Стремительное развитие цифровых систем коммутации и средств передачи информации привело к значительному возрастанию роли систем синхронизации в сетях телекоммуникации. В цифровых иерархических сетях передачи данных, как синхронных, так и асинхронных, в соответствии с рекомендациями ITU-T, а также ETSI (Европейский институт телекоммуникационных стандартов) используется принудительный метод синхронизации узлов связи. Потому, что синхронный режим позволяет более эффективно использовать цепи передачи данных. При передаче данных в асинхронном режиме фактическая скорость передачи данных составляет 0,8 от объявленной. В синхронном режиме эти скорости одинаковы, так как передаются только полезные биты.
Основной задачей сетевой синхронизации является ограничение возникновения проскальзываний и срывов. Сигнал синхронизации, достигая узла, претерпевает изменения, которые могут отрицательно сказаться на процессе синхронизации.
В большинстве случаев для выделения синхросигнала, передаваемого по каналу связи, используют схемы, выполненные на основе генераторов с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), поэтому именно эта схема рассматривается в данной работе.
Целью данной работы является повышение помехоустойчивости системы ФАПЧ как ведомого синхрогенератора системы синхронизации, за счет усовершенствования алгоритма управления ГУН.
Задачи работы:
1. Рассмотреть назначение систем синхронизации и определить, как её качество влияет на предоставляемые услуги;
2. Выяснить причины потери синхронизации;
3. Выполнить анализ функционирования ФАПЧ как ведомого синхрогенератора в составе цифрового канала связи;
4. Произвести анализ существующих систем ФАПЧ с повышенной помехоустойчивостью;
5. Разработать схему и провести моделирование синхрогенераторов на основе ФАПЧ, в соответствии с предложенной структурой.
1 НАЗНАЧЕНИЕ СИНХРОНИЗАЦИИ И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО ПРЕДОСТАВЛЯЕМЫХ УСЛУГ
Синхронизация – это средство поддержания работы всего цифрового оборудования в сети связи на одной средней скорости. Для цифровой передачи сигнал необходимо преобразовать в цифровую форму, т.е. представить в виде дискретных импульсов. При передаче этих импульсов через линии и узлы связи цифровой сети все ее компоненты должны синхронизироваться.
Битовая синхронизация заключается в том, что передающий и принимающий концы линии передачи работают на одной тактовой частоте, поэтому биты считываются правильно. Для достижения битовой синхронизации приемник может получать свои тактовые импульсы с входящей линии. Целью тактовой сетевой синхронизации является согласованная работа первичного генератора и приемника с тем, чтобы принимающий узел мог правильно интерпретировать цифровой сигнал. Различие в синхронизации узлов, находящихся в одной сети, может привести к пропуску или к повторному считыванию принимающим узлом посланной на него информации (это явление называется проскальзыванием), или к потере синхронизации (в этом случае системе понадобится определенное время для восстановления синхронизма).
Существуют две основных причины их возникновения. Первая причина - отсутствие частоты синхронизации из-за потери связи между генераторами. Вторая причина - разовые сдвиги либо в линиях связи (такие, как джиттер и вандер), либо между первичным и ведомым генераторами.
Влияние срывов синхронизации на качество предоставляемых услуг в цифровых сетях связи зависит от типа этих услуг. При предоставлении услуг телефонной (голосовой) связи срывы могут вызвать щелчки или пропадание речи на некоторое время.
Влияние потери синхронизма на передачу факсимильных сообщений выражается в искажении или пропадании строк в принятом факсимильном сообщении. Может возникать пропадание до 8 сканированных линий. На стандартной отпечатанной странице это выглядит как отсутствие верхней или нижней половины отпечатанной строки.
Влияние срыва на передачу данных при помощи модемов проявляется в виде длинных пакетов ошибок. Продолжительность такого пакета ошибок зависит от скорости передачи данных и типа модема и находится в диапазоне от 10 миллисекунд до 1,5 секунд. В результате пользователь должен осуществить повторную передачу данных. Поэтому потеря синхронизации будет влиять на пропускную способность.
