматривали только два часа простоя для обслуживания каждые сорок лет, что было большим улучшением по сравнению с более ранними электромеханическими системами. Концепция конструкции АТС допускала постепенную модернизацию, поскольку элементы управления можно было заменять отдельно от элементов коммутации вызовов. Минимальный размер перекрестной АТС был сравнительно большим, но в городских районах с большой установленной пропускной способностью вся АТС занимала меньше места, чем другие технологии АТС эквивалентной мощности. По этой причине они, как правило, были первыми коммутаторами, которые были заменены цифровыми системами, которые были еще меньше и надежнее.

Существовали два принципа переключения перекладин. Ранний метод был основан на принципе селектора, в котором использовались перекрестные переключатели для реализации той же коммутационной матрицы, что и переключатели Строуджера . В этом принципе каждый перекрестный коммутатор будет получать одну набранную цифру, соответствующую одной из нескольких групп коммутаторов или соединительных линий. Затем коммутатор найдет свободный коммутатор или соединительную линию среди выбранных и подключится к нему. Каждый перекрестный переключатель мог одновременно обрабатывать только один вызов; таким образом, при обмене сотней коммутаторов 10×10 в пять этапов может выполняться только двадцать разговоров. Распределенное управление означало отсутствие общей точки отказа, но также означало, что этап настройки длился примерно десять секунд, которые требовались вызывающему абоненту для набора необходимого номера. С точки зрения контроля занятости, этот сравнительно длинный интервал снижает пропускную способность коммутатора.

Голая проводка 100-точечного шестипроводного переключателя Bell System типа B

Начиная с коммутатора 1XB , более поздний и более распространенный метод был основан на принципе связи и использовал коммутаторы в качестве точек пересечения. Каждый подвижный контакт был соединен с другими контактами на том же уровне с помощью оголенной проводки, часто называемой проводкой «банджо» . к ссылке на один из входов коммутатора на следующем этапе. Коммутатор мог обрабатывать свою часть такого количества вызовов, сколько у него было уровней или вертикалей. Таким образом, при обмене с сорока коммутаторами 10×10 в четыре этапа может выполняться сто разговоров. Принцип связи был более эффективным, но требовал сложной системы управления для поиска свободных каналов через коммутационную фабрику .

Это означало общее управление , как описано выше: все цифры записывались, затем передавались на общее управляющее оборудование — маркер , для установления вызова на всех отдельных ступенях переключения одновременно. Система перекладин, управляемая маркером, имела в маркере весьма уязвимый центральный элемент управления; это всегда было защищено наличием дублирующих маркеров. Большим преимуществом было то, что занятость управления на переключателях составляла порядка одной секунды или меньше, что представляет собой задержку срабатывания и отпускания якорей переключателей X-the-Y. Единственным недостатком общего контроля была необходимость предоставить цифровые самописцы, достаточные для того, чтобы справиться с наибольшим прогнозируемым уровнем исходящего трафика на бирже.

В конструкции Plessey TXK 1 или 5005 использовалась промежуточная форма, в которой четкий путь через коммутационную фабрику размечался распределенной логикой, а затем закрывался сразу.

Кроссбарные АТС остаются в коммерческом обслуживании лишь в нескольких телефонных сетях. Сохранившиеся инсталляции хранятся в музеях , таких как Музей связи в Сиэтле, штат Вашингтон, и Музей науки в Лондоне .

Полупроводник

Полупроводниковые реализации перекрестных переключателей обычно состоят из набора входных усилителей или повторителей, подключенных к ряду межсоединений внутри полупроводникового устройства. Аналогичный набор межсоединений подключается к выходным усилителям или таймерам. В каждой точке пересечения стержней установлен проходной транзистор, соединяющий стержни. Когда проходной транзистор включен, вход соединяется с выходом.

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

Арбитраж

Стандартной проблемой при использовании перекрестных переключателей является установка точек пересечения. В классическом приложении телефонии с перекладинами точки пересечения закрываются и открываются по мере того, как приходят и уходят телефонные звонки. В асинхронном режиме передачи или приложениях с коммутацией пакетов точки пересечения должны создаваться и разрушаться в каждом интервале принятия решения. В высокоскоростных переключателях настройки всех точек пересечения должны быть определены, а затем установлены миллионы или миллиарды раз в секунду. Одним из подходов к быстрому принятию таких решений является использование арбитра волнового фронта .

См. также

• Матричный миксер
• Неблокирующий переключатель минимального диапазона — описывает, как объединить перекрестные переключатели в более крупные переключатели.
• Матрица радиочастотного переключателя

Дальнейшее чтение

• Тихоокеанская телефонная и телеграфная компания. Инженерный отдел общего управления (1956 г.). Обзор телефонной коммутации . Сан-Франциско, Калифорния. OCLC   11376478 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
• Скаддер, Ф.Дж.; Рейнольдс, Дж. Н. (январь 1939 г.). «Система телефонной коммутации с перекрестным набором номера» . Технический журнал Bell System . 8 (1): 76–118. дои : 10.1109/EE.1939.6431910 . S2CID   51659407 . Проверено 23 апреля 2015 г.

Внешние ссылки

• Изображения на поперечном переключателе Ericsson ARF (на голландском языке)