"Телекоммуникационный системы и сети"

Тема магистерской работы:

Автореферат по теме магистерской работы

"Исследование ФАПЧ систем синхронизации в радиочастотных каналах телекоммуникационных сетей"

Точная работа и тщательное планирование систем синхронизации требуются не только для того, чтобы избежать неприемлемых рабочих характеристик , но чтобы ослабить скрытые, дорогостоящие и трудноопределимые проблемы и уменьшить малозаметные взаимные влияния сетей различного подчинения.

Начало

Цель и задачи

Целью данной магистерской работы является исследование систем фазовой автоподстройки частоты для систем синхронизации телекоммуникационных сетей, также обоснование и разработка аналитической и цифровой модели системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и экспериментального макета для анализа и улучшения качества функционирования сети синхронизации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• проанализировать назначение сетей синхронизации, основные виды и методы синхронизации телекоммуникационных сетей;

• исследовать ФАПЧ на основе методов теории автоматического управления и цифрового моделирования;

• реализовать экспериментальную установку многоуровневой системы синхронизации.

Для понимания назначения синхронизации вначале дадим определение понятию синхронизации.

Синхронизацией называется процесс подстройки значащих моментов цифрового сигнала для установления и поддержания требуемых временных соотношений. За счет синхронизации поддерживается непрерывность передаваемой информации и обеспечивается ее целостность, т.е. определяется положение передаваемых кодовых слов и их последовательность.[1]

Основная задача синхронизации цифровой сети состоит в том, чтобы гарантировать получение одной и той же скорости передачи и приема информации в цифровых сетях связи и избежать появления «проскальзываний». Все генераторы, установленные в цифровой сети связи, должны быть синхронизированы от одного или нескольких ведущих генераторов с близкими значениями частот выходных колебаний. Синхронизация необходима в любых цифровых сетях связи.

Сетевая синхронизация, которая поначалу была неизвестна и считалась не относящейся к эксплуатации и работоспособности телекоммуникационных сетей, играет очень важную роль на всем протяжении эволюции телекоммуникаций, особенно с тех пор как передача и коммутация стали цифровыми.

Эволюция цифровой технологии передачи и коммутации для телефонных сетей общего пользования началась с изолированных цифровых каналов передачи между аналоговыми коммутаторами или радиопередающими системами. Факт использования цифровой технологии был прозрачен для интерфейсов. Таким образом, не было необходимости устанавливать соотношение между внутренней тактовой частотой одной системы и внутренней тактовой частотой другой системы.[2]

Даже когда высокоуровневые мультиплексирующие системы получили развитие, не было необходимых средств для соотнесения тактовых частот высокоскоростных сигналов мультиплексирования с таковыми же низкоскоростными сигналами. На самом деле, оборудование передачи, которое основывается на технологии плезиохронной цифровой иерархии PDH не нуждается в синхронизации, позже метод согласования битовой скорости передачи (вставка импульсов согласования скорости передачи) позволил мультиплексировать асинхронные сигналы со значительным частотным сдвигом.

Проблемы начали возникать с такой асинхронной архитектурой, когда цифровая технология была перенята для коммутаторов. Цифровое коммутационное оборудование нуждается в синхронизации для того, чтобы избежать проскальзываний во входном буфере. В то время, как проскальзывания не оказывают значительного воздействия на телефонный разговор, они могут вызывать проблемы на некоторых сервисах передачи данных. Введение сетей передачи данных с коммутацией каналов и цифровых сетей с интегрированным обслуживанием (ISDN) впервые потребовало более строгих условий синхронизации.

Фактически, однако, продолжающееся распространение технологии синхронной цифровой иерархии (SDH) и синхронных оптических сетей (SONET) в сетях передачи сделало синхронизацию горячей темой в комитете стандартов в последние несколько лет, по мере необходимости соответствующие требования к аппаратуре сетевой синхронизации становились все более и более строгими для того, чтобы полностью использовать возможности SDH/SONET.

Более того, кроме нужд SDH/SONET в наши дни оборудование сетевой синхронизации является обоснованно прибыльным сетевым ресурсом, обеспечивающим цифровую коммутацию без проскальзываний; увеличивающим производительность транспортных сервисов, которые основаны на асинхронном режиме передачи данных ATM) и пригодным для улучшения качества других многочисленных служб – ISDN, глобальной системы мобильной связи (GSM) и так далее.

По этой причине большинство сетевых провайдеров создало или сейчас планирует национальные сети синхронизации для того, чтобы распространять общие марки времени для каждого узла их телекоммуникационных сетей.