При цифровой передаче изображений (например, видеоконференция), как показывают тесты, обычно вызывает искажение части изображения или его "замораживание" на время до 6 секунд. Серьезность и длительность искажений зависит от применяемого оборудования, кодирования и компрессии. Наиболее значительные искажения возникают при использовании низкоскоростного декодирующего оборудования.
Особое место стоит уделить банковским системам, использующим шифрование, которые при каждом сбое в передаче пакета вынуждены инициировать повторное длительное установление нового шифрованного сеанса. Критичны к подобного рода проблемам медленные каналы передачи, например, каналы передачи сигнализации (ОКС7 и т.п.). При лавинообразном увеличении трафика сигнализации из-за повторных перезапросов передачи пакетов может быть превышена их пропускная способность. При этом возможно наблюдение «срывов» или, наоборот, не разъединения разговоров. А также не возможность установления части новых соединений [1].
Приведенный список далеко не полон, приведены наиболее простые и понятные проблемы. Также существуют менее очевидные проблемы более «тонкого» свойства, описание которых опускается. Главное необходимо отметить, что для операторов связи, обозначенные выше проблемы, могут привести к снижению качества обслуживания абонентов и значительным материальным потерям.
2 ПРИЧИНЫ ПОТЕРИ СИНХРОНИЗАЦИИ
Из-за несовершенства применяемого аппаратного и программного обеспечения, качество синхронизации снижается по мере удаления от источника синхронизации. Начиная с некоторого уровня качества синхросигнала, наблюдается появление ошибок передачи данных.
Качество сигналов синхронизации измеряется различными критериями, однако суть всех критериев состоит в отклонении фазы синхросигнала от своего идеального положения во времени.
Наиболее наглядным при рассмотрении искажений синхросигналов является фазовое дрожание (англ. jitter). Заранее оговоримся, что джиттер сигналов синхронизации не является основной проблемой сетей синхронизации, однако его предварительное рассмотрение позволяет лучше понять суть других искажений. Фазовым дрожанием сигнала, называют отклонение показательных участков сигнала от их требуемого положения во времени или, иначе говоря, насколько раньше или позже сигнал меняет состояние относительно идеального момента своего перехода. Фазовое дрожание сигнала измеряется в Единичных Интервалах (ЕИ). Джиттер сигнала, показанного на рис. 2.1, равен (сделано допущение, что частота дрожания сигнала менее 100кГц).
Рис. 2.1 Осциллограмма сигнала с джиттером
При большом уровне фазового дрожания некоторые системы могут выйти из режима захвата частоты, а в наиболее тяжелых случаях – к потере битовой или цикловой синхронизации. Как правило, наличие повышенного джиттера свидетельствует о неудовлетворительном качестве оборудования, сильных радиопомехах, а также неисправности компонентов [2].
Для синхронизации сетей большинство администраторов телекоммуникационных сетей использует метод иерархического источника - приемника (ведущий - ведомый). Источником основного эталонного сигнала синхронизация сети является один или более первичных эталонных генераторов (ПЭГ). Эталонный сигнал этого генератора распределяется по сети, состоящей из генераторов - приемников или ведомых задающих генераторов (ВЗГ).
Устройство, используемое для распределения эталонного сигнала синхронизации, может иметь значительное число событий прерывания. Число появлений пучков ошибок может колебаться в среднем от 1 до 100 событий в день, в зависимости от типа устройства, расстояния и других факторов. Например, требованием для сквозного соединения характеристика значительно поврежденных секунд, (SES) равна 175 событий в день. SES - это секунда передачи, когда происходит приблизительно 320 ошибочных событий CRS-6. Это эквивалентно частоте битовых ошибок 1х10-3 на протяжении секунды. Требования к характеристикам в ANSI равны 40-50 SES в день, в зависимости от расстояния [1].
Следует сказать, что факторы, которые приводят к срывам синхронизации, можно долго перечислять, а если передача синхросигнала осуществляется при помощи радиосвязи, то данный список может быть достаточно внушительных размеров потому, что добавляется еще ряд проблем, которые возникают при передаче сигнала через эфир.
Резюмируя, можно подчеркнуть, что нас не интересует природа возникновения той или иной помехи или фазовой нестабильности, нас интересует, чтобы система выделения синхросигнала была как можно меньше чувствительна к ним, и не реагировала на каждое возмущение.
