مفتاح التبديل العرضي

كان أحد أنواع مقاسم التلغراف في منتصف القرن العشرين يتألف من شبكة من قضبان نحاسية رأسية وأفقية بها ثقب عند كل تقاطع ( انظر الصورة العلوية). وكان المشغل يُدخل دبوسًا معدنيًا لتوصيل خط تلغراف بآخر.

مفتاح التحويل الهاتفي هو جهاز كهروميكانيكي لتحويل المكالمات الهاتفية . أول تصميم لما يُعرف اليوم بمفتاح التحويل هو مُحدد الإحداثيات لشركة بيل ويسترن إلكتريك عام 1915. ولتوفير تكاليف أنظمة التحكم، اعتمد هذا النظام على مبدأ مفتاح التحويل المتدرج أو المُحدد بدلاً من مبدأ الربط. لم يُستخدم هذا النظام على نطاق واسع في أمريكا، لكن وكالة الاتصالات السويدية (Televerket) أنتجت تصميمها الخاص ( تصميم جوتليف بيتولاندر عام 1919، المستوحى من نظام ويسترن إلكتريك)، واستخدمته في السويد من عام 1926 حتى التحول الرقمي في ثمانينيات القرن العشرين في مفاتيح A204 الصغيرة والمتوسطة الحجم. أما تصميم النظام المستخدم في مقاسم 1XB التابعة لشركة AT&T ، والتي دخلت الخدمة التجارية عام 1938، والذي طورته مختبرات بيل للهاتف ، فقد استُلهم من التصميم السويدي ولكنه استند إلى مبدأ الربط الذي أُعيد اكتشافه. في عام 1945، تم تركيب تصميم مماثل من قِبل شركة الاتصالات السويدية (Televerket) في السويد، مما أتاح زيادة سعة مفتاح التحويل من طراز A204. وبسبب تأخير الحرب العالمية الثانية، تم تركيب ملايين خطوط 1XB الحضرية في الولايات المتحدة بدءًا من خمسينيات القرن الماضي.

في عام 1950، طورت شركة إريكسون السويدية نسخها الخاصة من نظامي 1XB وA204 للسوق الدولية. في أوائل الستينيات، تجاوزت مبيعات الشركة من محولات التقاطع مبيعات نظامها الدوار ذي 500 خط، وذلك من حيث عدد الخطوط. وسرعان ما انتشر نظام محولات التقاطع في أنحاء العالم، ليحل محل معظم التصاميم السابقة مثل نظام ستروجر (الخطوة بخطوة) وأنظمة اللوحات في المنشآت الكبيرة في الولايات المتحدة. وبعد أن كانت هذه المحولات تعتمد كليًا على التحكم الكهروميكانيكي عند طرحها، جرى تطويرها تدريجيًا لتشمل تحكمًا إلكترونيًا كاملًا ومجموعة متنوعة من ميزات الاتصال ، بما في ذلك الرموز المختصرة والاتصال السريع. في المملكة المتحدة، أنتجت شركة بليسي مجموعة من مقاسم التقاطع TXK ، إلا أن انتشارها الواسع من قبل مكتب البريد البريطاني بدأ متأخرًا مقارنةً بالدول الأخرى، ثم أعاقه التطوير الموازي لأنظمة TXE من نوع مرحلات القصب وأنظمة المقاسم الإلكترونية، لذا لم تحقق هذه المقاسم عددًا كبيرًا من اتصالات العملاء، على الرغم من أنها حققت بعض النجاح كمحولات ترادفية .

تستخدم مفاتيح التبديل المتقاطعة مصفوفات تبديل مصنوعة من مصفوفة ثنائية الأبعاد من نقاط التلامس مرتبة بتنسيق س-ص. يتم تشغيل هذه المصفوفات بواسطة سلسلة من القضبان الأفقية الموضوعة فوق نقاط التلامس. يمكن تحريك كل قضيب اختيار لأعلى أو لأسفل بواسطة مغناطيسات كهربائية لتوفير الوصول إلى مستويين من المصفوفة. توجد مجموعة ثانية من قضبان التثبيت الرأسية بزاوية قائمة على المجموعة الأولى (ومن هنا جاء اسم "المصفوفة المتقاطعة")، ويتم تشغيلها أيضًا بواسطة مغناطيسات كهربائية. تحمل قضبان الاختيار أصابع سلكية زنبركية تُمكّن قضبان التثبيت من تشغيل نقاط التلامس الموجودة أسفل القضبان. عندما تعمل مغناطيسات الاختيار ثم التثبيت بالتتابع لتحريك القضبان، فإنها تحجز أحد الأصابع الزنبركية لإغلاق نقاط التلامس أسفل نقطة تقاطع قضيبين. يؤدي هذا إلى إنشاء الاتصال عبر المفتاح كجزء من إعداد مسار المكالمة عبر المقسم. بمجرد الاتصال، يتم تحرير مغناطيس الاختيار ليتمكن من استخدام أصابعه الأخرى للاتصالات الأخرى، بينما يظل مغناطيس التثبيت مُفعّلاً طوال مدة المكالمة للحفاظ على الاتصال. كانت واجهة التبديل المتقاطع تُعرف باسم مفتاح TXK أو TXC (مفتاح التبديل المتقاطع لمقاسم الهاتف) في المملكة المتحدة.

مع ذلك، صُنعت مفاتيح Bell System Type B ذات القضبان المتقاطعة في ستينيات القرن الماضي بكميات كبيرة. كانت أغلبها مفاتيح ذات 200 نقطة، بعشرين رأسيًا وعشرة مستويات من ثلاثة أسلاك. يحمل كل قضيب اختيار عشرة أصابع، بحيث يمكن لأي من الدوائر العشر المخصصة للرؤوس العشرة الاتصال بأي من المستويين. خمسة قضبان اختيار، كل منها قابل للدوران لأعلى أو لأسفل، توفر خيارًا من عشرة روابط للمرحلة التالية من التبديل. كل نقطة تقاطع في هذا النموذج تحديدًا تربط ستة أسلاك. تصطف نقاط التلامس الرأسية غير العادية بجوار مغناطيسات التثبيت على طول الجزء السفلي من المفتاح. تؤدي هذه النقاط وظائف منطقية وذاكرة، ويحافظ قضيب التثبيت عليها في الوضع النشط طالما أن الاتصال قائم. يتم تنشيط نقاط التلامس الأفقية غير العادية على جانبي المفتاح بواسطة القضبان الأفقية عند تدويرها بواسطة مغناطيسات الفراشة. يحدث هذا فقط أثناء إعداد الاتصال، حيث لا يتم تنشيط مغناطيسات الفراشة إلا في هذه الحالة.

صُممت غالبية مفاتيح نظام بيل لتوصيل ثلاثة أسلاك، تشمل طرفي دائرة زوجية متوازنة ، بالإضافة إلى سلك تحكم. وقد وُصلت العديد منها بستة أسلاك، إما لدائرتين منفصلتين أو لدائرة رباعية الأسلاك أو أي توصيل معقد آخر. كان مفتاح بيل المصغر من النوع C في سبعينيات القرن الماضي مشابهًا، لكن أصابعه كانت بارزة للأمام من الخلف، وكانت قضبان الاختيار مزودة بمقابض لتحريكها. احتوت غالبية مفاتيح النوع C على اثني عشر مستوى؛ أما هذه فكانت الأقل شيوعًا ذات العشرة مستويات. كان مفتاح نورثرن إلكتريك المصغر المستخدم في مفتاح SP1 مشابهًا، ولكنه أصغر حجمًا. عادةً ما كان مفتاح ITT Pentaconta متعدد الوظائف في نفس الحقبة يحتوي على 22 رأسيًا، و26 مستوى، وستة إلى اثني عشر سلكًا. في بعض الأحيان، كانت مفاتيح إريكسون المتقاطعة تحتوي على خمسة رؤوس فقط.

لأغراض القياس، قامت شركة جيمس كانينغهام وأبنائه ^{[ 5 ]} بتصنيع مفاتيح متقاطعة عالية السرعة وطويلة العمر ^{[ 6 ]} ذات أجزاء ميكانيكية صغيرة الحجم، مما أتاح تشغيلًا أسرع من مفاتيح الهاتف المتقاطعة. احتوت العديد من مفاتيحهم على وظيفة "و" المنطقية الميكانيكية لمفاتيح الهاتف المتقاطعة، بينما احتوت نماذج أخرى على مرحلات فردية (ملف واحد لكل نقطة تقاطع) في مصفوفات، تربط نقاط تلامس المرحل بناقلات [x] و[y]. كانت هذه الأنواع الأخيرة مكافئة لمرحلات منفصلة؛ إذ لم تكن تحتوي على وظيفة "و" المنطقية مدمجة. تميزت مفاتيح كانينغهام المتقاطعة بنقاط تلامس من المعادن النفيسة قادرة على التعامل مع إشارات الميلي فولت.

كانت مقاسم المصفوفة المتقاطعة المبكرة مقسمة إلى جانب إرسال وجانب استقبال، على عكس مقاسم SP1 و 5XB الكندية والأمريكية اللاحقة والبارزة . عندما يرفع المستخدم سماعة الهاتف ، تتسبب حلقة الخط الناتجة، التي تشغل مرحل خط المستخدم، في توصيل هاتف المستخدم بمرسل الإرسال، الذي يُعيد نغمة الاتصال. ثم يسجل المرسل الأرقام المطلوبة ويمررها إلى علامة الإرسال، التي تختار خطًا رئيسيًا صادرًا وتُشغل مراحل مفتاح المصفوفة المتقاطعة المختلفة لتوصيل المستخدم المتصل به. بعد ذلك، تُمرر علامة الإرسال متطلبات إتمام مكالمة الخط الرئيسي (نوع النبض، ومقاومة الخط الرئيسي، وما إلى ذلك) وتفاصيل الطرف المطلوب إلى المرسل وتُنهي المكالمة. ثم يُعيد المرسل هذه المعلومات إلى مرسل الاستقبال (الذي قد يكون في نفس المصفوفة أو في مصفوفة مختلفة). ثم استخدم هذا المرسل علامة إنهاء لتوصيل المستخدم المتصل، عبر خط الاتصال الوارد المحدد، بالمستخدم المتصل به، وتسبب في قيام مجموعة الترحيل المتحكمة بإرسال إشارة الرنين إلى هاتف المستخدم المتصل به، وإعادة نغمة الرنين إلى المتصل.

كان مفتاح التبديل المتقاطع بسيطًا: فقد نقل تصميم المقسم جميع عمليات اتخاذ القرار المنطقي إلى عناصر التحكم المشتركة ، التي كانت تتمتع بموثوقية عالية كمجموعات مرحلات. وحددت معايير التصميم ساعتين فقط من التوقف عن العمل للصيانة كل أربعين عامًا، وهو ما يُعد تحسنًا كبيرًا مقارنةً بالأنظمة الكهروميكانيكية السابقة. وقد سمح مفهوم تصميم المقسم بإجراء ترقيات تدريجية، حيث يمكن استبدال عناصر التحكم بشكل منفصل عن عناصر تبديل المكالمات. كان الحد الأدنى لحجم مقسم التبديل المتقاطع كبيرًا نسبيًا، ولكن في المناطق الحضرية ذات سعة الخطوط المركبة الكبيرة، كان المقسم بأكمله يشغل مساحة أقل من تقنيات المقسمات الأخرى ذات السعة المكافئة. ولهذا السبب، كانت هذه المقسمات عادةً أول المقسمات التي يتم استبدالها بالأنظمة الرقمية ، التي كانت أصغر حجمًا وأكثر موثوقية.

بدءًا من مفتاح 1XB ، اعتمدت الطريقة اللاحقة والأكثر شيوعًا على مبدأ الربط، واستخدمت المفاتيح كنقاط تقاطع. تم ربط كل نقطة اتصال متحركة بنقاط الاتصال الأخرى على نفس المستوى عبر أسلاك مكشوفة، تُعرف غالبًا باسم أسلاك البانجو . ^{[ 7 ]} إلى رابط على أحد مداخل مفتاح في المرحلة التالية. يمكن للمفتاح معالجة حصته من المكالمات بعدد مستوياته أو وحداته الرأسية. وبالتالي، يمكن لمركز تبادل يتكون من 40 مفتاحًا من نوع 10×10 في أربع مراحل أن يُجري 100 محادثة. كان مبدأ الربط أكثر كفاءة، ولكنه تطلب نظام تحكم معقدًا للعثور على الروابط غير المستخدمة عبر شبكة التبديل .

هذا يعني التحكم المشترك ، كما هو موضح أعلاه: حيث تُسجل جميع الأرقام، ثم تُمرر إلى جهاز التحكم المشترك، وهو جهاز الإشارة ، لإنشاء المكالمة في جميع مراحل التحويل المنفصلة في آنٍ واحد. يحتوي نظام المصفوفة المتقاطعة المُتحكم فيه بواسطة جهاز الإشارة على وحدة تحكم مركزية شديدة الحساسية؛ ولذلك تُحمى دائمًا بوجود أجهزة إشارة مُكررة. تتمثل الميزة الكبرى في أن زمن إشغال التحكم على المحولات كان في حدود ثانية واحدة أو أقل، وهو ما يُمثل تأخيرات التشغيل والإيقاف لأذرع التحويل X-ثم Y. أما العيب الوحيد للتحكم المشترك فهو الحاجة إلى توفير عدد كافٍ من مسجلات الأرقام للتعامل مع أعلى مستوى مُتوقع لحركة المكالمات الواردة على المقسم.

استخدم تصميم Plessey TXK 1 أو 5005 شكلاً وسيطًا، حيث تم تحديد مسار واضح من خلال نسيج التبديل بواسطة منطق موزع، ثم تم إغلاقه من خلال كل شيء دفعة واحدة.

لا تزال مقاسم التقاطع تعمل في خدمة الإيرادات إلا في عدد قليل من شبكات الهاتف. أما المنشآت المحفوظة فتُحفظ في المتاحف ، مثل متحف الاتصالات في سياتل، واشنطن، ومتحف العلوم في لندن .

تتألف تطبيقات أشباه الموصلات لمفاتيح التقاطع عادةً من مجموعة من مضخمات الإدخال أو منظمات التوقيت المتصلة بسلسلة من الوصلات البينية داخل جهاز أشباه الموصلات. وتتصل مجموعة مماثلة من الوصلات البينية بمضخمات الإخراج أو منظمات التوقيت. عند كل نقطة تقاطع، يُستخدم ترانزستور تمرير لتوصيل القضبان. عند تفعيل ترانزستور التمرير، يتم توصيل الإدخال بالإخراج.

مع تحسن تقنيات الكمبيوتر، وجدت مفاتيح التبديل المتقاطعة استخدامات في أنظمة مثل شبكات الربط البيني متعددة المراحل التي تربط وحدات المعالجة المختلفة في معالج متوازي للوصول إلى الذاكرة بشكل موحد بمصفوفة عناصر الذاكرة.