Магистр ДонНТУ Бурховецкий Д.В. Исследование аналоговой ФАПЧ в цифровом канале связи
Header image  
   
line decor
 
line decor
    / Портал магистров ДонНТУ / Официальный сайт ДонНТУ
 
Магистр ДонНТУ Бурховецкий Денис Валерьевич  
Бурховецкий Денис Валерьевич

Факультет Компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра автоматики и телемеханики

Специальность Телекоммуникационные системы и сети

Тема выпускной работы «Исследование аналоговой ФАПЧ в цифровом канале связи»

Научный руководитель Воронцов Александр Григорьевич, д.т.н., профессор, профессор кафедры АТ

 

 
 
 

Реферат по теме выпускной работы магистра:

«Исследование и оптимизация режимов захвата аналоговых ФАПЧ для систем синхронизации ТКС»


Стремительное развитие цифровых систем коммутации и средств передачи информации привело к значительному возрастанию роли систем синхронизации в сетях телекоммуникаций.
В системах синхронизации часто используется система ФАПЧ, характеристики которой зачастую вносят наиболее весомый вклад в работу системы синхронизации.

Цель:

Усовершенствование структуры и оптимизация параметров аналоговой системы ФАПЧ, как ведомого синхрогенератора.

Задачи:

- Оценить значение и место систем синхронизации в современных телекоммуникационных сетях;
- Обосновать целесообразность использования аналоговой ФАПЧ в системах синхронизации;
- Выполнить сравнительный анализ методов и средств обеспечения захвата синхросигнала в аналоговых ФАПЧ;
- Внедрить улучшения в структурную схему сети и на модели в SystemView показать ее работоспособность и эффективность;
- Рассмотреть альтернативные решения, сопоставить с полученными до этого результатами и сделать вывод о целесообразности внедрения этих нововведений.

Научная новизна

Научная новизна данной работы заключается в реализации аналоговой ФАПЧ, содержащей нелинейность в цепи управления, а также всесторонний анализ поведения такой системы, как отдельного элемента, так и как составной части сети синхронизации.

Планируемый практический результат:

В результате выполнения данной работы планируется получить аналитические и экспериментальные данные для разработки рекомендаций по созданию аналоговой ФАПЧ для систем синхронизации телекоммуникационных сетей, также планируется получить работоспособную модель в пакете SystemView, который даст возможность для получения характеристик функционирования систем и сетей синхронизации и дальнейшей оценки их качества.

