T接线器时隙交换原理仿真培训讲学.doc

精品文档*实践教学* 兰州理工大学计算机与通信学院2011年春季学期 交换原理 课程设计 题 目： T接线器时隙交换原理仿真 专业班级： 通信工程四班 姓 名： 王婷婷 学 号： 指导教师： 贾科军 成 绩： 精品文档摘要数字交换技术, 是现代通信技术的重要组成部分, 而时隙交换是程控数字交换技术中的核心内容, 也是未来新的交换技术的基础，所以本次课设是很有现实意义的。本次课设在介绍了交换机与Matlab的同时，着重阐述T接线器时隙交换的原理与仿真。并用Matlab中的Simulink实现了对数字交换网络中的时隙1与时隙3、时隙4与时隙的交换，和时隙1与时隙4、时隙3与时隙6的交换的仿真，并对结果进行了分析。关键字：数字交换；T接线器；时隙交换目 录前言1第1章 概述21.1交换机的介绍21.2 MATLAB简介4第2章 数字交换网络与接线器72.1 数字交换网络72.2 T接线器7第3章T接线器时隙交换的仿真与实现83.1 T 接线器的组成和工作原理83.2 T 接线器的仿真研究93.3结果分析13总结14参考文献15前言作为信息产业的基础，通信技术在推进社会信息化进程中发挥着先导和带动作用。随着通信技术的飞速发展，通信新业务不断涌现，电话通信和数据通信已成为现代社会应用最为广泛的信息交流方式。交换技术就是实现通信的最重要最有效的手段。通信就是在信息的源和目的之间进行信息传递的过程. 人们的社会活动离不开通信，尤其是在信息化的社会，现代通信技术的飞速发展使人与通信的关系变得密不可分. 程控数字交换技术是现代通信技术的重要组成部分，而时隙交换是程控数字交换技术中的核心内容，也是未来新的交换技术的基础.数字交换是对数字化语音信息进行的交换，而数字交换网络能实现不同线路之间不同时隙内容的交换.数字交换网络是程控数字交换机乃至程控交换网络的心，它由时间（T）接线器和空间（S）接线器组成，其中T 接线器完成不同时隙间的交换，而S 接线器完成不同线路（也就是不同PCM 总线）间的交换.经过人类100多年的不懈努力, 电话通信经历了从人工交换到自动交换, 从机电式自动交换到存储程序控制交换, 从模拟式话音交换到数字式话音交换的巨大变革。特别是近20 年的时间里, 随着半导体材料技术、大规模集成电路技术、计算机技术和数字传输技术等方面的快速发展, 传统的电话交换系统正在逐步发展成为一种廉价、快捷、优质、可靠, 不仅能交换话音, 还能够交换数据或图像等多种综合业务的通用性的通信组网设备。第1章 概述1.1交换机的介绍1.1.1概念交换（switching）是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术的统称。广义的交换机（switch）就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。 1.1.2原理工作在数据链路层。交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在，广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部MAC地址表中。通过交换机的过滤和转发，可以有效的减少冲突域，但它不能划分网络层广播，即广播域。交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的网段，连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。总之，交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。 1.1.3发展史人工交换:电信号交换的历史应当追溯到电话出现的初期当A希望和B通话时，就请求电话局的接线员接通B的电话。接线员用一根导线，一头插在A接到电路板上的孔，另一头插到B的孔，这就是“接续”，相当于临时给A和B拉了一条电话线，这时双方就可以通话了。当通话完毕后，接线员将电线拆下，这就是“拆线”。 电路程控交换机：人工交换的效率太低，不能满足大规模部署电话的需要。随着半导体技术的发展和开关电路技术的成熟，人们发现可以利用电子技术替代人工交换。电话终端用户只要向电子设备发送一串电信号，电子设备就可以根据预先设定的程序，将请求方和被请求方的电路接通，并且独占此电路，不会与第三方共享。这种交换方式被称为“程控交换”。而这种设备也就是“程控交换机”。 目前，语音程控交换机普遍使用的通信协议为七号信令。 以太网交换机：随着计算机及其互联技术的迅速发展，以太网成为迄今为止普及率最高的短距离二层计算机网络。以太网的核心部件是以太网交换机。交换机和集线器的本质区别就在于：当A发信息给B时，如果通过集线器则接入集线器的所有网络节点都会收到这条信息，只是网卡在硬件层面就会过滤掉不是发给本机的信息；而如果通过交换机，除非A通知交换机广播，否则发给B的信息C绝不会收到。 光交换：是人们正在研制的下一代交换技术。由于光电转换速率较低，同时电路的处理速度存在物理学上的瓶颈，因此人们希望设计出一种无需经过光电转换的“光交换机”，其内部不是电路而是光路，逻辑原件不是开关电路而是开关光路。这样将大大提高交换机的处理速率。 1.1.4分类交换机的传输模式有全双工，半双工。 