Přepínač příčníků - Crossbar switch

Elektromechanický křížový přepínač do pobočkové ústředny

V elektronice a telekomunikacích je křížový přepínač ( křížový spínač , maticový přepínač ) soubor přepínačů uspořádaných v maticové konfiguraci. Přepínač příčníku má více vstupních a výstupních čar, které tvoří zkřížený vzor propojovacích linek, mezi nimiž lze navázat spojení uzavřením přepínače umístěného na každé křižovatce, prvky matice. Původně přepínač příčníku sestával doslova z křížení kovových tyčí, které zajišťovaly vstupní a výstupní cesty. Pozdější implementace dosáhly stejné spínací topologie v polovodičové elektronice . Přepínač příčníku je jednou z hlavních architektur telefonní ústředny společně s otočným přepínačem , paměťovým přepínačem a kříženým přepínačem .

Obecné vlastnosti

Přepínač příčníku je sestava jednotlivých přepínačů mezi sadou vstupů a sadou výstupů. Přepínače jsou uspořádány v matici. Pokud má přepínač příčníku M vstupů a N výstupů, pak má příčka matici s křížovými body M × N nebo místy, kde se příčná spojení kříží. V každém křížovém bodě je přepínač; když je zavřený, připojí jeden ze vstupů k jednomu z výstupů. Daný příčník je jednovrstvý neblokující přepínač. Neblokující přepínač znamená, že ostatní souběžná připojení nebrání připojení dalších vstupů k jiným výstupům. Kolekce příčníků lze použít k implementaci vícevrstvých a blokovacích přepínačů. Přepínací systém příčníků se také nazývá souřadnicový přepínací systém.

Aplikace

Přepínače příčníků se běžně používají v aplikacích pro zpracování informací, jako je telefonie a přepínání obvodů , ale používají se také v aplikacích, jako jsou mechanické třídicí stroje .

U některých polovodičových paměťových zařízení je také použito maticové rozložení křížového přepínače, které umožňuje přenos dat. Zde jsou tyče extrémně tenké kovové dráty a spínače jsou tavné články . Pojistky jsou spáleny nebo otevřeny pomocí vysokého napětí a odečteny pomocí nízkého napětí. Takovým zařízením se říká programovatelná paměť jen pro čtení . Na konferenci NSTI Nanotechnology v roce 2008 byl předložen článek, který pojednával o nanorozměrovém zavádění přípojného obvodu používaného jako alternativa k logickým hradlům pro výpočet.

Maticová pole jsou základem moderních plochých displejů. Tenkovrstvé tranzistorové LCD mají tranzistor v každém křížovém bodě, takže by mohly být považovány za součást příčného přepínače jako součást jejich struktury.

Pro přepínání videa v domácích a profesionálních divadelních aplikacích slouží křížový přepínač (nebo maticový přepínač, jak se v této aplikaci běžně nazývá) k distribuci výstupu více video zařízení současně na každý monitor nebo každou místnost v celé budově. V typické instalaci jsou všechny zdroje videa umístěny na stojanu zařízení a jsou připojeny jako vstupy k maticovému přepínači.

Tam, kde je centrální ovládání matice praktické, typický přepínač matice pro montáž do stojanu nabízí tlačítka na předním panelu, která umožňují ruční připojení vstupů k výstupům. Příkladem takového použití může být sportovní bar , kde se současně zobrazuje řada programů. Běžně by sportovní lišta instalovala samostatný stolní top box pro každý displej, u kterého je požadováno nezávislé ovládání. Maticový přepínač umožňuje operátorovi libovolně směrovat signály, takže je zapotřebí pouze dostatek set top boxů k pokrytí celkového počtu jedinečných programů, které mají být sledovány, a zároveň usnadňuje ovládání zvuku z jakéhokoli programu v celkovém zvukovém systému.

Takové přepínače se používají v aplikacích špičkového domácího kina. Zdroje videa obvykle sdílené zahrnují přijímače set-top nebo měniče DVD; stejný koncept platí pro zvuk. Výstupy jsou zapojeny do televizorů v jednotlivých místnostech. Maticový přepínač je řízen prostřednictvím ethernetového nebo RS-232 připojení automatizovaným řadičem pro celý dům, jako je AMX , Crestron nebo Control4 , který poskytuje uživatelské rozhraní, které umožňuje uživateli v každé místnosti vybrat, které zařízení má hodinky. Skutečné uživatelské rozhraní se liší podle značky systému a může zahrnovat kombinaci nabídek na obrazovce, dotykových obrazovek a ručních dálkových ovladačů. Systém je nezbytný k tomu, aby si uživatel mohl vybrat program, který chce sledovat, ze stejné místnosti, ze které jej bude sledovat, jinak by bylo nutné, aby šel k regálu s vybavením.

