Tverrstangbryter - Crossbar switch

En elektromekanisk tverrstangbryter i en privat grenutveksling

I elektronikk og telekommunikasjon er en tverrstangbryter ( krysspunktbryter , matrisebryter ) en samling brytere arrangert i en matrisekonfigurasjon . En tverrstangbryter har flere inngangs- og utgangslinjer som danner et krysset mønster av sammenkoblende linjer mellom hvilke en forbindelse kan opprettes mellom å lukke en bryter som ligger ved hvert kryss, elementene i matrisen. Opprinnelig besto en tverrstangbryter bokstavelig talt av kryssing av metallstenger som ga inngangs- og utgangsbanene. Senere implementeringer oppnådde den samme bytte-topologien innen elektronikk i fast tilstand . Kryssbryteren er en av de viktigste telefonvekslingsarkitekturene , sammen med en dreiebryter , minnebryter og en kryssbryter .

Generelle egenskaper

En tverrstangbryter er en samling av individuelle brytere mellom et sett med innganger og et sett med utganger. Bryterne er ordnet i en matrise. Hvis tverrstangbryteren har M-innganger og N-utganger, har en tverrstang en matrise med M × N -tverrpunkter eller steder der forbindelsene krysser. Ved hvert krysspunkt er det en bryter; når den er lukket, kobler den en av inngangene til en av utgangene. En gitt tverrstang er en enkeltlags, ikke-blokkerende bryter. Ikke-blokkerende bryter betyr at andre samtidige tilkoblinger ikke forhindrer tilkobling av andre innganger til andre utganger. Samlinger av tverrstenger kan brukes til å implementere brytere med flere lag og blokkering. Et tverrstang -koblingssystem kalles også et koordinat -koblingssystem.

applikasjoner

Kryssbrytere brukes ofte i informasjonsbehandlingsapplikasjoner som telefoni og kretsbytte , men de brukes også i applikasjoner som mekaniske sorteringsmaskiner .

Matriselayoutet til en tverrstangbryter brukes også i noen halvlederminneenheter som muliggjør dataoverføring. Her er stengene ekstremt tynne metalltråder, og bryterne er smeltbare lenker . Sikringene går eller åpnes ved bruk av høyspenning og leses med lav spenning. Slike enheter kalles programmerbart skrivebeskyttet minne . På NSTI Nanotechnology Conference i 2008 ble det presentert et papir som diskuterte en nanoskala tverrstangimplementering av en tilleggskrets som ble brukt som et alternativ til logiske porter for beregning.

Matrisearrayer er grunnleggende for moderne flatskjermsskjermer. Tynnfilm-transistor LCD-er har en transistor ved hvert krysspunkt, så de kan anses å inkludere en tverrstangbryter som en del av strukturen.

For videobytte i hjemmet og profesjonelle kinoapplikasjoner, brukes en tverrstangbryter (eller en matrisebryter, som det mer ofte kalles i denne applikasjonen) for å distribuere utgangen fra flere videoapparater samtidig til hver skjerm eller hvert rom i en bygning. I en typisk installasjon er alle videokildene plassert på et utstyrsstativ, og er koblet som innganger til matrisebryteren.

Der sentral kontroll av matrisen er praktisk, tilbyr en typisk rackmontert matrisebryter knapper på frontpanelet for å tillate manuell tilkobling av innganger til utganger. Et eksempel på en slik bruk kan være en sportsbar , hvor mange programmer vises samtidig. Vanligvis ville en sportsbar installere en egen bordboks for hver skjerm som det er ønskelig med uavhengig kontroll. Matrisebryteren gjør det mulig for operatøren å dirigere signaler etter ønske, slik at det bare trengs nok set top -bokser for å dekke det totale antallet unike programmer som skal vises, samtidig som det gjør det lettere å kontrollere lyden fra ethvert program i det generelle lydsystemet.

Slike brytere brukes i avanserte hjemmekinoapplikasjoner. Videokilder som vanligvis deles inkluderer set-top-mottakere eller DVD-vekslere; det samme konseptet gjelder for lyd. Utgangene er koblet til fjernsyn i individuelle rom. Matrisebryteren styres via en Ethernet- eller RS-232- tilkobling av en helautomatisk kontroller, for eksempel AMX , Crestron eller Control4 , som gir brukergrensesnittet som lar brukeren i hvert rom velge hvilket apparat som skal se. Det faktiske brukergrensesnittet varierer etter systemmerke, og kan inneholde en kombinasjon av menyer på skjermen, berøringsskjermer og håndholdte fjernkontroller. Systemet er nødvendig for å gjøre det mulig for brukeren å velge programmet de ønsker å se fra samme rom som de vil se det fra, ellers ville det være nødvendig for dem å gå til utstyrshyllen.

