В загальному випадку, можливі три режими примусової синхронізації вторинних ведених пристроїв синхронізації (ВдПС) з системою ФАПЧ: безпосередня, послідовна ланцюжкова та ієрархічна. Мережа з примусовою синхронізацією є статичною в тому сенсі, що опорний сигнал у ВдПС відслідковується з точністю до тактового інтервалу, а відхилення фази компенсуються різноманітними буферними пристроями, системами ФАПЧ.

Режим взаємної синхронізації виникає, коли усі пристрої синхронізації дають певний внесок в управління один одним. Таку мережу вважають динамічною. Це означає, що в кожному вузлі внутрішній пристрій синхронізації підлаштовують відповідно до зваженого усередненого сигналу відносно усіх вхідних опорних сигналів синхронізації, в результаті чого узагальнена тактова частота в мережі є функцією частоти пристроїв синхронізації кожного вузла. Це призводить до того, що значення частоти сигналу залежить від багатьох факторів, починаючи з внутрішніх шумів окремих генераторів і закінчуючи добовими та сезонними змінами оточуючого середовища.

Розв'язання задач знаходження відповідних мережевих рішень і застосування на усіх мережевих рівнях високоефективних технічних засобів є своєчасним та одним з приоритетних напрямків досліджень. Прийнявши вимоги Рекомендацій ITU-T в якості кваліфікаційної ознаки, можна виділити чотири рівні ієрархії генераторного обладнання:

- первинний еталонний генератор - перший рівень;

- ВдПС транзитного вузла - другий рівень;

- ВдПС вузла місцевої мережі - третій рівень;

- пристрій синхронізації обладнання СЦІ - четвертий рівень ієрархії.

Обладнання кожного з цих рівнів повинно відповідати основним характеристикам виокремлених пристроїв тактової синхронізації, які нормовані Рекомендаціями ITU-T та стандартами ETSІ.

Запропонована та проаналізована математична модель, яка описується системою рівнянь:

,

де - фазова помилка системи ФАПЧ;

- загальний коефіцієнт передачі з'єднання;

Н - початкове розладнання;

SРО - крутизна характеристики регулюючого органу РО;

F[(t)] - нормована характеристика фазового дискримінатора ФД;

T[ (t)] - періодичність по фазовій координаті системи;

UФД - амплітуда управляючого збудження;

T - період управляючого збудження.

В другому розділі розроблено та досліджено замкнено-розімкнені, двозв'язні та ітераційні структури систем ФАП, виходячи з умови підвищення точності в сталих режимах експлуатації; вирішено задачу розширення зони синхронізму за допомогою комбінованих систем.

Запропоновано функціональну схему структури ФАП рис._2,_а.

Таку структуру ФАП можна віднести до класу ітераційних систем ФАП, проте замість додаткового контуру управління використовується розімкнений канал управління. Нa виході фазового дискримінатора ФД виробляється сигнал помилки, який фільтрується фільтром Ф, посилюється підсилювачем-перетворювачем ПП і подається на інтегратор І. На виході інтегратора І з'являється керуюча напруга , яка забезпечує зміну фази напруги за допомогою фазообертача ФО, що керується таким чином, аби різниця фаз між напругами та зменшилася. Задавальним діянням основного контуру системи ФАП є різниця фаз напруг і

.

До складу розімкненого каналу управління входить підсилювач-перетворювач ПП1 і фазообертач ФО1.

Загальний оператор всієї системи ФАП відносно помилки:

,

де - оператор основного замкненого контуру відносно помилки ;

- оператор розімкненого каналу управління відносно помилки ;

- порядок астатизму основного замкненого контуру управління;

- порядок астатизму, що визначається розімкненим каналом управління.

Таким чином, введення розімкненого каналу управління у загальному випадку не підвищує порядок астатизму всієї системи ФАП. Порядок астатизму всієї системи дорівнює порядку астатизму основного контуру управління.

В окремому випадку, як випливає з отриманого виразу для оператора розімкненого каналу управління відносно помилки

,

де , а - порядок астатизму, що визначається розімкненим каналом управління, при виконанні умови:

,

Де ,, - коефіцієнти передачі ФД, Ф та ПП1, відповідно, вираз (4) приймає вигляд:

.

Отже, при виконанні умови (5), як видно з виразу (6), розімкнений канал управління перетворюється в автоматичну систему з порядком астатизму, рівним одиниці (). Тоді вираз (3) для загального оператора всієї замкнено-розімкненої системи приймає вигляд:

,

де .

