Элементная база цифровых коммутационных станций

6.5.1. Общие сведения об элементах и конструкции цифровых АТС

Основной элементной базы современных электронных устройств являются полупроводниковые интегральные схемы. Эта общая характеристика относится также и к оборудованию цифровых телефонных станций. Сложность алгоритмов работы узлов АТС и разнообразие интерфейсов обусловили широкое использование микросхем большой степени интеграции, содержащих от нескольких тысяч до нескольких миллионов транзисторов.

Как и в других видах аппаратуры связи, в телефонных станциях применяются специализированные микросхемы, выполняющие функции, присущие телекоммуникационному оборудованию. Разработкой и производством таких элементов занимаются многие фирмы в различных странах: Motorola, Mitel, Agere (США), Infineon (Германия), Samsung (Южная Корея), NEC (Япония) и многие другие. Несмотря на относительность высокую стоимость специализированных микросхем, их использование оправданно. Каждая из микросхем эквивалентна множеству дискретных компонентов, которые занимали бы существенно больше мест на печатных платах, что привело бы к увеличению объема работ по изготовлению устройств связи и их стоимости.

Наряду со специализированными, в технике АТС применяются также универсальные микросхемы. Примеров таких элементов являются микропроцессоры и микросхемы запоминающих устройств. В центральных и периферийных управляющих устройствах устанавливаются микропроцессоры, разработанные для средств вычислительной техники. Это преимущественно продукция фирм Intel и Motorola. ПУУ могут также быть построены на однокристальных микроконтроллерах, предназначенных для применения в любых управляющих системах.

В цифровых АТС применяются аналоговые, цифровые микросхемы и микросхемы, работающие со смешанными – аналоговыми и цифровые сигналами. Современные цифровые микросхемы выпускаются по полупроводниковой КМОП – технологии, благодаря чему в процессе работы рассеивают небольшую мощность. Если в недавнем прошлом все цифровые устройства получили питание от источника с напряжением 5 В, то в настоящее время для дальнейшего снижения потребляемой мощности происходит переход к выпуску микросхем с напряжением питания 3 В.

Конструктивной основой большинства АТС средней и большой емкости является набор кассет стандартного размера (чаще всего 19- тидюймовых), устанавливаемых в стативы. В кассеты вставляются печатные платы с разъемными соединителями. Соединение ответных частей разъемных соединителей, установленных в кассете, выполняется также с использованием печатного монтажа или навесным монтажом методом накрутки.

Для обеспечения высокой плотности размещения элементов применяются многослойные печатные платы (обычно 4…6 слоев). Элементы устанавливаются на платы методом поверхностного монтажа (Surface Mount), при котором выводы элементов не проходят через отверстия в плате, а припаиваются сверху к токоведущим дорожкам. Эта технология позволяет максимально автоматизировать процесс сборки изделий.

Рассмотрим элементную базу наиболее специфических узлов цифровых АТС – коммутационных полей и абонентских комплектов.

6.5.2.Элементы цифровых коммутационных полей

Основным элементом коммутационного поля цифровой АТС является временной коммутатор, выполненный в виде отдельной микросхемы. Микросхема одержит все необходимые функциональные узлы, так что для построения структуры типа Т не требуется практически никаких дополнительных элементов.

На рис. 6.20 приведена структурная схема микросхемы временного коммутатора типа TTSI4K32T производства фирмы Agere. Коммутатор позволяет подключать к его входам и выходам до 32 цифровых потоков со скоростью передачи от 2048 до 8192 кбит/с, причем скорость передачи по каждому входу и выходу может устанавливаться отдельно. Таким образом, общее число каналов, коммутируемых микросхемой, может достигать4096.