交换机的全双工是指交换机在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行，这好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音。目前的交换机都支持全双工。全双工的好处在于迟延小，速度快。 半双工是指一个时间段内只有一个动作发生，举个例子，一条窄窄的马路同时只能有一辆车通过，当有两辆车对开就只能一辆先过，等到头后另一辆再开，这就是半双工的原理。早期的对讲机就是半双工的产品。 从广义上来看，网络交换机分为两种：广域网交换机和局域网交换机。从传输介质和传输速度上可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。从规模应用上又可分为企业级、部门级和工作组交换机等。1.1.5功能交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。目前交换机还具备了一些新的功能，如对VLAN的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还具有防火墙的功能。 学习：以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地址同相应的端口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中。 转发/过滤：当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口。 消除回路：当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路的产生，同时允许存在后备路径。 1.1.6几种交换技术 端口交换：最早出现在插槽式的集线器中，这类集线器的背板通常划分有多条以太网段，不用网桥或路由连接，网络之间是互不相通的。以大主模块插入后通常被分配到某个背板的网段上，端口交换用于将以太模块的端口在背板的多个网段之间进行分配、平衡。根据支持的程度，端口交换还可细分为： 模块交换、 端口组交换、 端口级交换。 帧交换：是目前应用最广的局域网交换技术，它通过对传统传输媒介进行微分段提供并行传送的机制，以减小冲突域获得高的带宽。对网络帧的处理方式一般有直通交换和存储转发两种。前一种方法的交换速度非常快，但缺乏对网络帧进行更高级的控制，缺乏智能性和安全性，同时也无法支持具有不同速率的端口的交换。 信元交换：ATM技术采用固定长度53个字节的信元交换。便于用硬件实现。ATM采用专用的非差别连接，并行运行，可以通过一个交换机同时建立多个节点，但并不会影响每个节点之间的通信能力。ATM还容许在源节点和目标、节点建立多个虚拟链接，以保障足够的带宽和容错能力。 1.2 MATLAB简介MATLAB 是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。使用 MATLAB，可以更快地解决技术计算问题。 MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域1.2.1友好的工作平台和编程环境MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。1.2.2简单易用的程序语言Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。1.2.3强大的科学计算机数据处理能力MATLAB拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。1.2.4出色的图形处理功能图形处理功能MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。1.2.5应用广泛的模块集合工具箱 MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、模型预测、金融分析、地图工具、非线性控制设计、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱家族中有了自己的一席之地。常用工具箱基本部分中有数百个内部函数。其工具箱分为两大类：功能性工具箱和学科性工具箱和学科性工具箱。1.2.6应用软件开发在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。1.2.7 Simulink的介绍Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。功能：Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。特点：丰富的可扩充的预定义模块库，交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图，以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理，通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码，提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成 ，使用Embedded MATLAB 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法，使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型 ，图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为， 可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据 ，模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。