Лекция №8
Цель: изучить принципы синхронизации ЦТС.
1. Разновидности синхронизации.
2. Функциональная схема задающего генератора.
3. Структурная схема генератора с принудительной синхронизацией.
Проблемы, связанные с синхронизацией, возникли еще до широкого внедрения цифровых телекоммуникационных систем, но применение последних и особенно систем электронной коммутации сделало вопросы синхронизации весьма и весьма актуальными.
В технологии электросвязи существует четыре основных понятия синхронизации: тактовая, фазовая, цикловая и временная.Тактовая (частотная) синхронизация является наиболее важным типом синхронизации, суть ее заключается в согласованности по частоте задающих генераторов всех цифровых устройств, работающих на сети. Если во всех устройствах скорости передачи с высокой точностью равны скоростям приема, то при передаче информации не будет возникать потери информации из-за периодических проскальзываний. Фазовая синхронизация обеспечивает соответствие фаз принимаемого и генерируемого сигналов. Как правило, этот вид синхронизации важен для функционирования тех или иных элементов оборудования, т.е. для внутренних процессов в системах передачи. Например, фазовая синхронизация используется при подаче стробирующего сигнала на решающее устройство регенератора с тем, чтобы момент принятия решения в регенераторе совпадал бы с максимумом амплитуды принимаемого импульса. Цикловая синхронизация или выравнивание кадров предполагает выявление циклового синхросигнала (метки кадра) с тем, чтобы обеспечить корректную работу временного селектора на приеме, обеспечивающего доступ к компонентам цикла.
Временная синхронизация сводится к установлению единого времени для всех устройств сети. Обычно этот вид синхронизации предполагает использование системы всемирного скоординированного времени (UТС -СооrdinateUniversalTime). Это совершенно самостоятельная задача, которая может использоваться в системах защиты информации. Существуют проекты, позволяющие объединить эту задачу с задачей частотной синхронизации. Тактовая синхронизация Способы тактовой (частотной) синхронизации подразделяются на независимые (плезиохронные), принудительной синхронизации и взаимной синхронизации. Способы принудительной синхронизации в свою очередь подразделяются на способы «ведущий - ведомый и «распределенный ведущий».
Плезиохронные способы используются на соединениях между сетями синхронной цифровой иерархии в случаях, когда эти сети по тем или иным причинам не могут быть сиихронизированы от одного генератора.Способы принудительной синхронизации применяются наиболее часто, причем способы типа «ведущий — ведомый> оказываются наиболее рентабельными. Способы типа «распределенный ведущий» находят применение в радиосвязи и для внутриузловой синхронизации на сетях СЦИ. Способы взаимной синхронизации наиболее совершенны теоретически, но весьма сложны и применяются по преимуществу для повышения качества первичных (ведущих) генераторов на сетях СЦИ. Здесь рассматриваются общие принципы тактовой синхронизации типа «ведущий — ведомый». «Ведущим при этом является задающий генератор в автономном режиме, а «ведомым» - генератор с принудительной синхронизацией.
Задающий генератор в автономном режиме. Функциональная схема задающего генератора (ЗГ) в большинстве случаев может быть сведена к схеме, показанной на рисунке 1. Она представляет собой замкнутую петлю (петлю обратной связи ОС), состоящую из усилителя мощности, ограничителя амплитуд и избирательного устройства — резонансного контура или полосового фильтра. Ограничитель амплитуд в общем случае не является отдельным устройством, а отображает амплитудную характеристику усилителя.
Рисунок 1 - Функциональная схема задающего генератора
Свободные колебания в такой системе возможны при соблюдении условий баланса амплитуд и баланса фаз.
где n - число элементов в петле обратной связи, m - целое число (m = 0, 1,...), Si- усиление i-го элемента в децибелах, а φi- фазовый сдвиг i-го элемента в радианах. Предположим, что условие баланса фаз выполняется на частотеω0 на которой тогда и происходит генерация. Пусть под воздействием внешних факторов в каком-либо элементе i параметр y изменился на ∆у, что привело к изменению фазового сдвига (и сдвига по петле ОС) на ∆φ. Тогда
т.е. баланс фаз нарушился.
