SỬ DỤNG NGÔN NGỮ VHDL XÂY DỰNG CHUYỂN MẠCH KHÔNG GIAN ĐƠN GIẢN

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ






ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

SỬ DỤNG NGÔN NGỮ VHDL XÂY DỰNG
CHUYỂN MẠCH KHÔNG GIAN ĐƠN GIẢN





GVHD : ThS.TRẦN HOÀNG QUÂN
SVTH : NGUYỄN VƯƠNG NAM
NGUYỄN ĐÌNH THI
LỚP : ĐHĐT2B
KHÓA : 2006 - 2010




TP. Hồ Chí Minh, Ngày 07 Tháng 07 Năm 2010
LỜI MỞ ĐẦU

Xu hướng hiện nay của thế giới là phát triển mạnh công nghệ bán dẫn.Một
Chip có thể tích hợp trên nó nhiều cổng logic có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực. Ngày nay ngành công nghệ chế tạo phần cứng luôn có những đột phá không
ngừng. Từ các mạch điện đơn giản đến các mạch số, mạch tích hợp, kiến trúc
mạch trở nên ngày một phức tạp hơn. Nhờ những ưu điểm hơn hẳn so với các
phương pháp phân tích, mô hình hoá, thiết kế mạch số kiểu truyền thống mà
phương pháp sử dụng các ngôn ngữ mô phỏng phần cứng (HDL-Hard ware
Description Languages) đang trở thành một phương pháp thiết kế các hệ thống
điện tử số phổ biến trên toàn thế giới.
Đối với em là sinh viên ngành điện tử viễn thông với luận văn tốt nghiệp
của mình. Việc xác định cho mình một đề tài thiết thực và gắn liền với chuyên
ngành của mình là một điều cần thiết. Nên em đã chọn đề tài “Sử dụng ngôn ngữ
VHDL xây dựng chuyển mạch không gian đơn giản”, đề tài này sẽ xây dựng ứng
dụng chuyển mạch tổng đài đơn giản. Bước đầu tìm hiểu ngôn ngữ VHDL, kiểm
tra bằng Test bench của phần mềm chuyên dụng XiLinx và cuối cùng là nạp vào
KIT để kiểm tra.
Bài luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tìm hiểu về chuyển mạch trong tổng đài
Chương 2: Tìm hiểu về ngôn ngữ VHDL
Chương 3: Giới thiệu Kit Spartan 3E và công cụ ISE 9.2i
Chương 4: Thiết kế mạch và nạp Kit
Trong quá trình thực hiện đề tài này, do còn hạn chế về kiến thức và thời
gian nên không tránh được những thiếu sót. Chúng em kính mong quý thầy cô
thông cảm và bỏ qua đồng thời chúng em cũng mong nhận được những góp ý và
chỉ bảo thêm của quý thầy cô.


LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành cảm ơn quí thầy cô Khoa Công nghệ Kỹ thuật Điện
tử trường ĐH Công Nghiệp TP.Hồ Chí Minh đã dạy bảo, truyền đạt kiến thức cho
chúng em trong suốt quá trình học. Đặc biệt là thầy Trần Hoàng Quân đã tận tình
chỉ dẫn cho chúng em trong quá trình làm và hoàn thành đồ án này.
Đồng cảm ơn Ban giám hiệu nhà trường đã tạo điều kiện cho chúng em học
tập và trau dồi kiến thức. Xin cảm ơn các bạn cùng lớp đã có ý kiến đóng góp cho
nhóm trong quá trình tìm hiểu và làm đồ án.
Do thời gian và trình độ có hạn nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót.
Chúng em mong nhận được ý kiến đóng góp của quí thầy cô và các bạn để đồ án
được hoàn thiện hơn, và tạo lập cho chúng em có một cơ sở nhìn nhận về khả
năng, kiến thức, từ đó có hướng phấn đấu tốt hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên
Nguyễn Vương Nam
Nguyễn Đình Thi








NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
Khóa: 2006 - 2010
Lớp: ĐHĐT2B

GVHD: ThS. Trần Hoàng Quân

........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
Ngày…..tháng…..năm 2010
Giáo viên hướng dẫn



NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
Khóa: 2006 - 2010
Lớp: ĐHĐT2B

........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................

........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
Ngày….. tháng….. năm 2010
Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU
LỜI CẢM ƠN
CHƯƠNG 1
TÌM HIỂU CHUYỂN MẠCH TRONG TỔNG ĐÀI
1.1. Thực trạng tình hình mạng viễn thông ............................................................. 1
1.2. Mô hình mạng viễn thông ................................................................................. 1
1.3. Lịch sử và xu hướng phát triển của hệ thống tổng đài .................................... 2
1.3.1. Sơ lược về lịch sử kỹ thuật tổng đài ........................................................... 2
1.3.2. Xu hướng phát triển ................................................................................... 4
1.4. Phân loại tổng đài điện tử .................................................................................. 4
1.4.1. Phân loại theo phương thức điều khiển..................................................... 5
1.4.2. Phân loại theo vị trí .................................................................................... 5
1.4.3. Phân loại theo tín hiệu ............................................................................... 6
1.5. Các loại chuyển mạch kênh............................................................................... 6
1.5.1. Chuyển mạch tín hiệu tương tự .................................................................. 6
1.5.2. Chuyển mạch tín hiệu số ............................................................................ 7