1. Системы синхронизации в современных телекоммуникационных сетях

Синхронизация - это средство поддержания работы всего цифрового оборудования в сети связи на одной средней скорости. Для цифровой передачи информация преобразуется в дискретные импульсы. При передаче этих импульсов через линии и узлы связи цифровой сети все ее компоненты должны синхронизироваться. Синхронизация должна существовать на трех уровнях: битовая синхронизация, синхронизация на уровне канальных интервалов и кадровая синхронизация.
Основной целью сетевой синхронизации является ограничение возникновения управляемых проскальзываний. Существуют две основных причины возникновения проскальзываний. Первая причина - отсутствие частоты синхронизации из-за потери связи между генераторами, приводящее к различию тактовых частот. Вторая причина - фазовые сдвиги либо в линиях связи ( такие, как джиттер и вандер), либо между первичным и ведомым генераторами. Последнее, т.е. фазовые сдвиги между частотами первичного генератора и приемника, как будет показано выше, являются основной причиной возникновения проскальзываний в сетях связи.
Проскальзывания, однако, не являются единственными сбоями, вызванными отсутствием синхронизации. Плохая синхронизация может привести к избыточному джиттеру и потере кадров при передаче цифровых сигналов.
Для синхронизации цифровых сетей используется несколько основных методов: плезиохронная работа, иерархическая работа приемника - передатчика, взаимная синхронизация, импульсное дополнение (стаффинг) и указатели.
Для синхронизации сетей E1/DS1 большинство администраторов телекоммуникационных сетей использует метод иерархического источника – приемника (ведущий - ведомый). Источником основного эталонного сигнала синхронизации 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).
Узел с наиболее стабильным генератором назначается узлом - источником. Узел – источник передает эталонную синхронизацию на один или более принимающих узлов. Рабочие характеристики принимающих узлов обычно такие же или хуже, чем у узла источника. Узел приемника захватывает эталонную частоту синхронизации источника и затем передает ее другим узлам приемника. Поэтому синхронизация распределяется вниз по иерархии узлов.
Наиболее важным требованием в генераторах приемника является возможность перестройки (реорганизации) сохранения синхронизации. Это объясняется тем, что генераторы приемника часто могут быть подвержены кратким прерываниям их эталонного сигнала синхронизации. Краткое прерывание обуславливает перестройку генератора. Перестройка определяется как переключение генератором его эталонного сигнала или внесение погрешности небольшой длительности.
Характеристики синхронизации в иерархической сети передатчика -приемника определяются тремя компонентами: погрешностью управляющего генератора, характеристиками устройств, распределяющих эталонный сигнал, и характеристиками генераторов приемника, получающего эталонный сигнал через эти устройства. Характеристики синхронизации в основном определяются комбинацией характеристик устройств распределения и генератора приемника. В реальных сетях генератор приемника, подсоединенный к управляющему генератору, будет работать с долговременной частотой, отличающейся от частоты управляющего генератора.
В системах синхронизации часто используется система ФАПЧ, характеристики которой зачастую вносят наиболее весомый вклад в работу системы синхронизации.
Петли синхронизации возникают, когда генератор использует для отслеживания свой собственный эталонный сигнал синхронизации. При возникновении таких петель, частота эталонного сигнала становится нестабильной. Генераторы в петле синхронизации медленно начнут работать с погрешностью полного диапазона генератора. Это приводит к тому, что генератор показывает характеристики во много раз хуже, чем в свободном режиме или в режиме удержания. Поэтому важно, чтобы поток эталонных сигналов синхронизации в сети разрабатывался бы таким образом, чтобы петли синхронизации не могли формироваться ни при каких обстоятельствах. Ни одна комбинация первичных и/или вторичных эталонных сигналов не должна привести к петле синхронизации. В правильно спланированной сети всегда можно избежать петель синхронизации.
Поддержание иерархии важно для достижения наилучших рабочих характеристик в сети. В идеальных условиях или в условиях стресса передача синхронизации с лучших на худшие генераторы оптимизирует рабочие характеристики.
Характеристики синхронизации будут всегда ухудшаться, т.к. синхронизация передается от генератора к генератору. Чем больше генераторов и оборудования в цепи синхронизации, тем больше будет накопленное ухудшение и тем больше частотный сдвиг. Каждое устройство будет добавлять ухудшения, на которые должны будут реагировать генераторы в цепи. Поэтому, для обеспечения наилучших характеристик цепи синхронизации должны оставаться короткими.

2. Целесообразность использования аналоговой ФАПЧ в системах синхронизации

Схема фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ часто приходится использовать в системах передачи данных по эфиру для синхронизации приемной и передающей аппаратуры.
ФАПЧ используется:
a) для устранения дрожания фазы (phase jitter) в системах передачи дискретной информации возникающая по краям цифрового сигнала;
б) для повышения чувствительности приемника;
в) для выделения тактовой частоты принимаемого сигнала;
г) для синхронизации приемной и передающей аппаратуры.
ФАПЧ производит коррекцию выделяемой тактовой частоты принимаемого сигнала в нужные моменты времени. ФАПЧ принимает решение о коррекции после определенного числа расхождений в большую или меньшую сторону. Если преобладают расхождения в меньшую сторону, то ФАПЧ удлиняет длительность формируемого сигнала. В противном случае ФАПЧ вставляет дополнительный укороченный импульс. Таким образом происходит синхронизация и выделение тактовой частоты из принимаемого сигнала.
Могут применяться как аналоговые так и цифровые ФАПЧ. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки, которые мы и попытаемся объединить, создав более универсальную систему.
Система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) представляет собой широко используемый своеобразный узел, который выпускается некоторыми фирмами в виде отдельной ИМС. ФАПЧ содержит фазовый детектор, усилитель и генератор, управляемый напряжением (ГУН), и представляет собой сочетание аналоговой и цифровой техники.
Существует традиционное предубеждение против ФАПЧ, которое отчасти связано со сложностью реализации ФАПЧ на дискретных компонентах, а отчасти основано на мнении, что ФАПЧ не может достаточно надежно работать. Однако появление в настоящее время большого числа недорогих и простых в использовании устройств ФАПЧ позволяет быстро устранить первое препятствие для их широкого применения. Если устройство ФАПЧ правильно спроектировано и используется не на предельных параметрах, оно является таким же надежным схемным элементом, как операционный усилитель или триггер.