Восстановление баланса и, следовательно, удержание генерации происходит, как показывает опыт, при изменении частоты генерации на величину ∆ω. При этом
Воспользовавшись формулой Тэйлора и полагая, что отклонение частоты невелико
∆ω<< 1, получаем
Отсюда относительная нестабильность частоты будет равна
где знаменатель - фиксирующая способность генератора. Из формулы видно, что фиксирующая способность генератора тем больше, чем выше частота генерации и выше крутизна фазовой характеристики некоторого i-го элемента. Этот элемент, обладающий по сравнению с другими наибольшей крутизной фазовой характеристики, очевидно, должен иметь параметры, мало зависящие от внешних условий (быть стабильным) и от замены элемента (обладать эталонностью). Такими свойствами обладают кварцевые резонаторы (КР).Генераторы с принудительной синхронизацией («ведомые») наиболее широко применяются в цифровых телекоммуникационных системах. В системах плезиохронной цифровой иерархии - в качестве задающих генераторов приемного оборудования, в системах синхронной иерархии - в качестве местных генераторов мультиплексоров
На рисунке 2. показана структурная схема генератора с принудительной синхронизацией. Она содержит генератор, управляемый напряжением ГУН, формирователь управляющего напряжения ФУН, фазовый детектор Фд и входное коммутирующее устройство КУ. Таким образом, в генераторе образуется петля фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ. Помимо режима принудительной (внешней) синхронизации в генераторе предусматриваются обычно режимы: внутренней синхронизации (автономный) и внешнего запуска. Режим внутренней синхронизации является обычным для ЗГ оборудования передачи. В этом режиме петля фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ разомкнута и ГУН находится в состоянии свободных колебаний, частота которых определяется параметрами подключаемого в этом режиме кварцевого резонатора КР, т.е., равна тактовой частоте в пределах установленной нестабильности. В режиме принудительной синхронизации кварцевый резонатор отключается, петля ФАПЧ замыкается и на Фд происходит сравнение частот сигнала, генерируемого ГУН, и сигнала от внешнего источника синхронизации, поступающего через коммутирующее устройство КУ. Результат сравнения передается на ФУН, где вырабатывается напряжение, перестраивающее ГУН до тех пор, пока частота его сигнала не совпадет с частотой внешнего сигнала синхронизации. Таким образом, достигается совпадение тактовых частот передающего и приемного оборудования.
Рисунок 2 - Структурная схема генератора с принудительной синхронизацией
В режиме внешнего запуска размыкается не только петля ФАПЧ, но и петля обратной связи ГУН, содержащая кварцевый резонатор. В этом режиме в ГУН собственные колебания отсутствуют, его роль сводится к формированию тактовых импульсов из внешнего сигнала. Этот режим используется в устройствах плезиохронной цифровой иерархии, работающих в сети с цифровой коммутацией. В режиме внешнего запуска коммутирующие устройства и цифровые телекоммуникационные системы всех станций, как ближнего, так и дальнего конца управляются центральным высокостабильным сетевым генератором. Коммутирующее устройство КУ позволяет подключать к генератору в качестве внешнего синхросигнала сигналы от различных источников, например от выделителя синхронизирующего сигнала, от устройств цифровой коммутации и так далее. Блок ГУН имеет несколько выходов для разных потребителей - блоков данной системы или других станционных устройств.
Генератор в режиме принудительной синхронизации способен улучшать параметры ведущего синхросигнала за счет подавления в нем фазовых флуктуаций. Подавление фазовых флуктуаций происходит тем эффективнее, чем меньше полоса пропускания фильтра нижних частот ФНЧ, входящего в состав ФУН. Однако сужение полосы ФНЧ ограничено диапазоном захвата ФАПЧ - возможностью подстройки ГУН при изменении частоты ведущего синхросигнала (в пределах допустимой ее нестабильности). В современных цифровых телекоммуникационных системах это ограничение частично преодолевается применением специальных методов, рассматриваемых в теории систем ФАПЧ. Специальные методы позволяют также реализовать режим удержания, суть которого заключается в «замораживании» выходного напряжения ФУН при кратковременном пропадании внешнего синхросигнала и удержании, таким образом, постоянной частоты генератора.
Выделение хронирующего сигнала.Самым распространенным способом передачи синхронизирующего (хронирующего) сигнала в системах тактовой синхронизации является способ передачи его в составе линейного сигнала. Обычно хронирующий сигнал — спектральная составляющая тактовой частоты линейного сигнала. Поэтому выделение этой спектральной составляющей из линейного сигнала является весьма распространенной операцией, которая осуществляется устройством, называемым выделителем составляющей тактовой частоты (ВТЧ). Вход ВТЧ может быть подключен к линейному тракту или перед линейным регенератором (прямое выделение), или после него (обратное выделение, выделение с обратной связью). При использовании второго способа качество выделенного сигнала может быть выше, но есть вероятность того, что система потеряет устойчивость (в ней возникнут самопроизвольные колебания). Как в том, так и в другом случае схема ВТЧ обычно имеет вид, показанный на рисунок 3.Выделитель составляющей тактовой частоты состоит из преобразователя кода ПК, ограничителя амплитуд снизу ОАН, полосового фильтра ПФ и ограничителя амплитуд сверху ОАВ. далее на рисунке показаны фазовый корректор ФК, формирователь импульсной последовательности ФИ и линия задержки ЛЗ.