1.5.3. Chuyển mạch tín hiệu quang ...................................................................... 7
1.6. Chuyển mạch tương tự ...................................................................................... 7
1.7. Chuyển mạch số ................................................................................................. 8
1.7.1. Nguyên tắc chung........................................................................................ 8
1.7.2. Trường chuyển mạch không gian .............................................................. 8
1.7.2.1. Cấu tạo chung của một trường chuyển mạch không gian ................. 8
1.7.2.2. Nguyên lý hoạt động..........................................................................10
1.7.2.3. Chuyển mạch song song ....................................................................11
1.7.3. Trường chuyển mạch thời gian ................................................................13
1.7.3.1. Khái niệm chung ................................................................................13
1.7.3.2. Trường chuyển mạch thời gian điều khiển liên kết đầu ra .............. 14
1.7.3.2.1. Cấu tạo .........................................................................................14
1.7.3.2.2. Nguyên lý làm việc .....................................................................14
1.7.3.3. Chuyển mạch thời gian điều khiển liên kết đầu vào ........................ 16
1.7.3.3.1. Cấu tạo .........................................................................................16
1.7.3.3.2. Nguyên lý hoạt động ...................................................................16
1.7.3.4. Trễ trong chuyển mạch thời gian ......................................................17
1.7.3.5. Đặc tính không tổn thất .....................................................................17
1.7.4. Trường chuyển mạch ghép .......................................................................17
1.7.4.1. Khái niệm về trường chuyển mạch ghép ..........................................17
1.7.4.2. Trường chuyển mạch TST ................................................................17

CHƯƠNG 2
TÌM HIỂU VỀ NGÔN NGỮ VHDL
2.1. Giới thiệu về VHDL ........................................................................................20
2.2. Giới thiệu công nghệ và ứng dụng thiết kế mạch bằng VHDL ....................21
2.2.1 Ứng dụng của công nghệ thiết kế mạch bằng VHDL ..............................21
2.2.2 Quy trình thiết kế mạch bằng VHDL ........................................................ 22
2.2.3. Công cụ EDA ............................................................................................ 23
2.2.4. Chuyển mã VHDL vào mạch .................................................................... 23

2.3. Cấu trúc mã ......................................................................................................26
2.3.1. Các đơn vị VHDL cơ bản .........................................................................26
2.3.2. Khai báo Library ......................................................................................26
2.3.3. Entity ( Thực thể) ......................................................................................28
2.3.4. Architecture ( Cấu trúc) ...........................................................................29
2.4. Kiểu dữ liệu ...................................................................................................... 33
2.4.1. Các kiểu dữ liệu tiền định nghĩa .............................................................. 33
2.4.2. Các kiểu dữ liệu người dùng định nghĩa .................................................36
2.4.3. Các kiểu con (Subtypes) ...........................................................................37
2.4.4. Mảng (Arrays) ...........................................................................................37
2.4.5. Mảng cổng ( Port Array) ..........................................................................38
2.4.6. Kiểu bản ghi (Records) .............................................................................38
2.4.7. Kiểu dữ liệu có dấu và không dấu ( Signed and Unsigned) ...................39
2.4.8. Chuyển đổi dữ liệu ....................................................................................39
2.4.9. Tóm tắt ....................................................................................................... 40
2.5. Toán tử và thuộc tính ....................................................................................... 40
2.4.1. Toán tử....................................................................................................... 40
2.4.1.1 Toán tử gán .......................................................................................... 41
2.4.1.2 Toán tử Logic ...................................................................................... 41
2.4.1.3 Toán tử toán học ................................................................................. 41
2.4.1.4 Toán tử so sánh ................................................................................... 41
2.4.1.5 Toán tử dịch ........................................................................................ 42
2.4.2. Thuộc tính .................................................................................................. 42
2.4.2.1.Thuộc tính dữ liệu ............................................................................... 42
2.4.2.2. Thuộc tính tín hiệu ............................................................................. 43
2.4.3. Thuộc tính được định nghĩa bởi người dùng .......................................... 43
2.4.4. Chồng toán tử............................................................................................ 44
2.4.5. Generic ...................................................................................................... 44
2.5. Mã song song ................................................................................................... 45
2.5.1. Song song và tuần tự ................................................................................ 45

2.5.1.1.Mạch tổ hợp và mạch dãy .................................................................. 45
2.5.1.2. Mã song song và mã tuần tự ............................................................. 46
2.5.2. Sử dụng các toán tử ..................................................................................46
2.5.3. Mệnh đề WHEN ........................................................................................47
2.5.4. GENERATE ...............................................................................................47
2.5.5. BLOCK ......................................................................................................48
2.5.5.1.Simple BLOCK ...................................................................................48
2.5.5.2. Guarded BLOCK ...............................................................................48
2.6. Mã tuần tự ........................................................................................................49
2.6.1. PROCESS ..................................................................................................49
2.6.2. Signals và Variables .................................................................................49
2.6.3. IF ................................................................................................................ 50
2.6.4. WAIT .......................................................................................................... 50
2.6.5. CASE .......................................................................................................... 51
2.6.6. LOOP ......................................................................................................... 51
2.6.7. Bad Clocking ............................................................................................. 52
2.6.8. Sử dụng mã tuần tự để thiết kế các mạch tổ hợp .................................... 52
2.7. Signal và Variable............................................................................................ 52
2.7.1. CONSTANT ............................................................................................... 53
2.7.2. SIGNAL ..................................................................................................... 53
2.7.3. VARIABLE ................................................................................................. 54

CHƯƠNG 3
GIỚI THIỆU KIT SPARTAN 3E VÀ CÔNG CỤ ISE 9.2i
3.1. Các thành phần của KIT .................................................................................. 55
3.2. Sơ đồ chân của XC3S500E .............................................................................56
3.3. Bộ tạo dao động trên KIT ................................................................................56
3.4. Các nút chuyển, nút nhấn, Led........................................................................57
3.5. Cấp nguồn ........................................................................................................59
3.6. Cấu hình FPGA ................................................................................................59

