Đồ án Nghiên cứu kỹ thuật chuyển mạch và cấu trúc hệ thống tổng đài số AXE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA CÔNG NGHỆ ----˜&™---- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH VÀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG TỔNG ĐÀI SỐ AXE Sinh viên thực hiện: Phạm Viết Huy Lớp: 46K-ĐTVT Người hướng dẫn: ThS. Phạm Mạnh Toàn Vinh, 5-2010 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA CÔNG NGHỆ ----˜&™---- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH VÀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG TỔNG ĐÀI SỐ AXE Sinh viên thực hiện: Phạm Viết Huy Lớp: 46K-ĐTVT Người hướng dẫn: ThS. Phạm Mạnh Toàn Vinh, 5-2010 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Phạm Viết Huy Khoá: 46K-ĐTVT - Khoa Công nghệ Ngành: Điện tử viễn thông Đầu đề đồ án: Nghiên cứu kỹ thuật chuyển mạch và cấu trúc hệ thống tổng đài số AXE Các số liệu và dữ liệu ban đầu: Tài liệu chuyển mạch, Tài liệu về tổng đài số AXE… Nội dung các phần thuyết minh và tính toán Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ) Họ tên giảng viên hướng dẫn: ThS. Phạm Mạnh Toàn Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 23 tháng 2 năm 2010 Ngày hoàn thành đồ án: 10 tháng 05 năm 2010 Ngày tháng năm 2010 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN Phạm Mạnh Toàn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày...... tháng........ năm 2010 CÁN BỘ PHẢN BIỆN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ----˜ & ™---- BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Phạm Viết Huy Sinh viên ngành: Điện tử Viễn thông Khoá: 46K - ĐTVT Người hướng dẫn: ThS. Phạm Mạnh Toàn Cán bộ phản biện: ........................................................................................................ 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 2. Nhận xét của cán bộ phản biện: ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. Ngày tháng năm 2010 CÁN BỘ PHẢN BIỆN (Ký, ghi rõ họ và tên) DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AF Frame Aligner AMB Automatic Maintenance Bus APS Application Subsystem APT Telephony part of AXE APZ Control part of AXE AT Analog Trunk ATIC Analog Trunk Interface Circuit ATTU Analog Trunk Termination Unit BHCA Busy Hour Call Attemper BT Base Time CAS Channel Associated Signaling CCD Conference Call Device CCS Channel Common Signaling CP Central processor CPS Central Processing Subsystem DBS Database Management Subsystem DDF Digital Distribution Frame DLCD Digital Line Concentration Device DLSw Digital Line Switch DP Device processor DSS Digital Switch System DTG Digital Tone Generator DTIC Digital Trunk Interface Circuit ETC Exchange Terminal Circuit FMS File Management Subsystem FMS File Management Subsystem GEM Generic Ericsson Magazine ICF Incoming Clock Reference IDN Integrated Digital Network IOG Input/Output Group IRB Incoming Reference Board ITSB Incoming Time Switch Board ITSB Incoming Time Switch Board LOC Local Controller LUM Line Unit Module MAS Maintenance Subsystem MAU Maintenance Unit MFR Multi Frequency Receiver MPS