（计算机应用技术专业论文）大容量dxc数据交叉复用设备的设计和研究.pdf

- ， 憾 ， 中南大学硕士学位论文 摘要 有效的利用网络资源，对日趋复杂的电路交换进行调度和管理的能力，并保证网络的可靠 性，抗毁性等，是每个运营商都必须面l 临的重要问题。数字交叉连接( d x c ) 解决方案的强大技 术将自动以最灵活、高效和可靠的方式，在最大程度上利用了网络容量。 d x c 1 2 8 数据交叉复用设备是中南大学信息科学与工程学院首次推出的为公网和专网的基 群接入、数据传输而提供的一套先进的解决方案。本文作者在设计d x c 系统时。成功地运用 m 1 踟8 2 0 组成模块化t s - t 交换结构，为今后更大容量的d x c 的研制打下良好基础；解决了任意 线路的时钟提取和同步时钟的分配问题，任意通道可以完成从线路中，提取同步时钟，完成链 路组网的需求。该解决方案可以运用于今后相关的通信系统研制中。使d x c 1 2 8 数据交叉复用 设备在应用上比传统的d x c 在端口配置和数量上，更具灵活性。具备无阻塞的n m 交叉连接功 能( 最大n + m 1 2 8 ) ，承担3 1 个e l 时隙的合路功能。d x c 1 2 8 数据交叉复用设备整体结构采 用主控板( 双热备用) + 通用e l 接口板的形式。所有电路支持热拔插 本文围绕着如何实现d x c 1 2 8 数据交叉复用设备以及所需注意的问题而进行了的论述。文 章首先介绍了d x c 1 2 8 数据交叉复用设备的概念和现状。第二章介绍了系统总体设计，设计的 要点与难点、大容量d x c 数据交叉设备交换结构。第三章围绕交换矩阵设计，介绍了数字交换 原理，基本的接线器类型，进一步阐述项目中采用的m r 9 0 8 2 0 的t - s t 交换网络等等。第四章介 绍系统的凡类同步，并结合项目对时钟提取和分配作了进一步阐述。第五章简要介绍了高速p c b 板布线中的几个重要问题和对策。第六章总结了系统的特点和优点，谈了谈系统实现的进展情 况。 关键词：d x c ，无阻塞，t - s t 网络，同步时钟 5 叫 i 毫 中南大学硕士学位论文 a b s t l a c t h io f d e rt ou m e u 肼o f m en e t w o r l 【e 饪b c 吐v e l y ，t i i ec o o r d j i l a t i 咖锄dm a l l a 猷m 埠ma b i l i 婶 o fm o r ea n dn l o 圯c 伽叩l e x 细口r ks 州t c h i i i g t o d a yi s t t i em o s ti i i 驴o n a 眦t t i i i l g 五吖t l l e t e l e c 伪m n l l i l i c a t i o n 枷泊d co p 豇a 饥o nt l l eo m 盯l l a m d ，出e ym u s tm a k et h en e t w o r ks t e a d y 锄d f i 咖t h e l u 6 锄o fd i g i t a lc s h 伽1 1 e 砸咖c 砸l i l l i e t w o l l 【s 麟喇蛐l i nc a p a c i t yi na n e 】i b l e 。e 如嘶v c 缸d 1 i a b l ew a y d x c - 1 2 8d i g 眦c r o s s _ 。咖妣n 锄e q u i p 玎枷ti s 碡l i n j o l lm a ts u p p o 地b 船i cl i l l l 【锄d h 蛔e c d 帆f o rp l l b l i c 眦呻o r l 【锄dp 坩p i i e 臼叮n e 钾o r l 【i tw c a 喇c do u tb ym e h 1 | 砸m t i o nt e c t l i l o l o g yh 峪t i m t eo fc s u 矗) r 吐圮矗r s tt i l l l c b e h 培c 唧批d 埘t l i 吐圯蜀曲虹o n a l m o d e l ，d x c - 1 2 8d i 垂t a ic f o s “撇嘶o l ii 8m o 聆n e x i b k 血p o n 咖l l l b 盯c o 蚯删i o i i 锄d m 柚a g 黜n t ns u p p 呻l mt on ml i n kn 讪l o c l 【j i l gc 龉_ 。