3.6.1. Nạp trực tiếp vào FPGA thông qua cổng JTAG hay cổng USB ............ 61
3.6.2. Nạp vào Platform Flash PROM XCF04S (4Mbit), rồi cấu hình cho
FPGA ở chế độ Master Serial Mode .................................................................. 62
3.6.2.1. Tạo file bitstream (.bit) cho FPGA ................................................... 62
3.6.2.2. Tạo file cấu hình cho PROM ............................................................ 64
3.6.2.3. Nạp chương trình vào PROM ...........................................................67
3.7. Tổng quan cấu trúc SPARTAN - 3E .............................................................. 70
3.7.1. Input/Output Blocks (IOBs) : các khối vào ra ........................................ 70
3.7.2. Configurable Logic Blocks (CLBs) : Khối chức năng logic .................. 71
3.7.3. Block RAM : Khối nhớ ............................................................................. 72
3.7.4. Dedicated Multipliers : Bộ nhân chuyên dụng ....................................... 72
3.7.5. Digital Clock Managers (DCMs) : Bộ quản lí xung Clock .................... 73
3.7.6. Interconnect : Các kết nối ........................................................................ 74
3.8. Sơ lược về ISE 9.2 i ......................................................................................... 74
3.8.1. Tạo một Project......................................................................................... 74

CHƯƠNG 4
THIẾT KẾ MẠCH VÀ NẠP KIT
4.1. Ý tưởng thiết kế mạch ..................................................................................... 94
4.2. Thiết kế mạch ................................................................................................... 94
4.3. Cấu trúc mạch và code chương trình ..............................................................96
4.3.1. Cấu trúc mạch ...........................................................................................96
4.3.2. Code chương trình ....................................................................................98
4.3.3. Kết quả mô phỏng bằng Test Bench ..................................................... 103
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH, BẢNG
Chương 1:

Hình 1.1. Các thành phần mạng viễn thông
Hình 1.2 Mô hình chuyển mạch số
Hình 1.3 Cấu tạo của trường chuyển mạch không gian
Hình 1.4 Chuyển mạch song song
Hình 1.5 Sơ đồ chuyển mạch không gian thực tế
Hình 1.6a. Tổng thể
Hình 1.6b. Mô hình chuyển mạch thời gian
Hình 1.7. Chuyển mạch thời gian điều khiển đầu ra
Hình 1.8. Chuyển mạch thời gian điều khiển liên kết đầu vào
Hình 1.9. Trường chuyển mạch TST
Hình 1.10. Mô hình chuyển mạch có 4 PCM vào và 4 PCM ra
Chương 2:
Hình 2.1. Tóm tắt quy trình thiết kế VHDL
Hình 2.2.a. Sơ đồ tổng quát về bộ cộng đầy đủ
Hình 2.2.b. Bảng chân lý của bộ cộng đầy đủ
Hình 2.3. Mã thiết kế bộ cộng
Hình 2.4.a. Các ví dụ về sơ đồ mạch có thể có ứng với mã như hình 2.3
Hình 2.4.b: Kết quả mô phỏng bộ cộng được thiết kế theo hình 2.3
Hình 2.5. Các thành phần cơ bản của một đoạn mã VHDL
Hình 2.6. Các phần cơ bản của một Library
Hình 2.7. Các chế độ tín hiệu
Hình 2.8. Cổng NAND
Hình 2.9. Sơ đồ của triger RS
Hình 2.10. Minh họa scalar (a), 1D (b), 1Dx1D (c), và 2D (d)
Hình 2.11. Mạch tổ hợp và mạch dãy
Bảng 3.1. Hệ thống logic giải được
Bảng 2.2. Tổng hợp các kiểu dữ liệu
Bảng 2.3. Các toán tử
Chương 3:
Hình 3.1. Sơ đồ chân của XC3S500E

Hình 3.2. Bộ tạo dao động trên Kit
Hình 3.3. 4 Switches
Hình 3.4. Ngõ ra của nút Encoder
Hình 3.5. 8 LEDs
Hình 3.6. Các lựa chọn cấu hình Chip FPGA
Hình 3.7. Cấu hình chế độ PROG
Hình 3.8. Cài đặt thuộc tính cho Bitstream Generator
Hình 3.9. Set CCLK Configuration Rate under Configuration Options
Hình 3.10. Double-Click Generate Programming File
Hình 3.11. Double-Click Generate PROM, ACE, or JTAG File
Hình 3.12. Double-Click PROM File Formatter
Hình 3.13. Choose the PROM Target Type, the, Data Format, and File Location
Hình 3.14. Format và config PROM
Hình 3.15. PROM Formatting Completed
Hình 3.16. Click Operations -> Generate File to Create the Formatted PROM
File
Hình 3.17. PROM File Formatter Succeeded
Hình 3.18. Switch to Boundary Scan Mode
Hình 3.19. Assign the PROM File to the XCF04S Platform Flash PROM
Hình 3.20. Program the XCF04S Platform Flash PROM
Hình 3.21. Select XCF04S Platform Flash PROM
Hình 3.22. PROM Programming Options
Hình 3.23. CLB Locations
Hình 3.24. Spartan 3E Family Architecture
Hình 3.25. Principle Ports and Functions of Dedicated Multiplier Blocks
Hình 3.26. DCM Functional Blocks and Associated Signals
Hình 3.27. Bốn kiểu kết nối (CLBs, IOBs, DCMs, and Block RAM/ Multiplier)
Bảng 3-1. Cài đặt Jumper ở chế độ cấu hình FPGA
Chương 4:
Hình 4.1. Ma trận chuyển mạch không gian

Hình 4.2. Chuyển mạch không gian 4*4
Hình 4.2. Ngõ vào A-X thông thoại
Hình 4.3. Ngõ vào A-X, B-Z tích cực
Hình 4.4. Ma trận chuyển mạch 4 ngõ tích cực
Hình 4.6. Mô phỏng chuyển mạch 4*4
Hình 4.7. Mô phỏng tổng đài 8*8

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 1



GVHD: ThS. Trần Hoàng Quân SVTH: Nguyễn Đình Thi, Nguyễn Vương Nam

CHƯƠNG 1
TÌM HIỂU CHUYỂN MẠCH TRONG TỔNG ĐÀI
1.1. Thực trạng tình hình mạng viễn thông
Trao đổi thông tin là một nhu cầu cần thiết và thiết yếu hàng ngày. Khi các
mối quan hệ kinh tế - xã hội ngày càng phát triển thi nhu cầu đó ngày càng tăng
cao. Các thông tin được trao đổi rất đa dạng về hình thức như thoại, văn bản, số
liệu, hình ảnh và rất phong phú về cách trao đổi. Chúng có thể trao đổi trực tiếp
qua giao tiếp, đối thoại và cũng có thể được thực hiện một cách gián tiếp qua thư
từ, điện thoại, điện tín… Thông tin viễn thông theo nghĩa rộng có thể hiểu là hình
thức trao đổi thông tin từ xa bao gồm cả bưu chính, điện tín và điện báo… và cả
các hình thức thông tin đại chúng quảng bá.
Kỹ thuật chuyển mạch là một trong những kỹ thuật mấu chốt nhất trong
các mạng truyền thông. Sự phát triển mạnh mẽ của hạ tầng truyền thông trong một
số năm gần đây đã tạo ra các cuộc cách mạng về khoa học công nghệ và kỹ thuật
chuyển mạch là một phần của sự phát triển đó.
1.2. Mô hình mạng viễn thông

Hình 1.1. Các thành phần mạng viễn thông

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 2



GVHD: ThS. Trần Hoàng Quân SVTH: Nguyễn Đình Thi, Nguyễn Vương Nam

Mạng viễn thông gồm:
Thiết bị đầu cuối: Chuyển đổi tín hiệu thân thuộc với con người thành tín
hiệu được chuyển tải trong mạng tuỳ thuộc lại hình dịch vụ.
Node chuyển mạch: Cung cấp nối kết cho các đối tượng theo yêu cầu, thực
hiện các chức năng:
 Xử lý thông tin: Xử lý, cung cấp thông tin.
 Chuyển mạch.
Phương tiện truyền dẫn: Liên kết hai thành phần trên. tuỳ thuộc môi trường,
địa hình sử dụng hệ thống truyền dẫn thích hợp như cáp đồng, vi ba, vệ tinh,
quang.
Phần mềm: Hỗ trợ các thành phần trên hoạt động có hiệu quả.
Khái niệm chuyển mạch: Là sự thiết lập của một kết nối cụ thể từ một lối
vào đến một lối ra mong muốn trong một tập hợp các lối vào và ra cho đến khi nào
đạt được yêu cầu truyền tải thông tin. Nhằm mục đích thiết lập đường truyền
thông tin qua mạng theo cấu trúc cố định hoặc biến động.Quá trình chuyển mạch
được thực hiện tại các nút mạng.
Trong mạng chuyển mạch gói các nút mạng thường được gọi là thiết bị
định tuyến hay bộ định tuyến.
Trong mạng chuyển mạch kênh các nút mạng thường gọi là hệ thống
chuyển mạch hay tổng đài.
1.3. Lịch sử và xu hướng phát triển của hệ thống tổng đài
1.3.1. Sơ lược về lịch sử kỹ thuật tổng đài

Kỹ nghệ tổng đài điện tử đã bắt đầu được chú ý từ những năm 1940, và cho
tới ngày nay nó càng được phát triển ngày càng hoàn thiện hơn.
Năm 1938, hãng ERICSSON (Thụy Điển) đã có phát minh đầu tiên về trường
chuyển mạch điện thoại dùng đèn điện tử cơ khí.
Năm 1943, hãng BELL (Hà Lan) thiết kế hệ thống tổng đài có bộ chọn
điện cơ khí kiểu quét, làm việc theo nguyên lý cận điện tử.
Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 3



GVHD: ThS. Trần Hoàng Quân SVTH: Nguyễn Đình Thi, Nguyễn Vương Nam

Năm 1945, hãng CGCT (Pháp) đã thiết kế tổng đài điện tử đầu tiên theo
nguyên lý chuyển mạch thời gian.
Năm 1947, hãng PHILIPS (Hà Lan) thiết kế tổng đài điện tử dùng đèn điện
tử cơ khí.
Năm 1953, hãng BELL (Mỹ) thiết kế hệ thống tổng đài cận điên tử DIAD
chuyển mạch rơle, điều khiển có sử dụng bộ nhớ bằng trống từ.
Năm 1954, hãng BELL (Hà Lan) đã đưa vào sản xuất và cho khai thác thử
tại NaUy tổng đài 8A dùng trường chuyển mạch tọa độ và điều khiển điện tử.
Hãng VUT(Tiêp Khắc) cũng sản xuất tổng đài điện tử 10 số. Dùng chuyển mạch
bằng đèn điện tử cơ khí.
Năm 1957, hãng CGCT (Pháp) đã sản xuất hàng loạt tổng đài cở nhỏ 20 số
dùng trên các tàu chiến. Loại tổng đài này sử dung các mạch điện điều khiển bằng
xuyến từ và trường chuyển mạch bằng điốt.
Năm 1959, hãng BELL (Mỹ) đã đưa thiết kế đầu tiên về hê thống thông tin
hợp nhất PCM ESSEX và mẫu thực nghiệm đã được đưa ra khai thác thử.
Năm 1960, hội nghị quốc tế đầu tiên về các vấn đề liên quan đến tổng đài
điện tử được tổ chức, cứ 3 năm tổ chức 1 lần.
Năm 1962, hãng SIEMENS (Đức) đã khai thác tổng đài điện tử thông dụng

