交換單元及網絡 模擬信號數字化和時分復用基礎
交換單元模型基本交換單元 交換網絡
2.1模擬信號數字化和分時復用基礎
模擬信號是指在是和幅度數值上連續變化的信號 數字信號是指在時間和幅度取值上離散的編碼信號
脈沖編碼調制（PCM）：采樣、量化、編碼 采樣:目的是將模擬信號在時間上進行離散化，以相等的時間間隔抽 取信號的瞬間值。
量化：對采樣后的信號進行分級取整，目的是為了減少后續編碼的位數
編碼：對量化后的信號值編成二進制碼，即將每次采樣量化后的值，變成一個8位二進制碼。
時分多路復用：把時間分成均勻的時間間隔，將每一路信號的傳輸時間分配在不同的時間間隔內，
重要參數： 假設人的話音頻率范圍：300Hz~3400Hz； 采用抽樣頻率：8000Hz； 抽樣間隔：1/8000=125us ； 每個抽樣樣值采用8位編碼； 故對於每路數字話音，其信息速率為64Kbit/s 當采用北美體制進行時分復用時，其一次群由24時隙構 成，故北美體制一次群信號速率為 24*64Kbit/s=1.544Mbit/s
而當采用歐洲體制（CEPT）進行時分復用時，其一次群由32路構成，故歐洲體制一次群信號速率： 32*64Kbit/s=2.048Mbit/s
2.2交換單元模型 1、交換單元 交換單元（Switch Element -- SE）是構成交換網絡的最基本的部件，
若干個交換單元按照一定的拓撲結構連接起來就可以構成各種各樣的交換網絡。
對交換單元有多種分類方法，可以從不同的角度對交換單元進行分類，
一般采用以下2種分類方法。
（1）按照入線與出線上信息傳送的方向是單向還是雙向可以把一個交換單元分為有向交換單元與無向交換單元，
（2）按照交換單元入線與出線的數量關系可以把一個M×N的交換單元分為集中型，連接型以及擴散型，
2.交換單元的性能 對於交換單元，我們通過以下幾個指標來描述其特性：
（1）容量 交換單元的容量，包含兩方面的內容，一個是交換單元的入線與出線數目，一個是每條入線上可以送入交換的信息量大小。因此交換單元的容量就是交換單元所有入線可以同時送入的總的信息量。
（2）接口 在不同的線路上允許傳送的信號往往不一樣，同樣，在不同的交換單元入端上可以接收的信號也往往不同。因此，需要規定交換單元的信號接口標准。
（3）功能 交換單元的基本功能是能在入線與出線之間建立連接並傳送信息。從外部看交換單元，主要有3個功能，一個是點到點連接功能，一個是同發功能，還有一個是廣播功能，要根據實際情況選擇合適的功能。
（4）質量 一個交換單元的質量主要體現在兩個方面，一個是完成交換功能的能力，它通常指交換單元完成交換動作的速度，以及是否在任何情況下都能完成指定的連接；另一個是信息是否存在損傷，如信息經過交換單元的時延。
2.3 基本交換單元 交換單元的基本結構 在交換單元內部，要建立任意入線和任意出線之間的連接，最簡單最直接的想法就是使用開關，所有的開關就構成了交換單元內部的開關陣列。
開關陣列在拓撲結構上可排成方形或矩形二維陣列，並分別被稱為N×N方形開關陣列和M×N矩形開關陣列。
開關陣列的主要特性：
（1）任何時刻，任何入線都可連至任何出線。開關控制簡單，具有均勻的單位延遲時間。
（2）一個交叉結點代表一個開關，因此通常用交叉點數目表示開關數目。
（3）一列開關只能有一個處於接通狀態。
（4）開關陣列組成的交換單元的性能取決於所使用的開關。
在實際應用中，一般存在三種開關陣列：繼電器、模擬電子開關與數字電子開關。
繼電器一般構成小型的交換單元，所構成的交換單元是無向的，可交換模擬和數字信息，其缺點是干擾和噪聲大、動作慢（ms級）、體積大（cm級）。
模擬電子開關一般由半導體材料制成，只能單向傳送信息，且衰耗和時延較大。
但模擬電子開關的開關動作比繼電器快得多，構成的交換單元與繼電器構成的交換單元相比，體積小，一般用來代替繼電器構成小型的交換單元。
數字電子開關由簡單的邏輯門構成，開關動作極快且無信號損失，用於完成數字信號的交換，目前得到廣泛的應用。