Начало

Основные виды синхронизации

В цифровых сетях связи применяются различные виды синхронизации. В системах передачи применяется синхронизация по символам, тактам и циклам, а в системах коммутации — по битам и циклам.

Посимвольная синхронизация необходима при когерентном приеме каждого символа цифровой информации, т.е. для определения, является ли символом 1 или 0, обеспечивая при этом высокую достоверность приема каждого символа.

Цикловая синхронизация необходима при передаче нескольких сообщений в одном цифровом потоке для выделения и приема кодовых слов сообщений (КСС), которые содержат заданное число битов. С помощью цикловой синхронизации определяются порядковые номера тактовых импульсов в цифровом потоке путем распознавания местоположения заданной кодовой комбинации (циклового кодового слова, ЦКС).

Тактовая синхронизация — это процесс установления точного временного соответствия между принимаемым сигналом и последовательностью тактовых импульсов. Здесь под тактовыми импульсами понимают периодически повторяющиеся импульсы, с частотой, равной частоте повторения символов (битов) в информационном сигнале.[1]

В системах связи, использующих цифровые методы передачи и коммутации, появляется потребность в тактовой сетевой синхронизации, обеспечивающей эффективную синхронизацию р азличных систем передачи и коммутации.

Тактовая сетевая синхронизация необходима не только при обмене информации между коммутационными станциями для установки равенства частот их местных генераторов, но и при формировании выходных сигналов имеющих вид синхронного транспортного модуля N порядка и STM-N в системах передачи SDH. Благодаря ТСС обеспечивается возможность уменьшения фазовых шумов в цифровых сигналах STM-N, возникновение которых особенно опасно для линий передачи большой протяженности.

ТСС, кроме того, играет важную роль при передаче информации из систем PDH в системы SDH и обратно. Именно на этих стыках в отсутствии ТСС возникают наиболее сильные фазовые помехи, значительно снижающие достоверность передаваемых сообщений.

Так как в настоящее время большинство систем связи использую цифровые методы передачи и коммутации, то далее, как наиболее актуальный вид синхронизации, будет подробно рассмотрена тактовая сетевая синхронизация.

Начало

Методы синхронизации ТКС сетей

Сеть ТСС строится на базе цифровых сетей связи как наложенная сеть. В ней определяются направления, по которым передаются или могут передаваться сигналы синхронизации. Так как сигнал тактовой синхронизации содержится в структуре информационного сигнала, он передается в том же направлении, что и любые информационные сообщения. Однако для передачи синхросигнала не все эти направления разрешается использовать в сети ТСС. Задача сети синхронизации состоит в определении порядка передачи синхросигнала и условий, при которой запрещается ее прием. Построенная таким образом сеть синхронизации имеет свою особую структуру.

Структура сети ТСС в значительной мере зависит от выбранного способа синхронизации. Существуют два основных способа синхронизации: принудительный и взаимный. Возможны также некоторые их сочетания.

В случае принудительной синхронизации, часто в литературе называемой «ведущий - ведомый», на сети имеется главный задающий генератор (ГЗГ), обеспечивающий сигналами синхронизации все другие задающие генераторы (ВГ) непосредственно или с помощью промежуточных задающих генераторов (ВГ). Так, ГЗГ называется ведущим, а остальные - ведомыми генераторами (ВГ) (рис.1).

Рисунок 1 – Схема сети с принудительной синхронизацией

Взаимной синхронизацией называется способ, при котором все задающие генераторы (ЗГ) управляют друг другом (рис.2).

Рисунок 2 – Схема сети с взаимной синхронизацией

Возможен также смешанный способ синхронизации, при котором ГЗГ передает сигналы синхронизации ведомым генераторам как при принудительной синхронизации, и в то же время ведущие задающие генераторы обмениваются синхросигналами как при взаимной синхронизации (рис.3).

Рисунок 3 – Схема сети со смешанным способом синхронизации

Каждая из рассмотренных систем синхронизации имеет свои преимущества и недостатки. Так система «ведущий-ведомый» требует специальных мер для повышения ее помехозащищенности и живучести; взаимная синхронизация чувствительна ко всем изменениям структуры сети, поэтому применяется в случае стационарных структур, однако допускается сравнительно низкая стабильность частот всех задающих генераторов, так как за счет взаимного уравновешивания частот используемых задающих генераторов обеспечивается некоторое повышение стабильности частоты на сети. Смешанный способ синхронизации не обеспечивает равенства фаз генераторов и довольно сложен в эксплуатации.

Среди них следует отдать предпочтение способу «ведущий-ведомый», так как данный способ построения сети синхронизации обеспечивает высокую стабильность частоты и в настоящее время является наиболее распространенным.