Management Platform Subsystem OA&MS Operation Administration & Maintenance Subsystem OCS Open Communication Subsystem OTSB Outgoing Time Switch Board PCD Pulse Code Modulation Device PCS Peripheral Control Subsystem RP Regional processor SILC Subscribers Line Interface Circuit SLIC Subsriber Line Interface Circuit SP Support Processor SPC Stored Program Control Ssw Space Switch STP Signalling Transfer Points SwNS Switching Network Subsystem T - S - T Time - Space - Time TDNw Time Division Network TSAC Time Slot Assignmen Circuit TSB Time Switch Broard TSM Time Switch Module Tsw Time Switch MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm qua, cùng với sự phát triển không ngừng của đất nước, đặc biệt sau khi nước ta gia nhập WTO, nhiều ngành kinh tế đang từng bước hội nhập và phát triển. Ngành Bưu chính viễn thông cũng hoà mình vào sự phát triển đó và đã có những bước phát triển vượt bậc. Với chính sách mở cửa của Đảng và Nhà nước trong lĩnh vực viễn thông, ngoài Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam - VNPT, đã có thêm sự xuất hiện của nhiều công ty khác như SPT, Viettel, EVNTelecom,... cùng kinh doanh dịch vụ Bưu chính Viễn thông. Với chiến lược đi thẳng vào kỹ thuật mới hiện đại, hàng loạt tổng đài điện tử số đã được trang bị và đưa vào khai thác để thay thế cho hàng loạt tổng đài cơ điện cũ. Trong một mạng viễn thông, các nút chuyển mạch và hệ thống truyền dẫn đóng vai trò rất quan trọng, do đó việc nghiên cứu nắm bắt các kỹ thuật về tổng đài và truyền dẫn rất cần thiết. Trong đó, Tổng đài AXE của Ericsson - Thụy Điển là một trong những tổng đài số có dung lượng lớn và đang được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam. Vì vậy, em lựa chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật chuyển mạch và cấu trúc hệ thống tổng đài số AXE” làm đồ án tốt nghiệp của mình. Cấu trúc của đồ án gồm 5 chương: Chương I: Tổng đài điện tử số SPC Chương II: Kỷ thuật chuyển mạch kênh Chương III: Tổng đài điện tử số AXE Chương IV: Module chuyển mạch Chương V: Hệ thống điều khiển Để hoàn thành đồ án, ngoài sự nỗ lực của bản thân, yêu cầu về thời gian và năng lực là rất cần thiết. Bước đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Em mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo và các bạn sinh viên. Em xin chân thành cảm ơn Th.S Phạm Mạnh Toàn đã giới thiệu, cung cấp tài liệu, tận tình hướng dẫn về nội dung và phương pháp, giúp em hoàn thành tốt đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Khoa Công Nghệ - Trường Đại học Vinh đã tận tình giúp đỡ, dạy dỗ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành chương trình đào tạo tại trường. Xin trân trọng cảm ơn! Sinh viên thực hiện Phạm Viết Huy CHƯƠNG 1. TỔNG ĐÀI ĐIỆN TỬ SỐ SPC 1.1. Tổng quan về tổng đài điều khiển theo chương trình lưu trữ Nửa cuối thế kỷ 20, công nghệ chế tạo các linh kiện bán dẫn phát triển mạnh, kỹ thuật xử lí tín hiệu và kỹ thuật vi xử lí tạo điều kiện cho ngành công nghiệp điện tử phát triển, trong đó có kỹ thuật chuyển mạch. Hàng loạt thiết kế, phát minh mới trong lĩnh vực truyền dẫn như phân kênh theo