Во входных интерфейсах коммутатора происходит мультиплексирование цифровых потоков, подключенных к трактам RXD0…RXD31. Объединенный поток подается на вход речевого запоминающего устройства РЗУ. Установление соединений между канальными интервалами на входе и выходе РЗУ происходит в соответствии с данными, записанными в управляющую память УП. Выходные интерфейсы коммутатора демультиплексируют цифровой поток, поступающий с выхода РЗУ, распределяя его по выходным трактам ТХD0…TXD31. Синхронизация работы входных и выходных потоков коммутатора осуществляется блоком тактовой синхронизации.

Для сопряжения с ЭУМ, управляющей коммутационным полем, микросхема имеет интерфейс системы управления, который обеспечивает обмен информацией по шинам адресов А, данных D и управления С. Шины могут быть непосредственно подключены к микропроцессору без каких-либо промежуточных устройств. Это означает, что устройства ввода-вывода системы управления интегрированы в микросхему коммутатора. Следует заметить, что такой способ организации взаимодействия функционального узла с управляющим устройством характерен для большинства микросхем, используемых в телекоммуникационной аппаратуре.

Для доступа к ячейкам УП, РЗУ и регистрам интерфейса системы управления при отладке оборудования в микросхему встроен JTAG- интерфейс. Это стандартный последовательный интерфейс, используемый в программируемых устройствах

Помимо собственно временной коммутации, микросхема обеспечивает формирование и детектирование тестовых сигналов, передаваемых в выходных и входных цифровых потоках для исправности коммутационного поля.

Пропускная способность рассматриваемого устройства позволяет построить коммутационное поле АТС средней емкости всего на одной микросхеме. Коммутационное поле большей емкости можно построить по схеме с двумя звеньями, как показано на рис.6.21. Здесь в каждом из звеньев используется по 16 коммутаторов (А1…А16 и В1…В16). Всего коммутируется 512 цифровых потоков со скоростью до 8192 кбит/с каждый.

6.5.3Схемотехника и элементная база абонентских комплектов

Способы представления разговорных, линейных сигналов и сигналов управления в линиях и внутри АТС существенно отличаются. Поэтому основной функцией линейных комплектов является преобразование сигналов из одной формы в другую. В состав цифровых телефонных станций могут входить интерфейсы как аналоговых, так и цифровых линий. Аналоговые телефонные аппараты предоставляют абонентам возможность не только устанавливать обычные телефонные соединения, но и получать доступ к разнообразным дополнительным услугам. По аналоговой линии можно получить доступ к сети Internet, к аналоговой линии проще подключить факсимильный аппарат. Кроме того, они существенно дешевле цифровых. По этим причинам большая часть интерфейсов абонентских линий в существующих АТС – аналоговые.

Набор функций, выполняемых интерфейсами аналоговых абонентских линий, в технической литературе часто обозначается аббревиатурой BORSCHT. Каждая буква в ней соответствует отдельной функции:

- В (battery) – питание абонентской линии от центральной батареи;

- О (overvoltage protection) – защита станционных устройств от высоких напряжений в абонентской линии;

- R (ringing) – передача в линию индукторного тока при посылке вызова абоненту;

- S (signalling) – прием линейных и управляющих сигналов от абонентов;

- C (coding) – аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования разговорных сигналов;

- H (hybrid) – дифференциальная система – переход от двухпроводного тракта к четырехпроводному;

- T (testing) – контроль состояния абонентской линии и узлов самого интерфейса

Питание абонентской линии от центральной батареи в цифровой АТС обычно осуществляется с использованием электронного источника электрического тока. Как показано на рис.6.22, источник тока подключается к проводам a и b абонентской линии и обеспечивает заданную величину постоянного тока питания (обычно 20…30 мА) при снятой микротелефонной трубке. Ток питания при этом остается постоянным независимо от сопротивления абонентского шлейфа (сумма сопротивлений проводов a и b, плюс сопротивление телефонного аппарата), которое может изменяться в зависимости от длины линии в пределах 300…1500 Ом. Источник тока имеет высокое внутреннее сопротивление. Благодаря этому переменный разговорный ток не шунтируется источником, а передается через разделительные конденсаторы С1 и С2 к последующим узлам абонентского комплекта.