3 АНАЛИЗ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ФАПЧ КАК ВЕДОМОГО СИНХРОГЕНЕРАТОРА В СОСТАВЕ ЦИФРОВОГО КАНАЛА СВЯЗИ
Генератор с фазовой автоподстройкой частоты (рис. 3.1) содержит фазовый компаратор PD, инвертор, генераторы одинаковых по величине токов I1, I2, ключи на транзисторах VT1 и VT2, фильтр низких частот и синхрогенератор VCO, управляемый напряжением. Сигнал DIN поступает из линии на вход фазового компаратора.
Рис. 3.1. Схема генератора с фазовой автоподстройкой частоты
Фазовый компаратор сопоставляет сигнал DIN с синхросигналом CLK от генератора VCO. Чтобы достичь, а затем и поддерживать правильное фазовое соотношение между сигналами DIN и CLK, фазовый компаратор непрерывно отслеживает ошибку взаимного расположения фронтов этих сигналов и формирует управляющие сигналы ускорения UP и замедления DOWN темпа работы генератора VCO.
Генератор VCO при номинальном управляющем напряжении, примерно равном U/2, формирует синхросигнал номинальной (ожидаемой) частоты. Повышение и понижение напряжения на управляющем входе генератора приводит к незначительному повышению и снижению частоты. Это позволяет подстраивать фазу синхросигнала в нужном направлении.
Сигналы UP и DOWN (рис. 3.1) управляют транзисторными ключами, регулирующими поступление токов I1 и I2 на вход фильтра низких частот. При UP = 0, DOWN = 0 транзисторы VT1 и VT2 выключены, источники тока изолированы от фильтра и генератора VCO, напряжение на входе этого генератора остается постоянным либо незначительно изменяется из-за выравнивания напряжений на конденсаторах фильтра, если исходно эти напряжения не совпадали. При DOWN = 0 и поступлении серии импульсов UP = 1, транзистор VT1 включается по каждому импульсу, транзистор VT2 постоянно выключен, импульсы тока I1 заряжают конденсаторы фильтра, напряжение на входе генератора VCO повышается, частота сигнала CLK незначительно возрастает. При UP = 0 и поступлении серии импульсов DOWN = 1 ситуация противоположная - транзистор VT2 открывается по каждому импульсу, транзистор VT1 постоянно закрыт, импульсы тока I2 разряжают конденсаторы, частота сигнала CLK незначительно снижается. При UP = 1, DOWN = 1 оба транзистора включены и, поскольку I1≈I2, токи практически компенсируются и напряжение на входе генератора VCO почти не изменяется. В реальных условиях работы генератора (рис. 3.1) импульсы UP и DOWN, в основном, чередуются во времени и чаще всего не перекрываются. Благодаря фильтру низких частот, импульсные воздействия на частоту генератора VCO со стороны фазового компаратора усредняются [3].
Как было сказано, разновидностей причин потери синхронизации довольно много. Довольно часто срывы синхронизации в телекоммуникационных системах вызваны джиттером. Он представляет собой дрожание фронта, т.е. фронт импульса воспринимается фазовым компаратором (PD) либо раньше, либо позже необходимого времени. Вследствие этого фаза сигнала в цепи обратной связи становится отличной от фазы сигнала приходящего с линии связи и система ФАПЧ начинает процесс подстройки фазы. Естественно на восстановление синхронизма требуется время. Мало или много это зависит от многих факторов, но в течение всего этого времени система связи будет простаивать, т.е. не сможет выполнять свои функции. Поэтому, если повысить помехоустойчивость и тем самым сделать систему менее чувствительной к помехам и джиттеру, то срывы и дальнейшее восстановление будут происходить значительно реже.
4 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ФАПЧ С ПОВЫШЕНОЙ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬЮ
Существуют различные способы уменьшения фазовой нестабильности. Одним из таких способов является использования адаптивного фильтра для подавления фазовых помех. Схема такого фильтра показана на рис. 4.1. Она позволяет уменьшить уровень искажений входного сигнала, вносимых джиттером и вандером.