第2章 数字交换网络与接线器2.1 数字交换网络数字交换网络是程控数字交换机的核心，主要由数字接线器组成，能够直接交换从数字传输设备进来的数字信号。当数字交换网络只连接一套PCM 系统时，数字交换仅在这条总线的话路时隙之间进行；当数字交换网络同时连接多套PCM系统时，数字交换不仅可以在不同PCM 总线的相同时隙之间进行，也可以在不同时隙之间进行。组成数字交换网络的接线器有时间(T)接线器和空间(S)接线器两种。T 接线器完成时隙之间的交换，S 接线器完成PCM总线之间的交换。如果不同PCM 总线的不同时隙之间进行交换则需要两种接线器协同完成，称为多级数字交换网络。2.2 T接线器T接线器由话音存储器和控制存储器组成。话音存储器(SM)用于寄存经过PCM 编码处理的话音信息，每个单元存放一个时隙的内容。控制存储器(CM)用于寄存话音信息在SM 中的单元号，如果某话音信息存放于SM 的2 号单元中，那么在CM 的单元中就应写入“2”。通过在CM 中存放地址，从而控制话音信号的写入或读出。一个SM 的单元号占用CM 的一个单元，所以CM 的单元数和SM 的单元数相等。T 接线器的工作方式分为输出控制方式和输入控制方式两种。如果SM 的写入信号受定时脉冲控制，而读出信号受CM控制，则称为输出控制方式，即SM 是“顺序写入，控制读出”。反之，如果SM 的写入信号受CM 控制，而读出信号受定时脉冲控制，则称其为输入控制方式，即SM 是“控制写入，顺序读出”。第3章T接线器时隙交换的仿真与实现3.1 T 接线器的组成和工作原理图2 示出了T 接线器话音存储器的组成。图中画出的是输出控制方式, 即话音存储器上的写入由定时脉冲控制, 按顺序写入; 而其读出则由控制存储器的输出信号B 0B 7 控制下顺序进行的。图3.1T接线器话音存储器的组成定时脉冲的宽度正好是一位的时间(488n s) , 而且按A 0A 7 顺序不断轮换。这样在A 0A 7 控制下可以按顺序提供话音存储器的写入地址。当控制存储器的输出位B 0B 7 全为0 时“写入控制”信号则为1, 它打开写入地址A 0A 7 的门, 向RAM 送进写入地址, 同时“读出控制”信号又提供读写线R W = 0, 即RAM 处于写入状态, 于是话音存储器可将D I 0D I 7 的内容写入到相应单元中。一般控制存储器在CP 前半周期不发送数据,而在后半周期发送数据。因此当CP 后半周期时,B 0 B 7 不等于0 而使“读出控制”信号为1,“写入控制”信号为0, 同时R W = 1。使RAM 处于读出状态, 这时读出地址由B 0 B 7 提供, 而A 0 A 7 却被关闭了, 读出数据可由话音存储器的输出端DO 0DO 7得到。由于B 0 B 7 在CP 的后半段周期送来的, 因而很自然地把写入和读出分开,互不干扰。以上讨论的只要稍做改动, 可变为输入控制方式工作。在定时脉冲CP 控制下将PCM 总线上的每个输入时隙所要交换的语音信息顺序写入到SM 的相应的单元中。 语音的输入时隙号为TS7，在CP 控制下语音信息（）就顺序依次写入到SM 的7 号单元中；然后CPU在CM 中输出时隙号所决定的相应单元内写入SM 的读出地址，也就是在TS23 这一时间，从CM 的地址号为23 的单元中读出内容7，7 作为从SM 读出内容的单元地址， 把在TS23 这1 时隙送入输出PCM 总线。而不同的用户占用不同的时隙，TS7 和TS23 分属于不同的用户，那么以上过程就完成了1 次时隙交换。（ 代表8 位二进制编码）图3.2 T接线器工作原理（ “ 顺序写入、控制读出” 工作方式）3.2 T 接线器的仿真研究为了简便起见, 根据T 接线器的组成和工作原理, 只对话音存储器“控制读出”的工作原理进行仿真, 并假设MA TLAB 所仿真的数字交换电路只有8 个时隙,要求时隙1 与时隙3 进行交换, 时隙4 与时隙6进行交换。根据要求, 所搭建的Simulink 仿真模块如图3 所示。图中用到的模块有: (1) Pulse Generator (和采样时间无关) , (2) Step (阶跃信号) ,(3) Scope (示波器) , (4) Transport Delay (信号传输延时) , (5)Date Store Real (从指定的数据存储器读数据) , (6)Date Store Memory (为数据存储器定义内存区域) , (7)Date Store W rite (写数据到指定的数据存储器) , (8)Logical Operator (逻辑运算)。首先, 用8个脉冲发生器来模拟8路话音的时隙, 作为话音存储器的输入数据。