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摘要：利潤率優先于可靠性，這是在設計任何系統時都會被考慮到的一個重要問題。尤其是在電信行業，日益增強的競爭要求從購買的設備中獲得更多的效益。服務提供商則要求他們的網絡設備99.999%的時間保持正常，或者有時稱為5個9。只有這樣才可以在保持競爭力的同時實現盈利。因此，責任就落在了網絡設備制造商身上，他們設計的新系統必須符合甚至超過這種預期。
實現上述要求的一種方法是在系統設計的關鍵區域采用板內的冗余設計。雖然這個觀念并不新穎，但是如何在T3，E3或STS-1網絡接口上處理這個問題是本文的關鍵。以前因為端口數相對較少，所以網絡接口的冗余設計并不重要。當需要冗余時，可以有多種方法將電路切換進出網絡。但是隨著對帶寬需求的增加，設計中對端口數目和冗余的需要也增加了。本篇文章將要介紹T3/E3/STS-1網絡接口的幾種不同類型的冗余保護方案，特別是怎樣利用Maxim T3/E3/STS-1線性接口單元(LIU)或者是DS315x系列器件(DS3151, DS3152, DS3153和DS3154)來實現保護方案。
圖1.
Maxim完成了一種冗余方案，它允許用戶在調換線路卡的同時仍維持保護卡正常工作。圖2中，所有的線路卡既有有源器件諸如DS315x線路接口單元也有繼電器和本地振蕩器。在這個設計中，我們沒有使用矩陣卡來切換主卡和保護卡之間的信號。相反，我們設計了一個BALUN即平衡到非平衡網絡的方案，也可以被稱為功率分配器/合并器。分配器是一個無源器件，它可以將接收到的輸入信號分配成多個具有特定相位和幅度特性的輸出。在圖2中可以看到：連接兩塊獨立線路卡的功率分配器/合并器在BNC連接器的正前方，功率分配器的一個輸出連接到主卡上，另一個連接到主卡下方的卡上— 但不是下一個卡的LIU上，它連接到我們所知道的保護總線上。當線路卡N有故障時，線路卡N + 1保護總線上的繼電器閉合，保護卡開始工作，所以數據仍能被傳送到T3/E3/STS-1網絡。失效的線路卡N可以在不中斷服務的情況下被替換。
圖2.
圖3所示為一個普通的“T”型功率分配器的符號表示。注意這個器件是個以中央抽頭為輸入的變壓器，一個電阻跨接在另外兩端，這兩端既可以作為輸出，有些情況下也可以作為兩個輸入?？缃幼儔浩鞯碾娮枋沁@個設計性能的關鍵。它有助于平衡端口A和端口B之間的阻抗，同時也完全將這兩個端口與輸入端口C進行信號隔離。
圖3.
當這個器件在Rx或LIU的接收側被用作功率分配器時，假定端口A和端口B負荷完全相同則信號隔離，在端口產生的電壓將有同樣的振幅和極性。因為兩個端口有相同的電壓，所以沒有電流流過電阻，此時兩個端口之間完全隔離。圖4所示為這個電路的圖形描述。通過這種對稱結構可以看到I1和I2是一樣的。因此，點A和點B的電壓也是相等的。
圖4.
當這個器件工作在LIU的發送側用作功率合成器時，在A和B之間仍然像分配器一樣具有高的隔離度。來自端口A的信號電流流過電感，在端口B處產生180°的相位變化。但是流經電阻的電流到達端口B時并沒有相位變化。因此如果RINT選取某個特定的阻抗值，我們就能確保這個電流與來自電感的電流等幅反相。這種情況下，端口B就沒有電壓變化，從而實現了兩個端口間的高度隔離。
對于任何給定的T3、E3或STS-1網絡，RINT值應該為多少才能保證端口A和端口B之間100%的隔離呢？圖5中重新描繪了功率分配器/合成器網絡。在這種情況下，為了在端口C處得到特定的電壓，端口B處要流過電流。下面的方程式將演算怎樣用正確的RINT電阻值獲得隔離從而在端口A得到0V。
圖5.