Рис. 4.1. Схема фильтра для подавления фазовых помех
В схеме используется буферная память типа FIFO с индикатором уровня ее заполнения. Этот индикатор формирует постоянное напряжение DELTA, которое по знаку и величине пропорционально отклонению уровня заполнения памяти от отметки "50%".
Генератор VCO, управляемый напряжением, способен под действием сигнала DELTA изменять частоту в небольших пределах. При DELTA = 0 частота выходного сигнала Fc близка к номинальной. При DELTA > 0 частота повышается, при DELTA < 0 - снижается.
Предположим, что в исходном состоянии буферная память заполнена на 50%, генератор G с автоподстройкой частоты выделяет из входного сигнала синхросигнал Ес, сепаратор данных (на рисунке не показан) восстанавливает данные DIN и передает их на вход памяти. Считывание данных из памяти происходит под управлением сигнала Fc.
При наличии джиттера в сигнале Ес уровень заполнения памяти совершает относительно быстрые колебания, что отражается в виде соответствующих колебаний напряжения на управляющем входе генератора VCO. Благодаря достаточной инерционности генератора и слабой крутизне его характеристики напряжение, сигнал Fc на его выходе "дрожит" в меньшей степени, чем сигнал Ес, причем высокочастотные компоненты джиттера подавляются лучше, чем низкочастотные.
Так же уменьшить дрожание фронта можно при помощи аттенюатора джиттера, структура которого приведена на рис. 4.2. В стандартах на телекоммуникационную аппаратуру введены жесткие ограничения на допустимый джиттер. Так, согласно стандарту 62411 фирмы AT&T, джиттер синхросигнала не должен превышать 2% длительности периода. Для определенности возьмем стандарт Т1 и, на его примере, будем рассматривать работу аттенюатора. Скорость передачи 1,544 Мбит/с, поэтому синхросигнал имеет частоту 1,544 МГц. При этом длительность периода синхросигнала составляет примерно 648 нс, следовательно, допустимый джиттер не должен превышать 12,96 нс.
Рис. 4.2. Структура аттенюатора джиттера и последовательность состояний пятиразрядных двоичных счетчиков СТ2. Цифрами на схеме обозначено число проводов в соответствующих соединительных линиях
Аттенюатор содержит буферную память типа FIFO, два пятиразрядных двоичных счетчика СТ2, пятивходовый логический элемент И, пятиразрядный регистр-защелку RG, ПЗУ (ROM), кварцевый генератор G и генератор, управляемый кодом (NCO). На входы аттенюатора поступают сигналы данных DIN и синхронизации CIN с недопустимо высоким уровнем джиттера. На выходах аттенюатора формируются соответствующие сигналы DOUT и COUT с приемлемым уровнем джиттера.
Аттенюатор функционирует следующим образом. Входные данные DIN записываются в буферную память со средней скоростью 1,544 Мбит/с. Мгновенная скорость может отличаться от средней из-за влияния джиттера, поэтому уровень заполнения (разность L - М) буферной памяти колеблется в такт с колебаниями скорости входных сигналов.
Периодически, через каждые 32 такта входного сигнала CIN, срабатывает логический элемент И, разность хода счетчиков запоминается в регистре RG. Если эта разность отклоняется от номинальной (равной 14 или 15), то константа, считываемая из ПЗУ, воздействует на генератор NCO так, чтобы, чуть увеличив или уменьшив частоту, скомпенсировать имеющееся отклонение.
Благодаря инерционности предлагаемой системы автоматического регулирования, выходной синхросигнал COUT отражает усредненную частоту входного сигнала CIN и подвержен джиттеру лишь в той степени, которая связана с необходимостью "тонкой" автоподстройки генератора NCO. Подразумевается, что в генераторе NCO будет меняться коэффициент деления. Например, для частоты генератора 100 МГц, коэффициент будет меняется с 64 на 65 и обратно. При "перескоке" с одного коэффициента деления частоты на другой и обратно фронты выходного сигнала будут "дрожать" с амплитудой 10 нс, но это уже допустимый джиттер [3].