8个脉冲发生器的参数设置如下表:表3-1 8个脉冲发生器的参数设置表脉冲发生器序号幅度周期/s脉宽/%延迟时间/sPulse Generator 012500Pulse Generator 212750Pulse Generator 412250Pulse Generator 612501Pulse Generator 812750.5Pulse Generator101225O.5Pulse Generator1212500.5Pulse Generator1412751.5 为了把话音信号储存到存储器里, 需要对连续的话音信号进行采样。用一个脉冲发生器和一个阶跃信号及一个与门对信号进行采样。对第1 路话音的采样, 用一个占空比为50% , 周期为2, 时延为0的脉冲信号和一个在1 秒从1 跳到0的阶跃信号把它们一起送入到一个与门相与就可以得到它的第1个周期的波形;图3.3 对第1 话路采样仿真图 对第2、3、48路话音我们可以用相同的电路图, 只需依次把抽样脉冲的时延和阶跃信号的阶跃时间加2。八路信号时隙交换前的波形如图4 所示。然后把八路信号分别发送到八个存储器,这里用三个一组的Date Store Real ,Date Store Memory, Date Store Write 来实现这个功能。根据时隙交换的要求, 在输出时, 时隙1 的信号与时隙3 的信号进行交换, 时隙4 的信号与时隙6 的信号进行交换。控制交换的指令是由CPU 来决定, 由于这里只讨论时隙交换的问题, 所以用了6个Transport Delay 来实现对信号的控制读出。第1和第2、4、5、7、8路信号通过Tran sport Delay 延时输出, 达到控制的目的。具体仿真图如下：图3.4 时隙1与3、4与6交换时的我仿真图输出的八路信号用一个或门加到一起与前面输入存储器前的信号比较, 可以看出时隙1 输出的是时隙3的信号; 时隙3 输出的是时隙1 的信号; 即第1 路与第3 路时隙发生了交换。同理可看出第4路与第6路发生了交换。输出波形如图5 所示。通过波形我们可以直观的看出, 达到了时隙交换的目的。图3.5 时隙1与3、4与6交换时的输出波形当时隙1与时隙4，时隙3与时隙6交换时，原理同上不再赘述，仿真图如下：图3.6 时隙1与4、3与6交换时的仿真图此时输出波形如下：图3.7 时隙1与4、3与6交换时的输出波形3.3结果分析当时隙1与时隙3、时隙4与时隙6交换时，通过对时隙1延迟8秒，时隙2延迟4秒，时隙4延迟8秒，时隙5延迟4秒，时隙7延迟4秒及时隙8延迟4秒，实现了时隙1与时隙3、时隙4与时隙6的交换，此时时隙的排列顺序为时隙3、2、1、6、5、4、7、8。 当时隙1与时隙4、时隙3与时隙6交换时，通过对时隙1延迟12秒，时隙2延迟6秒，时隙3延迟12秒，时隙5延迟6秒，时隙7延迟6秒及时隙8延迟6秒，实现了时隙1与时隙4、时隙3与时隙6的交换，此时时隙的排列顺序为时隙4、2、6、1、5、3、6、7、8。两组时隙交换均达到了预期的效果。总结为期三周的交换原理的课设就这样的结束了。回首这三周，有迷茫，有争论，有专心地研究，亦有成功的喜悦。本次课设的题目是T接线器时隙交换原理及仿真。程控数字交换技术, 是现代通信技术的重要组成部分, 也是我们通信工程专业学生必须选修的课程一,而时隙交换是程控数字交换技术中的核心内容, 也是未来新的交换技术的基础，所以此次课设是很有意义的。起初我们对这个题目还是很迷茫，有些不知该从何下手，在查阅了一些相关的书籍和研究了老师给的一些例子后，我们一些同学在经过了激烈地讨论后，终于有了一些头绪。大家分头行动后，又经常聚在一起分享各自的研究成果，但对Simulink的使用并不熟悉，起初找我们需要的器件很费劲，而且参数的设置也不合适，大家在一起不断的讨论原理然后不断地改参数，在很多次的调试后，我通过改变一个参数，使得终于出现了应有的波形，然后我立马交给大家此种方法，这让我们又切实地体会到了团队的力量，这正是如今社会需要我们具备的而很多当代大学生却缺乏的，我想这对我们今后的工作是很有帮助的。在这次课设中，我发现了对课本上的知识的掌握并没有想象中的那么好，好多看似简单原本已掌握的知识点，在需要的时候还是得重新查阅书籍，而且这次课设让我学到了很多书本上学不到的的知识。这也是我第一次使用Matlab软件中的Simulink进行仿真，其实对我来说还真是个不小的考验。并且，此次课程设计很好地将理论与实践结合到一起。平时我们很少能将所学的知识真正地投入到实践中去，而这次课设，不仅让我们亲自去想去调试去做，并且将我们平时学习中不肯定的知识点和容易忽略的小知识点通过查阅资料重新复习并更深刻的记住了。此次课程设计中，有起初的迷茫，中间的争论，也有最后的喜悦，这其中的滋味，只有经历过的人才能体会，并且将他们一并收藏。感谢贾老师细心地指点和帮助，感谢同学们的一起奋斗的日日夜夜，没有你们的帮助，此次课设就不会这么顺利地完成，谢谢大家！参考文献1 IEEE Std 802.16e.IEEE Standard for Local and metropolitanarea networks Part 16：Air Interfance for Fixde and Mobile Broadband Wireless Access Systems, Amendment 2：Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed bandsJ.2004:1-857.2 曾春亮,张宇.WiMAX/802.16 原理与应用M.机械工业出版社,2007,1.3 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