анимация

  Рисунок 1 - Схема фазовой автоподстройки частоты (анимация 5 кадров по 90 мс - 16 кВ)

Классическая схема ФАПЧ приведена на рис.1. Фазовый детектор сравнивает частоты двух входных сигналов и генерирует выходной сигнал, который является мерой их фазового рассогласования (если, например, они различаются по частоте, то будет формироваться периодический выходной сигнал разностной частоты). Если частоты fвх и fгун не равны друг другу, то сигнал фазового рассогласования после фильтрации и усиления будет воздействовать на ГУН, приближая частоту fгун к fвх. В нормальном режиме ГУН быстро производит «захват» частоты fвх, поддерживая постоянный фазовый сдвиг по отношению к входному сигналу.
Выход ГУН формирует сигнал с частотой fвх; при этом он представляет собой «очищенную» копию сигнала fвх, который сам по себе может быть подвержен воздействию помех. Поскольку выходной периодический сигнал ГУН может иметь любую форму треугольную, синусоидальную и т. п.), это дает возможность формировать, скажем, синусоидальный сигнал, синхронизированный с последвательностью входных импульсов.
Часто в схемах ФАПЧ используют счетчик по модулю n, включенный между выходом ГУН и фазовым детектором. При помощи этого счетчика получают частоту, кратную входной опорной частоте fвx. Это удобно для формирования тактовых импульсов, с целью синхронизации системы.
В работе был проведен эксперимент, в ходе которого мы сравнивали качество работы цифровой и аналоговой ФАПЧ при разном уровне помех. До определенного уровня помех цифровая ФАПЧ работает лучше аналоговой и в случае с небольшими шумами дает нулевую ошибку. Но затем, при дальнейшем увеличении помех - число ошибок резко возрастает и система вскоре становится неработоспособной. В то время, как аналоговая ФАПЧ продолжает работать, и количество ошибок от уровня шума зависит практически линейно (рис.2.)

zavisimost ot wuma

Рисунок 2 - Зависимость вероятности ошибки в цифровой и аналоговой ФАПЧ

Этот эксперимент подтверждает гипотезу о том, что аналоговая ФАПЧ лучше работает при сильных помехах.

3. Разработка структуры аналоговой ФАПЧ с нелинейностью в цепи управления.

Обычным системам ФАПЧ свойственно противоречие между расширением полосы захвата и повышением их фильтрующей способности. Действительно, сужая полосу про­пускания фильтра в цепи управления и уменьшая полосу удержания, можно значительно увеличить фильтрующую способность системы. Однако при этом, как было ранее показано, неизбежно снижается полоса захвата.

Сущность указанного метода расширения полосы захвата состоит в использовании различия уровней переменной составляющей сигналов на выходе фазового детектора в режиме биений и в режиме удержания при слабой помехе. В этом случае фильтрующую способность системы для слабой помехи можно значительно увеличить (без снижения полосы захвата), если построить фильтр таким образом, чтобы при сильном сигнале (в режиме биений) он имел широкую полосу, а при слабом сигнале (в режиме удержания) — узкую. Это условие можно реализовать в различных схе­мах фильтра. В частности, Ю. В. Эльтерманом предложена схема однозвенного интегрирующего фильтра (рис. 3), состоящая из обычного линейного конденсатора и нелинейного резистора.
Нелинейный резистор, как видно из рис.3, состоит из параллельно соединенных линейного резистора и двух включенных навстречу друг другу диодов Д1 и Д2 с источниками запирающего смещения U1 и U2. Регулируя величину запирающего смещения, можно изменять длину линейного участка вольтамперной харак­теристики нелинейного сопротивления.


shema
Рисунок 3 - Схема  нелинейного            Рисунок 4 - Вольтамперная ха-
RС-фильтра                                        рактеристика       нелинейного
                                                                  элемента

Нелинейный интегрирующий фильтр может быть выполнен с помощью линейного сопротивления  и  нелинейной  емкости.
Опишем систему математически, заменив нелинейный участок схемы нелинейным сопротивлением и добавив в систему R1 и Rнг. Для упрощения расчетов будем учитывать мгновенное сопротивление Rнел.