Speciální přepínače příčníků používané při distribuci signálů satelitní televize se nazývají multipřepínače .

Implementace

Historicky se křížový spínač skládal z kovových tyčí spojených s každým vstupem a výstupem, spolu s některými prostředky pro ovládání pohyblivých kontaktů v každém křížovém bodě. V pozdější části 20. století tyto doslovné příčníkové přepínače upadaly a termín se začal obrazně používat pro přepínače obdélníkového pole obecně. Moderní křížové přepínače jsou obvykle implementovány polovodičovou technologií. Důležitá nově vznikající třída optických příčníků je implementována pomocí technologie MEMS .

Mechanické

Typ výměny telegrafů z poloviny 19. století sestával z mřížky svislých a vodorovných mosazných tyčí s otvorem na každé křižovatce. Operátor vložil mosazný kolík pro připojení jedné telegrafní linky k druhé.

Elektromechanické přepínání v telefonii

Přepínač telefonních příčníků je elektromechanické zařízení pro přepínání telefonních hovorů. Prvním návrhem toho, čemu se dnes říká příčníkový přepínač, byl volič souřadnic společnosti Western Electric společnosti Western Electric z roku 1915. Aby se ušetřily peníze za řídicí systémy, byl tento systém organizován spíše na principu krokového spínače nebo voliče než na principu propojení. V Americe to bylo málo používané, ale švédská vládní agentura Televerket vyrobila svůj vlastní design (design Gotthilf Betulander z roku 1919, inspirovaný systémem Western Electric) a ve Švédsku jej používal od roku 1926 až do digitalizace v 80. letech v malém a středním -přepínače velikosti A204. Konstrukce systému použit v AT & T Corporation ‚s 1XB výměn příčky, která vstoupila služba výnosu z roku 1938, který byl vypracován Bellových laboratoří , byla inspirována švédským designem, ale byl založen na principu znovuobjevené odkazu. V roce 1945 byl ve Švédsku instalován podobný design švédského Televerketu, což umožnilo zvýšit kapacitu přepínače modelu A204. Zpožděno druhou světovou válkou, několik milionů městských linek 1XB bylo instalováno od roku 1950 ve Spojených státech.

V roce 1950 švédská společnost Ericsson vyvinula vlastní verze systémů 1XB a A204 pro mezinárodní trh. Počátkem šedesátých let převýšil prodej příčných přepínačů společnosti tržby jejich rotačního systému s 500 přepínáním, měřeno v počtu řádků. Přepínání příčníků se rychle rozšířilo do zbytku světa a nahradilo většinu dřívějších návrhů, jako jsou Strowger (krok za krokem) a panelové systémy ve větších instalacích v USA. Po zavedení zcela elektromechanického řízení byly postupně vypracovány tak, aby měly plně elektronický ovládání a řadu funkcí volání včetně krátkých kódů a rychlé volby. Ve Velké Británii společnost Plessey vyráběla řadu výměnných příčníků TXK , ale jejich rozsáhlé zavádění britskou poštou začalo později než v jiných zemích a poté bylo bráněno paralelním vývojem jazýčkových relé a elektronických výměnných systémů TXE , takže nikdy dosáhli velkého počtu zákaznických spojení, přestože při výměně tandemových přepínačů našli určitý úspěch .

Přepínače příčníků používají spínací matice vytvořené z dvourozměrného pole kontaktů uspořádaných ve formátu xy. Tyto spínací matice jsou ovládány řadou vodorovných tyčí uspořádaných nad kontakty. Každá taková select bar může být houpal nahoru nebo dolů pomocí elektromagnetů poskytnout přístup ke dvěma úrovním matrice. Druhá sada svislých přídržných tyčí je nastavena v pravém úhlu k první (odtud název, „příčka“) a také je ovládána elektromagnety. Vybrané tyče nesou pružinové drátěné prsty, které umožňují přídržným tyčím ovládat kontakty pod tyčemi. Když elektromagnety pro výběr a poté pro udržení posuvu tyčí pracují postupně, zachycují jeden z pružinových prstů a uzavírají kontakty pod bodem, kde se kříží dvě tyče. Tím se pak vytvoří spojení přes přepínač jako součást nastavení volací cesty přes ústřednu. Jakmile je připojen, magnet pro výběr se pak uvolní, aby mohl použít ostatní prsty pro další připojení, zatímco magnet pro udržení zůstane pod napětím po dobu hovoru pro udržení spojení. Spínací příčka interface byl označován jako TXK nebo TXC (telefonní ústředna příčka) spínačem ve Velké Británii.