thời gian, quang dẫn thúc đẩy các phát triển mới trong lĩnh vực chuyển mạch. Các tổng đài điện tử có đặc điểm chung là thiết bị chuyển mạch được chế tạo trên cơ sở linh kiện điện tử, bán dẫn, vi mạch có kích thước nhỏ, tác động nhanh, tiêu thụ nguồn thấp, có khả năng tích hợp cao và đặc biệt là thích ứng với các kỹ thuật truyền dẫn tốc độ cao. Phương thức điều khiển trong tổng đài điện tử cũng chuyển dần theo hướng thay thế các mạch logic rời rạc trong các khối, các bộ điều khiển bằng các phần mềm cùng các bộ xử lí chuyên dụng. Và như thế đã làm xuất hiện thế hệ tổng đài điều khiển theo chương trình lưu trữ SPC (Store Program Control). Phần mềm điều khiển các tổng đài cũng dần được cải tiến và càng ngày càng cho phép người sử dụng có thêm nhiều tính năng dịch vụ tự chọn. Phương thức báo hiệu cũng cần được hoàn thiện làm cho hoạt động của mạng viễn thông ngày càng linh hoạt, hiệu quả. Các dịch vụ thoại và phi thoại ngày càng xích lại gần nhau hơn trên cơ sở chuyển mạch số và điều khiển theo chương trình lưu trữ. 1.2. Sơ đồ khối chức năng của tổng đài điện tử số SPC Các tổng đài SPC (Stored Program Control) chuyển mạch số gọi chung là hệ thống chuyển mạch số DSS (Digital Switch System) ra đời vào nửa cuối thế kỷ 20. Ngày nay trên mạng viễn thông nước ta và nhiều nước khác có các DSS của nhiều hãng sản xuất như NEC, Fuitsu Nhật Bản, Siemems Đức, Eisco Thụy Điển… Tại Việt Nam, ngành bưu chính viễn thông đã nghiên cứu chế tạo và đưa vào sử dụng trên mạng một số DSS đồng thời đã cùng các bên liên doanh xây dựng một số cơ sở sản xuất chế tạo các loại tổng đài số DSS đáp ứng nhu cầu trong nước và hình thành các cơ sở nghiên cứu chuyên ngành. Nhìn chung tổng đài DSS là một hệ thống tổng hợp công nghệ cao, tập trung hội tụ nhiều ngành công nghiệp: Công nghiệp điện tử, vi mạch, kỹ thuật vi xử lí, công nghệ viễn thông, công nghệ thông tin, kỹ thuật điều khiển, cơ khí chính xác,…Có thể nói, ngay cả những tổng đài dung lượng không lớn lắm nhưng cũng đã là một hệ thống tổng thể rất phức tạp trên quan điểm tổng hợp của các ngành kỹ thuật. Hình 1.1 trình bày cấu trúc tổng quan của hệ thống chuyển mạch số DSS điều khiển theo chương trình lưu trữ. Toàn bộ tổng đài được chia thành các phân hệ chức năng, đó là: Phân hệ ứng dụng APS – Application Subsystem, phân hệ chuyển mạch SwNS – Switching Network Subsystem, phân hệ xử lí trung tâm CPS – Central Processing Subsystem, phân hệ báo hiệu SiGS – Signaling Subsystem, phân hệ ngoại vi điều khiển PCS – Peripheral Control Subsystem và phân hệ điều hành quản lí và bảo dưỡng OA&MS – Operation Administration & Maintenance Subsystem. Phân hệ ứng dụng bao gồm các mạch giao tiếp đường dây thuê bao SILC (Subscribers Line Interface Circuit) và các mạch trung kế tương tự AT (Analog Trunk). Mỗi đường dây thuê bao được kết cuối tại tổng đài bằng một mạch SILC riêng qua giá phối dây chính MDF (Main Distribution Frame). Các thuê bao được chia thành từng nhóm, mỗi nhóm được điều khiển bởi bộ điều khiển vùng LOC, một bộ phân phối các tín hiệu định thời TSAC (Time Slot Assignmen Circuit) cần để gán các khe thời gian phát, thu