明删o r q n 恤耋1 2 8 ) a l 】d3 1 虹m 懿l o 协m u l 石p l 痂g d x c 一1 2 8i l l c l d c s m m o n 伽咖o lc e 晰p 1 璐群m e r a li n t c i 自c t l a 嚣i s t h e p o w e r s u p p l y 孤d c o m m o n l o g i c a 托l ：lp r o 删v e ，柚d i t 鲫p p 嘶s h o “i w a p h l 吐出a 砸c l e w ed 芒s c b eh o w 幻c a r 可o u tt 量i ed x c - 1 2 8d i g i t 酊c s s c o 删e c 矗o n ，廿圮 p m b l e mm a tw e 咖s t 吐i nm i sm e ( h o df i r s t l 弘w cj n 仃州u t h ec 锄c e p n 锄o fd l g i t a l c r o 鹅嘲瑚e c n a l l d wd e v e l o p m e n t 呦d s c c o n d l y ，w ed c s 锄b et i l em 勰sd e s i 辨o ft l l e s y s 蛔i l ，l l l e d l l s 觚d 哪c e s i i l m es y s t c m 锄d l h es y s t 锄s 臼加。t 1 l i r d l y ，w ed i 啪s sm e s d 把1 1 j 1 1 9 埘雠x ，d i 垂t a l 删i t c h i | 1 9l l l 巧a n db a 哑c1 ) p eo f j 岫c 石f l l 一】1 e l 如。糟，w ei l 心d d u c e m et s t 刚t c i l i i i gm 廿i ) 【啦崦m r 9 0 8 2 0i i il 量l i s p r o j e c t f o u r d 蛆啪d i s c 嘣s e 、，e r a l s ”i c l m 瑚i z i n gt y p 嚣锄dw ee x p a 缸a t et h cs y l l c t i l i z i i l g 辨l c c 石i l ld x c f i f i l l l y w ed i s c 嘴st h e c r u c e si nm a l c i n gm el i i g hs p e e dp c b 锄l dl 量i e i rc 0 吼t 黜豁i i r c f i l l a l l y w e 期m 埘a r i z c 艟 c l l a m c 缸鲥c sa n da d v c a g e so f t b es y 咖m 龇dt l l ed c v c l o p f r i 蜘t 咖d i 畸w o r d ：d x c n o - b _ k i n g 1 堪- ts w i t c h i 哩n e 押o r l s y n c h m n i z i n gc l k 6 - ，l 。j 。- 0 中南夫学顶 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着通信技术发展，通讯业欢欣鼓舞地准备以各种方案迎接宽带时代的到来。在综合接入 网中，人们对通信的灵活性和组网功能的完备性的也提出了新的期望。作为b i s d n 的重要网元 之一，d x c ( d x c ，d a t ac r o s sc 伽n e c te q u i p m e n t ，数据交叉连接设备) 在全网的时隙整合、网路 管理、保护恢复、集中监控及网管等方面将起着重要作用，也带给接入网巨犬的智能性、灵 活性和经济性。 1 1 1 国内外发展状况 ( 1 ) 国内技术发展情况 。 目前国内已有许多通信设备厂商进入d x c 的研制和生产领域，但大部分采用小规模交换矩 阵，或干脆采用o e m ( o d g i n a le q u i p m e n tm a l l u 缸t u r e r ，原始设备生产商) 方式从国外市场上 进口一些低端产品，大容餐d x c 中的关键技术是：大容量交换矩阵、同步控制技术和e 1 复接 技术，国内厂商受到自身技术力晕限制和技术积累不足，从而无法学握和实现大容鼍d x c 的研 制和生产。但是近来出现了以北京润光泰天为首的设计公司开始以丰富d x c 的功能接口来弥补 容量劣势的趋势，他们将原大容量d x c 中作为选配外挂的e 1 转换器集成到小容晕d x c 中，提 高其性价比，如r g 8 d x c 中就可带有1 0 b a s e 以太网口( i p o v e r e l ) 、r s 2 3 2 ，v 3 5 等通信中 常用的功能接口，使d x c 具有路由器的部分功能。 ( 2 ) 国外技术发展情况 国外d x c 的发展是由以n o r t e l 、l u c e n t 、a l c a t e l 为首的跨国公司推动的，主要产 品属于丈容量的高端产品，满足运营商为集团用户提供优质和快捷的服务。h a r d b o l l i l d 在 m o d e m l e l e c o n u n l l i l i c a t i o i l s 【2 7 】中指出d x c 主要发展方向有三个；大容量交换矩阵 的发展和快恢复过程，单片交换矩阵容量可达1 6 3 8 4 x 1 6 3 8 4 ，恢复时间低于5 0 0 i l s ；d x c 与o x c ( 光交义设备) 结合，o x c 用丁i 底层的光交换，d x c 则服务丁二网络服务层；d x c 中引入软交 换平台，实现低成本大容母的交换模式。