4

Рисунок 6 - Схема  нелинейного RС-фильтра          

                                  
                 -iвх+ic+iвых=0
                 R1iвх+Uнел(iвх)+Uc(ic)=Uвх
                 Uвых-Uc=0
Нелинейный элемент имеет ВАХ:

nelineinui filter
Рисунок 7 - ВАХ нелинейного элемента

Проведя касательную к рабочей точке, мы можем увидеть, что на определенном участке кривая и касательная имеют приблизительно равный угол наклона, поэтому и значение Rнел  будет приблизительно равным и при рассмотрении кривой и при рассмотрении касательной. Поэтому на этом участке нелинейный элемент мы можем заменить двумя линейными элементами. Причем эта замена будет эквивалентной.


shema
Рисунок 8 -Замена нелинейного элемента


Тогда по 2-му закону Кирхгофа:
(Rнел+R1)* iвх +Uвых +U0=Uвх

Создадим метасистему, (в дальнейшем будем называть ее модуль 1), которая имитирует преобразование входного напряжения  в выходное.

realisation


Рисунок 9 - Реализация нелинейного преобразования напряжения в цепи управления ФАПЧ

Модуль 1 был интегрирован в исходную схему ФАПЧ и проведено исследование зависимости вероятности ошибочной передачи сигнала от уровня шума в первоначальной схеме ФАПЧ ( Р(0)) и схеме ФАПЧ с модулем 1( Р'(0)).  Была получена следующая зависимость:

zamena
Рисунок 10 - Зависимость вероятности ошибки от уровня шума

Как видим в среднем система с нововведениями дает выигрыш в среднем 150-200%.
Если сравнить с результатом первоначальной схемы аналогового ФАПЧ, который при STD deviation шума=3 давал вероятность ошибки=22%. В новой системе при STD deviation шума=3 вероятность ошибки=12%. А при шуме STD deviation=4 система работоспособной была лишь в теории с погрешностью приема=36%, в системе с модулем 1 – вероятность ошибочного приема же 22%. Цифровая система же не работала уже при STD deviation=3.
Также была исследован другой вариант реализации нелинейности - с помощью блока с зоной нечувствительности. При сравнении 2-х систем ( с существенной нелинейностью и с модулем 1  было выявлено, что время захвата системы дают практически одинаковое, но в плане помехоустойчивости лучше схема с модулем 1 (в 1,5 -2 раза), поскольку схема с существенной нелинейностью ослабляет мощность проходящего сквозь нее сигнала и перестраивается довольно вяло
В дальнейшем планируется:
1. Довести до конца исследования  систем ФАПЧ с существенной нелинейностью и с модулем 1.
2. Оформить все результаты в выпускной работе магистра.

Литература:

1. Шахгильдян В.В., Ляховкин А.А. Системы фазовой автоподстройки частоты. М., Связь, М.: Радио и связь, 1989. - 320 с.

2. Скляр Б. Цифровая связь. М.: Издательский дом "Вильямс", 2003 г. - 1104 с.

3. Уильрих Л. Роде. Синтезаторы для микроволновых средств и беспроводной связи Издательский дом Wiley-Interscience 1997г. - 656 с.

4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т.т. 1-2. - М,: Мир, 1986. — 590 с.

5. Статья компании Hewlett Packard «Синхронизация телекоммуникационных сетей», 1995 г.

6. Морозов Г. Проблемы тактовой синхронизации цифровых местных телефонных сетей. Журнал «Радио», номер 11, 1999г.

7. Келин Т., Супонников Д. Характеристики цифровой системы ФАПЧ Журнал Радио №9 2002г.

8. Бесекерский, В.А. Теория систем автоматического управления; СПб. : Профессия, 2003 г. - 977с.

9. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Москва, Издательство «Высшая школа», 1996 г. – 638 с.

10. Жодзишский М.И., Сила-Новицкий С.Ю., Прасолов В.А. Цифровые системы фазовой синхронизации - М.: Сов. радио, 1980 г. - 208 с.

11. Поляков В., г. Москва УКВ ПРИЕМНИК С ФАПЧ // журн. Радио 9, 1979г., с.33-34 URL: http://www.diagram.com.ua/list/pr-979.shtml (дата обращения: 17.06.2010)

Примечание: данный автореферат не является окончательной версией автореферата выпускной работы магистра, т.к. завершение исследований по теме магистерского проекта планируется до 31.12.2010