Начало

Общие положения системы ФАПЧ

Система ФАПЧ (система фазовой автоподстройки частоты), как следует из её названия, является системой автоматического регулирования (следящей системой), частота настройки которой определяется частотой управляющего сигнала, а сигналом рассогласования является разность фаз управляющего сигнала и сигнала обратной связи.

На рис.4 представлена структурная схема простейшей ФАПЧ или «классическая» схема ФАПЧ.

Рисунок 4 – Структурная “классическая ” схема ФАПЧ

На схеме приняты следующие сокращения: ФД- фазовый детектор, ФНЧ- фильтр низких частот, ГУН- генератор, управляемый напряжением

Фазовый детектор (ФД) сравнивает частоты двух входных сигналов (fвх и fгун) и генерирует выходной сигнал, который является мерой их фазового рассогласования (если, например, они различаются по частоте, то будет формироваться периодический выходной сигнал разностной частоты). Если частоты fвх и fгун не равны друг другу, то сигнал фазового рассогласования после фильтрации и усиления будет воздействовать на ГУН, приближая частоту fгун к fвх. В нормальном режиме ГУН быстро производит "захват" частоты fвх, поддерживая постоянный фазовый сдвиг по отношению к входному сигналу.

Выход ГУН формирует сигнал с частотой fвх; при этом он представляет собой "очищенную" копию сигнала fвх, который сам по себе может быть подвержен воздействию помех.

Фильтр низких частот предназначен для подавления шумовых компонент входного сигнала.

Часто в схемах ФАПЧ используют делитель, включенный между выходом ГУН и фазовым детектором . При помощи этого делителя получают частоту, кратную входной опорной частоте fвx

Начало

Решение задач и результаты исследований

В качестве примера поставленная ранее задача решается для сети со скоростью передачи 2 Мбит/с. В соответствии с рекомендациями ITU_T G.703/13 синхронным частотным сигналом для такой сети является сигнал частотой 2,048 МГц [3].

В качестве примера реализации ведомого генератора выбрана система ФАПЧ на основе ИМС 4046 (рис.6).

Рисунок 5 – Принципиальная схема ФАПЧ

К данной системе в соответствии с рекомендациями ITU_T G812 и стандартов ETS предъявляются следующие требования:высокая точность поддержания номинального значения тактовой частоты на всех участках цифровой сети; дрожание фазы (джиттер) не должен превышать 5% от длительности единичного интервала во входном сигнале.

Для построения аналитической и цифровой модели системы рассчитываем значение элементов, входящих в состав ФАПЧ, в соответствии с методикой, приведенной в [4]. В качестве фильтра низких частот выбираем пассивный RC фильтр.

Примем средние значение частоты синхронизации в соответствии с[3] f0=2,048 МГц, нестабильность по частоте в пределах 1%. Тогда fmax=2,068 МГц, fmin=2,028 МГЦ, ширина полосы захвата 2fc=20КГц, частота среза фильтра fp=10КГц. Напряжение питания микросхемы Uпит=6В в соответствии с рекомендациями [5].

Рассчитываем параметры фильтра по формуле (1) [4]:

Отсюда

Пусть Сф=0,1мкФ (т.к. такой конденсатор является удобным для применения, имеет небольшие габариты и емкость, способствуя меньшей нагрузки ИМС), тогда

Определим коэффициент усиления ГУН из формулы (11) [4]:

Отсюда:

Определяем значения R1, R2, C2 воспользовавшись ограничениями [6]: 3кОм < R1 < 300кОм; 3кОм < R2< 300кОм; R1||R2>2,7кОм; C1>40пФ.

Выбираем по рис. 29 [6] R1=10 кОм, тогда С1=2 нФ, выбираем R2=4,7 кОм (чтобы R1||R2 > 2,7 кОм).

Параметры элементов схемы:R1=10 кОм; R2=4,7 кОм; Rф=160 Ом; Сф=0,1мкФ; С1=2 нФ.

В качестве фазового детектора (ФД) системы ФАПЧ используем фазовый детектор “исключающее или”. Аналитическую модель системы представим в виде передаточных функций. Для этого воспользуемся методикой, приведенной в [5].

а) передаточная функция разомкнутой системы

б) передаточная функция замкнутой системы

Где КФНЧ(р) – передаточная функция фильтра, КФд(р) –передаточная функция ФД, КГУН(р) – передаточная функция генератора, управляемого напряжением.