2.3.2 空間接線器 輸入控制方式 2.3.3 總線型交換單元 共享總線型交換單元的一般結構如圖2.9所示，總線型交換單元有N條入線與N條出線，
每條入線都經過各自的輸入部件連接到總線上去，同時每條出線也都經過各自的輸出部件連接到總線上去。 輸入部件的功能是接收入線信號，進行信號的格式變換，在相應時隙到來時將輸入信號發送到總線上去，因此為暫時存儲輸入線上的連續信號，輸入部件一般具有緩沖存儲器。設輸入部件每隔τ時間獲得一個時隙，輸入端輸入的信號速率為V比特/秒，則輸入部件緩沖存儲器的容量至少應為Vτ比特。 輸出部件的功能是檢測總線上的信號，將屬於本端口的信息讀出，進行格式變換，
在出線上輸出。由於出線上輸出的是連續的比特流，因此輸入部件應設置緩沖存儲器。設輸出部件每隔τ時間獲得一組信息量，且該組信息量為常數，輸出端輸出的信號速率為V比特/秒，則輸出部件的緩沖存儲器的容量至少應為Vτ比特。 總線主要包括數據總線和控制總線，總線的寬度是指所包含的信號線數，由於數據線數的多少與交換單元的容量密切相關，因此通常把總線含有的數據線數叫做總線的寬度。 設總線型交換單元有N條入線，每條入線上傳送的同步時分復用信號的速率為V，則總線上的信號速率就是NV，因此當N增大時，總線上傳送的信息速率會增大，該速率以及入、出線控制電路的工作速率是有極限的，因此入出線數以及所傳送的信號速率不能超過一定的值。由於上述因素的限制，設總線上的一個時隙長度不能超過T，並且在一個時隙中只能傳送B個比特，則有下列等式成立： kNV = B/T 2.3.4 時間接線器 時間接線器也稱為T接線器，它是一個典型的共享存儲器型的交換單元，它的輸入是一條同步時分復用線（簡稱為入復用線），同時它的輸出也是一條同步時分復用線（簡稱為出復用線）。時間接線器用來實現在一條復用線上時隙之間交換的基本功能，簡稱T接線器。它主要應用在數字電話交換系統中，用於完成一條同步時分復用線上各個時隙之間話音信息的交換。 （1）基本結構 時間接線器由話音存儲器（Speech Memory -- SM）與控制存儲器（Control Memory -- CM）構成，如圖2.10所示。 讀出控制方式 2.4 交換網絡 2.4.1 交換網絡的基本概念 交換網絡的基本結構如圖2.13所示，可以說交換網絡是由若干個交換單元按照一定的拓撲結構和控制方式構成的網絡，這樣構成的交換網絡也稱為互連網絡。 交換網絡的三大基本要素：交換單元、交換單元之間連接的拓撲方式、控制方式 內部阻塞 出、入線空閑，但因交換網絡級間鏈路被占用而無法接通的現象稱多級奇偶啊換網絡的內部阻塞。 若用計算機的術語，阻塞也可稱為沖突，即不同入線上的信息試圖占用同一條鏈路 三種無阻塞網絡 （1）嚴格無阻塞網絡：不管網絡處於何種狀態，任何時刻都可以在交換網絡中建立一個連接，只要這個連接的起點、終點是空閑的，而不會影響網絡中已建立起來的連接 （2）可重排無阻塞網絡：不管網絡除用於何種狀態，任何時刻都可以在一個交換網絡中直接或對已有的連接重選路由來建立一個連接，只有這個連接的起點和終點是空閑的 （3）廣義無阻塞網絡：指一個給定的網絡存在固有的阻塞的可能，但有可能存在着一種精巧的選路方法，使得所有的阻塞均可以避免，而不必重新安排網絡中已建立起來的連接 2.4.2 TST網絡 1、TST網絡結構 TST交換網絡結構如圖2.15所示 ,該TST網絡具有32條雙向時分復用線，並且每條時分復用線上有32個時隙，注意TST交換網絡編號相同的入線與出線共同組成一條雙向時分復用線。TST交換網絡的第1級有32個T接線器，分別連在每一條輸入線上，第2級為一個32×32的S接線器，第3級由32個T接線器組成，分別連在每一條輸出線上。 關於TST網絡，有幾個方面必須注意： （1）交換網絡一般是建立雙向通路，即除了建立上述A→B方向上的信息傳輸，還要建立B→A方向上的信息傳輸，因此內部時隙的選擇一般采用“反相法”，即兩個方向的內部時隙相差半個幀（該幀是指TST網絡輸入線或輸出線的復用幀）。在圖2.15的TST網絡中，復用幀大小為32，半幀為16時隙，故A→B方向上選擇了內部時隙TS5，那么B→A方向上的內部時隙就是TS21（16+5=21）。一般地，設：TST交換網絡輸入線或輸出線的幀為F，選定的A→B方向上的內部時隙為TSA→B，則B→A方向上的內部時隙為TSB→A=TSA→B+ F/2。 （2）在一般情況下，TST網絡存在內部阻塞，但概率非常小，大概是10-6。 （3）構成TST網絡的第1級T接線器與第3級T接線器一般采用不同的控制方式，但無論采用輸入控制方式，還是輸出控制方式，除了操作方式不同外，本質是一樣的。 2.4.3 CLOS網絡 研究構成交換網絡的交叉點數目隨入線、出線數目增長較慢的方法，一直是交換領域研究的重點課題，這些方法的基本思想都是采用多個較小規模的交換單元按照某種連接方式連接起來從而構成多級交換網絡。CLOS網絡就是其中的一種，如圖2.16所示 它由CLOS首次提出，一般使用在大型電話交換系統中，屬於多級交換網絡。假設CLOS網絡有M條入線與N條出線，如果M=N，我們稱這樣的CLOS網絡為對稱的CLOS網絡，否則為非對稱的CLOS網絡。對稱的CLOS網絡使用廣泛，在這里我們主要介紹對稱的CLOS網絡，下面所介紹的CLOS網絡除非特別說明一般指對稱的CLOS網絡。 1、 3級CLOS網絡 3級CLOS網絡非常容易理解，而且應用廣泛，除非特別指明，我們一般說CLOS網絡也指3級CLOS網絡，更多級的CLOS網絡可以由3級CLOS網絡遞歸構造而成。一個N×N的3級CLOS網絡的基本結構如圖2.17所示，N為入線數與出線數。 其中，入線N被划分為r組，每組有n條入線，即N = r×n。第一級共有r個n×m的交換單元，r組入線正好分別接入交換網絡中第一級r個交換單元；假設第二級也恰好有m個r×r的交換單元，那么第一級的每一個交換單元也就有m條輸出，分別接到第二級中的m個交換單元，那么可以看出第二級的每一個交換單元共有r條輸入線；第三級交換單元是m×n規模的，共有r個，第二級交換單元的r個輸出分別連接到這第三級的r個交換單元，這就是一個3級CLOS網絡。 假設CLOS網絡的第K級交換單元的個數為nk，K級每個交換單元的輸入線數和輸出線數分別為ik、ok，則對於一個N×N的3級CLOS網絡
，有下列關系存在： n1= N/i1，o1= n2，i2= n1，o2= n3，i3= n2，n3= N/o3； 對於一個N×N的K級CLOS網絡，有下列關系存在： n1= N/i1，ok= nk+1，ik= nk-1，nk= N/ok。 從圖2.17可知，n1= n3= r，i1= o3= n，o1= i3= m，即N×N的3級CLOS網絡是左右對稱的，這也是對稱的CLOS網絡名稱的由來。CLOS網絡屬於多通路交換網絡，在一個入線與出線對之間存在着多條通路。 2、3級CLOS網絡嚴格無阻塞條件 在圖2.18中，該CLOS網絡的第1級交換單元的入線數與第3級交換單元的出線數均為n，即i1= o3= n，第二級的交換單元的個數n2= m。 假如要確立一條從a到b的信息交換通路，那么最不利的情況是：第一級與a相連的交換單元中除去a之外所有剩余的n-1條入線均有信息要交換，那么第一級與a相連的交換單元中n-1條輸出線均處於忙狀態，並且所有的n-1條輸出線都連接到第二級不同的交換單元上；最后一級與b相連的交換單元除去b以外所有的n-1條輸出線也均有信息要交換出來，並且對第二級來說需要另外的n-1個交換單元，而且這些交換單元都要有一條出線連接到與b相連的交換單元上。 那么在最壞情況下，總共需要（n-1）+（n-1） = 2（n-1）個可供選擇的第2級交換單元，這時候為了確保鏈路無阻塞，完成a到b的信息交換，至少還應該存在一條空閑鏈路，即中間級交換單元要有（n-1）+（n-1）+1 = 2n-1個，因此我們得出3級CLOS交換網絡嚴格無阻塞的條件是： m ≥ 2n – 1 上式中m為CLOS網絡第2級所需要交換單元的個數，n為CLOS網絡第1級交換單元的入線數與第3級交換單元的出線數（對稱CLOS網絡）。