c 【e n a 公司的最新产品五个机架的交换容鼍就超过了 7 。- 1 j 。t 一 0 中南大学硕士学位论文 中国全国的交换容鼍的总和 1 1 2 本项目d x c 1 2 8 数据交叉复用设备的概况 根据市场的需求，中南大学信息科学与工程学院提出自己的全新的接入方案，适时地开发 了标准化程度高、灵活性大的d x c 1 2 8 数据交叉复用设备，为推动我国接入网的建设出一份力。 d x c 1 2 8 数据交叉复用设备是中南人学信息科学与工程学院首次推出的为公网和专网的基群接 入、数据传输而提供的一套先进的解决方案的重要网元，遵循信产部入网规定【1 7 1 ，【1 8 1 。 d x c 1 2 8 数据交叉复用设备在应用上比传统的d x c 在端口配置和数量上，更具灵活性。具 备n m 交叉连接功能( 最大n + m 1 2 8 ) ，对外提供可至1 2 8 个的e l 口，实现任意时隙交 叉，并可承担3 1 个e 1 时隙的合路功能，也可以配合m u x 和e 1 ，以太网3 5 转换器把多路 v ：2 4 ，v 3 5 数据在e 1 线路中合成一个独立的e l 进行传输，除了o 时隙同步用，其他时隙可以任 意分配。 d x c - 1 2 8 数据交叉复用设备整体结构采用主控板( 双热备用) + 通用e l 接口板的形式。通 用e l 接口板数最大为1 6 ，每块板支持8 路g 7 0 3 信号。因此d x c 1 2 8 最多具有1 2 8 个2 m 接 口，分别命名为1 通道、2 通道、3 通道1 2 8 通道，其中任意通道可以完成从线路中，提取同 步时钟，完成链路组网的需求。 1 2 项目产生的背景 随着网络带宽的不断增加，网元的数量和品种不断增加，有效利用传输带宽，常约传输开支 是各运营商的当务之急，如在建设w l a n ( w i r e l e $ sl a n ) 中a p ( a c c e 豁p 0 i n t ) 与a c ( a c c e s sp o i n t ) 之间的i po v e re l 往往点多面广，但实际需要的传输带宽却要求不大。为每个链路租用一条专用 e l 显然过于浪费，而过去使用的小容量的d x c 数据交叉设备已经不能满足需要，冈此，必须使 用大容量的d x c 交叉设备，实现电路的时隙整合，减少电路租费，尽快达到赢利的目的。 1 3 本文所做工作简介 本文作者在设计d x c 1 2 8 系统时，结合对各种类碘的交换结构的优劣势和应用场合的分析， 和目前丈容晕交换矩阵的最新发展，成功地运用m t 9 0 8 2 0 组成模块化t s t 交换结构，为今后 更犬容苗的d x c 的研制打下良好基础；解决了任意线路的时钟提取和同步时钟的分配问题，任 8 i 上 “。 献 0 中南大学硕十学位论文 意通道可以完成从线路中，提取同步时钟，完成链路组网的需求。该解决方案模块化设计，通 用性和可移植性强。可以直接运用于今后相关的通信系统研制中。根据所作工作，本文就如何 实现d x c 1 2 8 数据交叉复用设备以及所需注意的问题而进行了的论述。文章首先介绍了 d x c - 1 2 8 数据交叉复用设备的概念和现状。第二章介绍了系统总体设计、设计的要点与难点。 第三章围绕交换矩阵设计，介绍了数字交换原理，基本的接线器类型，重点介绍了本系统的关 键设计之一一一模块式大容量d x c 数据交叉交换矩阵，并进一步阐述项目中采用的m 1 9 0 8 2 0 的 t - s - t 交换网络，为将来的平滑扩容奠定了基础。第四章介绍系统的几类同步，并结合项目作了进 一步阐述，尤其是本设计中采用m t 9 0 4 2 b 和自有的同步检测技术实现了任意端口的同步锁定。彻 底解决了以往系统中对特定端口的时钟要求较严的弊端。第五章简要介绍了高速p c b 板布线中 的几个重要问题和对策。第六章总结了系统的特点和优点，谈了谈系统实现的进展情况。 9 。： ， j 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 2 1 整机系统功能设计 对于大容量的d x c 系统而言，除应满足通信协议的各项规程外，还要求系统稳定可靠，关键 模块带应有冗余，模块的品种尽量少，支持热拔插因此我们采用了以下所述的设计 2 1 1 系统原理框图 ( 请见下页) 2 1 2 设备功能描述 ( 1 ) 设备最多应可以提供1 2 8 个2 m 的通讯接口，每个2 m 通道所载的数据信号为nx 6 4 k b 口s ，用户可以根据业务的实际情况进行任意的分配。该部分功能由设备内部的鲫疵h h m 妇 实现，它应具有4 0 9 6 x 4 0 9 6 的交叉能力。 ( 2 ) 设备的工作时钟它提供了4 种选择：本地时钟、任意通道提取时钟。时钟的选择 可由内部通过硬件的自动设置来实现。 ( 3 ) 设备的监控接口，采用r s 2 3 2 接口，可以允许p c 通过一个r s 2 3 2 对设备进行监控 通过对监控软件的设置，用户可以进行时隙的配置，工作时钟、工作方式的设置相应的设置 1 0 匝嶝剐隧蟋峨nh0)(口in匝 卜 j i l 十 - 0 中南大学硕十学位论文 参数被保存在机内的n v - s i 认m 中，可以保让设备在遇到突发事故时，配置数据不丢失， 并能够在上电后，促使系统迅速恢复。 ( 4 ) 交换板和电源全部采用双热备份，在发生故障时自动切换，不中断通信。 ( 5 ) 可插拔的接口板，支持热插拔，系统具备自动识别的功能。对插入的子板，系统自 动识别，并且自动配置，而无需用户的干预。 2 1 3 整机结构 整机可以看做三部分组成：主控板、通用e 1 接口板和电源板。 ( 1 ) 主控板具有2 个插樽，控制中心及丈容蹙交换矩阵二次电源、同步控制电路等均在 主控板上。对系统的配置方式：p c 终端设置。告警方式为指示灯和r s 2 3 2 口输出，同时内部具 有n v - s r a m 历史记录。 ( 2 ) 通用e 1 接口扳完成将端口e l 数据转换成r r l 电平的s t - b u s ，并按指定格式合成 8 1 9 2 m b i 体的高速s t - b u s 。每8 个e l 一块板，通往主控板有两对s t - b u s 。e 1 接口板有相应 的状态指示灯。e 1 的所有状态可由主控板通过p c 终端读出。 ( 3 )电源板将 4 8 v 电源转换为内部电路所需的+ 5 w + 3 3 v 直流电，并带有监测和大功率 切换电路，可以实现自动快速切换 2 2 设计的要点与难点 大容鼍交叉设备的设计方法与中小型交叉设备有很大区别：需要更多地考虑系统内部的互 连问题和高速信号的传输，结构上要求更加简单可靠，设计中的关键技术如交换矩阵设计和p c b 高速布线水平要有更大的提高，因此，设计难度很大，它的设计成功与否主要取决了二以下几个 因素： ( 1 ) 交换矩阵结构 ( 2 ) 芯片的性能 ( 3 ) 高速p c b 板的设计水平 ( 4 ) 接插件的电气特性 ( 5 ) 内部高速数据的可靠传输 中南大学硕十学位论文 2 3 大容量d x c 数据交叉设备交换结构的比较 多年来，技术人员提出了实现大容鼍交叉设备的备种结构这些结构，基本出发点是采用 多平面并行交换或交换结构内部加速的方法提高通过量；同时，使用较小和简单的结构实现为 交换模块或单元，再朋模块以多级互联或方阵结构进行扩展，构成大容量d x c 数据交叉设备。 无论如何级联和扩展，它们的基本结构都可以划分为空分结构( s p a c ed i v i s i o n ) 和时分结 构( t i m ed i v i s i o n ) 强大类。其中空分结构有大量地用于大规模并行计算机中处理器通信的 b a n y a n 结构，还有简单、清晰的纵横制结构。时分结构有共亭存贮器结构和共享总线结构， 统称为共享介质结构。 2 - 3 1b a n y a n 结构 图2 2b a n y a n 网结构图 ( 方框表示结点) 如图2 2 ，b a n y a n 网的特点是具有最少的联接结点数，结构规整，同时具有简单的白选路 由性质，这对于它实现大规模数据交叉设备结构( 1 0 0 0 端口以上) 是非常有利的。但是，为了克 服其内部阻塞和通过量等问题，并能实现广播功能，必须增加级的k 度，这增加了系统的复杂 程序，降低了系统性能，这是它的最大缺陷。而大规模d x c 数据交叉设备的应_ 【l j 场合往往是骨 干网，要求系统尽可能在结构上简单、可靠，同时具有高性能的交换、广播能力，因此作为大 规模的中心交换结构，b a n y a n 网并不是首选。 2 3 2 共享介质结构 共享介质的结构是所有结构之中最简单的一种，没有内部阻塞，能够完全利_ | 出线缓冲的 性能优势克服出线冲突，但是其总容量受剑介质带宽的限制。以共享总线结构为例，在交换中， 交叉时隙必须一个个分别处理，所以共享的总线介质最多也只能一次处理一个交义时隙，其宽 1 2 中南大学硕p 学位论文 度最人只能达到一个时隙的长度，即为8 比特。就目前的技术水平而言，假设存贮器可以上作 于2 0 m h z 的频率之下。由此可以得出目前共享介质结构容量的极限大约为8 2 0 m 1 6 0 m h ，s 。 对于e l 端口而言，这相当于约8 0 个端口的容鼍，这也是就是当前共事总线交叉设备目前最大 的规模。所以它只能用于中小规模的d x c 数据交叉设备，是目前实用化的交叉设备中采用较多 的一种结构，d x c 1 6 就是这种结构。 图2 3 中央控制的共享总线 如图2 3 ，中央控制的共享总线足共享总线结构中的一种。其中，各输入口将e l 时隙数据 作串并变换后轮流送上总线，中央控制部分处理各e l 时隙数据的路由信息，向各出口缓冲器分 别发出控制信号，将属于各输出口的e l 时隙数据( 包括广播e l 时隙数据) 送到各输出缓冲队 列当中。 共享总线结构最大的优点是可以对整个结构进行水平和年直的分割，将总体复杂度分散开， 给电路实现带来极大的方便。总线分割以两种方式同时进行： ( 1 ) 端口分割( 水平分割) ：将各端口送来的e 1 时隙数据按不同的时隙复用到总线上，即 不同的端口占用不同的总线时隙。 ( 2 ) 垂直分割：注意到各个输出缓冲队列实现上都是并行结构，同总线具有相同的宽度。 