КГУН(р) приведен в формуле (2)

При замене р на jw, переходим к комплексным коэффициентам передачи:

а) комплексный коэффициент передачи разомкнутой системы

б) комплексный коэффициент передачи замкнутой системы

График амплитудно-частотной характеристики разомкнутой системы, который построен в виде

представлен на рис.6[6]

Рисунок 6 – Модуль коэффициента передачи разомкнутой системы

Цифровую модель системы построим в моделирующем пакете System View (рис.7)

Рисунок 7 – Структурная схема цифровой модели ФАПЧ

Блок 0 реализует источник входного сигнала, представленного последовательностью прямоугольных импульсов с частотой 2,048 МГц.Блок 4 реализует цифровой фазовый детектор типа «исключающее или».Блок 5 реализует пассивный RС фильтр с заданными параметрами.Блок 6 реализует генератор, управляемый напряжением, с центральной частотой 2,048 МГц. Блоки 6 и 7 являются инверторами и служат для преобразования синусоидального сигнала с выхода ГУН в последовательность прямоугольных импульсов. Блоки 1, 2, 3 являются анализаторами.

Далее было проведено моделирование системы при наличии шумов(была исследована зависимость поведения системы от значения СКО шума, воздействующего на нее) и было обнаружено возникновение такого явления как перескок фаз, которое также было исследовано. Данное явление представлено на рисунке 8.

Рисунок 8 – Явление перескока фаз при наличии шумовой компоненты

Также было проведено цифровое моделирование работы ведомого генератора на основе ФАПЧ в составе сети синхронизации и исследование его работоспособности.

Данная модель строится для примера сети, представленной на рисунке 10.

Рисунок 10 - Схема моделируемой сети

Рисунок 11 – Цифровая модель сети синхронизации

Далее было проведено моделирование системы при наличии шумов (была исследована зависимость поведения системы от значения СКО шума, воздействующего на нее).

Начало

Выводы

Тема исследований, затронутая в данной магистерской работе является актуальной. На сегодняшний день существует множество решений по реализации ведомого генератора сети ТСС, но все они являются довольно дорогостоящим, поэтому разрабатываемая структура ведомого генератора на основе ФАПЧ является целесообразной.

Полученная аналитическая модель не противоречит зависимостям для ФАПЧ ранее изложенным в [5]. Это является предпосылкой для дальнейшего исследования и разработки систем тактовой синхронизации, построенных на основе ФАПЧ.

Средствами цифрового моделирования показана работоспособность выбранного варианта построения ведомого генератора сети синхронизации на основе ФАПЧ.

Уровень собственного джиттера модели достаточно мал, что бы исследовать это явление, возникающее из-за внешних причин. Данная особенность функционирования модели объясняется заложенной в неё идеализацией условий работы системы.

При моделировании системы в условиях наличия шумовой компоненты было исследовано такое явление как перескок фаз, возникающее из-за случайного шумового сдвига системы в неправильную рабочую точку.

При построении сети синхронизации с использованием ведомого генератора на основе ФАПЧ надо учитывать , что у ведомых генераторов, которые получают опорный сигнал не от ГТГ непосредственно, а от другого ведомого генератора, время переходного процесса в системе увеличивается.

Оптимальным значением СКО шума, при котором ведомый генератор работает в нормальном режиме есть СКО шума в пределах 0,121В, дальше же генератор переходит в аварийный режим, поэтому при проектировании сети надо учитывать это, стараться, чтобы уровень шумов не превышал указанной границы. Этого можно достичь за счет разработки дополнительных средств для угнетения шумовых компонентов.

На момент написания реферата магистерская работа находится в стадии разработки. Дальнейшие исследования будут направлены на создание экспериментального макета и получения реальных характеристик функционирования сети синхронизации. По завершению магистерской работы, её результаты могут быть присланы всем желающим.

Начало

Литература

1. Давыдкин П.Н., Колтунов М.Н., Рыжков А.П. Тактовая сетевая синхронизация. – М.: Эко-Трендз, 2004. – 205с.

2. http://home.dei.polimi.it/bregni/papers/histsync.pdf A Historical Perspective on Telecommunications Network Synchronization.

3. Рекомендации ITU_T G.703/13.

4. Методические указания к выполнению лабораторных работ по системам ФАПЧ. Массачусетский технический университет.2002.

5. Уильрих Л. Роде. Синтезаторы для микроволновых средств и беспроводной связи

6.http://www.nxp.com/acrobat_download/datasheets/74HC_HCT4046A_CNV_2.pdf Datesheet for 4046.

7. Аллилуйкина А.Д.Построение модели ФАПЧ для систем тактовой сетевой синхронизации

Начало

ДонНТУ>Портал магистров ДонНТУ

© ДонНТУ 2008, Александра Аллилуйкина