Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій

НЕДАШКІВСЬКИЙ ОЛЕКСІЙ ЛЕОНІДОВИЧ

УДК 621.391:62-503.56

Розробка високоточних та швидкодіючих систем фазового автопідстроювання ведених пристроїв тактової синхронізації

Спеціальність 05.12.13 – Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій Міністерства транспорту та зв’язку України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Дробик Олександр Васильович,

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, завідувач науково-дослідного сектору “НАЦ-Телеком”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Смирнов Володимир Сергійович,

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій,

директор Науково-дослідного інституту телекомунікацій

кандидат технічних наук, доцент

Мачалін Ігор Олексійович,

Національний авіаційний університет,

доцент кафедри телекомунікаційних систем

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут зв’язку Міністерства транспорту та зв’язку України, м. Київ.

Захист відбудеться “21” березня 2007 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.861.01 при Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, Київ-110, вул. Солом’янська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, Київ-110, вул. Солом’янська, 7.

Автореферат розісланий “15” лютого 2007 року.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Кунах Н.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одним із головних завдань операторів сучасних цифрових телекомунікаційних мереж є побудова загальнонаціональної мережі синхронізації для забезпечення синхронного режиму роботи значної кількості технічних засобів, які розосереджені на великих територіях. Вирішення цього завдання набуває особливого значення з впровадженням новітніх технологій цифрового перетворення та транспортування інформації, різкого зростання швидкості передавання, інтелектуалізації мереж, підвищення вимог до якості послуг телекомунікацій. Особливо названа проблема стосується домінуючих операторів, які експлуатують великі фрагменти загальнонаціональної мережі і, на яких покладається завдання створення взаємозв'язаної, високостабільної опорної мережі синхронізації, а також контроль та управління цією мережею, забезпечення доставки опорних сигналів синхронізації в мережі інших операторів без погіршення якості синхронізації.

Разом з тим необхідно зазначити, що в умовах розмаїття телекомунікаційних та інформаційних технологій, їх швидкого прогресу і конвергенції, різноманітності типів та розгалудженості мереж, зростаючого попиту користувачів на нові послуги й підвищення вимог до їх якості, конкуренції на ринку телекомунікацій виникають усе нові й нові задачі, пов'язані з підвищенням якості синхронізації - від загальномережевих і загальнооператорських задач побудови ефективної національної системи синхронізації, які пов'язані з побудовою надійних, ефективних, гнучких структур до підвищення точності та швидкодії окремих компонентів.

Ведені пристрої тактової синхронізації (ВПТС) знаходять застосування практично у всіх телекомунікаційних мережах з метою поновлення якісних показників синхросигналів, які приходять із лінії зв’язку. Від показників якості синхросигналів багато в чому залежить ефективність системи зв'язку, вірність переданої від джерела до одержувача інформації тощо. Як правило, основу таких пристроїв складають системи фазового автопідстроювання (ФАП). Основними показниками систем ФАП є точність у синхронних (сталих) режимах при повільних змінах фази задавального сигналу і швидкодія при ступінчатих змінах фази. Тому тема дисертаційної роботи, присвяченої вирішенню задачі підвищення показників якості систем фазової синхронізації (СФС), є особливо актуальною.

СФС широко використовуються при демодуляції цифрових ФМ-сигналів, в частотних синтезаторах, де за допомогою фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) полегшується вирішення задачі стабільності частоти і спектральної чистоти вихідного коливання. При побудові регенераційних дільників і помножувачів частоти шляхом побудови вузькосмугової замкненої ФАПЧ з опорного сигналу, спотвореного завадами, можна отримати порівняно вільний від джитера субгармонійний когерентний сигнал. Системи ФАП використовуються: для розробки схем фільтрації спектральної складової сигналу на фоні шумів; при побудові високодобротних і смугових загороджувальних фільтрів з відстежувальною настройкою за середньою частотою; при побудові систем когерентної фазової або частотної модуляції; при управлінні фазованими антенними решітками і побудові когерентних дальномірних систем; у підсилювачах для усунення фазових набігів; при резервуванні внутрішніх генераторів виокремлених пристроїв тактової синхронізації для забезпечення нормованих стрибків фаз при перемиканні.