Таким чином, виконання умови (5) виключає необхідність для підвищення порядку астатизму застосування такого ж, як і основний додаткового контуру управління. Достатньо здійснити розімкнений канал управління з додатковими підсилювачем-перетворювачем ПП1 і фазообертачем ФО1. Ланку з оператором у розімкненому каналі управління можна видалити, якщо змінити точку підключення цього каналу.

Додаткові дослідження показали, що застосування розімкненого каналу управління з додатковим фазообертачем дозволяє досягнути практично будь-якої точності системи ФАП у сталих режимах. Важливою перевагою запропонованої замкнено-розімкненої системи ФАП є те, що застосування розімкненого каналу не впливає на стійкість основного контуру управління та й всієї системи ФАП в цілому.

Підвищити точність і швидкодію СТС можна також шляхом застосування двозв'язних СФС. Ці системи можна виконувати як на елементах цифрової обчислювальної техніки, так і з застосуванням керуючої мікро-ЕОМ.

У ряді випадків коригувальна ланка, що включена у ланцюг зв'язку між коригувальною та основною СФС, також реалізується програмно за допомогою цифрового обчислювального пристрою (ЦОП). Для зручності реалізації двозв'язної СФС точка підключення зв'язку в коригувальній СФС розташовується за перетворювачем А/Д (рис. 3), а підключення зв'язку до основного контуру СФС здійснюється на виході А/Д. Передатні функції WК(z), D(z) і D1(z) реалізуються програмно за допомогою ЦОП.

Ітераційний принцип побудови систем CФC дозволяє підвищити точність порівняно простими технічними засобами. При побудові таких СФС використовується один основний контур управління (ОКУ) та один або декілька

Рис. 1 - Схема двозв'язної СФС

Рис. 2 - Схеми ітераційних СФС: з одним ДКУ (а), з k ДКУ (б)

додаткових контурів управління (ДКУ) (рис. 4). На вхід ОКУ надходить задавальне діяння , а на вхід ДКУ в якості задавального діяння подається сигнал помилки ОКУ. На вхід наступного ДКУ в якості задавального діяння подається сигнал помилки попереднього ДКУ.

Оскільки при побудові ітераційних структур СФС порядок астатизму є сумою порядків астатизму основної і коригувальної СФС, то основна і коригувальна СФС повинні мати порядок астатизму н?1. З'єднання двох СФС з нульовим порядком астатизму, тобто статичних СФС, не дає ефекту підвищення точності у сталих режимах, тому що ітераційна СФС у цьому випадку є статичною. фазовий автопідстроювання ітераційний синхронізація

Тому у виразі для помилки СФС, зображеної на рис. 4, а

,

;

, , і

z-зображення фаз сигналів , , і відповідно;

Cj - j-й коефіцієнт помилки (при н?1 для кожної СФС коефіцієнти С0 і C1 дорівнюють нулеві);

коефіцієнти перетворювачів А/Д та Д/А прийняті рівними одиниці.

У загальному випадку

,

де н1 і н2 - порядок астатизму основної та коригувальної СФС відповідно.

В ітераційних СФС в загальному випадку контурів управління може бути k, a отже, порядок астатизму можна підвищити на k одиниць, якщо порядок астатизму кожного додаткового контуру дорівнює одиниці.

В роботі проаналізовано та вирішено задачу розширення діапазону синхронізму у схемі СТС змінної структури

Відмінністю схеми є включення додаткових двох дільників частоти ДЧ1 і ДЧ2, фазового дискримінатору ФД1 та комутатору К. Фазовий дискримінатор ФД входить до замкненого контуру управління, а фазовий дискримінатор ФД1 під'єднується до замкненого контуру через комутатор К. Пристрій управління ПУ перетворює та підсилює сигнал, що впливає на керований генератор КГ. Оскільки на вхід фазового дискримінатора ФД1 надходять сигнали з виходу дільників частоти ДЧ1 і ДЧ2, то статична характеристика ФД1 має більш широку лінійну ділянку.

Третій розділ присвячено розв'язанню задачі підвищення швидкодії цифрової ітераційної СТС, синтезу розімкненого каналу ітераційної системи ФАП, зменшенню впливу збурень типу насичення при побудові оптимальних за швидкодією ітераційних СТС.

Вирішено задачу побудови оптимальної за швидкодією двоконтурної ітераційної системи ФАП (ДІС ФАП) при одному пристрої управління для двох контурів: основного (ОКУ) і додаткового (ДКУ).