上式也稱為CLOS定理。 一般的CLOS網絡嚴格無阻塞的條件是： n2≥（i1 – 1）+（o3 – 1）+1=i1 +o3 – 1 3、3級CLOS網絡可重排無阻塞條件 我們先來看看3級CLOS網絡可重排無阻塞的概念，如圖2.19所示，其中3級CLOS網絡的n2=2，i1=o3=2，顯然，不滿足嚴格無阻塞條件。 圖2.19（a）所示，假設在某一時刻，入線0到出線3的連接經過路徑C1，入線2到出線0的連接經過了路徑C2，那么在這個時刻，假設要建立入線1到出線1的連接以及從入線3到出線2的連接，就會發生阻塞。但是有可能重新調整一下已有的從入線2到出線0的連接，使其由路徑C2變成路徑RC2，這樣我們就會發現調整后入線1到出線1以及入線3到出線2的連接就能夠建立了，如圖2.19（b）虛線所示。這樣的網絡就是可重排無阻塞的CLOS網絡，它可對已有路徑進行重排使得有阻塞的CLOS網絡成為無阻塞的網絡。圖2.19是3級可重排無阻塞CLOS網絡。 設n2=m，i1=o3=n，Slepian-Duguid定理給出了對稱3級CLOS網絡可重排無阻塞的條件是m≥n，其中m為CLOS網絡第2級所需要的交換單元的個數，n為CLOS網絡第1級交換單元入線數或第3級交換單元的出線數。 圖2.17 三級CLOS網絡 圖2.18 CLOS網絡的無阻塞條件 圖2.19 n2=i1=o3=2的3級可重排CLOS網絡 * * 圖2.1 M×N的交換單元 圖2.2 交換單元分類1：有向與無向 圖2.3 交換單元分類2：按照入線與出線數目 2.3.1 開關陣列 若交換單元的每條入線能夠與每條出線相連接，則被稱為全連接交換單元；若交換單元的每條入線只能夠與部分出線相連接，則被稱為部分連接交換單元或非全連接交換單元。 若交換單元是由空間上分離的多個小的交換部件或交換部件按一定的規律連接構成的，則稱為空分交換單元。開關陣列是一種空分交換單元。 圖2.5 M×N有向矩陣開關陣列 圖2.6M×N無向矩陣開關陣列 空間接線器主要由交叉點矩陣與一組控制存儲器構成，主要用來完成同步時分復用信號的不同復用線之間的交換功能，而不改變其時隙位置，簡稱S接線器 結構:電子交叉矩陣和控制存儲器（CM）構成 工作原理： （1）輸入控制方式：控制存儲器控制同號輸入復用線上的所有交叉結點。——入線選擇出線 （2）輸出控制方式：控制存儲器控制同號輸出復用線上的所有交叉結點。——出線控制入線 0 n-1 0 4 22 31 CM0 CM1 CMn-1 HW0 HW1 HWn-1 TS4 TS22 TS22 TS4 HW0 HW1 HWn-1 輸出控制方式 1 n-1 0 4 22 31 CM0 CM1 CMn-1 HW0 HW1 HWn-1 TS4 TS22 TS22 TS4 HW0 HW1 HWn-1 圖2.9 總線型交換單元一般結構 圖2.10 時間接線器 定時脈沖 b a b a 0 1 1 17 0 17 2 31 31 1 17 8 a b TS17 TS1 TS17 TS0 TS1 TS0 SM CM 寫入控制方式 定時脈沖 b a b a 0 31 1 17 8 b a TS17 TS1 TS17 TS0 TS1 TS0 SM 0 1 1 17 17 2 31 CM 圖2.13 交換網絡的一般結構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 n-1 n-1 n-1 n-1 n-1 n-1 第1級 第2級 圖2.14 nm×nm兩級交換網絡 交換網絡拓撲設計的目標 在滿足一定連接能力的要求下，盡量最小化交叉數。 ——無阻塞交換網絡 圖2.15 TST交換網絡 圖2.16 三級CLOS網絡