Šestibodový šestibodový přepínač typu B společnosti Western Electric

Nicméně, Bell System Type B křížový přepínač z 1960 byla podána v největším množství. Většinu tvořily spínače s 200 body, s dvaceti svislicemi a deseti úrovněmi tří vodičů, každý výběrový pruh nese deset prstů, takže se kterýkoli z deseti obvodů přiřazených k deseti svislým bodům může připojit k jedné ze dvou úrovní. Pět výběrových pruhů, z nichž každý se může otáčet nahoru nebo dolů, znamená výběr z deseti odkazů do další fáze přepínání. Každý křížový bod v tomto konkrétním modelu připojil šest vodičů. Svislé mimo normální kontakty vedle přidržovacích magnetů jsou seřazeny podél spodní části spínače. Vykonávají logické a paměťové funkce a přidržovací lišta je udržuje v aktivní poloze, dokud je připojení navázáno. Horizontální neobvyklé hodnoty na stranách spínače jsou aktivovány vodorovnými pruhy, když je motýlí magnety otáčejí. K tomu dochází pouze při vytváření připojení, protože motýli jsou napájeni pouze tehdy.

Pozdní model příčného spínače Western Electric
Zadní strana typu C.

Většina Bell systém přejde byly provedeny pro připojení tří vodičů včetně hrotu a kroužku jednoho vyváženého páru obvodu a objímkového vedení pro ovládání. Mnoho připojilo šest vodičů, buď pro dva odlišné obvody, nebo pro čtyřvodičový obvod nebo jiné složité připojení. Miniaturní příčka Bell System Type C v 70. letech byla podobná, ale prsty promítané dopředu ze zad a vybrané tyče držely pádla k jejich pohybu. Většina typu C měla dvanáct úrovní; to bylo těch méně obvyklých deset úrovní. Northern Electric Minibar použit v SP1 spínač byl podobný, ale ještě menší. Multiswitch ITT Pentaconta stejné éry měl obvykle 22 vertikálek, 26 úrovní a šest až dvanáct drátů. Přepínače příčníků Ericssonu měly někdy jen pět svislic.

Instrumentace

Pro použití přístrojů vyrobili James Cunningham, Son and Company vysokorychlostní příčníkové spínače s velmi dlouhou životností s fyzicky malými mechanickými částmi, které umožňovaly rychlejší provoz než příčníkové spínače telefonního typu. Mnoho z jejich přepínačů mělo mechanickou booleovskou A funkci telefonních přepínačů s příčníky, ale jiné modely měly jednotlivá relé (jedna cívka na křížový bod) v maticových polích, spojující kontakty relé se sběrnicemi [x] a [y]. Tyto poslední typy byly ekvivalentní samostatným relé; nebyla integrována žádná logická funkce AND. Přepínače Cunninghamových příčníků měly kontakty z drahých kovů schopné zpracovávat signály milivoltů.

Výměna telefonu

Rané výměny příčníků byly rozděleny na původní stranu a koncovou stranu, zatímco pozdější a prominentní kanadský a americký přepínač SP1 a přepínač 5XB nebyly. Když uživatel zvedl telefonní sluchátko, výsledná smyčka linky obsluhující relé linky uživatele způsobila, že ústředna připojila telefon uživatele k původnímu odesílateli, který uživateli vrátil oznamovací tón. Odesílatel poté zaznamenal vytočené číslice a předal je původnímu značkovači, který vybral odchozí kmen a ovládal různé stupně přepínání příčníků, aby k němu připojil volajícího uživatele. Počáteční značka poté předala odesílateli požadavky na dokončení hovoru na dálkovém ovladači (typ pulzování, odpor kufru atd.) A podrobnosti o volaném. Odesílatel poté předal tyto informace koncovému odesílateli (který mohl být na stejné nebo jiné burze). Tento odesílatel poté pomocí ukončovací značky připojil volajícího uživatele prostřednictvím zvoleného příchozího kanálu k volanému uživateli a způsobil, že řídicí relé nastavilo odeslání vyzváněcího signálu na telefon volaného uživatele a vrácení vyzváněcího tónu volajícímu.

Samotný přepínač příčníku byl jednoduchý: výměnný design přesunul veškeré logické rozhodování do společných ovládacích prvků, které byly jako reléové sady velmi spolehlivé. Kritéria návrhu specifikovala pouze dvě hodiny prostojů pro servis každých čtyřicet let, což bylo velké zlepšení oproti dřívějším elektromechanickým systémům. Koncept výměny se propůjčil přírůstkovým upgradům, protože ovládací prvky bylo možné vyměnit odděleně od prvků přepínání hovorů. Minimální velikost příčníkové výměny byla poměrně velká, ale v městských oblastech s velkou instalovanou kapacitou linky zabírala celá ústředna méně místa než jiné výměnné technologie ekvivalentní kapacity. Z tohoto důvodu byly také obvykle prvními přepínači , které byly nahrazeny digitálními systémy, které byly ještě menší a spolehlivější.