Структурна схема оптимальної за швидкодією ДІС ФАП зображена на рис._6,_а, де Wp1(p), Wp2(p) - оператори ОКУ та ДКУ у розімкненому стані; Wpi(p)=WФi(p)WПi(p)WІі(p)WФОi(p); (i=1, 2). WФi(p), WПi(p), WІі(p), WФОi(p) - оператори відповідного фільтру, підсилювача, інтегратора та фазообертача i=1, 2; ЕПi-елементи порівнювання i=1, 2; С1, С2, С3 - суматори; ПУ - пристрій управління, що виробляє знакозмінний сигнал U(t), максимально можливої амплітуди Um; (t), (t) - задавальне діяння та керована величина відповідно. 1(t), 2(t) керовані величини ОКУ та ДКУ; 1(t), 2(t) - помилки ОКУ та ДКУ відповідно.

Задача синтезу оптимальної за швидкодією ДІС ФАП зводиться до синтезу такого пристрою управління (ПУ), який би забезпечив переведення вектору стану керованої величини з початкової точки у кінцеву за мінімальний час.

При східчастому вхідному сигналі (t)=М0(t) сигнал управління в системі ФАП n-го порядку, як відомо, повинен мати вигляд, наведений рис. 6, б, у певні моменти часу.

Уточнивши структуру оптимального за швидкодією ОКУ ДІС ФАП і перенісши результати уточнення на ДКУ, отримаємо, що у оптимальній за швидкодією ДІС ФАП повинна виконуватися вимога постійності (амплітуди) результуючого, сигналу управління, незалежно від величини і знаку задавального діяння (t).

В залежності від вигляду операторів Wp1(p) і Wp2(p) визначається метод визначення моментів переключення сигналу управління. Зокрема, якщо права частина рівняння динаміки ДІС ФАП при Um(t)0, тобто в режимі перехідного процесу

не містить похідних, то використовується метод стикування рішень диференціальних рівнянь зі знакозмінною правою частиною. Якщо ж права частина рівняння (10) буде мати похідні, то, використовуючи розкладання на елементарні дроби, можна застосувати принцип максимуму. При цьому необхідно дотримуватися умови трансверсальності.

По закінченню перехідного процесу [Um(t)=0] в сталому режимі ДІС ФАП у відповідності з рівняннями елементів описуватиметься наступним рівнянням:

При побудові оптимальної за швидкодією ДІС ФАП пристрій управління, що виробляє сигнал управління, не повинен впливати на стійкість ОКУ і ДКУ. Для виключення задавального діяння з сигналу управління необхідно у кожному з контурів управління використати логічний комутатор, який виробляє сигнал компенсації цього впливу. Для оптимізації перехідного процесу кожного з контурів управління достатньо тільки одного пристрою управління.

Дослідження особливості синтезу оператора розімкненого компенсаційного зв'язку основного контуру управління у класі двоконтурних ітераційних систем ФАП показало, що виграш отримується не тільки у швидкості, але й у точності.

В багатьох практичних випадках на вхід ітераційної системи ФАП надходить задавальне діяння х(t) у вигляді різниці фаз двох напруг, що порівнюються за фазами, та накладеною завадою n(t).

На вхід системи ФАП надходить задавальне діяння, спектральна щільність у похідній якого описується розподілом Пуассона і визначається виразом

,

де a2 - середнє значення квадрату швидкості зміни;

(t) - середнє значення квадрату частоти;

1/ - середня довжина проміжків часу, протягом яких швидкість залишається постійної.

Визначення дисперсії фазової помилки здійснюється за допомогою відомих табличних інтегралів. На рис. наведені криві зміни дисперсії фазової помилки оператора розімкненого компенсаційного зв'язку в ОКУ при

,

Порівняння показало, що значення середньоквадратного значення фазової помилки у комбінованому ОКУ приблизно в два рази менше ніж в ОКУ з управлінням за відхиленням.

В роботі запропоновано спосіб усунення негативного впливу нелінійності типу насичення на точність системи ФАП за допомогою екстраполюючого коригувального пристрою (ЕКП). Пропонується структура з'єднання ланок, що забезпечує розширення лінійної зони статичної характеристики нелінійності типу насичення. Показано що, тільки компенсація нелінійності може призвести до поліпшення показників якості системи ФАП з насиченням.

Застосування ЕКП для корекції помилки системи ФАП вирішує водночас задачу компенсації нелінійності типу насичення, що еквівалентно розширенню лінійної зони підсилювача замкненої системи ФАП. Показано, що нелінійність типу насичення зменшує якісні показники системи ФАП у сталих та перехідних режимах. Для усунення негативного впливу нелінійності на точність і швидкодію системи ФАП доцільно використання ЕКП, що реалізується простими технічними засобами.