而在这种并行的数据位之间，也没有特别的联系，因此可以分散地实现。其结构如图2 4 ，设共 享总线的总宽度分为8 b i t ，则可将其分为4 个平面，每平面中2 个比特。每一个入口将e l 时隙 数据进行第一级并行展开，每一个交换平面取得这次展开的8 个比特，4 个交换平面同时动作使 总线宽度最终达到要求的8 比特。每个交换平面都有自己的控制中心，可以控制每个平面内的 缓冲队列。 在这种总线分割的方式中，每一个交换平面内的总线宽度f 降为原来的4 分之一，降低了 1 3 甚 中南大学硕 学位论文 系统的复杂度。同时，如有必要，可以在每一个交换平面内部进一步分解其结构，以最终达到 较好的电路实现方式。例如在每个交换平面内部，采用端口分割的方式。在电路实现上，一个 交换平面完全可以用一个v l s i 来实现。 2 3 3 纵横制全联接结构 图2 4 垂直总线分割 纵横制全联接网络具有天然的简洁明快的构成，没有内部阻塞，具有广播性质。它适于大 规模集成和制造，虽然其肯点数( n 2 ) 要比b a n y a n 结构大，但随着近年来v l s i 技术有了欧 足的进步，集成度大规模提高，对于不大的端口数n ，纵横的n 2 个结点已不是不可能实现的。 所以这种结构不但在理论上。而且在实践中广受重视，出现了相当多的以其为基础的实验系统。 亡皿一一l = 吁 ，交翅捌 交叉结点 1 l i 譬吁一一- e 册 交叉结点 交叉结点 图2 5 内部缓冲纵横制结构 纵横制网的基本结构如图2 5 ，在这种结构中，其缓冲器中的e l 时隙数据都是送往同一出 线。同时，输出口使用简单的轮询或中请电路从各缓冲器中轮流读出e l 时隙数据，其管理十分 简单。如果存在着线路优先级要求，则只要在轮询的周期中增加某个队列的轮询次数，就可以 实现。 1 4 备 中南大学硕十学位论文 图2 6 一种纵横制结构 图2 6 中示出一种该结构的具体实现形式，其中的p p o 是初级e l 时隙数据分配器，负责为 e 1 时隙数据附着上路由信息，而x p m 是次级e l 时隙数据分配器，负责轮流提取各缓冲】i 了点上 的e l 时隙数据，这里未进一步说明p p o 、x p m 具体采用了什么方法予以实现，我们不仿假设 它们取了最简单的形式，即p p o 是一个地址附着和总线驱动电路，而x p m 是简单的环形轮询 电路。这种纯粹的纵横制结构大多用在a t m 交换机中，普通的程控交换机只有s 一1 2 4 0 采用， 而经过改进的t - s t 结构得到广泛的应用。 2 4d x c 数据交叉设备d x c 12 8 总体设计方案 综合上面几种交换结构，虽然共享总线结构冈为线宽的限制朱能达到更大的容量，但是我 们可以用t - s - t 结构来实现总线宽度的扩展，则实现丈容晕d x c 交换结构是可行的。 2 4 1 系统总体结构 d x c 数据交叉设备d x c 1 2 8 的设计方法是：保留共享总线结构的s t b u s 8 作为复接机制， 同时增加一个t - s t 纵横制结构的中心交换阵，完成对接入交换机的总线的扩展和交换。以2 x 2 交换结构( 实际的结构是8 x 8 ) 为例。如图2 7 ： 1 5 中南大学硕十学位论文 懿琴慧缝络 薅 i s - l 交换$ 懒 擦入突换机 蕊擎想缝结掬 按入交换橇 图2 7 系统总体结构 从电路的角度，在图2 7 中系统主要由接口、集中，分散、交换电路组成。从各接口板的入 端口米的e l 时隙，在集中分散电路铍集中复接成s r b u s 8 的共享总线( 流速为8 1 9 2 m b p s ) ， 然后传到中心交换阵。经过纵横制结构的中心交换阵的交换，送回到相应的复接接口。再由复 接接口将e l 时隙数据分送给相应的接口板的出端口。系统电路组成如图2 8 。 1 6 1 l d l 图2 8 系统电路组成 其中，接口电路处理线路接口( 如e l ”1 ) 和其它种类的接口( 如以太网) ，并将信号复用 成8 1 9 2 m 的内部信号i t o m 送给集中电路，数据格式与s t b u s 一8 兼容，时钟频率为8 1 9 2 m ； 而将3 2 块接口板送来的共3 2 x 8 1 9 2 m ：2 6 2 m 信号汇成m t d s 信号，送给交换阵电路；交换阵 电路将集中电路送来的总线信号交换与复制，以s t 0 m 信号格式送给各分散电路；分散电路 将数据再进一步分散成3 2 路8 1 9 2 m 内部信号m 1 o i ，送给3 2 路接口电路的出端口。 2 4 2 接口电路 每块接口电路板的外部联接4 个e l 接口，每一接口格式可以选t l 或e 1 。在内部，各路 1 6 一直圜 中南大学硕 学位论文 e l 信号首选经过e l 时隙数据处理电路，完成线路信号h d b 3 到内部信号的格式变换，然后经 过同步检测和c r c 校验电路，送往缓冲器f 1 f o ，最后把4 个e l 速率的e l 时隙数据流复用成 为1 个内部标准信号( 可达8 1 9 2 m b p s ) 。并送往交换电路。