利用模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)T1/E1/J1的N+1冗余
摘要：具有多端口T1/E1/J1線卡的現(xiàn)代通信系統(tǒng)通過增加冗余來滿足電信網(wǎng)絡(luò)的高可用性要求。過去，這些系統(tǒng)曾經(jīng)用繼電器來實(shí)現(xiàn)N＋1冗余切換。隨著每個(gè)線卡上的T1/E1/J1端口數(shù)和每個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的線卡數(shù)的增加，繼電器方案不再可行，因?yàn)樗鼈円加么罅康陌迳峡臻g和供率。設(shè)計(jì)者正在用模擬開關(guān)代替繼電器。與繼電器相比模擬開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)列在表格1中。
相關(guān)應(yīng)用筆記：Intel(R) T1/E1/J1, N+1 Redundancy With Analog Switches and Intel(R) LXT38x Line Interface Units
表1. 模擬開關(guān)與繼電器的比較
Relay Analog Switch
Board Space 100mm2 15mm2
Power Consumption 140mW 5µW
Switching Speed 4ms 30ns
Reliability Mechanical Operation No Moving Parts
本篇應(yīng)用筆記介紹了如何使用模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)T1/E1/J1, N+1冗余保護(hù)。同時(shí)還提供了一些選擇模擬開關(guān)的指導(dǎo)，并給出了使用Maxim/Dallas模擬開關(guān)和T1/E1/J1收發(fā)器的測(cè)試結(jié)果。
冗余結(jié)構(gòu)
圖1和圖2為兩種使用模擬開關(guān)的冗余結(jié)構(gòu)。為清楚起見，分別畫出了發(fā)送接口和接收接口。對(duì)于每一個(gè)T1/E1端口，接收和發(fā)送接口都是在同一個(gè)電路板上的。圖中給出了為Dallas/Maxim收發(fā)器（如DS2155）推薦的典型接口變壓器和電阻。兩種結(jié)構(gòu)中，都有一條保護(hù)總線走在底板上，輸入和輸出信號(hào)可以通過這個(gè)總線送到模擬開關(guān)。保護(hù)總線直接連接到備用（保護(hù)）線卡。
在圖1中("結(jié)構(gòu)A”），模擬開關(guān)位于線卡上。結(jié)構(gòu)A的優(yōu)點(diǎn)是，不必像下面的“結(jié)構(gòu)B”那樣需要一個(gè)單獨(dú)的用于保護(hù)切換的線卡。但它要求即使在失效切換時(shí)開關(guān)也能獲得供電，這就要求一個(gè)單獨(dú)的專用電源。
圖1a. 冗余結(jié)構(gòu)A: 接收通道。
圖1b. 冗余結(jié)構(gòu)A: 發(fā)送通道。
在圖2（“結(jié)構(gòu)B”）中，模擬開關(guān)在一個(gè)單獨(dú)的“保護(hù)切換卡”中。結(jié)構(gòu)B的優(yōu)點(diǎn)是它不依賴于線卡中的常“開”電源，但是它需要額外的保護(hù)切換卡。
圖2a.冗余結(jié)構(gòu)B: 接收通道。
圖2b. 冗余結(jié)構(gòu)B: 發(fā)送通道。
模擬開關(guān)的選擇
為了滿足T1/E1/J1接口規(guī)范，選擇模擬開關(guān)必須認(rèn)真考慮其電氣特性。因?yàn)榘l(fā)送和接收端口的要求有很大差異，我們分別考查它們。
發(fā)送接口開關(guān)
在發(fā)送接口，開關(guān)的導(dǎo)通電阻(Ron)是一個(gè)非常重要的參數(shù)。在圖1和圖2中，我們能看到開關(guān)的Ron與輸出驅(qū)動(dòng)器和變壓器的初級(jí)線圈串聯(lián)，因此它會(huì)略微減小輸出脈沖的幅度。在大多數(shù)情況下，幅度的減小可以簡(jiǎn)單地通過降低串聯(lián)電阻(Rt)而得到補(bǔ)償，降低的幅度可對(duì)應(yīng)于開關(guān)的典型Ron。例如，如果收發(fā)器推薦的Rt 為11Ω，Ron (典型值)為0.5Ω，那么實(shí)際的Rt就應(yīng)該取10.5Ω。為了確保在整個(gè)工作范圍內(nèi)（包括溫度和電源的變化）正確的工作，保持Ron遠(yuǎn)低于Rt電阻十分重要。較低的Ron也會(huì)有較好的Ron平坦度，從而降低輸出脈沖的失真。
一些收發(fā)器（如DS2155）允許用軟件調(diào)節(jié)輸出脈沖的幅度。這對(duì)于不使用輸出電阻(Rt = 0)的收發(fā)器，保證足夠的脈沖模板裕量非常有用。
在發(fā)送接口中另一個(gè)重要參數(shù)是開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷電容 (CON 和 COFF)。過量的導(dǎo)通電容會(huì)使輸出脈沖失真并降低發(fā)送器的回波損失特性。關(guān)斷電容在備用線卡通過保護(hù)總線發(fā)送時(shí)有重要影響，如圖1和圖2所示。在這種情況下，輸出驅(qū)動(dòng)器看到的電容是所有其他線卡上關(guān)斷電容的并聯(lián)。
模擬開關(guān)如MAX4714和MAX4736的優(yōu)異性能非常適合于T1/E1發(fā)送切換。它們有非常低的Ron (典型值0.6Ω)和非常低的電容（典型值CON = 65pF，COFF = 30pF）。
