利用模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現T1/E1/J1的N+1冗余
摘要：具有多端口T1/E1/J1線(xiàn)卡的現代通信系統通過(guò)增加冗余來(lái)滿(mǎn)足電信網(wǎng)絡(luò )的高可用性要求。過(guò)去，這些系統曾經(jīng)用繼電器來(lái)實(shí)現N＋1冗余切換。隨著(zhù)每個(gè)線(xiàn)卡上的T1/E1/J1端口數和每個(gè)系統內的線(xiàn)卡數的增加，繼電器方案不再可行，因為它們要占用大量的板上空間和供率。設計者正在用模擬開(kāi)關(guān)代替繼電器。與繼電器相比模擬開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)列在表格1中。
相關(guān)應用筆記：Intel(R) T1/E1/J1, N+1 Redundancy With Analog Switches and Intel(R) LXT38x Line Interface Units
表1. 模擬開(kāi)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
本篇應用筆記介紹了如何使用模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現T1/E1/J1, N+1冗余保護。同時(shí)還提供了一些選擇模擬開(kāi)關(guān)的指導，并給出了使用Maxim/Dallas模擬開(kāi)關(guān)和T1/E1/J1收發(fā)器的測試結果。
冗余結構
圖1和圖2為兩種使用模擬開(kāi)關(guān)的冗余結構。為清楚起見(jiàn)，分別畫(huà)出了發(fā)送接口和接收接口。對于每一個(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。兩種結構中，都有一條保護總線(xiàn)走在底板上，輸入和輸出信號可以通過(guò)這個(gè)總線(xiàn)送到模擬開(kāi)關(guān)。保護總線(xiàn)直接連接到備用（保護）線(xiàn)卡。
在圖1中("結構A”），模擬開(kāi)關(guān)位于線(xiàn)卡上。結構A的優(yōu)點(diǎn)是，不必像下面的“結構B”那樣需要一個(gè)單獨的用于保護切換的線(xiàn)卡。但它要求即使在失效切換時(shí)開(kāi)關(guān)也能獲得供電，這就要求一個(gè)單獨的專(zhuān)用電源。
圖1a. 冗余結構A: 接收通道。
圖1b. 冗余結構A: 發(fā)送通道。
在圖2（“結構B”）中，模擬開(kāi)關(guān)在一個(gè)單獨的“保護切換卡”中。結構B的優(yōu)點(diǎn)是它不依賴(lài)于線(xiàn)卡中的�！伴_(kāi)”電源，但是它需要額外的保護切換卡。
圖2a.冗余結構B: 接收通道。
圖2b. 冗余結構B: 發(fā)送通道。
模擬開(kāi)關(guān)的選擇
為了滿(mǎn)足T1/E1/J1接口規范，選擇模擬開(kāi)關(guān)必須認真考慮其電氣特性。因為發(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(kāi)關(guān)
在發(fā)送接口，開(kāi)關(guān)的導通電阻(Ron)是一個(gè)非常重要的參數。在圖1和圖2中，我們能看到開(kāi)關(guān)的Ron與輸出驅動(dòng)器和變壓器的初級線(xiàn)圈串聯(lián)，因此它會(huì )略微減小輸出脈沖的幅度。在大多數情況下，幅度的減小可以簡(jiǎn)單地通過(guò)降低串聯(lián)電阻(Rt)而得到補償，降低的幅度可對應于開(kāi)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就應該取10.5Ω。為了確保在整個(gè)工作范圍內（包括溫度和電源的變化）正確的工作，保持Ron遠低于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）允許用軟件調節輸出脈沖的幅度。這對于不使用輸出電阻(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)重要參數是開(kāi)關(guān)的導通和關(guān)斷電容 (CON 和 COFF)。過(guò)量的導通電容會(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(xiàn)卡通過(guò)保護總線(xiàn)發(fā)送時(shí)有重要影響，如圖1和圖2所示。在這種情況下，輸出驅動(dòng)器看到的電容是所有其他線(xiàn)卡上關(guān)斷電容的并聯(lián)。
模擬開(kāi)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(kāi)關(guān)
在接收通道，需要考慮的一個(gè)主要問(wèn)題是開(kāi)關(guān)對線(xiàn)路終端匹配的影響，并因此而對接收回波損失性能的影響。接收回波損耗與相關(guān)頻率范圍內輸入終端與額定線(xiàn)路阻抗的匹配情況有直接關(guān)系。在T1/E1/J1應用中，這一頻率范圍延伸至3 MHz。因此，低電容對于保持高頻性能符合如ITU-T G.703這類(lèi)標準是非常重要的。低電容的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以幫助改善開(kāi)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(kāi)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(xiàn)路的端接僅由外部電阻Rr獨自提供，因為接收器阻抗非常高，所以Ron不會(huì )對接收電路造成很大的影響。然而，一些現代收發(fā)器如Dallas的DS2155通過(guò)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），但是它仍應該保持足夠小，以免影響內部端接收發(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
用Dallas DS2155單片收發(fā)器的評估板測試圖1和圖2電路。模擬開(kāi)關(guān)使用3.3V電源供電。測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)閉內部發(fā)送端接功能。為了在E1雙絞線(xiàn)和同軸電纜中使用相同的發(fā)送電阻，必須將以下數值寫(xiě)入發(fā)送線(xiàn)補償控制寄存器(TLBC)：
TLBC (地址7Dh) = 6Ah
它設置驅動(dòng)器的電壓，使輸出脈沖在120Ω（雙絞線(xiàn)）和75Ω（同軸）負載上都具有正確的幅度。
根據實(shí)際應用，你還需要給圖1和圖2中的電路增加浪涌保護器件。關(guān)于浪涌保護的詳細信息請訪(fǎng)問(wèn)Dallas/Maxim網(wǎng)站上的相關(guān)應用筆記。
測試結果
根據圖1和圖2，我們可以看出，當N＋1冗余結構中電路板數量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(méi)有工作），開(kāi)關(guān)的導通電容是收發(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載下（備用板被激活）實(shí)現良好的性能，建議N不要超過(guò)8（1:8冗余保護）。圖3至圖5顯示了測得的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(guò)發(fā)送通道上兩個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)后的輸出脈沖
(2) 8+1結構中備用板的輸出脈沖
圖4.輸出脈沖, E1 雙絞線(xiàn)
E1, 同軸電纜,正常工作 (1) E1,同軸電纜, N = 8 (2)
(1) 通過(guò)發(fā)送通道上兩個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)后的輸出脈沖
(2) 8+1結構中備用板的輸出脈沖
圖5. 輸出脈沖, E1同軸電纜
E1, 雙絞線(xiàn),正常工作 (1) E1, 雙絞線(xiàn), N = 8 (2)
(1) 通過(guò)發(fā)送通道上兩個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)后的輸出脈沖
(2) 8+1結構中備用板的輸出脈沖
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