同时，它又把从交换电路收到的 8 1 9 2 m b p s 信号分离成4 路，完在码型变换，进行e l 时隙数据组装，形成e l 时隙数据流，并 送往外部线路。其中，e 1 时隙数据处理和e 1 时隙数据组装主要由线路接口模块完成，c r c 校 验与同步电路，分拆电路，以及码型变换电路，可由一块v l s i 完成。电路扳上的微处理器为一 片8 9 c 5 2 ，配合硬件完成线路监测、联接控制，接口配置功能和故障检测功能，并实现在接口 板的硬件系统中能够由网络管理系统加以控制。接口扳电路组成见图2 9 。 到集中j 分散电路 图2 9 接口板系统组成框图 电路主要由三种芯片组成：复增芯片、解复用芯片、同步芯片。复用芯片要根据时隙号和 同步控制，将相应的l 时隙复用到复用帧中；解复用芯片主要是将从集中，分散模块中来的复 用帧重新组装成e l 时隙数据，弗从同步握手信号中提取出对应的时隙号，并根据时隙号将e l 时隙数据装入到不同的f i f o 中；同步芯片主要是根据e 1 时隙数据恢复出系统的同步时钟，并 将完成的e l 系统时钟送到系统网络中。 2 4 3 交换矩阵电路 交换矩阵电路为纵横制矩阵方式，如图2 1 0 ，对3 2 个8 1 9 2 m 信号进行交换，交换容鼍为 3 2 + 8 1 9 2 m ，主频为2 0 m h z ，由4 块基本交换电路模块组成，每块基本交换芯片由1 0 2 4 x 1 0 2 4 个f i f o 矩阵构成，路由信息由主控c p u 提供，写入控制存储器中，在入处理电路s w i 中完成 串并变换。出处理电路s w o 顺序读出交换阵的各f i f o ，同时加上f i f o 的状态指示，构成s t d m 信号，完成并串变换，再送给分散电路。 1 7 中南大学硕 学位论文 入摊瑷 s w l 张饵 交接麟麓贼 图2 1 0 交换阵电路结构 交换电路可以根据系统需要进行灵活的连接，支持1 2 8 、6 4 、3 2 、1 6 端口四种配置，分别 对府4 、2 、1 块交换电路模块。系统时钟使用统一的时钟，由中心控制板产生后送给备接入板。 交换阵的出线控制采用轮循方式。 1 8 中南大学硕士学位论文 第三章交换矩阵的设计 本部分主要讨论交换矩阵的设计原理和考虑。在设计d x c 的交换矩阵时。可以参考无阻塞 的p b x 交换矩阵，将d x c 作为“准静态交换机”处理。由于大规模集成电路技术的发展，通 信专用a s l c 也取得跃足发展，使实现无阻塞的p b x 交换矩阵从技术和成本上成为可能。在 d x c 1 2 8 设计中我们就采用了z a r l i n k 公司的m t 9 0 8 2 0 作为基本单元构成犬容鼍带数据广播 功能的d x c 专用交换矩阵。 3 1 数字交换原理 由于数据信号本身是数字信号，用户的数据信息就在p c m 复用线上占据一至n 个固定的时 隙，这个同定的时隙上，周期地传递该用户的数据信息。例如：a 用户占据的是t s l 、t s 2 时隙， 则a 用户的数据信息就将每隔1 2 5us 在t s l 、t s 2 时隙内以数字信号的方式向交换网络传递一 次。由交换传送给a 用户的数据信息也将每隔1 2 5 ”s 时问在t s t t s 2 时隙内送给a 用户，当然 对于数据的广播形式，是无须返回数据的。所以t s l t s 2 时隙就是同定给a 用户使用的路由， 无论是发送还是接收，均使用这两个时隙的时间( 数据广播例外) 。当然发送同路和接收同路是 分开的，但传递a 用户的数据信息的时间和a 用户接收来话的数据信息的时间是在同一个时隙 时间之内。最多可有3 0 个用户就分别固定占_ 【i 3 0 个时隙。如a _ h 户占用t s l ，b 用户占用t s 2 ， c 用户占用t s 3 ，n 用户占用t s n 。 当两个用户要互相通信时，若用导线和接点将这两个用户信道直接相连，显然是不行的， 冈为它们的信道是时分的，各自占用不同的时间。所以，在时分通路里，每个时隙就是一个信 道。若a 用户的数据信道占用t s l 时隙，b 用户的数据信道占用t s 2 时隙，t s l 时隙和t s 2 时隙 是互相错开的。这两个用户要想交换信息，则只能采取暂存的办法，即a 用户的数据在t s ，时 隙时，再从1 ”单元将a 用户的数据信息取出来，送给b 用户。而b 用户的数据信息是在t s 2 时 隙时发出，送到数据存储器存在2 4 单元里，等剑t s l 时隙时再从2 4 单元将其取出，送给a 用户。 这样就实现了时隙交换，这一过程示丁二图3 1 中。 1 9 中南大学硕十学位论文 图3 1 时隙交换原理 a 用户的数据信息a 在t s l 时隙时，通过a 用户的发送回路送至交换网络的数据存储器中 的1 4 单元暂存，在t s 2 时隙时将数据信息a 从1 4 单元取出，经交换网络的输出线送至b 用户接 收回路送给b 用户。b 用户的数据编码信息b 在t s 2 时隙时，通过b 用户的发送回路送至交换 网络的数据存储器中的2 4 单元暂存，在t s i 时隙时将数据信息b 从2 4 单元中取出，经交换网络 的输出线送至a 用户的接收回路送给a 用户。这种信息交换方式只能交换数字信息，所以该交 换网络称为数字交换网络，进行数字交换，而数字交换的实质就是时隙交换。