為了簡化等式，我們可以假設V1為1V，R = 75Ω，且I3 = I4，由于變壓器的互感系數很大，因此不會在兩個端點之間產生任何泄漏電流。所以我們可以得到下面的等式：
用等式3替換I1得到RINT的解答。結果如等式7。
用等式2和等式6替換I2和I4 ，然后用等式4替換I5得到等式8。
用等式1替換V3得到等式9。
如果想要V2如上所述為0V，可以得出RINT為150Ω。由于V1處的電壓，RINT取任何其他值都將在V2處引起一個電壓。RINT為150Ω，就可實現兩個端口間所需的隔離。請注意由于等式1，V3處的電壓有1/2的衰減，這可能導致無法匹配電信網絡接口的脈沖模板規范。為了克服端口C處(V3)的電壓下降，DS315x LIU可以通過一個測試寄存器為每個發送端口增加增益，寄存器地址為[n x (0 x 10) + (0 x 8)]，其中n是從0到3的端口號。
圖6所示為DS315x LIU的脈沖模板，它按照圖3結構配置為1 x 4的冗余保護。使能測試寄存器后，即使考慮到來自功率分配器/合并器的額外負載，DS315x LIU也可以很容易的輸出E3脈沖模板規范所需要的電壓。在Maxim的網站www.maxim-ic.com.cn/telecom上有這個設計的原理圖和BOM清單。
圖6.
實現上述要求的一種方法是在系統設計的關鍵區域采用板內的冗余設計。雖然這個觀念并不新穎，但是如何在T3，E3或STS-1網絡接口上處理這個問題是本文的關鍵。以前因為端口數相對較少，所以網絡接口的冗余設計并不重要。當需要冗余時，可以有多種方法將電路切換進出網絡。但是隨著對帶寬需求的增加，設計中對端口數目和冗余的需要也增加了。本篇文章將要介紹T3/E3/STS-1網絡接口的幾種不同類型的冗余保護方案，特別是怎樣利用Maxim T3/E3/STS-1線性接口單元(LIU)或者是DS315x系列器件(DS3151, DS3152, DS3153和DS3154)來實現保護方案。
冗余方案類型
1:1保護
無論你正在設計網絡路由器，WAN接入，DSLAM，T/E ATM上行還是多路復用器，幾乎在產品的整個生命周期中設備都需要能正常運行，所以需要考慮采用冗余的解決方案。有幾種方法可以達到這個目的。對于端口數較少的情況，經常使用繼電器作為一種有效的解決方法。圖1所示為這種類型的保護方案。請注意，設計中使用了線路卡。當主卡出現問題時，可以轉換到保護卡來取代主卡，在很長一段時間里并不會中斷來自網絡的服務。這種保護方案中線路卡都是一樣的，這點在保持替換卡的庫存時很重要。連接線路卡1和線路卡2之間的走線必須盡可能的短，這樣可以防止由于發送信號的反射而導致的脈沖模板不匹配。建議LIU到BNC連接器之間的走線長度不超過5英寸。圖1.
1:4保護
當線路卡的數量超過2個時，用冗余來有效地保護網絡接口將變得更加困難。有時會采用一個矩陣卡來將不同的線路卡切換到通信網中。盡管這種方法很有效，但是當矩陣卡失效時也會出現問題。為了替換這個卡，系統需要離線來修理或更換這個板卡。Maxim完成了一種冗余方案，它允許用戶在調換線路卡的同時仍維持保護卡正常工作。圖2中，所有的線路卡既有有源器件諸如DS315x線路接口單元也有繼電器和本地振蕩器。在這個設計中，我們沒有使用矩陣卡來切換主卡和保護卡之間的信號。相反，我們設計了一個BALUN即平衡到非平衡網絡的方案，也可以被稱為功率分配器/合并器。分配器是一個無源器件，它可以將接收到的輸入信號分配成多個具有特定相位和幅度特性的輸出。在圖2中可以看到：連接兩塊獨立線路卡的功率分配器/合并器在BNC連接器的正前方，功率分配器的一個輸出連接到主卡上，另一個連接到主卡下方的卡上— 但不是下一個卡的LIU上，它連接到我們所知道的保護總線上。當線路卡N有故障時，線路卡N + 1保護總線上的繼電器閉合，保護卡開始工作，所以數據仍能被傳送到T3/E3/STS-1網絡。失效的線路卡N可以在不中斷服務的情況下被替換。
圖2.