Existovaly dva principy přepínání příčníků. Časná metoda byla založena na principu voliče a používala přepínače jako funkční náhradu za Strowger nebo krokové spínače . Řízení bylo distribuováno do samotných přepínačů. Navazování hovorů procházelo výměnou po etapách, protože byly vytočeny postupné číslice. Na principu voliče mohl každý přepínač zpracovávat pouze část jednoho hovoru najednou. Každý pohyblivý kontakt pole byl vynásoben odpovídajícími křížovými body na jiných přepínačích k voliči v další bance přepínačů. Výměna se stovkou přepínačů 10 × 10 v pěti fázích tedy mohla mít za sebou pouze dvacet konverzací. Distribuované řízení znamenalo, že neexistoval žádný společný bod selhání, ale také znamenalo, že fáze nastavení trvala přibližně deset sekund, takže volající vytočil požadované číslo. Z hlediska obsazenosti řízení tento poměrně dlouhý interval zhoršuje dopravní kapacitu přepínače.

Banjo kabeláž 100bodového šestijádrového spínače Bell Bell System B

Počínaje přepínačem 1XB byla pozdější a běžnější metoda založena na principu propojení a používala přepínače jako křížové body. Každý pohybující se kontakt byl znásoben na ostatní kontakty na stejné úrovni jednoduššími banjo dráty, na odkaz na jednom ze vstupů přepínače v další fázi. Přepínač zvládl svou část tolik hovorů, kolik měl úrovní nebo svislostí. Výměna se čtyřiceti přepínači 10 × 10 ve čtyřech fázích by tedy mohla mít sto probíhajících konverzací. Princip spojení byl efektivnější, ale vyžadoval složitější řídicí systém k nalezení nečinných odkazů prostřednictvím přepínací textilie .

To znamenalo společné ovládání , jak je popsáno výše: všechny číslice byly zaznamenány a poté předány společnému řídicímu zařízení, značkovači , aby se navázal hovor na všech oddělených přepínacích stupních současně. Markerem ovládaný systém příčníků měl ve značkovači vysoce zranitelné centrální ovládání; toto bylo vždy chráněno duplicitními značkami. Velkou výhodou bylo, že obsazení ovládání na přepínačích bylo řádově jednu sekundu nebo méně, což představovalo zpoždění ovládání a uvolnění armatur X-then-Y přepínačů. Jedinou stinnou stránkou společné kontroly byla potřeba poskytnout číslicové zapisovače natolik, aby se vyrovnaly s největší předpovědí z počátečního provozu na burze.

Konstrukce Plessey TXK 1 nebo 5005 používala mezilehlou formu, ve které byla distribuovanou logikou vyznačena jasná cesta přepínací tkaninou a poté uzavřena najednou.

Výměny příčníků zůstávají ve službě příjmů pouze v několika telefonních sítích. Zachovaná zařízení jsou udržována v muzeích , jako je Museum of Communications v Seattlu ve Washingtonu a Science Museum v Londýně .

Polovodič

Polovodičové implementace příčných přepínačů obvykle sestávají ze sady vstupních zesilovačů nebo retimérů připojených k sérii metalizací nebo pruhů v polovodičovém zařízení. Podobná sada metalizací nebo pruhů je připojena k výstupním zesilovačům nebo retimerům. V každém křížovém bodě, kde se tyče kříží, je implementován průchozí tranzistor, který spojuje tyče. Když je povolen tranzistor, vstup je připojen k výstupu.

Jak se počítačové technologie zlepšily, příčné přepínače našly využití v systémech, jako jsou vícestupňové propojovací sítě, které spojují různé procesorové jednotky v paralelním procesoru s jednotným přístupem k paměti k řadě paměťových prvků.

Arbitráž

Standardní problém při používání příčných přepínačů spočívá v nastavení křížových bodů. V klasické telefonické aplikaci příčníků jsou křížové body zavřené a otevírají se, jak přicházejí a odcházejí telefonní hovory. V asynchronním přenosovém režimu nebo aplikacích pro přepínání paketů musí být body křížení vytvořeny a přerušeny v každém rozhodovacím intervalu. Ve vysokorychlostních přepínačích musí být určeno nastavení všech křížových bodů a poté nastaveno miliony nebo miliardykrát za sekundu. Jedním z přístupů k rychlému rozhodování je použití vlnoplošného arbitru .

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy