Содержание к диссертации
Введение
Анализ развития цифровых телекоммуни кационных систем и концептуальные основы их технической эксплуатации 13
Тенденция развития и концепция ТЭ современных цифровых телекоммуникационных систем 13
Анализ методов ТЭ высокоскоростных ЦСП 24
1 Общие положения 24
2 Методы обнаружения неисправности 24
3 Способы и системы переключения на резерв 29
4 Методы локализации неисправностей 32
5 Методы и системы телеуправления, телесигнализации и служебной связи 35
Особенности ТЭ ВОСП на базе ЦСП 41
Выводы 49
Теоретические основы методов технической эксплуатации высокоскоростных ЦСП и ВОСП 54
Разработка и исследование математической модели восстановления объекта технической эксплуатации 54
Исследование влияния условий ТЭ и места размещения технического персонала на коэффициент простоя
Оптимизация проектирования современных ВОСП по критерию надежности 88
Разработка методов ТЭ высокоскоростной ЦСП и ВОСП 100
Выводы 111
3 Исследование элементной базы и схемотехнических решений для средств технической эксплуатации высокоскоростных ЦСП 115
3.1 Исследование элементной базы для средств ТЭ высокоскоростных ЦСП 115
3.1.1 Развитие аппарата исследования и анализа полупроводниковых переключающих схем наносекундного диапазона 115
3.1.2 Исследование и анализ полупроводниковых переключающих схем наносекундного диапазона 127
3.2 Исследование и разработка схемотехнических решений для средств ТЭ высокоскоростных ЦСП 138
3.2.1 Исследование и разработка схем формирования и регулировки параметров импульсов на транзисторах и ДНЗ 138
3.2.2 Разработка и анализ многофункциональных схем на транзисторах, ДНЗ и ТД 145
3.2.3 Исследование и разработка схем линейного заряда емкости для широкодиапазонной регулировки параметров импульсов 154
3.3 Выводы 161
4 Разработка средств и нормативной базы для технической эксплуатации высокоско ростных ЦСП и ВОСП 166
4.1 Разработка и анализ способов и средств генерирования испытательных сигналов 166
4.2 Разработка средств измерения верности передачи, переключения на резерв и дистанционного контроля 175
4.3 Создание и развитие нормативной базы для ТЭ современных цифровых телекоммуникационных систем 184
4.3.1 Общая характеристика нормативной базы 184
4.3.2 Особенности нормирования измерения и контроля параметров оптического стыка ВОСП 187
Стандартизация терминов и определений 196
Выводы 200
Заключение и основные результаты 203
Литература 207
- Методы и системы телеуправления, телесигнализации и служебной связи
- Оптимизация проектирования современных ВОСП по критерию надежности
- Исследование и анализ полупроводниковых переключающих схем наносекундного диапазона
- Разработка средств измерения верности передачи, переключения на резерв и дистанционного контроля
Введение к работе
Возрастающее значение информации в разных сферах народного хозяйства и ее растущий объем определяют необходимость развития и совершенствования средств связи. Цифровизация средств электросвязи и сети в целом является одним из важных направлений совершенствования средств связи и позволяет успешно решать многие задачи, стоящие перед отраслью. Уже с появлением первых поколений цифровых систем передачи (ЦСП) на всех этапах их создания (от научно-исследовательских работ до внедрения на сети) важное значение имела разработка методов и средств их технической эксплуатации (ТЭ), направленная на повышение качества и надежности их функционирования при минимуме затрат.
Известен целый ряд работ, посвященных ТЭ и повышению надежности функционирования цифровых систем и сетей (работы В.Г. Бондаренко, В.Н. Гордиенко, В. А. Нетеса, К. А. Брусиловского, А.И. Маматова, Н.С. Кутинова, С.С. Литвака и др.), а также целый ряд отечественных и зарубежных разработок методов и средств ТЭ, в которых решаются отдельные аспекты проблем, связанных с повышением качества функционирования цифровых телекоммуникационных систем либо без учета особенностей ТЭ и возможностей современных средств электросвязи, либо без учета различных стратегий их восстановления.
Развитие рынка предоставления услуг связи привело к востребованию увеличения скорости передачи в цифровых сетях, что обусловило необходимость создания более высокоскоростной элементной базы для ЦСП и средств их ТЭ.
Существует ряд отечественных и зарубежных работ, посвященных исследованию высокоскоростной элементной базы (работы М.А. Ананяна, Ю.Р. Носова, Д.Ю. Эйдукаса, А.С. Сидорова, В.Ф. Чжоу, Молла, Кракауэра, Гамильтона, Фрииса, Джонстона, Ферендеси, Станчи, Дэвидсона и др.), в которых использованы традиционные методы анализа, не позволяющие в полной степени оценить возможности применения элементной базы при создании средств ТЭ высокоскоростных ЦСП.
Особое место среди полупроводниковых приборов занимает диод с накоплением заряда (ДНЗ), важным качеством которого является способность к формированию перепадов длительностью от долей до единиц наносекунд в широком динамическом диапазоне (единицы -десятки вольт). Существенным свойством ДНЗ является возможность прецизионного регулирования в больших пределах длительности фазы высокой обратной проводимости, что свидетельствует о его способности
работать в режиме нелинейного накопительного элемента, обладающего сравнительно большой емкостью накопления и малым временем восстановления. В сочетании с другими полупроводниковыми приборами, транзисторами и туннельными диодами, ДНЗ позволяет строить оригинальные импульсные устройства, сочетающие простоту, универсальность и высокое быстродействие. Эти устройства, как правило, входят в состав сложных вычислительных и радиотехнических комплексов и используются при построении различных классов импульсной аппаратуры, в том числе аппаратуры высокоскоростных ЦСП и средств их технической эксплуатации.
Однако, вопросы, связанные с разработкой, анализом и расчетом быстродействующих импульсных устройств на ДНЗ, являлись недостаточно изученными, что затрудняло их широкое применение. Практически не существовало методики расчета данного класса устройств. Параметры схем выбирались зачастую без достаточного обоснования, исходя только из самых общих соображений и опыта разработчика. Диоды с накоплением заряда применялись в схемах лишь в качестве обострителей, то есть использовалась только их способность к резкому восстановлению обратного сопротивления.
Диалектика развития высокоскоростных ЦСП предполагает наряду с совершенствованием элементной базы, создание новых средств ТЭ, обеспечивающих разработку и внедрение аппаратуры ЦСП. Основными и наиболее актуальными из этих средств стали измерители коэффициента ошибок (ИКО) и генераторы испытательных сигналов, т.е. генераторы импульсов и импульсных последовательностей с независимой и раздельной регулировкой целого ряда параметров.
Немаловажной были и задачи создания системы и средств переключения на резерв для высокоскоростных ЦСП, а также для первых поколений В ОСП и организация каналов передачи служебной информации по информационным оптическим волокнам, позволяющей осуществлять дистанционный контроль за работой аппаратуры в промежуточных пунктах и обеспечить канал служебной связи для эффективной работы технического персонала в процессе ТЭ.
Увеличение пропускной способности новых поколений ЦСП и ВОСП, т.е. значительный объем потерь информации в случае их простоя, привели к ужесточению требований к качеству их функционирования, т.е. к необходимости совершенствования методов их ТЭ, разработке и внедрению более современных алгоритмов восстановления ОТЭ.
При этом действия ремонтно-восстановительных бригад (РВБ) во время восстановительных работ наиболее трудно поддаются автоматизации и существенно (через время восстановления функционирования) влияют на показатели надежности линий передачи.
Особенности ВОСП, с точки зрения обслуживания РВБ, следующие. С одной стороны, большая длина участка регенерации ВОСП (до 100 км и более) приводит к повышению безотказности системы (меньше требований о неисправности оборудования), с другой стороны - к ухудшению показателей ремонтопригодности. Ухудшение ремонтопригодности связано с увеличением времени подъезда для проведения измерений с концов участка регенерации при неисправности оптического кабеля (ОК).
Трудности обеспечения требуемых показателей безотказности комплектующих изделий отечественной промышленностью для первых поколений ВОСП, расчетное время восстановления ОК 10 часов, значительно превышающее время восстановления симметричного и коаксиального кабеля (соответственно 4 и 5 часов) определили тем более важной задачу обеспечения надежности с помощью рациональной организации восстановления функционирования ВОСП с помощью РВБ.
Вопросам восстановления функционирования систем передачи с помощью РВБ посвящен целый ряд работ, но в них либо не учитывается начало восстановления в предотказовом состоянии, либо ограничиваются экспоненциальным или детерминированным законом распределения времени восстановления, либо не учитывается приоритет отказовых состояний перед предотказовыми в процессе обслуживания и возможность перехода предотказового состояния в отказовое, не проводится анализ влияния мест размещения РВБ при неравномерной функции распределения интенсивности отказов на магистральной или внутризоновой линии передачи. Кроме того, не учитывается влияние условий эксплуатации. Это обусловило необходимость решения задачи выбора оптимальной стратегии восстановления (С) функционирования ВОСП, учета условий эксплуатации (У) при обслуживании, учета оптимального места размещения подвижной бригады (М) по критерию оптимизации комплексного показателя надежности - коэффициенту простоя (Кп). Другими словами, задача исследования сводится к определению нижней границы (inf) Кп:
к1=т/Кп[С,Уг,М] С є Пс;
У і є Оу; М є DM,
где: С - стратегия восстановления функционирования ВОСП; Д. - множество стратегий восстановления;
У і - условия технической эксплуатации /= 1, п;
2у — множество условий эксплуатации;
М- место размещения РВБ на линии передачи;
2М—множество мест размещения РВБ на участке линии передачи.
Наиболее естественно для определения Кп как вероятностной характеристики функционирования ВОСП является применение теории массового обслуживания. Действительно, так как число элементов ВОСП (ОТЭ) много больше, чем число РВБ, то возможно возникновение очереди из требований на восстановление. В отличие от теории оптимизации, главное значение в которой имеет максимум или минимум функции цели при наложенных ограничениях, основной чертой теории массового обслуживания является математическая формализация процесса. Полученные в результате формализации показатели могут быть сравнены для различных стратегий восстановления и вьїбрана лучшая.
Целью исследования является разработка научно-обоснованных положений и технических решений для создания методов и средств технической эксплуатации высокоскоростных ЦСП, направленных на повышение качества и надежности их функционирования путем рациональной организации технической эксплуатации ЦСП и создания надежных и эффективных средств их ТЭ.
Для достижения этой цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
- анализ и разработка методов ТЭ высокоскоростных ЦСП и ВОСП;
- разработка и исследование математической модели восстанов
ления ОТЭ, выбор оптимальной стратегии восстановления;
- исследование влияния условий ТЭ и места размещения
технического персонала на параметры надежности;
- исследование элементной базы и разработка схемотехнических
решений для средств ТЭ высокоскоростных ЦСП;
- разработка средств ТЭ высокоскоростных ЦСП.
- разработка концептуальных основ и нормативной базы ТЭ
цифровых телекоммуникационных систем.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1 Проведен анализ тенденций развития и сформулирована концепция ТЭ современных цифровых телекоммуникационных систем. Проведен анализ методов обнаружения и локализации неисправностей, переключения на резерв и передачи сигналов (телеуправления-телесигнализации и служебной связи). Исследованы методы создания средств ТЭ для генерирования испытательных сигналов, измерений ошибок, переключения на резерв и передачи служебных сигналов в высокоскоростных ЦСП. Предложен способ ТЭ высокоскоростных ЦСП на участке переключения магистрали, основанный на поочередном переключении каждого из п трактов передачи на резерв до выхода из строя, и позволяющий, во-первых, увеличить скорость передачи полезной информации путем уменьшения избыточности в передаваемой
по трактам передачи информации, во-вторых, повысить надежность технической диагностики посредством использования для контроля всей информационной емкости тракта передачи, и, в третьих, упростить практическую реализацию системы технической диагностики.
2 Разработана и исследована математическая модель
восстановления ОТЭ с помощью подвижной ремонтно-
восстановительной бригады (РВБ) по критерию качества
функционирования. Рассмотрены различные стратегии при отказе и в
предотказовом состоянии при произвольной функции распределения
времени восстановления и проведен выбор оптимальной стратегии.
Получены расчетные выражения для коэффициентов простоя ОТЭ,
соответствующие оптимальной и традиционной стратегиям
восстановления.
Исследованы влияния условий ТЭ и места размещения РВБ на выбранные показатели качества функционирования для оптимальной стратегии восстановления с учетом приоритета неисправностей и конкретной функции распределения времени восстановления.
3 В процессе исследования элементной базы и разработки
схемотехнических решений для средств ТЭ высокоскоростных ЦСП:
- создан и развит новый аппарат исследования переходного
процесса переключения диода с накоплением заряда (ДНЗ), основанный
на методе анализа баланса зарядов в базе, получены более точные
выражения для длительностей фаз высокой обратной проводимости t} и
восстановления обратного сопротивления диода t2, произведена оценка
зависимости длительностей фаз tj и t2 от параметров различных по
форме переключающих сигналов и от задержки включения запирающего
сигнала относительно момента выключения прямого, проведен анализ
работы ДНЗ при воздействии сигнала синусоидальной формы на основе
развитого аппарата исследования, рассмотрен вопрос о влиянии
паразитных параметров ДНЗ на длительность фазы t};
- предложена физическая модель ДНЗ, достаточно полно
отражающая физические процессы при его работе в режиме
переключения, и определена совокупность физических параметров ДНЗ,
необходимых для анализа переходных процессов методом баланса
заряда, введены новые физические параметры у и Я, характеризующие
соответственно интенсивность процесса рекомбинации в зависимости от
величины накопленного заряда в базе, и резкость восстановления
обратного сопротивления ДНЗ, исследованы вопросы
экспериментального определения этих физических параметров простыми и достаточно точными средствами.
В первом разделе на основании анализа методов ТЭ высокоскоростных ЦСП определен необходимый перечень операций и средств для организации ТЭ в процессе функционирования ЦСП.
Отмечены особенности организации ТЭ для кабельных, волноводных и волоконно-оптических ЦСП. Дана характеристика совершенствования средств электросвязи на современном этапе развития, отмечено, что новая техника связи - это, как правило, высокоскоростные ЦСП на оптическом кабеле с высоким уровнем программного обеспечения. Сформулированы основные положения концепции технической эксплуатации современных телекоммуникационных систем и сделан важный вывод о том, что для ЦСП характерна в процессе ТЭ возможность фиксации предотказового состояния без прекращения связи. Во втором разделе изложены теоретические основы методов технической эксплуатации высокоскоростных ЦСП, включая их разработку, а также исследование математической модели восстановления ОТЭ. Проведен выбор оптимальной стратегии восстановления, основанной на фиксации предотказового состояния ОТЭ. Исследовано влияние условий ТЭ на качество функционирования ОТЭ при оптимальной стратегии восстановления и разработаны рекомендации по оптимальному пректированию волоконно-оптических линий передачи на базе высокоскоростных ЦСП, в том числе, и на перспективу исходя из требуемых норм на показатели надежности.
Третий раздел посвящен исследованию высокоскоростной элементной базы. Изложены результаты теоретического и экспериментального исследования работы перспективных в силу своих свойств полупроводниковых приборов как основы создания средств ТЭ высокоскоростных ЦСП, включая, исследование переходного процесса переключения диода с накоплением заряда, трехстабильного эффекта туннельного диода, шунтированного емкостью, и развитие аппарата исследования и инженерного расчета схем этих приборов. Проведен анализ работы схем формирования и регулировки основных параметров импульсов на транзисторах и ДНЗ, а также на основе линейного заряда емкости с учетом процессов накопления и рассасывания зарядов в их базах на основе развитого аппарата исследования. Получены расчетные выражения для всех регулируемых временных параметров.
В четвертом разделе рассмотрены результаты разработки средств и ряда контрольно-измерительных приборов, реализующих различные операции ТЭ кабельных, волноводных и волоконно-оптических высокоскоростных ЦСП: тестирование аппаратуры и трактов, обнаружение локализации неисправности, переключение на резерв, измерение коэффициента ошибок, передача сигналов телеконтроля и телесигнализации. Изложены результаты разработки ряда нормативных документов отрасли связи по ТЭ цифровых телекоммуникационных систем.
В приложениях приведены акты о внедрении результатов исследований и разработок.
Методы и системы телеуправления, телесигнализации и служебной связи
Одной из особенностей операции обнаружения ошибок в тракте передачи на участке переключения является то, что выявление ошибок происходит по рабочему сигналу за счет заранее введенной в передаваемый сигнал избыточности. Это позволяет обнаруживать неисправность в тракте передачи без перерыва связи.
Другой особенностью является то, что измерения проводятся в ОРП, когда многопозиционный, многоуровневый или слишком высокоскоростной сигнал может быть разделен на несколько простых цифровых потоков более удобных для измерения.
Большое распространение в кабельных линиях связи получил метод обнаружения неисправности подсчетом числа нарушений свойства кода на выходе решающего устройства регенератора. Применение специальных кодов передачи позволяет ограничить число подряд следующих токовых или бестоковых посылок, уменьшить межсимвольную интерференцию, улучшить энергетический спектр передаваемого сигнала, что приводит в конечном счете к увеличению надежности работы цифрового тракта в целом.
Чем больше вводимая избыточность, тем большими возможностями обладает выбираемый тип кода передачи с точки зрения увеличения помехозащищенности передаваемого сигнала и способности обнаруживать, а в ряде случаев и исправлять, неисправности. Но, с другой стороны, как правило, чем больше избыточность, тем выше скорость передачи цифровых сигналов в линейном тракте, т.е. меньше проектная длина участка регенерации ЦСП на кабелях с металлическими жилами. Кроме того, чем больше избыточность, тем более сложны, а следовательно менее надежны при высоких скоростях работы, устройства кодирования и декодирования. Поэтому в каждом конкретном случае при проектировании цифровой системы передачи применяют тот или иной код, исходя из конкретных решаемых задач и условий их решения.
Наиболее простым из широко впервые применяемых являлся код AMI (квазитроичный). Двоичная (бинарная) последовательность импульсов в коде AMI преобразуется в биполярную таким образом, что каждый следующий импульс (тактовая посылка) меняет полярность. Этот код обладает хорошим энергетическим спектром, допускает контроль ошибок (по нарушениям биполярности), наиболее просто реализуется технически. Единственный существенный недостаток кода - это невозможность ограничения числа подряд следующих бестоковых посылок. Поэтому исторически при развитии цифровых систем связи велись поиски других типов кодов. Наиболее простой из предложенных после AMI кодов явились парноселективный код PST, который позволяет ограничить количество бестоковых посылок. При этом передаваемая двоичная последовательность представляется в виде пар (сочетаний токовых и бестоковых посылок), а затем преобразуется в биполярную последовательность. Применение этого кода позволило решить следующие три проблемы: - ухудшение временной характеристики выделителя тактовой частоты регенератора при большом количестве подряд следующих бестоковых посылок (увеличение фазового дрожания); - снижение диапазона детектирования (регенерации) полезного сигнала из-за флуктуации постоянной составляющей сигнала; - необходимость контроля за интенсивностью ошибок в процессе работы линии связи. Позднее были предложены более универсальные коды типа B6ZS и СНДВга, ограничивающие определенное число подряд следующих бестоковых посылок в цифровом информационном потоке. Причем, коды СНДВи, называемые совместимыми высокой плотности биполярными (эти коды - усовершенствованный вариант НДВ кодов), для равного числа п допустимых подряд следующих бестоковых посылок (нулей) имеют ряд преимуществ по сравнению с PST и B6ZS, в том числе из-за более простых схем кодирования, декодирования и лучшего разрешения при контроле ошибок.
При создании высокоскоростных ЦСП (несколько сотен Мбит/с и выше) весьма актуальной становится необходимость использования наиболее простых кодов, так как в противном случае сложность технической реализации преобразователей кодов может оказать существенное влияние на снижение надежности цифровых трактов передачи в целом. С этой точки зрения практический интерес представляет использование кода AMI со скремблированием. Скремблирование - это процесс логического преобразования передаваемой импульсной последовательности с целью придавання ей случайного характера. Скремблирование позволяет улучшить статистические свойства передаваемого цифрового сигнала:" снизить фазовое дрожание, уменьшить вероятность появления в сигнале больших посылок подряд следующих нулей или единиц и т.д.
Наиболее распространен метод скремблирования путем логического сложения информационной последовательности с некоторой периодической последовательностью с периодом, равным периоду повторения кадров. Обычно при этом применяют псевдослучайные М последовательности.
Простейшие генераторы псевдослучайных последовательностей с длиной слова M=2N - 1 представляют собой N разрядный регистр со схемой логического сложения сигналов на выходах двух различных разрядов регистра. Поэтому иногда говорят, например, об N каскадном скремблере.
Как показывают результаты проведенных исследований, эффект уменьшения фазового дрожания и вероятности ошибок с ростом числа каскадов скремблера достигается уже при 7V=3. Рост приводит к незначительным аппаратным затратам, но при очень большом числе N неизбежно возникнут трудности достижения схемой скремблера требуемого быстродействия. Поэтому практически первоначально выбирали число каскадов скремблирования в пределах: 5 N 7.
Подавление фазового дрожания является не единственным преимуществом скремблирования. В случае применения скремблирования величина систематического фазового дрожания не зависит от свойств источника информационного сигнала, т.е. условия возникновения фазового дрожания близки к случаю передачи случайного сигнала ри скремблировании. Кроме того, вероятность появления бестоковых посылок в передаваемом сигнале практически равна вероятности появления токовых посылок, поэтому вероятность появления ошибки (сбоя) из-за больших последовательностей нулей крайне низка.
Таким образом, скремблирование позволяет исключить недостаток, присущий коду AMI, а устройства кодирования и декодирования получаются более простыми, быстродействующими и надежными.
Другим преимуществом скремблирования является возможность диагностики тракта передачи, находящегося в резерве, и уменьшение времени переключения на резерв. Действительно, на передающем конце каждого тракта передачи (в том числе и резервного) имеется скремблер. В то время, когда по какому-либо тракту не передается информация, скремблер действует как генератор псевдослучайных сигналов, которые и передаются по этому тракту. При помощи этих псевдослучайных сигналов может быть осуществлен непрерывный контроль тракта, находящегося в резерве, измерением вероятности ошибки в условиях, близких к реальным.
Оптимизация проектирования современных ВОСП по критерию надежности
Кроме того, отличием одномодовых ОВ от многомодовых является и то, что предельная длина по скорости передачи зависит не только от параметров среды (хроматическая дисперсия), но и от параметров аппаратуры (ширина спектра оптического излучения). Таким образом, на том же типе ОК, при той же длине скорость передачи в оптическом волокне может быть увеличена заменой аппаратуры (с другим источником излучения).
Такие ВОЛП уже имеют более долгосрочную перспективу. Целесообразность прокладки ОК с резервными ОВ имеет несколько М аспектов. Во первых, это запас по пропускной способности ВОЛП на перспективу развития, так называемый пространственный способ уплотнения информации. При этом, как показывают расчеты, увеличение числа ОВ в ОК в 10 раз приводит к увеличению затрат на сооружение ВОЛП всего на 20%. Во-вторых, это эффективное использование резервных ОВ для увеличения надежности функционирования ВОЛП. При этом резервные ОВ могут" быть использованы: 1) для замены рабочих, если их параметры в процессе прокладки или эксплуатации вышли за допустимые пределы; 2) для организации переключения на резервный линейный тракт для ВОЛП ПЦИ или на резервную мультиплексную секцию для ВОЛП СЦИ; 3) для обнаружения и локализации причин постепенно развивающихся отказов без перерыва связи подключением оптического рефлектометра к резервным ОВ, если эти причины являются общими для всех ОВ в ОК (например, в случае перегибов в ОК из-за смещения грунта, повреждения соединительной муфты и т.д.). Целесообразность применения более высокоскоростной аппаратуры окончания линейного тракта (АЛТ) по сравнению с требуемой пропускной способностью легко поясняется примером на рисунке 2.20 для случая проектирования системы ИКМ-120 на ОК. Для простоты на рисунке изображено одно направление передачи. В первом варианте (рисунок 2.20а) для этого используется только АЛТ для передачи цифрового потока Е2 (АЛТ-2), во втором варианте (рисунок 2.206) для этого используется уже АЛТ для передачи цифрового потока ЕЗ (АЛТ-3) и дополнительно комплект третичного временного группообразования (ТВГ). На первый взгляд значительные дополнительные аппаратные затраты во втором варианте тем не менее приводят к увеличению затрат в целом на сооружение ВОЛП всего на 0,5...1,0%. Зато получаем огромный выигрыш при необходимости увеличения скорости передачи в перспективе. Практически, это не связано ни с какими дополнительными затратами и не приводит к перерыву связи. В первом же варианте для увеличения пропускной способности еще на один поток Е2 потребуется либо установка еще одного комплекта аппаратуры АЛТ-2 и, главное, занятие дополнительных ОВ в ОК (при их наличии), что резко снизит эффективность вложенных капитальных затрат на сооружение ВОЛП, либо переход ко второму варианту, но эти работы будут связаны уже с перерывом связи. Целесообразно ориентироваться на применение аппаратуры с большей пропускной способностью и при проектировании ВОЛП СЦИ. Синхронный мультиплексор СТМ-16 дороже по стоимости мультиплексора СТМ-4 всего на 30 - 40 %, что опять же приведет к увеличению затрат в целом на сооружение ВОЛП всего на несколько процентов. Однако дополнительная пропускная способность аппаратуры СЦИ до того, как будет востребована необходимостью увеличения скорости передачи в перспективе, может быть эффективно использована, как это уже отмечалось выше, для увеличения надежностных показателей применением резервирования в подсети [6, Ю]. При проектировании ВОЛП рекомендуется также ориентироваться на [128]: 1) организацию однопролетных ВОЛП на местных первичных сетях; 2) организацию однопролетного участка ВОЛП между двумя соседними сетевыми узлами на внутризоновых и магистральной первичных сетях, применяя для этого, при необходимости, оптические усилители; 3) гибкое использование в. зависимости от назначения и возможностей различных способов уплотнения информации: временного, спектрального и пространственного. Действительно, современный уровень компонентов ВОСП позволяет при организации соединительных линий на местных первичных сетях, на достаточно дешевой и компактной АЛТ с применением источников излучения первого поколения лазеров Фабри-Перо перекрывать одним пролетом все возможные протяженности при работе в том или ином окне прозрачности.
Сегодня, большинство изготовителей АЛТ, ориентируясь на рынок средств связи, выпускают, как правило, целое семейство АЛТ в едином конструктиве, но разной стоимости в зависимости от перекрываемого затухания (длины участка регенерации от 10 до 150 км), что приводит к большей гибкости по его применению на сети операторами связи.
Появление оптических усилителей и их применение в составе АЛТ позволило увеличить предельную длину участка регенерации более чем в 2 раза, т.е. появилась возможность в большинстве случаев проектировать трассу ВОЛП на внутризоновых и магистральной первичных сетях через сопутствующие сетевые узлы без необслуживаемых регенерационных пунктов.
Это позволяет избежать не только проблемы электропитания необслуживаемого регенерационного пункта, но и необходимости его охраны от несанкционированного доступа.
Что касается гибкого использования различных способов уплотнения информации (увеличения пропускной способности ВОЛП), то это связано с оптимизацией состава технических средств ВОЛП при развитии на перспективу.
Традиционно при проектировании ветви связи на перспективу (по пропускной способности) весь период развития разбивается на отдельные этапы, называемые большими (замена линейно-кабельных сооружений, т.е. строительство новой линии передачи) и малыми (замена АЛТ на более высокоскоростную) расчетными периодами развития. Оптимизация состава технических средств ветви связи с учетом фактора времени осуществляется по минимизации затрат на один кан.- км, приведенных к началу периода развития на каждом из этих этапов.
Возможности ОК, на которых реализуются современные средства электросвязи, обеспечивают при сооружении ВОЛП большой запас пропускной способности, что позволяет исключить в процессе оптимизации ветви связи учет больших периодов развития. Другими словами, при проектировании ветви связи на период развития выбирается OK с таким типом ОВ, который обеспечивает необходимую пропускную способность ВОЛП к концу проектируемого периода развития.
Кроме того, как отмечалось выше, существует ряд предпосылок, экономически оправданных для применения аппаратуры с большим запасом пропускной способности по сравнению с требуемой на начало периода развития.
В итоге при проектировании ветви сети на основе современных ВОЛП на весь период развития существенно упрощается процесс оптимизации состава технических средств практически без учета фактора времени. Фактор времени проявляется поэтапным увеличением пропускной способности ВОЛП в процессе развития, что сопровождается фактически мизерным приращением капитальных затрат (и, соответственно, эксплуатационных расходов), по сравнению с начальными при строительстве ВОЛП.
Исследование и анализ полупроводниковых переключающих схем наносекундного диапазона
Физически наличие частоты со для случая добавочного рассасывания может быть объяснено тем, что на высоких частотах величина добавочного рассасывающего заряда становится равной величине накопленного заряда, так так последняя уменьшается с ростом частоты. Очевидно, при частотах со со диод будет оставаться все время закрытым.
Из проведенного в работе анализа следует также, что с уменьшением частоты со до нуля величина накопленного заряда к концу положительной полуволны уменьшается до нуля независимо от того, воздействует на диод источник добавочного накопления или рассасывания, или такой источник вообще отсутствует.