На рис.6.23 приведена упрощенная схема питающего устройства для абонентской линии. Источник тока построен на транзисторе VT1. Напряжение на резисторе R5 поддерживается постоянным благодаря включению стабилитрона VD1. Величина тока в абонентской лини и равна:

,

Где - напряжение стабилизации VD1, - напряжение перехода «база-эмиттер» VT1.

Для того, чтобы обеспечить питание длинных абонентских линий, станционная батарея имеет довольно высокое напряжение: на отечественных сетях -60 В и, чаще всего, -48 В на зарубежных. Если же линия оказывается короткой, то это приводит к рассеиванию большой мощности в интерфейсе аналоговой линии.

Предположим ,что телефонный аппарат, имеющий внутреннее сопротивление постоянному току 300 Ом, подключен непосредственно кроссу АТС, так что сопротивление абонентской линии пренебрежимо мало. Если источник тока обеспечивает питании линии током величиной 30 мА (0,03 А), то напряжение на телефонном аппарате составит: 300*0,03=9 В. При этом падение напряжения на элементах ИТ будет равно 60-9=51 В. Мощность, выделяющаяся в виде тепла в интерфейсе абонентской линии, составит 51*0,03=1,53 Вт. Поскольку на одной плате обычно располагаются 16 абонентских комплектов, то проблема отведения выделяющегося тепла оказывается весьма серьезной. Для снижения рассеиваемой источником тока мощности можно осуществлять питание коротких абонентских линий от низковольтной батареи. В этом случае, как показано на рис.6.24, интерфейс АТС должен содержать коммутатор S, подключающий к ИТ одну из двух станционных батарей. Выбор батареи производиться автоматически под управлением монитора, входящего в состав интерфейса контролирующего сопротивление абонентской линии. Такое техническое решение реализовано в интегральных микросхемах, предназначенных для использования в современных цифровых АТС.

Защита станционных устройств от высоких напряжений в абонентской линии призвана обеспечить безопасность в случае воздействия атмосферного электричества, при сообщении проводов линии с промышленной сетью переменного тока, а также при неосторожных действиях абонентов. В связи с тем, что воздушные абонентские линии, в наибольшей степени подверженные влиянию грозы, сейчас почти не встречаются, нет необходимости в установке разрядников. Защита осуществляется с помощью диодных мостов, полупроводниковых ограничителей напряжения, резисторов и предохранителей.

На схеме (рис. 6.25) предоставлен пример защитного устройства с диодным мостом. При возникновении на проводах а и b отрицательного потенциала ниже -60 В относительно земли, открываются диоды VD1 и VD2, и избыточное напряжение гасится на резисторах R1 и R2. Аналогичным образом с помощью диодов VD3 и VD4 гасится положительное напряжение. Вместо резисторов в схеме могут быть установлены предохранители, которые отключают абонентскую линию от оборудования АТС при протекании в цепи защиты предельно допустимого тока.

Для электронных элементов интерфейса, работающих с разговорными токами, могут быть также опасны и более низкие напряжения. Поэтому после конденсаторов С1 и С2, отделяющих постоянную составляющую электрического тока, обычно включается низковольтный ограничитель напряжения (VD5 на приведенной схеме).

Передача в линию индукторного тока при посылке вызова абоненту представляет собой непростую задачу, так как коммутация источника переменного тока высокого напряжения (до 90 В) низкой частоты (25 Гц) с помощью полупроводниковых коммутационных устройств, требует сложных схемотехнических решений. По этой причине во многих АТС посылка вызова выполняется с помощью обычных электромагнитных реле. В примере, предоставленном на рис.6.26, источник вызывного тока подключается контактами реле РВ, которое срабатывает по сигналам, формируемым управляющим устройством (УУ).