De spesielle tverrstangbryterne som brukes til å distribuere satellitt -TV -signaler kalles multibrytere .

Implementeringer

Historisk sett besto en tverrstangbryter av metallstenger knyttet til hver inngang og utgang, sammen med noen midler for å kontrollere bevegelige kontakter ved hvert tverrpunkt. I den senere delen av 1900 -tallet avtok disse bokstavelige tverrstangbryterne, og begrepet ble brukt figurativt for rektangulære matrisebrytere generelt. Moderne tverrstangbrytere implementeres vanligvis med halvlederteknologi. En viktig voksende klasse av optiske tverrstenger implementeres med MEMS -teknologi.

Mekanisk

En type telegrafutveksling fra midten av 1800-tallet besto av et rutenett med vertikale og horisontale messingstenger med et hull i hvert kryss. Operatøren satte inn en messingnål for å koble en telegrafledning til en annen.

Elektromekanisk kobling i telefoni

En telefoni koordinatorvelger er en elektromekanisk anordning for å slå telefonsamtaler. Den første designen av det som nå kalles en tverrstangbryter var Bell -selskapets Western Electrics koordinatvelger fra 1915. For å spare penger på kontrollsystemer ble dette systemet organisert på trinnbryteren eller velgerprinsippet i stedet for koblingsprinsippet. Det ble lite brukt i Amerika, men Televerket svenske statlige byrå produserte sitt eget design ( Gotthilf Betulander -designet fra 1919, inspirert av Western Electric -systemet), og brukte det i Sverige fra 1926 til digitaliseringen på 1980 -tallet i små og mellomstore -størrelse A204 -brytere. Systemdesignet som ble brukt i AT&T Corporation 's 1XB tverrstangssentraler, som gikk inn i inntektstjenesten fra 1938, utviklet av Bell Telephone Labs , var inspirert av det svenske designet, men var basert på prinsippet om gjenoppdagede lenker. I 1945 ble et lignende design av svenske Televerket installert i Sverige, noe som gjorde det mulig å øke kapasiteten til modellbryteren A204. Forsinket av andre verdenskrig ble flere millioner urbane 1XB -linjer installert fra 1950 -tallet i USA.

I 1950 utviklet det svenske Ericsson -selskapet sine egne versjoner av 1XB- og A204 -systemene for det internasjonale markedet. På begynnelsen av 1960-tallet overgikk selskapets salg av tverrstangsbrytere salget i deres roterende 500-svitsjesystem, målt i antall linjer. Tverrstang-bytte spredte seg raskt til resten av verden, og erstattet de fleste tidligere design som Strowger (trinn-for-trinn) og panelsystemer i større installasjoner i USA. Etter å ha blitt fullført elektromekanisk kontroll ble de gradvis utarbeidet for å ha full elektronisk kontroll og en rekke ringefunksjoner , inkludert kortkode og hurtigtast. I Storbritannia Plessey Selskapet produserte en rekke TXK utveksling tverrliggeren, men deres utbredt utrullingen av det britiske Post Office begynte senere enn i andre land, og deretter ble hemmet av den parallelle utviklingen av TXE reed relé og elektroniske utveksling systemer, slik at de aldri oppnådde et stort antall kundeforbindelser, selv om de fant noen suksess som tandem -byttebytter .

Tverrstangbrytere bruker koblingsmatriser laget av et todimensjonalt utvalg av kontakter arrangert i et xy-format. Disse koblingsmatrisene drives av en rekke horisontale stenger anordnet over kontaktene. Hver slik markeringslinje kan vippes opp eller ned av elektromagneter for å gi tilgang til to nivåer av matrisen. Et andre sett med vertikale holdestenger er satt i rette vinkler til det første (derav navnet "tverrstang") og også betjent av elektromagneter. De enkelte stenger bærer fjærbelastede tråd fingre som gjør det mulig hold stolpene for å betjene kontaktene under stolpene. Når select og deretter holdelektromagneter opererer i rekkefølge for å flytte stengene, fanger de en av fjærfingrene for å lukke kontaktene under punktet der to stenger krysser. Dette gjør deretter tilkoblingen gjennom bryteren som en del av å sette opp en anropsvei gjennom sentralen. Når den er tilkoblet, slippes den valgte magneten slik at den kan bruke de andre fingrene til andre tilkoblinger, mens ventemagneten forblir spenningsløs i løpet av samtalen for å opprettholde tilkoblingen. Tverrstangbrytergrensesnittet ble referert til som TXK- eller TXC -telefonbryteren (Storbritannia).

