.jpg/1280px-Telephone_switchboard_cross-switching_(Rankin_Kennedy,_Electrical_Installations,_Vol_V,_1903).jpg)
В электронике и телекоммуникациях перекрестный переключатель ( перекрестный переключатель , матричный переключатель ) представляет собой совокупность переключателей , расположенных в матричной конфигурации. Ригельный переключатель имеет несколько входных и выходных линий, образующих перекрещивающуюся структуру из 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 телефонной станции вместе с поворотным переключателем , переключателем памяти [2] и перекрестным переключателем .
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.
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 . [3] На конференции по нанотехнологиям NSTI 2008 года был представлен документ, в котором обсуждалась реализация наноразмерной перекрестной схемы сложения, используемой в качестве альтернативы логическим элементам для вычислений. [4]
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, чтобы охватить общее количество 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 .
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).
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.
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. Дизайн системы, использованный в перекрестных АТС 1XB корпорации AT&T , которые поступили в коммерческое обслуживание с 1938 года и разработанный Bell Telephone Labs , был вдохновлен шведским дизайном, но был основан 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 система) и панельные системы, в более крупных установках в США. После внедрения полностью электромеханического управления они постепенно были доработаны до полностью электронного управления. 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 герконовых реле TXE и систем электронного обмена, поэтому они никогда не использовались. добились большого количества подключений к клиентам, хотя они и добились определенного успеха в качестве тандемных коммутаторов.
В перекрестных переключателях используются коммутационные матрицы, состоящие из двумерного массива контактов , расположенных в формате xy. 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 выбранных 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 перекрестной коммутации в Великобритании назывался коммутатором TXK или TXC (перекрестная телефонная станция).
Однако ригельный переключатель Bell System Type B 1960-х годов производился в наибольшем количестве. Большинство из них представляли собой 200-точечные переключатели с двадцатью вертикальными и десятью уровнями по три провода. На каждой панели выбора имеется десять пальцев, так что любая из десяти цепей, назначенных десяти вертикальным, 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 от нормы 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.
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 -бар Northern Electric , 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.
Для использования в контрольно-измерительных приборах компания James Cunningham, Son and Company [5] изготовила высокоскоростные и долговечные ригельные переключатели [6] с физически небольшими механическими деталями, которые обеспечивали более быструю работу, чем ригельные 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.
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 данные вызываемой стороны 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 структуры, что и переключатели Строугера . 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 около десяти секунд, которые абоненту требовалось, чтобы набрать необходимый номер. С точки зрения занятости управления, этот сравнительно длинный интервал снижает пропускную способность коммутатора. [ нужна цитата ]
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» . [7] к ссылке на один из входов переключателя 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 .
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.
Стандартной проблемой при использовании перекрестных переключателей является установка точек пересечения. [ нужна цитата ] В классическом применении перекладин в телефонии точки пересечения закрываются и открываются по мере того, как телефонные звонки приходят и уходят. 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 .
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)