В четвертому розділі розроблено структурну схему виокремленого пристрою тактової синхронізації (ВПТС); запропоновано та реалізовано розроблені пропозиції з синхронізації обладнання ЦСК та ЦСП; проаналізовано вимоги до часових характеристик виокремлених ведених пристроїв синхронізації, які стандартизовані ETSI, та розроблено методику дослідження характеристик ВПТС.

Застосування ВПТС для синхронізації обладнання ЦСК, а саме організацію зовнішньої синхронізації обладнання ЦСК показано на прикладі АТС типу МТ-20/25. Проведений аналіз генераторного обладнання даної станції довів необхідність зовнішньої синхронізації та дозволив виокремити специфічні вимоги до ВПТС. Результатом досліджень різних схем підключення обрана схема, за якої оптимальним рішенням є підключення входів двох ВПТС до виходів Т4 трьох незалежних кілець SDH різних фірм виробників. Саме за такого підключення забезпечується максимальний рівень надійності, якості та живучості системи.

Застосування ВПТС для синхронізації обладнання ЦСП, враховуючи сучасну тенденцію переходу від плезіохроної цифрової ієрархії PDH (ІКМ-120/4) до синхронної SDH, розглянуто на прикладі синхронізації сегментів PDH, що включаються в кільця SDH, від хронуючих джерел різного рівня якості мережі SDH. Дослідна експлуатація, яка проводилася на мережах Київської та Кримської філій ВАТ ”Укртелеком”, забезпечувала корекцію частоти 8448 кГц, що призвело до більш тривалої роботи еластичного ОЗП в системах передачі ІКМ-120/4 і, як наслідок, кількість помилок в ІКМ системах передачі зменшилася на один порядок.

Запропоновано методику дослідження характеристик виокремлених пристроїв синхронізації з використанням вимірювача PJS 2000 compact в різних режимах, яка полягає у вимірі ВЧІ/TIE і величини відносної нестабільності частоти Дf/f з параметрами фільтра нижніх частот ФНЧ 0,01 Гц з наступним обчисленням середньоквадратичної помилки часового інтервалу (TIErms), модифікованої дисперсії Аллана (MDEV), дисперсії Аллана (ADEV), девіації часових інтервалів (ДЧІ/TDEV), максимального відхилення часових інтервалів (МВЧІ/MTIE) та порівнянні отриманих характеристик із заданими нормами, згідно стандарту ETSI 300 462-5.

Показано, що для дослідження характеристик в режимі синхронізації через відсутність у вимірювачі параметрів синхронізації PJS2000 compact можливості формування придатних вимірювальних сигналів з фазовою варіацією для перевірки відповідності маскам досліджуваного ВПТС, необхідно використовувати сигнали, які генеруються реальним лінійним трактом, що також дозволяє оцінити працездатність пристрою на діючій цифровій мережі.

ВИСНОВКИ

Недашківський О.Л. Розробка високоточних та швидкодіючих систем фазового автопідстроювання ведених пристроїв тактової синхронізації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. - Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, м. Київ, 2007 р.

Дисертація присвячена підвищенню показників якості систем фазового автопідстроювання частоти в пристроях синхронізації телекомунікаційних мереж.

В роботі запропоновано та досліджено нові структури двозв'язних СФС, розроблено методику визначення параметрів коригувальної СФС з умови підвищення порядку астатизму. Запропоновано замкнено-розімкнені системи ФАП та досліджено вплив додаткового розімкненого каналу, коли в цьому каналі формуються похідні і який не впливає на стійкість всієї системи ФАП. Здійснено підвищення швидкодії розроблених структур цифрових ітераційних систем тактової синхронізації. Запропоновано методику синтезу розімкненого каналу ітераційної системи ФАП при задавальному діянні у вигляді різниці фаз двох напруг, що порівнюються за фазами, та накладеною завадою. Наведено спосіб розв'язку задачі розширення зони синхронізму за допомогою комбінованих систем. Запропоновано спосіб зменшення впливу збурень при побудові оптимальних за швидкодією ітераційних СТС, а саме негативного впливу нелінійності типу насичення. Запропоновано і досліджено структури виокремлених пристроїв тактової синхронізації для обладнання ЦСК та ЦСП. Розроблено пропозиції по синхронізації обладнання ЦСК та ЦСП за допомогою реалізованого виокремленого пристрою, який є оптимальним як за точністю так і за швидкодією. Представлено методику дослідження пристроїв такого класу.

Ключові слова: радіотехнічний пристрій, синхронізація, управління, автопідстроювання частоти, точність, швидкодія, коригування, фаза.

Nedashkivskyi O.L. Development of precision and high-speed systems of phase auto tuning of slave devices of clock synchronization. - The Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.12.13 - radio engineering and telecommunications media devices. - State University of Information-telecommunication Technologies, Kiev, 2007.