Основной недостаток подобных схем, характерных также для АТС электромеханической системы, заключается в невозможности обнаружить сигнал ответа абонента во время посылки вызывного тока. Если абонент снимет трубку во время работы звонка, то он услышит громкий неприятный звук в телефоне. В старых аппаратах прохождение вызывного тока через угольный микрофон нередко приводило к спеканию зерен угольного порошка и выходу микрофона из строя.

Кроме того, реле имеет относительно большие габариты и более короткий срок службы по сравнению с интегральными схемами.

В современных интегральных схемах, предназначенных для построения интерфейсов аналоговых абонентских линий, реализован другой способ посылки вызова. Этот способ заключается в использовании индивидуального для каждой линии формирователя индукторного тока. При этом, во-первых, разработчикам и проектировщикам не приходиться задумываться о выборе генераторов индукторного вызова различной мощности в зависимости от емкости АТС. Во-вторых, параметры вызывного сигнала могут быть индивидуально настроены ля каждой линии программным способом.

Как показано на рис.6.27. формирователь индукторного вызова, находящийся в интегральной схеме интерфейса, содержит генератор переменного тока и два усилителя, выходы которых подключены к проводам абонентской линии. По сигналу от управляющего устройства генератор начинает вырабатывать переменный ток частотой 25 Гц с небольшой амплитудой (не более 10 В). Сигнал, поступающий с выхода генератора, усиливается высоковольтными усилителями V+ и V-, получающими питание от источников постоянного тока (напряжение питания обычно составляет 60…85 В). В результате этого, на проводах a и b оказывается переменное напряжение вызывного сигнала с амплитудой 30…60 В.

Поступление сигнала ответа вызываемого абонента контролируется как в течение посылки вызывного тока, так и в паузах между посылками. Для этого к проводам линии постоянно подключен детектор замыкания абонентского шлейфа.

Применение индивидуальных формирователей вызывного сигнала имеет еще одно важное преимущество. Вызывной сигнал вырабатывается цифровым генератором с таким расчетом, чтобы в момент начала и конца каждой посылки переменное напряжение проходило через нулевое значение. При этом в линии не будет «бросков» напряжения, которые могли бы повлиять на соседние электрические цепи и создать шумы в разговорных трактах.

На рис. 6.28, на верхнем графике показана форма вызывного сигнала при использовании в абонентском интерфейсе электромагнитного реле. Контакты реле могут разрывать цепь вызывного генератора в момент, когда напряжение вызывного сигнала велико. Вибрация («дребезг») контактов в момент переключения приводит к возникновению серии импульсов. Спектр этих импульсов содержит высокочастотные составляющие, влияющие на соседние абонентские линии в кабеле местной сети.

Нижний график иллюстрирует процесс посылки вызова индивидуальным электронным формирователем. Переход от посылки к паузе происходит в момент, когда синусоидальная составляющая принимает нулевое значение.

Поскольку на аналоговых абонентских линиях сигналы занятия, ответа, отбоя и набора номера передаются декадным способом путем замыкания и размыкания шлейфа проводов, прием линейных и управляющих сигналов выполняется в устройствах посылки индукторного вызова. Например, как показано на рис.6.23, напряжение, снимаемое с резистора R4 источника тока, изменяется при замыкании абонентского шлейфа. Это позволяет системе управления регистрировать занятие, отбой и набор номера декадным способом. Кроме того, как уже было сказано ранее, для обнаружения замыкания шлейфа при ответе переменное напряжение индукторного вызова подается в линию на фоне небольшой постоянной составляющей. В абонентских комплектах некоторых АТС имеется отдельный узел, обеспечивающий прием сигналов набора номера частотным способом, однако, это скорее исключение из общего правила, по которому прием кода DTMF осуществляют приемники, подключаемые к линиям через коммутационное поле.