Рассмотренные решения позволяют ослабить фазовые помехи, причем со снижением их частоты степень ослабления уменьшается. Также недостатком является необходимость значительного усложнения системы. Использование большого числа разнообразных элементов, при чем как аналоговых, так и цифровых, затрудняет процесс согласования отдельных частей оборудования и его настройки. Это приводит к появлению большего числа брака и усложняет процесс производства аппаратуры. Поэтому создание более простого способа борьбы с помехами, с использованием небольшого числа простых компонентов, было бы вполне оправданно. При этом данные схемы не позволяют бороться с появлением лишних импульсов или наоборот их пропаданием, в связи с появлением каких либо помех при передаче синхросигнала, а кратковременное пропадание эталонного сигнала приведет к потере синхронизации.
5 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ СИНХРОГЕНЕРАТОРОВ НА ОСНОВЕ ФАПЧ
Как уже было сказано, на систему синхронизации могут воздействовать различные помехи и поэтому их проявление различно. В одних случаях наблюдается уширение или сужение импульса, а в других могут просто не поступить синхроимпульсы или прийти лишние. Но, так как помехи носят случайный характер, за исключением специально организованных, то чаще всего они проявляется в одном - двух “выбросах”, а не в их продолжительной последовательности. Имеется в виду, что не пришло несколько импульсов синхронизации, но потом все равно остальные продолжают поступать. Или в синхропоследовательность попало несколько возмущений, которые система может принять за импульсы синхронизации, но дальше эта последовательность будет правильной. Также и с нестабильностью фазы, которая проявила себя в одном - двух импульсах, а дальше вернулась в допустимые рамки. Данное условие можно использовать при разработке цифровых систем ФАПЧ для их усовершенствования.
Представленная ниже схема делает систему ФАПЧ нечувствительной к помехам, которые проявляются в виде нескольких импульсов, либо в небольшом количестве подряд идущих скачках фазы (Рис.5.1).
Рис. 5.1. Блок анализа срыва
Данная схема подсчитывает количество пришедших подряд корректирующих импульсов UP или DOWN. Если их количество меньше чем установленное число, то система считает их результатом воздействия помехи и «не обращает на них внимание». Если же наблюдается большое количество подряд идущих импульсов, то схема отключается и позволяет воздействовать на ГУН и перестроить частоту либо подстроить фазу.
Данная схема была промоделирована в пакете SystemView. На рис. 5.2 – 5.4 представлены графики, отражающие логику работы схемы при воздействии на неё шумов.
Рис. 5.2. Корректирующие импульсы, поступающие с фазового детектора
Рис. 5.3. Сигнал на выходе счетчика
Рис. 5.4. Формируемые импульсы сброса
Рис. 5.5. График переходного процесса в системе ФАПЧ при воздействии помех
Когда происходит смещение фазы или необходимо перестроить частоту, происходит блокировка всего блока анализа срыва и вся система начинает работать как обычная ФАПЧ (рис. 5.6 - 5.8). При этом подстройка частоты или фазы заканчивается всего лишь на пять импульсов позже. Работа счетчиков восстанавливается, после того как перестают поступать сигналы рассогласования с детектора и вследствие чего формируется сигнал сброса.
Рис. 5.6. Сигнал на выходе счетчика
Рис. 5.7. Формируемые импульсы сброса
Рис. 5.8. График переходного процесса в системе ФАПЧ при смещении фазы сигнала
Моделирование также было проведено для обычной системы ФАПЧ. Результаты показали, что при таком же уровне шума обычная система ФАПЧ теряет режим захвата и не может восстановить синхронизм (рис. 5.9).
Рис. 5.9. График переходного процесса в обычной системе ФАПЧ при воздействии шума
Из графика видно, что с приходом первой помехи, в системе начинается переходный процесс, и система пытается восстановить режим синхронизма, но каждая следующая помеха вновь сбивает систему, и она не может выполнять свои функции. При таком же уровне помех система с блоком анализа срыва не реагирует на ошибочные возмущения и продолжает работать в установившемся режиме. Это можно четко увидеть на рис. 5.5, на котором видно, что при установленном уровне шума, ни какой перестройки не наблюдается и режим слежения сохраняется, а помехи не воздействуют на систему.
Таким образом, мы теряем совсем немного времени при подстройке частоты или фазы, но получаем хороший выигрыш в помехоустойчивости. Моделирование показало, что схема позволяет работать корректно при уровне шума выше на 20% - 30%, чем для обычной цифровой системы ФАПЧ.
ВЫВОДЫ
В данной работе рассмотрена система синхронизации. Показано, что ее качество напрямую связано с качеством предоставляемых услуг. Причин снижения качества синхронизации довольно много и у каждого конкретного исполнения сети синхронизации имеется свой набор. В большинстве случаев для выделения синхросигнала, передаваемого по каналу связи, используют схемы, выполненные на основе генераторов с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ). И если в системе произошел срыв синхронизации, то функции восстановления возлагаются на систему ФАПЧ, которая подстраивает частоту или корректирует фазу. Цифровая система ФАПЧ обладает довольно слабой помехоустойчивостью и поэтому любые воздействия помех или сильная нестабильность фаз приводят к потере синхронизма.
В работе рассмотрены некоторые варианты уменьшения фазовых помех, но они требуют значительного усложнения устройства и не позволяют бороться с проскальзываниями. Поэтому предложена более простая схема по борьбе с проскальзываниями и фазовой нестабильностью. Данная схема была промоделирована в SystemView. Моделирование показало, что помехоустойчивость системы повышается на 20% - 30%. Система не реагирует на приходящие непродолжительные возмущения и проскальзывания. Схема также позволяет поддерживать режим синхронизма при пропадании эталонного сигнала, приходящего из канала связи. И если синхросигнал будет отсутствовать не продолжительное время, то этот сбой вообще не повлияет на работу системы.
ЛИТЕРАТУРА
- Ковязин Д.А. Отчет по производственной практике на ОАО «ЕГУЭС Уралтелеком» [электронный ресурс] / Д.А. Ковязин / - Режим доступа к статье:
http://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=105073
- Карпенко Л.В. Передача сигналов синхронизации аппаратурой PDH [электронный ресурс] / Л.В. Карпенко / - Режим доступа к статье:
http://www.nateks-dv.ru/Publications.aspx?publicationID=63
- Сухман С.М. Синхронизация в телекоммуникационных сетях. Анализ инженерных решений / С.М. Сухман, А.В. Бернов, Б.В. Шевкопляс – М.: Эко-Трендз, 2005 – 260 с.
- Слепов Н.Н. Синхронные цифровые сети SDH. – 4-е исправ. изд. / Н.Н. Слепов – М.: Эко-Трендз, 1999. – 150 с.
- Слепов Н.Н. Синхронизация цифровых сетей. Методы, терминология, аппаратура [электронный ресурс] / Н.Н. Слепов / - Режим доступа к статье:
http://www.electronics.ru/issue/2002/2/4
- Щеланов Л.Н. Основы теории тактовой сетевой синхронизации [электронный ресурс] / Л.Н. Щелованов, Г.С. Антонова, Е.М. Доронин, С.В. Рыжкова / Режим доступа к ресурсу:
http://www.dvo.sut.ru/libr/opds/i052shel/index.htm
- Давыдкин П.Н. Тактовая сетевая синхронизация / П.Н. Давыдкин, М.Н. Колтунов, А.В. Рыжков. – М.: Эко-Трендз, 2004 – 205 с.
- Стариков О. Метод ФАПЧ и принципы синтезирования высокочастотных сигналов [электронный ресурс] / О. Стариков / Режим доступа к статье:
http://chipnews.gaw.ru/html.cgi/arhiv/01_06/stat-6.htm
- Клэппер Д. Системы фазовой и частотной автоподстройки частоты / Д. Клэппер, Д. Фрэнкл / пер. с англ. под ред. А.Ф. Фомина – М.: Энергия, 1977 – 440 с.
- Максимов М. В. Защита от радиопомех / М. В. Максимов, М. П. Бобнев, Б. X. Кривицкий, Г. И. Горгонов, Б. М. Степанов, Л. Н. Шустов, В. А. Ильин. – М.: Советское радио, 1976 – 485 с.
автобиография | библиотека | ссылки | отчет о поиске | инд.задание | ДонНТУ
портал магистров | UKR | ENG
|