Western Electric 100-punkts seks-leders tverrbryter av type B

Imidlertid ble Bell System Type B tverrstangbryter på 1960 -tallet laget i den største mengden. Flertallet var 200-punkts brytere, med tjue vertikaler og ti nivåer på tre ledninger. Hver markeringslinje bærer ti fingre slik at en av de ti kretsene som er tilordnet de ti vertikalene kan koble seg til et av to nivåer. Fem utvalgsstenger, som hver kan rotere opp eller ned, betyr et valg på ti lenker til neste trinn i bytte. Hvert krysspunkt i denne modellen koblet seks ledninger. De vertikale, vanlige kontaktene ved siden av låsmagneterne er stilt opp langs bunnen av bryteren. De utfører logikk og minnefunksjoner, og ventelinjen holder dem i aktiv posisjon så lenge forbindelsen er oppe. De horisontale off-normalene på bryterens sider aktiveres av de horisontale stolpene når sommerfuglmagneterne roterer dem. Dette skjer bare mens tilkoblingen blir satt opp, siden sommerfuglene først får strøm.

Sent modell Western Electric tverrstangbryter
Baksiden av Type C

Flertallet av Bell System -brytere ble laget for å koble til tre ledninger, inkludert spissen og ringen til en balansert parkrets og en hylser for kontroll. Mange koblet seks ledninger, enten for to forskjellige kretser eller for en firetrådskrets eller annen kompleks tilkobling. Bell System Type C miniatyrstang på 1970 -tallet var lik, men fingrene projiserte fremover fra baksiden og de utvalgte stengene holdt padler for å flytte dem. Flertallet av type C hadde tolv nivåer; disse var de mindre vanlige ti -nivåene. The Northern Electric Minibar brukes i SP1 bryteren var lignende, men enda mindre. ITT Pentaconta Multiswitch fra samme æra hadde vanligvis 22 vertikaler, 26 nivåer og seks til tolv ledninger. Ericsson tverrstangbrytere hadde noen ganger bare fem vertikaler.

Instrumentering

For bruk av instrumenter laget James Cunningham, Son og Company tverrbrytere med høy hastighet og svært lang levetid med fysisk små mekaniske deler som tillot raskere drift enn tverrbrytere av telefontype. Mange av bryterne deres hadde den mekaniske boolske OG -funksjonen til telefoni -tverrbrytere, men andre modeller hadde individuelle releer (en spole per krysspunkt) i matrisearrayer, og koblet relékontaktene til [x] og [y] busser. Disse sistnevnte typene tilsvarte separate reléer; det var ingen logisk OG-funksjon innebygd. Cunningham-tverrbrytere hadde edelmetallkontakter som var i stand til å håndtere millivoltsignaler.

Telefonveksling

Tidlige tverrliggerutvekslinger ble delt inn i en opprinnelig side og en avsluttende side, mens den senere og fremtredende kanadiske og amerikanske SP1 -bryteren og 5XB -bryteren ikke var det. Når en bruker løftet av telefonsettet, den resulterende ledningssløyfe som opererer i brukerens linjereléet forårsaket utveksling for å forbinde brukerens telefon til en opprinnelig sender, som returneres til brukeren en summetone. Avsenderen registrerte deretter de oppringte sifrene og sendte dem til den opprinnelige markøren, som valgte en utgående bagasjerom og betjente de forskjellige tverrstangbryterfasene for å koble den ringende brukeren til den. Den opprinnelige markøren passerte deretter kravene til fullføring av bagasjerommet (type pulsing, motstand på bagasjerommet, etc.) og den oppringte parts detaljer til avsenderen og frigitt. Avsenderen videresendte deretter denne informasjonen til en avsluttende avsender (som kan være på samme eller en annen sentral). Denne avsenderen brukte deretter en avsluttende markør for å koble den ringende brukeren, via den valgte innkommende stammen, til den ringte brukeren, og forårsaket at styringsreléet satt til å sende ringesignalet til den ringte brukerens telefon og returnere ringetonen til den som ringte.

Tverrstangbryteren i seg selv var enkel: Utvekslingsdesign flyttet all logisk beslutningsprosess til de vanlige kontrollelementene , som var veldig pålitelige som relésett. Designkriteriene spesifiserte bare to timers nedetid for service hvert førti år, noe som var en stor forbedring i forhold til tidligere elektromekaniske systemer. Utvekslingsdesignkonseptet lånte seg til trinnvise oppgraderinger, ettersom kontrollelementene kunne byttes ut separat fra samtalevekslingselementene. Minimumsstørrelsen på en tverrstangssentral var relativt stor, men i byområder med stor installert linjekapasitet tok hele sentralen mindre plass enn andre sentralteknologier med tilsvarende kapasitet. Av denne grunn var de vanligvis også de første bryterne som ble erstattet med digitale systemer, som var enda mindre og mer pålitelige.