The dissertation is devoted to a raise of indexes of quality of phase auto tuning of frequency in synchronization devices of telecommunication network.

There are also offered and investigated the new structures of two-connected phase synchronization systems (PSS) and the technique of the definition of parameters correcting PSS from a condition of a raise of the astatizm order. The close-breaks of phase auto tuning (PAT) systems, namely the influence of the additional braked channel, when in it derivative are formed and which does not influence a stability of all system PSS are offered and investigated. The iterative structures of PSS, for which the raise of speed of digital iterative of clock synchronization systems (СSS) realized, are developed. The technique of synthesis of the braked channel of an iterative system PAT for want the assigning action is a difference of phases of two compared voltages with imposed parasite. The problem of expansion of zone of a synchronism is solved with the help of combined systems. The mode of a diminution of influence of perturbations for want of construction optimum behind speed iterative time synchronization systems, namely nonlinearity negative influence of a saturation type is offered. There are offered and investigated the structures of chosen devices of a clock synchronization for synchronization of access and transport telecommunication nodes equipment as well as developed and practically submitted advises of synchronization access and transport telecommunication nodes equipment with the help of the realized chosen device that are embodied features of optimum as from a point of an exactitude, and speed as well. And such class devises research technique is submitted.

Key words: radio engineering device, synchronization, controlling, auto tuning of frequency, exactitude, speed, correction, phase.

Недашковский А.Л. Разработка высокоточных и быстродействующих систем фазовой автоподстройки ведомых устройств тактовой синхронизации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 - Радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. - Государственный университет информационно-коммуникационных технологий, г. Киев, 2007 г.

Диссертация посвящена повышению показателей качества систем фазовой автоподстройки частоты в устройствах синхронизации телекоммуникационных сетей.

Целью диссертационной работы является повышение точности и быстродействия систем фазовой автоподстройки частоты в устройствах синхронизации телекоммуникационных сетей.

Объектом исследований являются системы фазовой синхронизации, а предметом исследований - показатели точности и быстродействия в синхронных режимах при детерминированных и случайных влияниях и возмущениях.

В работе использованы теория дискретных (цифровых) систем управления, операторный метод решения неоднородных дифференциальных уравнений; методы теории инвариантности и чувствительности; теория оптимального управления и случайных процессов, экспериментальные исследования экземпляров устройств.

В работе предложены и исследованы новые структуры двухсвязных СФС, разработано методика определения параметров корректирующей СФС из условия повышения порядка астатизма. Предложены замкнуто-разомкнутые системы ФАП и исследовано влияние дополнительного разомкнутого канала, когда в нём формируются производные и который не влияет на устойчивость всей системы ФАП. Осуществлено повышение быстродействия разработанных структур цифровых итерационных систем тактовой синхронизации. Предложена методика синтеза разомкнутого канала итерационной системы ФАП при задающем воздействии в виде разницы фаз двух сравниваемых напряжений и наложенной помехой. Приведен вариант решения задачи расширения зоны синхронизма при помощи комбинированных систем. Рассмотрен способ уменьшения влияния возмущений при построении оптимальных по быстродействию итерационных СТС, а именно негативного влияния нелинейности типа насыщение. Предлагаются и исследуются структуры выделенных устройств тактовой синхронизации для синхронизации оборудования ЦСК и ЦСП. В работе также представлены разработанные и практически воплощенные предложения по синхронизации оборудование ЦСК и ЦСП с помощью реализованного выделенного устройства, которое является оптимальным как с точки зрения точности, так и быстродействия. Представлена методика исследования устройств такого класса.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, выведенных в работе, достигается системным анализом объекта исследования, в частности, корректным использованием методов исследования и математического аппарата; подтверждается результатами аналитических доказательств путем математических преобразований, результатами экспериментальной проверки и практическими результатами, которые зафиксированы в актах внедрения.

Практическое значение полученных результатов заключается в разработке и апробации выделенного устройства тактовой синхронизации, методику исследований характеристик устройств такого класса. Проведено оптимизацию схем подключения выделенных устройств синхронизации для синхронизации оборудования ЦСК та ЦСП. Результаты диссертационной работы нашли практическое применение на сетях национального оператора ОАО “Укртелеком”, в разработках НПФ “СИНХРОНЕТ” и в учебном процессе Государственного университета информационно-коммуникационных технологий.

Ключевые слова: радиотехническое устройство, синхронизация, управление, автоподстройка частоты, точность, быстродействие, коррекция, фаза.

Размещено на Allbest.ru