cho từng mạch SILC phục vụ các chức năng mã hoá và giải mã Codec. Bộ chuyển mạch đường dây số DLCD (Digital Line Concentration Device) thực hiện chức năng tập trung tải thuê bao và chuyển mạch tín hiệu phục vụ từ bộ tạo tín hiệu âm tần dạng số, chuyển mạch đường dây tới bộ thu tín hiệu chọn số đa tần MF. Mỗi đường trung kế tương tự cũng được kết cuối tại tổng đài bằng mạch ATIC (Analog Trunk Interface Circuit) chúng cũng được tổ chức thành từng nhóm và do bộ điều khiển vùng điều khiển. Mỗi nhóm có một bộ tách và ghép kênh để ghép tín hiệu từ các mạch ATIC theo hướng vào và tách tín hiệu theo hướng ra để đưa tới từng mạch ATIC. Các tuyến tín hiệu số PCM giữa phân hệ ứng dụng và phân hệ chuyển mạch được đưa qua giá phân phối tín hiệu số DDF (Digital Distribution Frame) mỗi tuyến qua một mạch giao tiếp truyền dẫn số DTIC (Digital Trunk Interface Circuit). Các giao tiếp này thực hiện các chức năng GAPZACHO phục vụ cho việc xác định khung, khe theo hướng vào và tổ chức khung khe theo hướng ra, chuyển đổi mã truyền dẫn phù hợp, tái tạo xung nhịp và đồng bộ... MDF DDF ATIC ATIC LOC MUX DMUX DTIC DTIC DTIC TDSWN BT SLIC SLIC LOC DLCD TSAC DTG MFR CCS CAS Distributor Scanner Marker BC CC MM OA&MS SwNS APS PCS CPS SiGS AT AT DT ( ( Hình 1.1. Sơ đồ khối tổng quan của tổng đài SPC chuyển mạch số Phân hệ chuyển mạch bao gồm các thiết bị của mạng chuyển mạch và các thiết bị phục vụ khác. Mạng chuyển mạch của tổng đài có cấu trúc phụ thuộc vào dung lượng của từng loại tổng đài và thiết kế riêng của từng hãng sản xuất. Tuy nhiên, đa số chúng là mạng chuyển mạch phân chia theo thời gian, chúng thường có cấu trúc T, T-S, S-T, T-S-T, T-S-S-T. Các chuyển mạch đó đều làm việc theo nguyên lí phân khe thời gian vì vậy mạng chuyển mạch của tổng đài số còn được gọi là mạng phân thời TDNw (Time Division Network). Ngoài mạng chuyển mạch trong phân hệ này cần phải có module đồng hồ chuẩn BT – Base Time, thường là bộ dao động có độ ổn định cao về tần số và các bộ chia tạo các tín hiệu nhịp cung cấp cho hoạt động của các bộ chuyển mạch số, các thiết bị truyền dẫn tín hiệu số và các bộ phân phối thời gian TSAC của phân hệ ứng dụng. Phân hệ báo hiệu đảm nhận chức năng xử lí và phân phối báo hiệu, điều khiển quá trình chèn, tách báo hiệu. Đối với tín hiệu báo hiệu CAS (Channel Associated Signaling) khi qua chuyển mạch số cũng được chuyển thành dạng số giống các tín hiệu tin tức khác và được phối hợp với hai phía của mạng chuyển mạch bằng các bộ thích nghi. Báo hiệu CCS (Channel Common Signaling) dùng để trao đổi giữa các hệ thống DSS với nhau. Các báo hiệu đường dây thuê bao hoặc sẽ được thu và xử lí sơ bộ tại phân hệ ứng dụng sau đó mới gửi tới phân hệ ngoại vi điều khiển hoặc là được nhận trực tiếp tại bộ quét trạng thái (Scanner), các bản tin điều khiển từ bộ xử lí trung tâm được chuyển qua bộ phân phối (Distribution). Nhiệm vụ của bộ điều khiển chuyển mạch Marker là đệm bản tin điều khiển từ phân hệ xử lí trung tâm CPS để chuyển thành những số liệu điều khiển chuyển mạch. Phân hệ xử lí trung tâm đảm nhận chức năng điều khiển hoạt động của toàn bộ tổng