Рисунок 3 - Структурная схема ВТЧ
Назначение ПК - преобразовать линейный код, если в нем отсутствует составляющая тактовой частоты. Например, квазитроичный код должен быть преобразован так, чтобы все импульсы имели одну и ту же полярность, в двухуровневом коде с импульсами, затянутыми на тактовый интервал, должна быть осуществлена замена данных импульсов на биимпульсы и так далее. На рисунке 4,а) показаны прямоугольные импульсы квазитроичного кода на передаче и их форма на приеме после коррекции искажений, а на рисунке 4,б - форма этих импульсов на выходе преобразователя кода ПК.Ограничитель амплитуд снизу ОАН, куда далее поступает сигнал, предназначен для увеличения скважности принимаемых импульсов. Это иллюстрируется рисунке4,в. Увеличение коэффициента скважности принимаемых импульсов приводит к увеличению в сигнале спектральной составляющей тактовой частоты. На рисунке 5показаны огибающие спектров сигнала до и после ОАН. Очевидно, что на выходе ОАН спектральная составляющая тактовой частоты имеет большую величину и, следовательно, ее выделение более надежно.Главным элементом ВТЧ является устройство с узкой полосой пропускания, которое, собственно, и выделяет из спектра сигнала составляющую тактовой частоты. Обычно это полосовой фильтр ПФ; на рисунке 4,г) приведена кривая на его выходе, далее сигнал поступает на ограничитель амплитуд сверху ОАВ, стабилизирующий амплитуду сигнала (см. рисунке 4,д).
Рисунок 4 - Форма сигнала в различных точках ВТЧ
Обычно ОАВ выполняется в виде резонансного усилителя, работающего в режиме отсечки сигнала сверху. Формирователь импульсов ФИ формирует импульсную последовательность (рисунке4,е), которая и используется для синхронизации генераторного оборудования приемной станции.Следует отметить, что ФИ характеризуется конечным порогом срабатывания ∆u, из-за чего формируемые импульсы оказываются смещенными во времени на случайные величины ∆t. Иными словами, формируемые импульсы «дрожат на оси времени, это явление носит название джиттера или вандера, если смещение происходит медленно.джипер приводит к увеличению числа ошибок на приеме, а вандер является источником шумов дискретизации в каналах ЦТС. Очевидно, что эти временные или, иначе, фазовые отклонения пропорциональны величине ∆u порога срабатывания ФИ и обратно пропорциональны скорости убывания амплитуд переходного процесса, возникающего при появлении в сигнале большого числа следующих друг за другом нулевых символов (большого пакета нулей). Скорость убывания амплитуд можно характеризовать периодом усреднения Nср фильтра, т.е. числом периодов отклика на единичный импульс, при котором амплитуда отклика убывает на порядок (на 20 дБ)
Nср=f0/∆f20
Здесь f0 средняя частота полосы пропускания ПФ (в данном случае равная тактовой частоте), а ∆f20- половина полосы пропускания фильтра на уровне —20 дБ. Например, в системе ИКМ-480 тактовая частота равна 34368 кГц, а полоса пропускания ПФ ВТЧ на уровне - 20 дБ составляет 17 кГц, что соответствует Nср≈4000. Такие большие пакеты нулей в сигнале практически не встречаются, что гарантирует устойчивую работу ВТЧ. К сожалению, величина джиттера определяется не столько скоростью убывания амплитуды выделенного сигнала, а сколько величиной смещения частоты выделяемого сигнала относительно средней частоты полосы пропускания фильтра. При этом за счет несимметричного выделения фильтром полос непрерывного спектра, примыкающих к синхросигналу (см. рисунок 5), последний приобретает квадратурную составляющую, т.е. оказывается модулированным по фазе. Это смещение практически всегда имеет место из-за изменения (в пределах допуска) частоты задающего генератора оборудования передачи. Поэтому полосу пропускания ПФ обычно выбирают относительно широкой; так, в системе ИКМ-480 допустимая абсолютная нестабильность тактовой частоты равна ±688 Гц, а полоса пропускания ПФ, как уже говорилось, составляет 17 кГц. Это на порядок больше величины, необходимой для захвата и удержания синхросигнала системой ФАПЧ ведомого генератора, смещение же тактовой частоты в этом случае не приводит к заметному нарушению симметрии боковых полос.
Рисунок 5 - Огибающие спектров сигнала
Формируемая на выходе ВТЧ импульсная последовательность используется не только для синхронизации задающего генератора генераторного оборудования, но и для управления решающими устройствами регенераторов. В дальнейшем будет показано, что в данном случае должна обеспечиваться возможность фазовой подстройки формируемой последовательности, т.е. ее сдвига в пределах тактового интервала. Это необходимо для того, чтобы решение о приеме импульсов сигнала принималось бы в тактовых точках, т.е. в моменты предполагаемых максимумов принимаемых импульсов. Такая подстройка может осуществляться или посредством аналогового фазового корректора ФК, или посредством линии задержки ЛЗ.
Контрольные вопросы.
1.Какой способ являетсясамым распространенным способом передачи синхронизирующего (хронирующего) сигнала в системах тактовой синхронизации.
2.Что предполагает цикловая синхронизация или выравнивание кадров?
3.Чем определяется величина джиттера?