而要进行时隙交 换，就要有一个能存储数据信息的数据存储器和一个控制数据存储器的存储和取出的控制设备， 这个控制设备就是控制存储器。对d x c 而言，应采用“读出控制”以便实现数据的广播和时隙 整合。时隙交换是采用时间接线器来完成的，但时间接线器的容量不大，目前所能生产的最大 容晕也只有2 0 4 8 个单元，若组成一个大容鼍d x c 显然是不够的，但必须进行空间交换，以扩 人其容量。这里讲的空间交换仍是时分制的数字交换，信息编码 仍是在某个时隙内传输， 仅仅是由这一条复_ 【 j 线上交换至另一条复用线上，时隙不变。所以，组成一个数字交换网络不 仅需要时隙交换，而且还要进行空间交换。下面就几种典型的交换结构加以分析： 3 2 t 型时分接线器 t 型时分接线器( 丁i m es w i t c h ) 又称时间型接线器，简称t 接线器。它是由数据存储器( d m d a t am e m o l y ) 和控制存储器( c mc o n 仃0 1m e m o r y ) 两部分组成，其功能是完成“时隙交换”。 数据存储器是存储经编码的数据信息，由随机存取存储器( r a m ) 构成。其容肇分别有1 2 8 、 2 5 8 、5 1 2 和1 0 2 3 单元，每一单元可以存储8 位信息编码。己编码的数据信息周期性地写入数据 存储器内，并从数据存储器内周期性地读出。在数据存储器内，可以进行若干次读操作，但写 操作却只能在规定的时间内进行一次。 2 0 中南大学硕 学位论文 控制存储器是控制数据存储器的写入和读出，也是由r a m 构成。它的存储单元数往往与数 据存储的存储单元数相等。在它的每个存储单元里存放的是发送端的数据信息在数据存储器中 的存放地址。 通过t 接线器交换后输出的信息总是滞后丁二输入的信息，但最大不会超过一帧时间。按照 控制存储器对数据存储器的控制关系，t 接线器的工作方式有两种：读出控制方式和写入控制方 式。 数据存储器的存储单元数在读出控制方式中标志着接线器的入线数。而控制存储器的存储 单元数标志着接线器的出线数( 在写入控制方式中恰与此相反) 。若出线数等于入线数则称为分 配器；出线数小于入线数则称为集线器；出线数大于入线数则称为扩展器。 3 2 1 单端输入的t 接线器 单端输入的t 接线器是指其输入端只接入一条基群p c m 线，在这一条线上只有3 2 个时隙， 有3 0 个时隙，所以数据存储器和控制存储器的容量均为3 2 个单元。 ( 1 ) 读出控制方式的t 接线器 读出控制方式的t 接线器如图3 2 所示，它的数据存储器s m 的写入是由定时脉冲控制，顺 序写入，其读出是受控制存储器的控制读出。所以，读出控制方式的t 接线器是顺序写入，控 制读出。 控制存储器也是由i 认m 构成。它的写入是受中央处理机控制的，是控制写入；它的读出则 是在定时脉冲控制f ，顺序读出。 2 l 中南大学硕 。学位论文 囤皿 1 s l1 s ：t s i t s t c b 1 s l ! 嚣l1 s i 图3 2 读出控制方式的t 接线器 ( 2 ) 写入控制方式的t 接线器 写入控制方式的t 接线器如图3 3 所示。 t s ；t s ：1 s l 曰囤圈 稻 1 s $ t 巍 图3 3 写入控制方式t 接线器 它的数据存储器s m 的写入受控制存储器控制，它的读出则是在定时脉冲的控制f ，顺序 中南丈学硕 学位论文 读出。这就是所谓的“控制写入，顺序读出”。控制存储器仍然是“控制写入，顺序读出” 上述的两种工作方式在某些交换机中组成t s t 数字交换网络时要同时用到，时分接线器只 是对一条基群p c m 传输线中3 0 个话路进行交换，故称为单端脉码交换。实际上，在交换局中， 要有许多端脉码进行交换，而且数据存储器的存储单元也不仅仅只有3 2 个单元，有的是2 5 6 个 单元，还有5 1 2 个单元，1 0 2 3 个单元等等。这样。它的输入端连接的p c m 传输线就不止是l 条，而是要有8 条、1 6 条、或3 2 条，这就是多端的脉码交换。 3 2 2 多端输入的t 接线器 多端输入的t 接线器就是耍在输入端连接多条p c m 线，每一条p c m 线称h w ( h i 曲w a y ) 。 如果输入端接8 条h w ，t 接线器的数据存储器就应有2 5 6 个存储单元。如果接1 6 条h w ，数 据存储器就应有5 1 2 个存储单元。这样就产生了两个问题：一是这些条h w 中的时隙顺序在进 行t 接线器时如何排列；二是，这么多时隙如果仍按原来的结构排列，要求进入t 型接线器输 入端的传输端的传输速率大大提高，这对设备线路及元器件会产生许多问题，因此要考虑降低 速率的问题。 图3 4 是8 端脉码输入的t 接线器方框图。在数据存储器中有2 5 6 个存储单元，写入是受定 时脉冲a 卅7 控制，读出是由控制存储器控制。控制存储器也有2 5 6 个单元，控制2 5 6 个输出 时隙。由于存储单元是2 5 6 个，故有2 5 6 个地址，因此需要8 个定时脉冲控制。