接收接口開關(guān)
在接收通道，需要考慮的一個(gè)主要問題是開關(guān)對(duì)線路終端匹配的影響，并因此而對(duì)接收回波損失性能的影響。接收回波損耗與相關(guān)頻率范圍內(nèi)輸入終端與額定線路阻抗的匹配情況有直接關(guān)系。在T1/E1/J1應(yīng)用中，這一頻率范圍延伸至3 MHz。因此，低電容對(duì)于保持高頻性能符合如ITU-T G.703這類標(biāo)準(zhǔn)是非常重要的。低電容的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以幫助改善開關(guān)的關(guān)斷隔離。關(guān)斷隔離在接收接口中尤其重要，它直接影響到噪聲耦合與誤碼率。
開關(guān)Ron電阻將與接收器引腳(RTIP/RRING)串聯(lián)，如圖1和圖2所示。如果線路的端接僅由外部電阻Rr獨(dú)自提供，因?yàn)榻邮掌髯杩狗浅８撸訰on不會(huì)對(duì)接收電路造成很大的影響。然而，一些現(xiàn)代收發(fā)器如Dallas的DS2155通過連接一個(gè)可以由軟件選擇的與外部電阻Rr (每個(gè)60Ω)并聯(lián)的電阻提供內(nèi)部端接。因此，接收接口的Ron可以比發(fā)送接口的大一些，（為了減小電容），但是它仍應(yīng)該保持足夠小，以免影響內(nèi)部端接收發(fā)器的性能。
Maxim的MAX4717提供平衡的很好的Ron和低電容，特別適合于T1/E1/J1接收接口應(yīng)用。它的典型Ron 為3Ω，并具有非常低的電容(典型值CON = 15pF，COFF = 9pF)。
用Dallas/Maxim DS2155實(shí)現(xiàn)
用Dallas DS2155單片收發(fā)器的評(píng)估板測(cè)試圖1和圖2電路。模擬開關(guān)使用3.3V電源供電。測(cè)試裝置中的元件取值如下表所示：
Component Value T1 Mode Value E1 Mode (Twisted Pair) Value E1 Mode (Coaxial Cable) Notes
Transmit Transformer 1:2
PE-65771 1:2
PE-65771 1:2
PE-65771 Can also use other Dallas/Maxim recommended transformers (See App Note 351: "Transformer Selection Guide")
Receive Transformer 1:1
PE-68644 1:1
PE-68644 1:1
PE-68644
Rt 0Ω 10Ω 10Ω Internal transmit termination off
Rr 60Ω 60Ω 60Ω Internal receive termination on
Cr 0.1μF 0.1μF 0.1μF
Receive Switch MAX4717
Transmit Switch MAX4714
使用本電路時(shí)必須關(guān)閉內(nèi)部發(fā)送端接功能。為了在E1雙絞線和同軸電纜中使用相同的發(fā)送電阻，必須將以下數(shù)值寫入發(fā)送線補(bǔ)償控制寄存器(TLBC)：
TLBC (地址7Dh) = 6Ah
它設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的電壓，使輸出脈沖在120Ω（雙絞線）和75Ω（同軸）負(fù)載上都具有正確的幅度。
根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，你還需要給圖1和圖2中的電路增加浪涌保護(hù)器件。關(guān)于浪涌保護(hù)的詳細(xì)信息請(qǐng)?jiān)L問Dallas/Maxim網(wǎng)站上的相關(guān)應(yīng)用筆記。
測(cè)試結(jié)果
根據(jù)圖1和圖2，我們可以看出，當(dāng)N＋1冗余結(jié)構(gòu)中電路板數(shù)量N增加時(shí)，備用板收發(fā)器看到的最大并聯(lián)關(guān)斷電容也隨之增加。這個(gè)并聯(lián)電容將對(duì)輸出脈沖的形狀和回波損失特性產(chǎn)生影響。另一方面，在正常的工作狀態(tài)下（備用板沒有工作），開關(guān)的導(dǎo)通電容是收發(fā)器看到的最主要的電容，并且這個(gè)（較小的）電容比較容易處理的。
為了在最差情況的容性負(fù)載下（備用板被激活）實(shí)現(xiàn)良好的性能，建議N不要超過8（1:8冗余保護(hù)）。圖3至圖5顯示了測(cè)得的T1/E1輸出脈沖。
圖3. 輸出脈沖, T1 模式
T1, 0-133ft LBO, 0 ft電纜,正常工作 (1) T1, 0-133ft LBO, 0 ft電纜, N = 8(2)
(1) 通過發(fā)送通道上兩個(gè)串聯(lián)開關(guān)后的輸出脈沖
(2) 8+1結(jié)構(gòu)中備用板的輸出脈沖
圖4.輸出脈沖, E1 雙絞線
E1, 同軸電纜,正常工作 (1) E1,同軸電纜, N = 8 (2)
(1) 通過發(fā)送通道上兩個(gè)串聯(lián)開關(guān)后的輸出脈沖
(2) 8+1結(jié)構(gòu)中備用板的輸出脈沖
圖5. 輸出脈沖, E1同軸電纜
E1, 雙絞線,正常工作 (1) E1, 雙絞線, N = 8 (2)
(1) 通過發(fā)送通道上兩個(gè)串聯(lián)開關(guān)后的輸出脈沖
(2) 8+1結(jié)構(gòu)中備用板的輸出脈沖
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