đài. Tuỳ thuộc vào dung lượng và cấu hình tổng đài mà phân hệ này có cấu trúc kiểu một bộ xử lí hay nhiều bộ xử lí. Trong cấu trúc nhiều bộ xử lí thường xử lí theo kiểu phân cấp, một số bộ xử lí đảm nhận việc xử lí cuộc gọi và phân chia tải theo khu vực. Mỗi bộ xử lí thường có bộ nhớ chính để lưu chương trình và các kết quả xử lí và có khả năng truy cập tới bộ nhớ chung để nhận thêm dữ liệu thuê bao và bảng định tuyến hoặc tài nguyên khi cần thiết. Phân hệ điều hành, quản lí và bảo dưỡng thường bao gồm các thiết bị tự động theo dõi hoạt động của hệ thống, điều khiển các quá trình chuyển đổi dự phòng, cảnh báo khi có sự cố, các thiết bị hiển thị, âm thanh cản báo để người điều hành, điều khiển vận hành và theo dõi hoạt động của hệ thống, một số tài nguyên để lưu trữ số liệu lâu dài và chương trình gốc. Cung cấp khả năng điều khiển từ xa và bảo dưỡng từ xa tập trung tại trung tâm bảo dưỡng. 1.3. Giao tiếp thuê bao Đường dây thuê bao nối thiết bị đầu cuối (TBĐC) của người sử dụng với tổng đài. Như thế TBĐC là kết cuối của đường dây thuê bao phía người sử dụng còn mạch điện trong tổng đài mà đường dây thuê bao nối đến nó là kết cuối của đường dây thuê bao đó phía tổng đài. Như vậy mỗi đường dây thuê bao được nối tới tổng đài tương ứng với một mạch điện đường dây thuê bao - mạch điện kết cuối đường dây thuê bao hay mạch điện giao tiếp đường dây thuê bao SLIC (Subsriber Line Interface Circuit). Trong các tổng đài nội hạt các SLIC chiếm thể tích phần cứng chủ yếu và là phần cứng khó nhất do các lí do: Phải có khả năng truyền nhiều loại tín hiệu cho nhiều chức năng: cấp nguồn một chiều cho TBĐC, cấp dòng chuông xoay chiều điện áp lớn, truyền các tín hiệu báo hiệu âm tần, các tín hiệu mang tin tức, các tín hiệu dùng cho chức năng bảo vệ, kiểm thử. Chiều dài đường dây khác nhau dẫn đến các tham số điện cũng thay đổi trong dải khá rộng vì vạy mạch giao tiếp đường dây thuê bao phải có khả năng tự điều chỉnh các chế độ hoạt động để phối hợp với từng đường dây cụ thể đảm bảo chất lượng dịch vụ. Sự đa dạng của thiết bị đầu cuối và các thuê bao khác nhau, ví dụ các thuê bao chủ yếu vẫn dùng TBĐC tương tự, tuy nhiên cũng bắt đầu có các thiết bị số, thuê bao có thể là đường tổng đài cơ quan hoặc là các trạm công cộng. Sự phức tạp của mạng: các thiết bị đầu cuối có thể hiện đại mà cũng có thể là các thành phần của hệ thống cũ. Vấn đề là phải đưa ra chỉ một hoặc vài loại mạch giao tiếp có thể áp dụng với các loại thuê bao và các thiết bị đầu cuối khác nhau để đưa lại giá thành hợp lí cho phân hệ ứng dụng. Các loại thuê bao hay đầu cuối cần kết cuối trên một tổng đài gồm: - Các đường tương tự + Đường thuê bao trực tiếp + Đường tổng đài cơ quan + Đường thuê bao công cộng và các phương thức báo hiệu kèm để truyền thông tin tính cước + Thiết bị phụ: truyền thông tin điều khiển đồng hồ cước tại thuê bao. Các đường số 1.3.1. Kết cuối các đường thuê bao tương tự Mạch kết cuối đường dây thuê bao tương tự còn gọi là mạch giao tiếp đường dây thuê bao SILC thực hiện 7 chức năng cơ bản BOCHTRS đó là: Battery Feed: Cấp nguồn Over Voltage Prtection: Chống quá áp