这8 个定时脉 冲是a r a 7 ，由它们以不同的组合方式组成按时序排列的2 5 6 个控制脉冲，控制相应单元的写 入或读出，所以它又是单元的地址码。例如：o o o l 0 0 0 0 ，这8 个定时脉冲是在时钟c p 计数为8 时出现的控制脉冲，控制8 4 单元的写入。 s m ( 1 ) 多端脉码的排列 图3 48 端输入的t 接线器 h “ h w l h w i _ 中南大学硬 学位论文 以8 端脉码输入为例，8 端脉码共有2 5 6 ( 3 2 8 = 2 5 6 ) 个时隙。这2 5 6 个时隙的排列方式 应是h w 0 的t s o ，h w 2 和t s o ，h w 7 的t s o ，h w o 的t s l 。hw l 和t s l ，h w 2 和t s t ， h w 7 的t s l ，等等。h w o t s o 作为总时隙t s o ，h w l t s o 为t s t ，h w 7 t s o 为t s 7 ，h w o t 两 为t s s ，h w 7 t s 3 l 为t s 2 。2 5 6 个时隙分别为t s o t s 2 。 各端脉码的时隙号与总时隙号的对应关系为：总时隙的8 位二进制数码的前3 位a 诅i a 2 表 示8 个h w 的号，如h w o ，即0 4 h w ，用0 0 0 表示。总时隙的o 位二进制数码的后5 位a 3 a 3 a 5 a 6 a 7 表示各端h w 中的3 2 个时隙号，例如t s l l 0 0 0 0 ，t s 为1 1 0 0 0 。各端脉码的端号、时隙号及总 时隙号的对应关系表示如下： a oa la 2 端口号 a 3a 4a 5a 6a 7 时隙号 c p 厂 厂1 几nn 几几几r 2 3 砚3 3 n 8 厂 一几_ _ l j 3 8 8 门 a 1 厂l 一_ 1 j 卯6 ，卯咖 乜一- 一l 9 5 舢5 2 * s & i39 0 3 ，39 0 3 4s a t a a ， j 蕊 百石石石 l0 0l0 o d o 7 d o t 也 南 q = 坞4 南 觋一 广 图3 5 定时脉冲波形图 a a 7 作为定时脉冲，其相应的脉冲波形如图3 ，5 所示。c p 脉冲的脉冲，间隙宽度为 2 3 3 n s ，2 3 3 n s ，和3 0 3 2 路p c m 系统中的一个俯时隙脉冲宽度( 3 8 8 n s ) 相同。a o 是c p 脉冲的分 2 4 吣 吣 h 。篡= 圩 扎 以 中南大学硕 学位论文 频，其脉冲和间隙的宽度均是c p 脉冲的2 倍。a l 又是a o 的分频，a 7 是a 6 的分频，脉 冲和间隙的宽度6 2 5u 啪2 5us 的脉冲。 a 水7 通过译码电路可译成2 5 6 个时间位置不同的定时脉冲。它们的持续t l s ，周期为1 2 5 us ，用以代表不同的2 5 6 个存储单元地址，并控制其单元的写入或读出。 ( 2 ) 降低速率 每一端的脉码传输速率是2 0 3 8 m b ，s ，若8 端脉码输入时，其传输速率将达到1 6 3 8 3 m b s ， 若1 6 端输入时，其传输速率将达到3 2 7 8 6 m b ，s ，这样高的传输速率会带来许多问题，如辐射、 干扰等问题。为此，各厂家都采取了降低速率的措施。通常多采用串，并变换的办法，将串行码 变换成并行码，这样可使速率降低8 倍。 嚣lt s 广一i 气1 1 f 而i 百芋i 确：d i 弗行鹤l 羽口口口口口口口口口口口口口口口 z m m 幽 。醌 口! ：口! “ 并确融l j l 删。 l 瞬n 一携鼬 1 k 弱一一一一 一 口口掰胁妇 图3 6 串行码和并行码 从图3 6 可明显的看出，在串行码中，一条线上的传输速率为2 0 3 8 m h ，s ，而在并行码中， 每一条线上的传输速度只有2 5 6 k b s ，较串行码的速率降低了8 倍。当然，速率的降低是以增加 了传输线数为代价换来的，它使制造上艺要求大为降低，减少了幅射干扰，降低了器件的开关 速度，因而也降低了造价。 ( 3 ) 多端脉码输入的t 接线器 对于多端脉码输入的t 接线器是由复用器、数据存储器、控制存储器和分路器所组成。复 用器是由串并变换电路构成，数据存储器每个单元内的8 位码是以并行码的方式同时存入相应 单元，分路器是由并，串变换电路构成。在复用器输出的是并行码，送到数据存储器，从数据存 储器输出的也是并行码，送到分路器后，经并，串变换变成串行码输出至各条h w 。 图3 7 是8 端输入的t 接线器，每条输入线上有3 2 个时隙每个时隙内有8 位串行码的p c m 数字信号，其传输速率是2 0 4 8 m b ，s 。经串，升变换后，输山则是8 位串行码的p c m 数字信号， 其传输速率是2 0 4 8 m b ，s 。经串，并变换后，输出则是8 位并行码，在每条线上传输的是8 条h w 中南大学硕上学位论文 的各个时隙的某一码。图3 7 表示了各条线上的构成情况。在每条位线上传输的是8 条h w ，每 条h w 上3 2 个时隙的复用。每条线上有2 5 6 个时隙，每个时隙的持续时间是3 8 8 n s ，这正是8 个定时脉冲所形成的控制脉冲宽度。若是1 6 条h w 输