У відомій науково-технічній літературі проблема підвищення точності і швидкодії систем ФАП у класі систем із принципом керування за відхиленням є істотний недолік, який полягає у тому, що зміна параметрів замкненого контуру системи ФАП у напрямку зменшення фазової помилки призводить до збільшення тривалості перехідного процесу і до зменшення запасу стійкості. Тому при виборі параметрів замкненого контуру системи ФАП необхідно приймати компромісне рішення, яке б задовольняло необхідним показникам точності та стійкості системи. Поліпшення показників якості системи ФАП можливо досягти шляхом запису сигналу в даний момент часу і зчитування його на наступному тактовому інтервалі n разів, але це пов'язано з появою додаткових спотворень, що виникають в пристроях запису-відтворення. Наявність n гілок для паралельної обробки інформації істотно ускладнює конструкцію системи ФАП. В низці робіт вирішується задача підвищення точності та швидкодії в класі комбінованих СФС, систем ФАП з диференціальними зв'язками, а також в класі ітераційних систем ФАП. Однак розроблені системи СФС вказаних класів в багатьох випадках є достатньо складними в реалізації. Застосування адаптивних систем СФС, що містять канали грубого і точного настроювання, також не вільне від основного недоліку, властивого системам ФАП із принципом керування за відхиленням.

Проте, незважаючи на недоліки, властиві системам ФАП із принципом керування за відхиленням, і велику кількість робіт, присвячених їхньому дослідженню, багато важливих наукових та практичних питань щодо застосування систем ФАП у техніці телекомунікацій ще не досліджено. Не розроблено методики визначення параметрів коригувальної СФС в двозв’язних структурах з умови підвищення порядку астатизму. Не досліджені замкнено-розімкнені системи ФАП. Не розроблені засоби зменшення впливу збурень при побудові оптимальних за швидкодією ітераційних СТС.

Таким чином, актуальність дисертації обумовлена практичними проблемами підвищення показників якості систем синхронізації з ФАП.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок досліджень безпосередньо пов'язаний з науково-дослідними та дослідно-конструкторськими роботами, які проводились протягом 2000-2005 років в Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій за темами, що фінансувалися Державним департаментом з питань зв'язку та інформатизації: “Оцінка причин збоїв роботи цифрових систем передачі місцевих мереж зв’язку та шляхи їх усунення” (держ. реєстр. №01030002498); “Розробка виділеного пристрою тактової синхронізації первинної мережі” (держ. реєстр. №0103U000452); “Синтез структур екстраполюючих пристроїв та систем ФАП на їх базі” (держ. реєстр. №0102U007244).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення показників точності та швидкодії систем фазового автопідстроювання частоти в пристроях синхронізації телекомунікаційних мереж.

Об'єктом досліджень є системи фазової синхронізації, а предметом досліджень є показники точності та швидкодії в синхронних режимах при детермінованих та випадкових довільних діяннях та збуреннях.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- розробити нові структури двозв’язних СФС та методики визначення параметрів коригувальної СФС з умови підвищення порядку астатизму;

- розробити та апробувати замкнено-розімкнені системи ФАП, для яких дослідити вплив додаткового розімкненого каналу;

- розробити структури ітераційних СФС з підвищеною швидкодією та методику синтезу розімкненого каналу ітераційної системи ФАП при задавальному діянні;

- провести аналіз закономірностей та розширити зону синхронізму системи тактової синхронізації (СТС) за допомогою комбінованих систем;

- розробити способи зменшення впливу збурень при побудові оптимальних за швидкодією ітераційних СТС;

- розробити та детально дослідити структури виокремлених пристроїв тактової синхронізації;

- розробити та впровадити пропозиції по синхронізації обладнання цифрових систем комутації (ЦСК) та цифрових систем передачі (ЦСП).

Методи дослідження. В роботі використані: теорія дискретних (цифрових) систем управління; операторний метод рішення неоднорідних диференціальних рівнянь; методи теорії інваріантності та чутливості; теорія оптимального управління та випадкових процесів; експериментальні дослідження розроблених експериментальних зразків пристроїв.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- запропоновано та досліджено нові структури двозв’язних СФС і розроблено методику визначення параметрів коригувальної СФС з умови підвищення порядку астатизму;

- запропоновано і досліджено замкнено-розімкнені системи ФАП з врахуванням впливу додаткового розімкненого каналу, в котрому формуються похідні і який не впливає на стійкість всієї системи;

- розроблено структури ітераційних СФС, для яких здійснено підвищення швидкодії цифрових ітераційних СТС;

- запропоновано методику синтезу розімкненого каналу ітераційної системи ФАП при задавальному діянні у вигляді різниці фаз двох напруг, що порівнюються за фазами, та накладеною завадою;

- вирішено задачу розширення зони синхронізму за допомогою комбінованих систем, які включають в себе СТС змінної структури;

- вперше запропоновано та реалізовано спосіб зменшення впливу збурень при побудові оптимальних за швидкодією ітераційних СТС, який полягає в мінімізації негативного впливу нелінійності типу насичення;

- запропоновано і досліджено структури виокремлених пристроїв тактової синхронізації, які використано для синхронізації обладнання ЦСК та ЦСП;

- розроблено методику та схеми вимірювання параметрів пристроїв тактової синхронізації [3].