Codec: Mã hoá và giải mã Hybrid: Ghép biến áp sai động Testing: Kiểm tra và đo thử Ringing: Chuông Supervision: Giám sát. Sơ đồ khối chức năng của SLIC được mô tả trên hình 1.2 Hình 1.2. Sơ đồ khối của mạch điện giao tiếp đường dây thuê bao tương tự Chức năng cấp nguồn cho thiết bị đầu cuối (TBĐC) Đa số các TBĐC tương tự nối với các đường dây thuê bao của tổng đài sử dụng nguồn cung cấp chung từ tổng đài. Nguồn điện một chiều từ tổng đài qua mạch cấp nguồn trong SLIC được đưa qua đường dây thuê bao đến TBĐC để cấp cho các bộ biến đổi tin tức như Microphone, tai nghe, các bộ khuếch đại và các thành phần linh kiện khác trong thiết bị đầu cuối. Dòng điện này phải đủ lớn để cung cấp cho các bộ phận của TBĐC hoạt động, thường khoảng 20-100mA. Mạch cấp nguồn trong SLIC vì vậy phải đảm bảo cường độ dòng điện trong khoảng cho phép khi trở kháng mạch vòng đường thuê bao (gồm trở kháng vào của TBĐC và điện trở đôi dây dẫn) thay đổi trong khoảng vài trăm W đến 1800W. Đồng thời với điện áp cấp nguồn, các tín hiệu khác cũng được truyền trên cùng đôi dây, vì vậy mạch cấp nguồn phải đảm bảo phân cách về mặt tín hiệu, nghĩa là ngăn không cho nó xuyên qua nguồn, ảnh hưởng tới các mạch khác cũng như làm suy hao chính bản thân tín hiệu truyền trên đôi dây đó. ( B B - + Phần đường dây Phần tổng đài Hình 1.3. Chức năng B - Cấp nguồn Ngoài ra mạch điện đường dây thuê bao phải phân cách nhau về thành phần một chiều để đảm bảo các đường dây thuê bao có mạch cấp nguồn độc lập nhằm tránh hiện tượng ngắn mạch bởi các đường thuê bao trở kháng thấp và đảm bảo chức năng giám sát trạng thái của mỗi đường thuê bao. Điện áp cung cấp cho đường dây thuê bao thông thường là 50 VDC hoặc 24 DC qua tải đối xứng, phân cách một chiều tương tự như trên hình 1.3. Chức năng chống quá áp Hai nguyên nhân cơ bản có thể gây quá áp, quá dòng làm hỏng các thiết bị của tổng đài đó là năng lượng sét và rò điện công nghiệp vào đường dây. Để bảo vệ các thiết bị của tổng đài, tính mạng người vận hành và của người sử dụng thì trên đường dây cần áp dụng các phương pháp chống sét, còn bên trong tổng đài của mỗi đường dây thuê bao có một mạch bảo vệ ngay tại giá phối dây chính bao gồm đèn chống sét và cầu chì tác động nhanh, đây là mạch bảo vệ sơ cấp. Đối với tổng đài điện tử cần có thêm mạch bảo vệ thứ cấp trên cơ sở một mạch điện tử để bảo vệ quá áp do các linh kiện điện tử nhạy cảm với quá áp, quá dòng vì vậy mạch bảo vệ này đảm bảo mức độ an toàn cao hơn, nhạy cảm và tác động nhanh. Chức năng chuông Đây là một trong các tín hiệu báo hiệu đường dây thuê bao được phát tới đường dây thuê bao bị gọi trong khoảng thời gian ngắn và lặp lại để rung chuông trong một máy điện thoại chuẩn. Tín hiệu chuông dùng điện áp xoay chiều 70-110V/16-50Hz, dòng điện 200mA, phát theo nhịp. Đây là tín hiệu điện áp cao, dòng lớn so với các tín hiệu âm tần khác vì vậy nó thường được phát lên đường dây qua rơle khi đã ngắn các mạch điện khác, như mô tả trên hình 1.4. ( B B - + Nguồn chuông Mạch bảo vệ thứ cấp D F2 F1 Rơle chuông Mạch bảo vệ sơ cấp Hình 1.4. Nguyên lý cấp chuông và bố trí các mạch bảo vệ Tín h