ESM. Ở Anh đã cho sản xuất và khai thác thử tổng đài chuyển mạch thời gian.
Tiệp Khắc đã cho sản xuất các tổng đài điện tử cơ quan loại nhỏ.
Năm 1963, hãng STANDARD ELEKTRIK LOREN (Đức) đã sản xuất và
đưa vào sử dụng tổng đài cận điện tử thông dụng đầu tiên HEGOL.
Năm 1965, hãng BELL (Mỹ) đưa vào khai thác tổng đài thương mại đầu
tiên ESS-1.
Năm 1966, hãng ERICSSON (Thụy Điển) đã đưa vào khai thác tổng đài
điện tử thương mại AXE.
Năm 1967, hãng BELL (Hà Lan) khai thác tổng đài điện tử 10C.
Từ năm này trở đi, kỹ thuật tổng đài điện tử đã có bước nhảy vọt rất lớn cả
về công nghệ chế tạo, kỹ thuật chuyển mạch và kỹ thuật điều khiển. Nhiều hãng
Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 4



GVHD: ThS. Trần Hoàng Quân SVTH: Nguyễn Đình Thi, Nguyễn Vương Nam

nổi tiếng và các quốc gia có nền công nghiệp phát triển như: Pháp, Mỹ, Nhật Bản,
Hà Lan, Thụy Điển...đã đi sâu vào nghiên cứu và sản xuất thành công nhiều loại
tổng đài điện tử hiện đại.
1.3.2. Xu hướng phát triển
Cũng công nghệ điện tử, công nghệ thông tin nói chung thì công nghệ thiết
bị chuyển mạch đã và đang có những bước phát triển nhảy vọt. Trong thời gian tới
kỹ thuật chuyển mạch tập trung vào những vấn đề sau:
- Tiếp tục hoàn thiện độ an toàn, rút gọn cấu trúc phần cứng, phát triển
thêm các dịch vụ mới.
- Hoàn thiện các phần mềm để đảm bảo an toàn cho vận hành, bảo trì và
cho người sử dụng.
- Tiếp tục phát triển cao phần mềm ứng dụng mới, đáp ứng nhu cầu ngày
càng cao của người sử dụng dịch vụ.

- Phát triển theo hướng hoàn chỉnh ISDN (Integrated Services Digital
Network) và mở rộng phạm vi sử dụng B-ISDN (Broadband ISDN – Mạng số liên
kết đa dịch vụ băng rộng). Tăng cường thông tin theo công nghệ ATM
(Asynchronous Transfer Mode – Phương thức truyền không đồng bộ), đáp ứng
nhu cầu dịch vụ đa phương tiện.
- Tiếp tục hoàn thiện các tổng đài theo công nghệ chuyển mạch quang để
sớm đưa ra các tổng đài thương mại.
1.4. Phân loại tổng đài điện tử
Phân loại theo phương thức chuyển mạch.
- Chuyển mạch phân kênh theo không gian: Các tiếp điểm chuyển mạch là
các linh kiện điện tử 2 trạng thái: đèn điện tử, transistor, IC. Loại này vẫn còn
đang sử dụng.
- Chuyển mạch phân kênh theo thời gian: Đang sử dụng.
- Chuyển mạch phân kênh theo tần số: Hiện thời không được sử dụng trong
viễn thông.
- Chuyển mạch phân kênh theo bước sóng (Chuyển mạch quang): Đang
nghiên cứu để sử dụng trong tương lai.
Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 5



GVHD: ThS. Trần Hoàng Quân SVTH: Nguyễn Đình Thi, Nguyễn Vương Nam

- Chuyển mạch số: Sử dụng nguyên lý PCM (Pulse Code Modulation –
Điện xung mã). Đây là phương thức phù hợp cho hệ thống thông tin hợp nhất và
đa dịch vụ, hệ thống thông tin số, truyền số liệu. Xét về kinh tế và kỹ thuật thì đây
là phương thức ưu việt nhất trong giai đoạn hiện nay.
1.4.1. Phân loại theo phương thức điều khiển
Việc điều khiển trong tổng đài điện tử được chia làm 2 loại:
Tổng đài điện tử điều khiển phân tán: Gồm có các thiết bị nhận dạng, ghi

phát riêng biệt ... các thiết bị điều khiển đều được điện tử hoá.
Tổng đài điện tử điều khiển tập trung (điều khiển bằng chương trình): Ở
loại này việc điều khiển tập trung ở khối xử lý trung tâm (CPU). Thiết bị CPU này
sẽ thông qua các thiết bị giao tiếp ngoại vi điều hành mọi hoạt động của tổng đài.
Về mặt cấu trúc logic thì thiết bị điều khiển có thể chia làm 2 loại:
Điều khiển theo chương trình lưu trữ sẵn (SPC-Stored Program Control).
Điều khiển theo chương trình được lập ra tức thời bởi các mạch điện logic.
1.4.2. Phân loại theo vị trí
Dựa vào vị trí, hiện nay có 4 loại tổng đài:
 Tổng đài quốc tế.
 Tổng đài chuyển tiếp quốc gia.
 Tổng đài chuyển tiếp vùng.
 Tổng đài nội hạt.
Tên gọi quốc tế của một số loại tổng đài sau:
Tổng đài cửa ngõ quốc tế (Gateway Exchange): Dùng để chọn hướng và
chuyển mạch các cuộc gọi vào mạng quốc tế để nối các quốc gia với nhau, có thể
chuyển tải cuộc gọi quá giang.
Tổng đài đường dài TE (Toll Exchange): Dùng để kết nối các tổng đài ở
các tỉnh với nhau, chuyển mạch các cuộc gọi đường dài trong nước.
Tổng đài nội hạt LE (Local Exchange): Được đặt ở trung tâm huyện tỉnh và
sử dụng tất cả các loại trung kế.
Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 6



GVHD: ThS. Trần Hoàng Quân SVTH: Nguyễn Đình Thi, Nguyễn Vương Nam

Tổng đài nông thôn (Rural Exchange): Được sử dụng ở các xã, khu dân cư
đông, chợ và có thể sử dụng tất cả các loại trung kế.
Tổng đài cơ quan PABX: Được sử dụng trong các cơ quan, khách sạn và

thường sử dụng trung kế CO-Line (Central Office).
Các loại tổng đài trên dù là loại tổng đài nào thì chúng cũng phải đảm
đương các tính năng: báo hiệu, xử lý báo hiệu, tính cước, điều khiển, bảo dưỡng,
quản lý mạng lưới và tổng đài.
1.4.3. Phân loại theo tín hiệu
Phân loại theo cách này gồm có:
 Tổng đài tương tự.
 Tổng đài số.
 Tổng đài quang.
Hiện nay, tổng đài sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tương tự còn rất ít, chủ
yếu dùng ở một số tổng đài có dung lượng nhỏ. Tổng đài sử dụng kỹ thuật chuyển
mạch số là phổ biến. Tổng đài quang chưa có tổng đài thương mại mới chỉ có tổng
đài thí nghiệm.
1.5. Các loại chuyển mạch kênh
1.5.1. Chuyển mạch tín hiệu tương tự
Được sử dụng trong các tổng đài tương tự dùng để kết cấu thành hệ thống
chuyển mạch tổng đài. Trong các tổng đài tương tự và tổng đài số nó được sử
dụng trong các hối tập trung thuê bao tương tự trước khi đưa vào các thiết bị biến
đổi A/D, D/A.
Quá trình xử lý gọi hay quá trình thiết lập một tuyến vật lý từ thuê bao gọi
đến thuê bao bị gọi được điều khiển bởi thiết bị điều khiển trung tâm. Tuyến vật lý
này chỉ dàng riêng cho từng cuộc gọi trong suốt thời gian tiến hành cuộc gọi đó.
Tất cả các tín hiệu trên tuyến này điều ở dạng tương tự.
Ở tổng đài tương tự, trường chuyển mạch không gian có cấu trúc kiểu phân
tầng, được hình thành bởi các ma trận. Do vậy quá trình khai thác sẽ có tổn thất
nội bộ do mỗi kênh điều được bố trí một khe thời gian dành cho nó.
Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 7

GVHD: ThS. Trần Hoàng Quân SVTH: Nguyễn Đình Thi, Nguyễn Vương Nam

1.5.2. Chuyển mạch tín hiệu số
Tổng đài số sử dụng kỹ thuật chuyển mạch số. Các tín hiệu truyền dẫn qua
trường chuyển mạch này đều ở dạng số (tín hiệu của các cuộc gọi đã được mã hóa
thành tín hiệu PCM). Để chuyển mạch giữa chúng thì cần phải thực hiện chuyển
đổi khe thời gian giữa các kênh thoại từ đầu vào đến đầu ra của các trường chuyển
mạch.
Có 2 dạng chuyển mạch số: Chuyển mạch thời gian và chuyển mạch không
gian. Hệ thống chuyển mạch thường có cấu trúc ghép hợp của chuyển mạch không
gian và thời gian.
1.5.3. Chuyển mạch tín hiệu quang
 Phương thức chuyển mạch tín hiệu dưới dạng ánh sáng.
 Hình thức phổ biến là chuyển mạch theo bước sóng.
1.6. Chuyển mạch tương tự
Ưu nhược điểm của chuyển mạch tương tự:
Qua nghiên cứu về hệ chuyển mạch tương tự ta thấy chúng còn tồn tại
những hạn chế:
- Trường chuyển mạch có cấu trúc phân tầng, nhiều tầng nên quá trình khai
thác sẽ bị tổn thất lớn, đồng thời việc khắc phục ảnh hưởng lẫn nhau giữa các phần
tử chuyển mạch rất khó khăn.
- Tín hiệu đi qua trường chuyển mạch bị suy hao nhiều và suy hao này rất
khác nhau đối với các tiếp điểm chuyển mạch khác nhau.
- Không xác định được độ trễ thời gian cho tín hiệu trong kênh thoại khi
qua trường chuyển mạch.
- Gây tạp âm lớn.
- Trường chuyển mạch cồng kềnh và có giá thành cao.
Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 8

GVHD: ThS. Trần Hoàng Quân SVTH: Nguyễn Đình Thi, Nguyễn Vương Nam

1.7. Chuyển mạch số
1.7.1. Nguyên tắc chung
Trước khi đưa vào thiết bị chuyển mạch số, tín hiệu của các thuê bao được
chuyển từ dạng tương tự thành dạng tín hiệu số và được ghép vào các tuyến PCM.
Công việc này được tiến hành ở khối tập trung thuê bao (TTTB).
Mỗi tuyến PCM tải m tín hiệu của m thuê bao khác nhau. Vì vậy đầu vào
của thiết bị chuyển mạch số sẽ có n tuyến PCM chứ không phải là tín hiệu các
kênh riêng lẻ như trong thiết bị tương tự.

Hình 1.2 Mô hình chuyển mạch số
Để chuyển mạch cho một thuê bao nào đó thì cần thiết phải chuyển mạch khe
thời gian (TS- Time Slot) của nó đến một TS nào đó hoặc là thuộc PCM cùng tên
ở đầu ra hoặc là đến một PCM nào đó của tuyến kháctrong các tuyến PCM đầu ra.
Chẳng hạn cần chuyển TS10 của PCMi1 tới TS20 của PCMo3. Trong trường
hợp như vậy vần phải chuyển đổi cả PCM đầu vào tới đầu ra, nhiệm vụ này do
trường chuyển mạch không gian thực hiện; việc tiếp theo là chuyển đổi khe thời
gian, nhiệm vụ đó được thực hiện bởi trường chuyển mạch thời gian.
1.7.2. Trường chuyển mạch không gian
1.7.2.1. Cấu tạo chung của một trường chuyển mạch không gian
Trường chuyển mạch (TCM) không gian số có cấu trúc kiểu ma trận đơn-
tiếp thông hoàn toàn. Các hàng là các tuyến PCM
in
, các cột là các tuyến PCM
out
,
giao điểm của các hàng và cột là những tiếp điểm chuyển mạch điện tử kiểu các
cổng logic AND, thường là mạch cổng 3 trạng thái. Một đầu vào của cổng được

Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 9



GVHD: ThS. Trần Hoàng Quân SVTH: Nguyễn Đình Thi, Nguyễn Vương Nam

nối với PCM
in
(hàng), đầu ra nối với tuyến PCM
out
(cột), đầu vào còn lại nối với bộ
nhớ điều khiển.
Mỗi phần tử chuyển mạch trong cột được gắn với một mã nhị phân tương
ứng với thứ tự của tuyến PCM
in
.


Hình 1.3 Cấu tạo của trường chuyển mạch không gian
Ở mỗi cột, các tiếp điểm được nói tới một bộ nhớ điều khiển để đưa các tín
hiệu điều khiển vào các cổng AND. Số lượng các cột nhớ bằng số lượng các cột
tíếp điểm. Mỗi cột nhớ điều khiển có số lượng ô nhớ bằng số lượng các khe thời
gian của các PCM vào.
+ Khối ma trận chuyển mạch
Khối ma trận chuyển mạch được cấu trúc dưới dạng ma trận hai chiều gồm
các cổng đầu vào và các cổng đầu ra, trên các cổng là các tuyến PCM có chu kỳ
khung 125µs. Các điểm nối trong ma trận là các phần tử logic không nhớ (thông
thường là các mạch AND). Một ma trận có (N) cổng đầu vào và (M) cổng đầu ra
trở thành ma trận vuông khi N=M.
+ Khối điều khiển khu vực

Khối điều khiển khu vực gồm một số khối thiết bị như:
Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 10



GVHD: ThS. Trần Hoàng Quân SVTH: Nguyễn Đình Thi, Nguyễn Vương Nam

- Bộ nhớ điều khiển kết nối CMEM (Control MEMory) lưu trữ các thông
tin điều khiển theo chương trình ghi sẵn cho ma trận chuyển mạch, nội dung
thông tin trong CMEM sẽ thể hiện vị trí tương ứng của điểm kết nối cần chuyển
mạch (Số ngăn nhớ: n, dung lượng ngăn nhớ: L= log
2
N);
- Bộ giải mã địa chỉ DEC (DECode) chuyển các tín hiệu điều khiển mã nhị
phân thành các tín hiệu điều khiển cổng cho phần tử kết nối AND.
- Bộ đếm khe thời gian TS.C (Time Slot Counter) nhận tín hiệu đồng hồ từ
đồng hồ hệ thống cấp các xung đồng bộ cho bộ điều khiển theo đồng bộ của
các tuyến PCM vào và tuyến PCM ra.
- TS.C đưa tín hiệu đồng bộ vào bộ chọn (SEL) để đồng bộ quá trình ghi
dịch địa chỉ và tác vụ ghi đọc của bộ nhớ CMEM.
1.7.2.2. Nguyên lý hoạt động
Trường chuyển mạch không gian cho phép chuyển mạch từ TSj của PCM
đầu vào tới TSj cùng tên của mọi PCM khác ở đầu ra. Để làm được điều đó, ở các
cột nhớ điều khiển người ta chia ra các ô nhớ.
Mỗi ô nhớ gắn liền với một khe thời gian đầu vào. Số thứ tự của nó được
đánh từ 00 đến 31 nếu các tuyến PCM đầu vào là loại 32 khe thời gian.
Thực tế thường các PCM từ 32 đến 1024 khe thời gian. Để tiến hành điều khiển
đấu nối cho một tuyến đầu vào tới một tuyến đầu ra nào đó thì cần phải thao tác
tiếp điểm số lượng tương ứng là giao điểm của hàng và cột đó. Do vậy mà mỗi
tiếp điểm chuyển mạch hàng cột được địa chỉ hoá bởi một địa chỉ nhị phân. Địa

chỉ này được ghi ở bộ nhớ điều khiển. Khi một tiếp điểm nào đó thao tác thì nó chỉ
duy trì mở cổng trong một khoảng thời gian bằng một khe thời gian. Các địa chỉ
nhị phân có kích thước từ mã địa chỉ x bit sao cho 2x = n , với n là số tiếp điểm
trong cột, chính là các PCM đầu vào.
Để chuyển mạch cho một khe thời gian nào đó của PCM đến chính khe thời
gian đó của PCM khác đầu ra, thì ô nhớ có thứ tự cùng khe thời gian đó được bộ
điều khiển trung tâm lấy ra và ghi địa chỉ của tiếp điểm chuyển mạch là giao điểm
của hang và cột chứa khe thời gian đó.
Ví dụ:
Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 11