To prinsipper for tverrstangbytte eksisterte. En tidlig metode var basert på velgerprinsippet, og brukte bryterne som funksjonell erstatning for Strowger eller trinnbrytere . Kontrollen ble distribuert til bryterne selv. Anropsopprettelsen gikk gjennom utvekslingen trinnvis, ettersom påfølgende tall ble slått. Med velgerprinsippet kunne hver bryter bare håndtere sin del av ett anrop om gangen. Hver bevegelige kontakt i matrisen ble multiplisert med tilsvarende krysspunkter på andre brytere til en velger i den neste bryterbanken. Dermed kan en utveksling med hundre 10 × 10 brytere i fem etapper bare ha tjue samtaler pågår. Distribuert kontroll betydde at det ikke var noe felles feilpunkt, men betydde også at oppsettstrinnet varte i ti sekunder eller så tok innringeren for å slå det nødvendige nummeret. Når det gjelder kontrollbelegg, forringer dette relativt lange intervallet trafikkapasiteten til en bryter.

Banjo-ledninger til en 100-punkts seks-leders type B Bell System-bryter

Fra og med 1XB -bryteren var den senere og mer vanlige metoden basert på koblingsprinsippet, og brukte bryterne som krysspunkter. Hver bevegelige kontakt ble multiplisert med de andre kontaktene på samme nivå med enklere banjotråder, til en kobling på en av inngangene til en bryter i neste trinn. Bryteren kunne håndtere sin del av så mange samtaler som den hadde nivåer eller vertikaler. Dermed kan en utveksling med førti 10 × 10 brytere i fire trinn ha hundre samtaler pågår. Koblingsprinsippet var mer effektivt, men krevde et mer komplekst kontrollsystem for å finne ledige koblinger gjennom koblingsstrukturen .

Dette betydde felles kontroll , som beskrevet ovenfor: alle sifrene ble registrert, deretter sendt til det vanlige kontrollutstyret, markøren , for å opprette samtalen ved alle de separate bryterfasene samtidig. Et markørstyrt tverrstangssystem hadde i markøren en svært sårbar sentral kontroll; dette ble alltid beskyttet ved å ha dupliserte markører. Den store fordelen var at kontrollbelegget på bryterne var i størrelsesorden ett sekund eller mindre, og representerer drifts- og frigjøringsforsinkelsene til X-deretter-Y-armaturene til bryterne. Den eneste ulempen med felles kontroll var behovet for å skaffe sifferopptakere nok til å håndtere det største trafikknivået på sentralen.

Plessey TXK 1 eller 5005 -designet brukte en mellomliggende form, der en tydelig bane ble merket gjennom byttevevet med distribuert logikk, og deretter lukket gjennom alt på en gang.

Crossbar -sentraler forblir i inntektstjeneste bare i noen få telefonnettverk. Bevarte installasjoner vedlikeholdes på museer , for eksempel Museum of Communications i Seattle, Washington og Science Museum i London .

Halvleder

Halvlederimplementeringer av tverrstangsbrytere består vanligvis av et sett inngangsforsterkere eller retimere som er koblet til en serie metalliseringer eller stenger i en halvlederanordning. Et lignende sett med metalliseringer eller stenger er koblet til utgangsforsterkere eller retimere. Ved hvert tverrpunkt hvor stengene krysser, implementeres en pass-transistor som forbinder stengene. Når pass -transistoren er aktivert, kobles inngangen til utgangen.

Etter hvert som datateknologien har blitt bedre, har tverrstangbrytere funnet bruk i systemer som flertrinns sammenkoblingsnettverk som kobler de forskjellige prosessorenhetene i en enhetlig parallellprosessor med minnetilgang til matrisen med minneelementer.

Megling

Et standardproblem ved bruk av tverrstangbrytere er å sette krysspunktene. I den klassiske telefoni -applikasjonen av tverrstenger, stenges tverrpunktene og åpnes når telefonsamtalene kommer og går. I asynkron overføringsmodus eller pakkebytteprogrammer må krysspunktene gjøres og brytes ved hvert beslutningsintervall. I høyhastighetsbrytere må innstillingene for alle krysspunktene bestemmes og deretter angis millioner eller milliarder ganger i sekundet. En tilnærming for å ta disse avgjørelsene raskt er ved bruk av en bølgefrontdommer .

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker