Реферат за темою випускної роботи:

«Дослідження і оптимізація режимів захоплення аналогових ФАПЧ для систем синхронізації ТКС»:

Стрімкий розвиток цифрових систем комутації і засобів передачі інформації привів до значного зростання ролі систем синхронізації в мережах телекомунікацій.
У системах синхронізації часто використовується система ФАПЧ, характеристики якої часто вносять найбільш вагомий внесок в роботу системи синхронізації.

Мета:

Завдання:

Наукова новизна

1. Системи синхронізації в сучасних телекомунікаційних мережах.

Синхронізація - це засіб підтримки роботи усього цифрового устаткування в мережі зв'язку на одній середньою швидкості. Для цифрової передачі інформація перетвориться в дискретні імпульси. При передачі цих імпульсів через лінії і вузли зв'язку цифрової мережі усі її компоненти повинні синхронізуватися. Синхронізація повинна існувати на трьох рівнях: бітова синхронізація, синхронізація на рівні канальних інтервалів і кадрова синхронізація.
Основною метою мережевої синхронізації є обмеження виникнення керованих прослизань. Існують дві головні причини виникнення прослизань. Перша причина- відсутність частоти синхронізації із-за втрати зв'язку між генераторами, що призводить до відмінності тактових частот. Друга причина - фазові зрушення або в лініях зв'язку ( такі, як джиттер і вандер), або між первинним і веденим генераторами. Останнє, тобто фазові зрушення між частотами первинного генератора і приймача, є головною причиною виникнення прослизань в мережах зв'язку.
Прослизання, проте, не є єдиними збоями, викликаними відсутністю синхронізації. Погана синхронізація може привести до надмірного джиттеру і втрати кадрів при передачі цифрових сигналів.
Для синхронізації цифрових мереж використовується декілька основних методів: плезіохронна робота, ієрархічна робота приймача - передавача, взаємна синхронізація, імпульсне доповнення (стаффінг) і покажчики.
Для синхронізації мереж E1/DS1 більшість адміністраторів телекомунікаційних мереж використовують метод ієрархічного джерела - приймача (ведучий - ведений). Джерелом основного еталонного сигналу синхронізації мережі є один або більше первинних еталонних генераторів (ПЕГ). Еталонний сигнал цього генератора розподіляється по мережі, що складається з генераторів - приймачів або ведених задаючих генераторів (ВЗГ).
Вузол з найбільш стабільним генератором призначається вузлом - джерелом. Вузол - джерело передає еталонну синхронізацію на один або більше приймаючих вузлів. Робочі характеристики приймаючих вузлів зазвичай такі ж або гірше, ніж у вузла джерела. Вузол приймача захоплює еталонну частоту синхронізації джерела і потім передає її іншим вузлам приймача. Тому синхронізація розподіляється вниз за ієрархією вузлів.
Найбільш важливою вимогою в генераторах приймача є можливість перебудови (реорганізації) збереження синхронізації. Це пояснюється тим, що генератори приймача часто можуть бути схильні до коротких переривань їх еталонного сигналу синхронізації. Коротке переривання обумовлює перебудову генератора. Перебудова визначається як перемикання генератором його еталонного сигналу або внесення погрішності невеликої тривалості.
Характеристики синхронізації в ієрархічній мережі передавача - приймача визначаються трьома компонентами: погрішністю генератора, що управляє, характеристиками пристроїв, що розподіляють еталонний сигнал, і характеристиками генераторів приймача, одержуючого еталонний сигнал через ці пристрої. Характеристики синхронізації в основному визначаються комбінацією характеристик пристроїв розподілу і генератора приймача. У реальних мережах генератор приймача, приєднаний до генератора, що управляє, працюватиме з довготривалою частотою, що відрізняється від частоти генератора, що управляє.
У системах синхронізації часто використовується система ФАПЧ, характеристики якої частенько вносять найбільш вагомий внесок в роботу системи синхронізації.
Петлі синхронізації виникають, коли генератор використовує для відстежування свій власний еталонний сигнал синхронізації. При виникненні таких петель, частота еталонного сигналу стає нестабільною. Генератори в петлі синхронізації повільно почнуть працювати з погрішністю повного діапазону генератора. Це призводить до того, що генератор показує характеристики у багато разів гірше, ніж у вільному режимі або в режимі утримання. Тому важливо, щоб потік еталонних сигналів синхронізації в мережі розроблявся б так, щоб петлі синхронізації не могли формуватися ні за яких обставин. Жодна комбінація первинних і вторинних еталонних сигналів не повинна привести до петлі синхронізації. У правильно спланованій мережі завжди можна уникнути петель синхронізації.
Підтримка ієрархії важлива для досягнення найкращих робочих характеристик в мережі. У ідеальних умовах або в умовах стресу передача синхронізації з кращих на гірші генератори оптимізує робочі характеристики.
Характеристики синхронізації завжди погіршуватимуться, оскільки синхронізація передається від генератора до генератора. Чим більше генераторів і устаткування в ланцюзі синхронізації, тим більше буде накопичене погіршення і тим більше частотне зрушення. Кожен пристрій додаватиме погіршення, на які повинні будуть реагувати генератори в ланцюзі. Тому, для забезпечення найкращих характеристик ланцюга синхронізації повинні залишатися короткими.

2. Доцільність використання аналогової ФАПЧ в системах синхронізації

Схема фазового автопідстроювання частоти ФАПЧ часто доводиться використовувати в системах передачі даних по ефіру для синхронізації приймальної і передавальної апаратури.
ФАПЧ використовується:
a) для усунення тремтіння фази (phase jitter) в системах передачі дискретної інформації що виникає по краях цифрового сигналу;
б) для підвищення чутливості приймача;
в) для виділення тактової частоти сигналу, що приймається;
г) для синхронізації приймальної і передавальної апаратури.
ФАПЧ робить корекцію тактової частоти сигналу, що приймається, що виділяється, в потрібні моменти часу. ФАПЧ приймає рішення про корекції після певного числа розбіжностей у велику або меншу сторону. Якщо переважають розбіжності в меншу сторону, то ФАПЧ подовжує тривалість формованого сигналу. Інакше ФАПЧ вставляє додатковий укорочений імпульс. Таким чином відбувається синхронізація і виділення тактової частоти з сигналу, що приймається.
Можуть застосовуватися як аналогові так і цифрові ФАПЧ. Кожна з них має свої переваги і недоліки, які ми і спробуємо об'єднати, створивши більше універсальну систему.
Система фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) є широко використовуваним своєрідним вузлом, який випускається деякими фірмами у вигляді окремої ИМС. ФАПЧ містить фазовий детектор, підсилювач і генератор, керований напругою (ГУН), і є поєднанням аналогової і цифрової техніки.
Існує традиційне упередження проти ФАПЧ, яке частково пов'язане із складністю реалізації ФАПЧ на дискретних компонентах, а частково засновано на думці, що ФАПЧ не може досить надійно працювати. Проте поява нині великого числа недорогих і простих у використанні пристроїв ФАПЧ дозволяє швидко усунути першу перешкоду для їх широкого застосування. Якщо пристрій ФАПЧ правильно спроектований і використовується не на граничних параметрах, воно є таким же надійним схемним елементом, як операційний підсилювач або тригер.

Рисунок 1 - Схема фазового автопідстроювання частоти (анимация 5 кадров с задержкой 30 мс, объем - 16 кВ)

Класична схема ФАПЧ приведена на рис.1. Фазовий детектор порівнює частоти двох вхідних сигналів і генерує вихідний сигнал, який є мірою їх фазового розузгодження (якщо, наприклад, вони розрізняються по частоті, то формуватиметься періодичний вихідний сигнал різницевої частоти). Якщо частоти fвх і fгун не дорівнюють один одному, то сигнал фазового розузгодження після фільтрації і посилення впливатиме на ГУН, наближаючи частоту fгун до fвх. У нормальному режимі ГУН швидко робить «захоплення» частоти fвх, підтримуючи постійне фазове зрушення по відношенню до вхідного сигналу.
Вихід ГУН формує сигнал з частотою fвх; при цьому він є «очищеною» копією сигналу fвх, який сам по собі може бути схильний до дії перешкод. Оскільки вихідний періодичний сигнал ГУН може мати будь-яку форму трикутну, синусоїдальну і т. п.), це дає можливість формувати, скажімо, синусоїдальний сигнал, синхронізований з послідовністю вхідних імпульсів.
Часто в схемах ФАПЧ використовують лічильник по модулю n, включений між виходом ГУН і фазовим детектором. За допомогою цього лічильника отримують частоту, кратну вхідній опорній частоті fвx. Це зручно для формування тактових імпульсів, з метою синхронізації системи.
У роботі був проведений експеримент, в ході якого ми порівнювали якість роботи цифровою і аналоговою ФАПЧ при різному рівні перешкод. До певного рівня перешкод цифрова ФАПЧ працює краще аналоговою і у випадку з невеликими шумами дає нульову помилку. Але потім, при подальшому збільшенні перешкод- число помилок різко зростає і система незабаром стає непрацездатною. В той час, як аналогова ФАПЧ продовжує працювати, і кількість помилок від рівня шуму залежить практично лінійно(рис.2.)

Рисунок 2 - Залежність вірогідності помилкового прийому від шуму в цифровій і аналоговою ФАПЧ

3. Розробка структури аналогової ФАПЧ з нелінійністю в ланцюзі управління.

Рисунок  3. - Схема  нелінійного            Рисунок 4. - Вольтамперная ха-
RС -фильтра                                         рактеристика       нелінійного  елементу

Нелінійний інтегруючий фільтр може бути виконаний за допомогою лінійного опору і нелінійної місткості.
Опишемо систему математично, замінивши нелінійну ділянку схеми нелінійним опором і додавши в систему R1 і Rнг. Для спрощення розрахунків враховуватимемо миттєвий опір Rнел.

Рисунок 6 - Схема  нелінійного  RС -фильтра       
                 
              

                                                      Нелінійний елемент має ВАХ:

Рисунок 7 - ВАХ нелінійного елементу

Провівши дотичну до робочої точки, ми можемо побачити, що на певній ділянці крива і дотична мають приблизно рівний кут нахилу, тому і значення Rнел = буде приблизно рівним і при розгляді кривої і при розгляді дотичної. Тому на цій ділянці нелінійний елемент ми можемо замінити двома лінійними елементами. Причому ця заміна буде еквівалентною.

Рисунок 8 - Заміна нелінійного елементу

Тоді за 2-м законом Кирхгофа:
(Rнел+R1)* iвх +Uвых +U0=Uвх

Створимо метасистему, (надалі називатимемо її модуль 1), яка імітує перетворення вхідної напруги  у вихідну

Рисунок 9 - Реалізація нелінійного перетворення напруги в ланцюзі управління ФАПЧ в пакеті SystemView

Модуль 1 був інтегрований в початкову схему ФАПЧ і проведено дослідження залежності вірогідності помилкової передачі сигналу від рівня шуму в первинній схемі ФАПЧ ( Р(0)) і схемі ФАПЧ з модулем 1( Р'(0)).  Була отримана наступна залежність:

                                                                                                           
Рисунок 10 - Залежність вірогідності помилки від рівня шуму

Як бачимо в середньому система з нововведеннями дає виграш в середньому 150-200%.
Якщо порівняти з результатом первинної схеми аналогового ФАПЧ, який при STD deviation шуму=3 давав вірогідність помилки=22%. У новій системі при STD deviation шуму=3 вірогідність помилки = 12%. А при шумі STD deviation=4 система працездатною була лише в теорії з погрішністю прийому=36%, в системі з модулем 1 - вірогідність помилкового прийому ж 22%. Цифрова система ж не працювала вже при STD deviation=3.
Також був досліджений інший варіант реалізації нелінійності - за допомогою блоку із зоною нечутливості. При порівнянні 2-х систем ( з істотною нелінійністю і з модулем 1 було виявлено, що час захоплення системи дають практично однаковий, але в плані завадостійкої краще схема з модулем 1 (в 1,5 -2 рази), оскільки схема з істотною нелінійністю послабляє потужність сигналу, що проходить крізь неї, і перебудовується досить в'яло
Надалі планується:
1. Довести до кінця дослідження систем ФАПЧ з істотною нелінійністю і з модулем 1.
2. Оформити усі результати у випускній роботі магістра.