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків, рекомендацій. Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій, отриманих в роботі, досягаються системним аналізом об'єкту дослідження, зокрема, коректним використанням методів досліджень та математичного апарату, підтверджуються результатами аналітичних доведень через математичні перетворення, результатами експериментальної перевірки й практичними результатами, які відображені в актах впровадження.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено та апробовано виокремлений пристрій тактової синхронізації, методику дослідження його характеристик. Проведено оптимізацію схем підключення виокремлених пристроїв синхронізації для синхронізації обладнання ЦСК та ЦСП. Результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування на мережі ВАТ “Укртелеком”, в розробках НВФ “СИНХРОНЕТ” (акт впровадження від 30.06.2006 року), в навчальному процесі Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій (акт впровадження від 30.03.2006 року).

Особистий внесок здобувача. Наукові результати викладені в дисертації та авторефераті належать особисто автору. У роботах опублікованих у співавторстві, авторові дисертаційної роботи належать:

- розрахунок дисперсії помилки в комбінованій ітераційній системі ФАП з двома розімкненими каналами управління [1];

- апаратна реалізація фазового детектора [2];

- розрахунок коефіцієнтів загасання, які залежать від фазової помилки системи ФАП та побудовані графіки його залежності від коефіцієнту зворотного зв’язку [4];

- аналіз компенсації нелінійності типу насичення в системі ФАП з екстраполюючим коригувальним пристроєм [5];

- розробка структурної схеми ітераційної системи ФАП в сталих режимах, в якій збурення діє на додатковий канал управління, з умови підвищення точності [6];

- розробка алгоритму розв’язку задачі когерентного приймання багатопозиційного АФМ-сигналу в багатоканальних модемах з ортогональним поділом каналів [7];

- розробка еквівалентних структурних схем для перехідного процесу ітераційної оптимальної за швидкодією двоконтурної системи ФАП з одним пристроєм управління [8].

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення і результати експериментальних досліджень були висвітлені на Міжнародних науково-практичних конференціях "Системи і засоби передачі та обробки інформації", (Одеса, ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2001-2002 pp.); на Міжнародних науково-практичних конференціях "Еволюція транспортних мереж телекомунікацій" (Ялта, 2001-2002 рр.); на першому Міжнародному форумі "Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку" (Харків, АНПРЕ, ХНУРЕ, 2002 p.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 8 наукових праць, в тому числі: 6 статей у виданнях, затверджених ВАК України (1 – одноосібно), матеріали доповідей на науково-технічних конференціях – 2.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 163 сторінки, який у тому числі містить 128 сторінок основного тексту, 38 сторінок з рисунками (42 рисунки), 11 списку використаних джерел (127 найменувань), та 24 сторінки додатків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та завдання дослідження, висвітлено основні наукові та практичні результати дисертації, викладено їх стисла характеристика. Наведено відомості, що стосуються апробації роботи, публікацій, структури дисертації.

В першому розділі здійснено систематизація понятійного апарату при описі параметрів, характеристик та визначень для пристроїв та мереж синхронізації; розглянуто загальні принципи організації мереж синхронізації; проведено класифікацію обладнання мереж синхронізації; проаналізовано основні характеристики обладнання синхронізації різних рівнів та відповідні вимоги до їх характеристик, які стандартизовані Рекомендаціями ITU-T і документами ETSI; на основі розробленої математичної моделі елементів ФАПЧ створено структурну схему ФАПЧ.

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:

, (1)

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.

На основі цієї математичної моделі розроблена структурна схема ФАПЧ (рис._1).

Рис. 1. Структурна схема ФАПЧ

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

. (2)

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

Загальний оператор всієї системи ФАП відносно помилки:

, (3)

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.

Pиc. 2. Функціональна (а) та структурні схеми (б, в) замкнено-розімкненої системи ФАП

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

, (4)

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

, (5)

де ,, – коефіцієнти передачі ФД, Ф та ПП1, відповідно, вираз (4) приймає вигляд:

. (6)

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:

, (7)

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 (рис. 2, в).

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. 3. Схема двозв’язної СФС

Рис. 4. 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 ??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.

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

або

, 8)

де

;

, , і – z-зображення фаз сигналів , , і відповідно;

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

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

У загальному випадку

, (9)

де ?1 і ?2 – 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 (рис. 4, б).

В роботі проаналізовано та вирішено задачу розширення діапазону синхронізму у схемі СТС змінної структури (рис. 5, а).

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 (рис. 5, б).

Рис. 5. Функціональна схема (а) і статична характеристика фазового дискримінатору (б) СТС змінної структури

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).

Рис. 6. Вихідна структурна схема (а) та сигнал управління (б) оптимальної за швидкодією ДІС ФАП

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

(10)

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:

(11)

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). В цьому випадку структурна схема комбінованої ДІС ФАП має вид рис. 7.

Рис. 7. Структурна схема комбінованої ДІС ФАП з двома розімкненими каналами управління

Рівняння її елементів мають вид:

де , – оператори основного (ОКУ) і додаткового (ДКУ) контурів управління;

, – оператори розімкнених компенсаційних каналів для ОКУ і ДКУ відповідно;

, – керовані величини ОКУ і ДКУ відповідно.

На вхід системи ФАП (рис. 7) 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. 8 наведені криві зміни дисперсії фазової помилки оператора розімкненого компенсаційного зв’язку в ОКУ при

,

де

а) б) в)

Рис. 8. Залежності складових дисперсії фазової помилки, оператора розімкненого компенсаційного зв'язку (а, б) та сумарної дисперсії (в) від параметру 1 та рівня завад q

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.

Структурна схема розробленого ВПТС, в якому реалізуються теоретично обґрунтовані алгоритми підвищення точності та швидкодії, наведена на рис. 9.

Рис. 9. Структурна схема 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 ?f/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

Сукупність нових наукових результатів, сформульованих і обґрунтованих у дисертаційній роботі, вирішують конкретну наукову задачу в галузі технічних наук, а саме: підвищення основних показників системи ФАП, призначених для тактової синхронізації обладнання телекомунікаційних мереж.

Основними результатами дисертаційної роботи є аналіз, синтез та розробка нових структур ФАП. У дисертаційній роботі одержані наступні результати:

1. Запропоновано та проаналізовано замкнено-розімкнену систему ФАП з додатковим фазообертачем, що дозволяє значно мінімізувати помилку системи в сталих режимах. Доведеною перевагою такої структури є те, що застосування розімкненого каналу не впливає на стійкість всієї системи.

2. Отримано і апробовано нові структури СФС на базі двозв’язних та ітераційних систем, що дозволяє синтезувати СФС високої точності.

3. Вирішено задачу розширення діапазону синхронізму для СТС порівняно простими технічними засобами за допомогою комбінованих систем.

4. Запропоновано оптимальні за швидкодією системи в класі двоконтурних ітераційних СФС, застосування яких забезпечує виграш не тільки у швидкодії, але й у показниках точності.

5. Розвинуто концепцію і вперше розроблено та реалізовано спосіб усунення негативного впливу нелінійності типу насичення на точність систем ФАП за допомогою ЕКП.

6. Розроблено виокремлений пристрій тактової синхронізації, проведено його лабораторні та натурні експериментальні випробовування.

7. Запропоновано та практично реалізовано схеми використання розробленого пристрою для синхронізації цифрових комутаційних систем та телекомунікаційних мереж.

8. Результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес для підготовки фахівців відповідного напрямку, наукові розробки Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій та НВФ “СИНХРОНЕТ”. Розроблений ВПТС встановлено на мережі ВАТ “Укртелеком”.

Список опублікованих наукових праць за темою дисертації

1. Андреев А.И., Охрущак Д.В., Недашковский А.Л. Синтез разомкнутого канала итерационной системы ФАП // Наукові праці Донецького державного технічного університету. – 2002. – №38. – С. 80-84.

2. Дробик А.В., Топчий В.В., Недашковский А.Л. Фазовый детектор для комбинированной системы ФАПЧ // Радиотехника. – 2003. – № 133. – С. 239-241.

3. Недашківський О.Л. Методики та схеми вимірювання параметрів пристроїв тактової синхронізації // Вісник ДУІКТ. – 2006. – 4, №1. – С.50-52.

4. Нетудыхата Л.И., Гордиенко С.Б., Недашковский А.Л. Системы фазовой автоподстройки с нелинейной обратной связью // Радиотехника. – 2003. – № 133. – С. 222-227.

5. Охтень О.И., Варфоломеева О.Г., Недашковский А.Л. Компенсация нелинейности типа насыщение в системе фазовой автоподстройки с экстраполирующим корректирующим устройством // Радиотехника. – 2002. – №125. – С. 191-195.

6. Стасюк В.И., Охрущак Д.В., Недашковский А.Л. Повышение точности итерационной системы фазовой автоподстройки в установившихся режимах // Сборник научных трудов 1-го Международного радиоэлектронного Форума „Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” МРФ-2002. – 2002. – Часть 1. – С. 402-405.

7. Чумак О.І., Недашківський О.Л., Задоя Ю.Г. Розробка і дослідження алгоритму обробки сигналу в багатоканальних модемах з ортогональним поділом каналів // Радиотехника. – 2002. – №128. – С. 150-156.

8. Юдин А.К., Охрущак Д.В., Недашковский А.Л. Итерационная оптимальная по быстродействию двухконтурная система фазовой автоподстройки с одним устройством управления // Вісник Українського Будинку економічних та науково-технічних знань. – 2002. – №2. – С. 147-152.

АНОТАЦІЯ

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.

SUMMARY

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.

АННОТАЦИЯ

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.