GVHD: ThS. Trần Hoàng Quân SVTH: Nguyễn Đình Thi, Nguyễn Vương Nam

Cần chuyển mạch cho TS7/X1 tới TS7/Y3 thì cột nhớ số 3 được ghi ra, ô
nhớ số 7 được ghi địa chỉ của tiếp điểm số 1 ở dạng nhị phân “00001”. Trong
trường hợp như vậy, cứ mỗi khe thời gian TS7 đến thì bộ nhớ lại làm việc. căn cứ
vào nội dung của “00001” nó đưa ra lệnh điều khiển để điều khiển tiếp điểm số
1của cột số 3 thông mạch và khoảng thời gian TS7 thì X1 được nối đến Y3.
Các cột nhớ điều khiển được thao tác một cách lần lược, tức là lần lược nội
dung của các ô nhớ trong đó được gọi ra. Vì vậy việc đánh địa chỉ của các ô nhớ
được thực hiện cũng phải tuần tự tương ứng với thứ tự các khe thời gian đầu vào.
Nội dung của mỗi ô nhớ chỉ được đọc ra và tạo tín hiệu điều khiểncho tiếp điểm
chuyển mạch tương ứng mở chỉ trong một khe thời gian. Sau đó tiếp điểm đóng
hoặc tiếp tục thao tác mở nhưng phục vụ cho khe thời gian tiếp theo.
Sau một chu kỳ đọc kéo dài từ 32-1024 khe thời gian, nó lại quay về để mở
tiếp điểm cho khe thời gian bắt đầu. Một tiếp điểm nào đó duy trì mở cho một khe
thời gian nào đó được lặp đi lặp lại mỗi khung và cho đến khi kết thúc cuộc gọi.
thông thường một cuộc gọi kéo dài khoảng 1 triệu khung.

Trường chuyển mạch không gian cho tín hiệu số chỉ tiến hành chuyển mạch
cho một PCM đầu vào đến một PCM đầu ra nào đó nhưng vẫn giữ nguy6n khe
thời gian. Một tiếp điểm có thể sử dụng đấu nối cho nhiều cuộc gọi, vì vậy hiệu
suất sử dụng các tiếp điểm khá cao. Để giải phóng một cuộc đấu nối thì thiết bị
điều khiển trung tâm điều khiển khoá nội dung của ô nhớ tương ứng với khe thời
gian dành cho cuộc gọi. Như vậy trong khoảng thời gian của chu kỳ quét sau khe
thời gian đó thì tiếp điểm tương ứng không được mở.
1.7.2.3. Chuyển mạch song song
Ở các tổng đài điện tử số thường trường chuyển mạch không gian sử dụng
nguyên tắc chuyển mạch song song các bit trong mỗi khe thời gian để tiết kiệm
các tiếp điểm chuyển mạch. Sơ đồ chức năng được mô tả ở hình 1.4.
Chương 1: Tìm hiểu chuyển mạch trong tổng đài 12



GVHD: ThS. Trần Hoàng Quân SVTH: Nguyễn Đình Thi, Nguyễn Vương Nam


Hình 1.4. Chuyển mạch song song
Theo nguyên lý chuyển mạch song song, các tuyến vào trước khi đưa tới
trường chuyển mạch thì được biến đổi từ nối tiếp thành song song cho các bit
thuộc 1 byte, bởi thiết bị chuyển đổi có 1 mạch dây vào và 8 mạch dây ra. 8 bit nối
tiếp của mõi TS đầu vào được chuyển đổi thành 8 bit song song trên 8 mạch dây
ra. Vậy ở mạch 8 dây ra để duy trì tốc độ là 2048 kbit/s thì số kênh được ghép sẽ
tăng lên gấp 8 lần, tức là nếu mỗi dây vào có 32 kênh thì mỗi chùm đầu ra có 32 x
8 = 256 kênh. Như vậy, ở mạch 8 dây đầu ra dẫn tới trường chuyển mạch không
gian có thể xem là một tuyến PCM ở dạng bit song song chứa 8 dây. Trong trường
hợp như vậy mỗi tiếp điểm trong trường chuyển mạch được thay bằng một nhóm 8
tiếp điểm, 8 tiếp điểm này thực hiện chuyển mạch cho một kênh chỉ trong thời
gian 1 bit, nhưng 8 tiếp điểm làm việc đồng thời. Xem hình 1.5.

Hình 1.5 Sơ đồ chuyển mạch không gian thực tế
Giả sử cần phải chuyển mạch không gian qua trường chuyển mạch cho 40
PCMi loại 32 TS tới PCMo/32TS, thì trong trường hợp nếu để chuyển mạch ở
dạng nối tiếp ở phần nguyên lý đã xét ta phải tốn thêm 40 x 40 = 1600 tiếp điểm.
còn trường hợp chuyển mạch song song thì chỉ cần 40/8 x 40/8 x 8 = 200 tiếp