Дифференциальная система и устройства аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразований абонентского комплекта работают только с разговорными токами и, поэтому, отделяются от цепей постоянного тока конденсаторами (рис. 6.22) или трансформаторами (рис.6.22). Дифференциальная система может строиться по классической мостовой схеме, как показано на рис.6.29. В некоторых интегральных схемах применяется другой способ разделения цепей приема и передачи разговорных токов. Тракты приема и передачи разделяются в них с помощью цифровых сигнальных процессоров после преобразования аналогового сигнала в цифровой. Разговорный сигнал, поступающий в этом случае на вход аналого-цифрового преобразователя из двухпроводной линии, содержит разговорные токи двух направлений. Процессор производит вычитание принимаемого сигнала из суммы передаваемого и принимаемого сигналов с учетом задержек и отражений сигналов в аналоговых цепях. Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования выполняются кодеками и фильтрами. Интегральные схемы кодеков обычно позволяют выбирать режим преобразования сигналов по закону А (европейский стандарт) или по закону (американский стандарт)

Контроль состояния абонентской линии обеспечивается контрольно-испытательным оборудованием АТС. Такое оборудование, позволяющее следить за основными параметрами линий, на электромеханических АТС устанавливалось в помещении кросса и представляло собой отдельное устройство – испытательный прибор или испытательный стол. В цифровых станциях средней и большой емкости оборудование контроля является частью АТС и работает под управлением ЭУМ. При испытаниях абонентская линия отключается от абонентского комплекта и подключается к контрольно-испытательным приборам станции контактами реле РК (рис. 6.30). Как показано на рисунке, контакты реле РК переключают не только абонентскую линию, но и вход самого абонентского интерфейса. Это позволяет контролировать состояние как линейной, так и станционной стороны.

Технология производства цифровых интегральных схем и аналоговых интегральных схем, рассчитанных на работу с напряжением порядка десятков вольт, имеют существенные различия. Поэтому для построения аналоговых абонентских интерфейсов выпускаются комплекты микросхем, каждая из которых выполняет несколько функций из набора BORSCHT. Например фирма Infineon производит комплект, включающий интегральные схемы типа: РЕВ 416х: РЕВ 3465 и РЕВ 3166х. Первые содержат узлы питания, посылки вызова и линейной сигнализации, вторые– дифсистемы, фильтры и кодеки, третьи – микропроцессорное устройство управления.

Структура цифровых абонентских комплектов существенно проще структуры аналоговых. Цифровые абонентские комплекты обеспечивают питание телефонных аппаратов, подключаемых к интерфейсам , формирование и прием цифровых линейных сигналов, а также организуют взаимодействие по каналу D. Для реализации этих функций выпускаются специализированные интегральные схемы.

На рис.6.31 представлена схема включения телефонного аппарата в цифровую абонентскую линию АТС. На схеме приведены обозначения микросхем производства фирмы Motorola, используемых для построения соответствующих интерфейсов.

Цифровой абонентский комплект содержит микросхему интерфейса типа МС145572. Интерфейс обеспечивает передачу цифрового потока BRI по двухпроводной линии на расстояние до 6 километров с использованием линейного кода 2B1Q. Со стороны абонента линия включается в оборудование сетевого окончания NT. В этом месте происходит переход от интерфейса к интерфейсу четырехпроводной абонентской линии . Преобразование сигналов интерфейсов выполняют микросхемы МС145572 со стороны АТС и МС145574 со стороны аппарата абонента.

К четырехпроводной линии стандарта может быть подключено до восьми телефонных аппаратов. Ее протяженность не должна превышать несколько сотен метров (максимальная протяженность линии зависит от числа подключаемых абонентских устройств). Поскольку по двухпроводной линии от АТС не передается ток питания, оборудование NT подключается к сети переменного тока. Телефонные аппараты получают питание от NT.

Телефонный аппарат в представленном примере кроме микросхемы интерфейса МС145574 содержит также кодек МС14LC5480 и сигнальный процессор МС68302.

Ко входу кодека подключаются разговорные приборы. Сигнальный процессор осуществляет управление всеми узлами телефонного аппарата и формирует протокол сигнального канала D.

3.74 Программное обеспечение, базы данных цифровых коммутационных станций