功率分配器
對于所有的T3/E3/STS-1網絡應用，功率分配器的輸出信號應該是等幅的，任何兩個信號間同相，各輸出信號之間高度隔離，輸入到輸出最大3.0dB的插入損耗。當超過3.0dB時將無法匹配脈沖模板，這是所有電信應用中的一個重要條件。圖3所示為一個普通的“T”型功率分配器的符號表示。注意這個器件是個以中央抽頭為輸入的變壓器，一個電阻跨接在另外兩端，這兩端既可以作為輸出，有些情況下也可以作為兩個輸入?？缃幼儔浩鞯碾娮枋沁@個設計性能的關鍵。它有助于平衡端口A和端口B之間的阻抗，同時也完全將這兩個端口與輸入端口C進行信號隔離。
圖3.
當這個器件在Rx或LIU的接收側被用作功率分配器時，假定端口A和端口B負荷完全相同則信號隔離，在端口產生的電壓將有同樣的振幅和極性。因為兩個端口有相同的電壓，所以沒有電流流過電阻，此時兩個端口之間完全隔離。圖4所示為這個電路的圖形描述。通過這種對稱結構可以看到I1和I2是一樣的。因此，點A和點B的電壓也是相等的。
圖4.
當這個器件工作在LIU的發送側用作功率合成器時，在A和B之間仍然像分配器一樣具有高的隔離度。來自端口A的信號電流流過電感，在端口B處產生180°的相位變化。但是流經電阻的電流到達端口B時并沒有相位變化。因此如果RINT選取某個特定的阻抗值，我們就能確保這個電流與來自電感的電流等幅反相。這種情況下，端口B就沒有電壓變化，從而實現了兩個端口間的高度隔離。
對于任何給定的T3、E3或STS-1網絡，RINT值應該為多少才能保證端口A和端口B之間100%的隔離呢？圖5中重新描繪了功率分配器/合成器網絡。在這種情況下，為了在端口C處得到特定的電壓，端口B處要流過電流。下面的方程式將演算怎樣用正確的RINT電阻值獲得隔離從而在端口A得到0V。
圖5.
為了簡化等式，我們可以假設V1為1V，R = 75Ω，且I3 = I4，由于變壓器的互感系數很大，因此不會在兩個端點之間產生任何泄漏電流。所以我們可以得到下面的等式：
用等式3替換I1得到RINT的解答。結果如等式7。
用等式2和等式6替換I2和I4 ，然后用等式4替換I5得到等式8。
用等式1替換V3得到等式9。
如果想要V2如上所述為0V，可以得出RINT為150Ω。由于V1處的電壓，RINT取任何其他值都將在V2處引起一個電壓。RINT為150Ω，就可實現兩個端口間所需的隔離。請注意由于等式1，V3處的電壓有1/2的衰減，這可能導致無法匹配電信網絡接口的脈沖模板規范。為了克服端口C處(V3)的電壓下降，DS315x LIU可以通過一個測試寄存器為每個發送端口增加增益，寄存器地址為[n x (0 x 10) + (0 x 8)]，其中n是從0到3的端口號。
圖6所示為DS315x LIU的脈沖模板，它按照圖3結構配置為1 x 4的冗余保護。使能測試寄存器后，即使考慮到來自功率分配器/合并器的額外負載，DS315x LIU也可以很容易的輸出E3脈沖模板規范所需要的電壓。在Maxim的網站www.maxim-ic.com.cn/telecom上有這個設計的原理圖和BOM清單。
圖6.
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