Физически это может быть объяснено тем, что на низких частотах изменение крутизны входного сигнала становится очень малым, поэтому скорость процесса рекомбинации превышает скорость спада амплитуды положительной полуволны синусоиды, и к моменту, когда напряжение на диоде становится равным, нулю, накопленный заряд также практически равен нулю.
Методом баланса зарядов получены и исследованы частотные зависимости длительностей фаз ti и 2 для различных уровней добавочного накопления, рассасывания и физических параметров диода с накоплением заряда. Частотная зависимость tj(co) ддя различных уровней добавочного накопления GH и добавочного рассасывания Gp представлена на рисунке 3.5.
Длительность фазы высокой обратной проводимости ti во всем диапазоне частот больше для случая добавочного накопления и меньше для случая добавочного рассасывания, чем при отсутствии источника постоянного смещения. Характер частотной зависимости tj(co) определяется физическим параметром X, то есть, величиной остаточного заряда. С уменьшением частоты со длительность фазы tj для добавочного накопления неограниченно возрастает до бесконечно большой величины. Для случая добавочного рассасывания величина tj падает до нуля с уменьшением частоты со, что объясняется уменьшением накопленного заряда к моменту начала фазы рассасывания до нуля. Наконец, для случая, когда источник смещения отсутствует, длительность фазы // с уменьшением частоты со приближается к конечной величине, определяемой параметром X. С ростом частоты длительность фазы tj неограниченно падает независимо от уровней добавочного накопления GH и рассасывания Gp.
Показано, что в случае добавочного накопления существует конечное значение частоты: при которой длительность фазы tj становится равной половине периода следования, воздействующего на диод сигнала.
Начиная со значения частоты согр происходит «срыв» формирующих свойств ДНЗ, так как последний при со согр остается все время открытым. Выражения, полученные для частот со кр и согр в зависимости от физических параметров ДНЗ и уровней добавочного накопления GH и рассасывания Gp представляют практический интерес и могут быть, в частности, использованы для оценки физических параметров диода.
Длительность фазы резкого восстановления обратного сопротивления диода t2 уменьшается с ростом частоты. На низких частотах длительность фазы t2 определяется в основном, величиной остаточного заряда, а на высоких частотах - постоянной времени перезаряда суммарной емкости, шунтирующей диод с накоплением заряда, тс. С ростом емкости диода зависимость t2 от величины остаточного заряда становится более слабой.
Показано, что в случае пренебрежения модуляцией сопротивления базы ДНЗ добавочное накопление, на низких частотах приводит к уменьшению длительности фазы резкого восстановления обратного сопротивления ДНЗ, а добавочное рассасывание - к ее росту. На высоких частотах, наоборот, добавочное накопление приводит к росту t2, а добавочное рассасывание - к уменьшению этой величины.
Учет модуляции сопротивления базы диода приводит к тому, что на высоких частотах добавочное накопление вызывает уменьшение величины t2, а добавочное рассасывание - ее возрастание.
Из результатов проведенного эксперимента следует, что полное время обратного переходного процесса ДНЗ, определяемое как сумма tj+t2, практически не изменяется с изменением уровней добавочного накопления GH и рассасывания Gp при данной частоте со.
При изменении режима происходит деформация переходной характеристики. Длительность/фазы tj растет с ростом GH на высоких частотах, а длительность фазы t2 - падает. Наоборот, длительность фазы tj уменьшается с ростом GP на высоких частотах, a t2 — растет, т.е. величины t\ и t2 могут стать соизмеримы или даже равны друг другу.
Проведен анализ последовательной и параллельной схем линейных ключей (ЛК), которые являются основой формирователей заднего и переднего фронта импульсов на ДНЗ (рисунок 3:6а и 3.66 соответственно).Анализ проведен в одном из их статических состояний «замкнут» и «разомкнут» с точки зрения коэффициента передачи К(со) с учетом емкостной реакции нагрузки Сн RH [136, 249]. Этот же метод исследований использован для анализа эквивалентной схемы диодного ключа как разновидности ЛК [139] с применением модели диода [138], а затем и эквивалентных схем формирователей переднего и заднего фронта на ДНЗ [140].
Однако, полученные выражения для коэффициентов передачи ЛК и формирователей переднего и заднего фронтов импульсов на ДНЗ в статическом режиме [136, 139, 140] хотя и могут использоваться в практических расчетах, но не дают достаточно полной информации, так как характер отклика формирователя на переключение при действии на его входе импульса существенно отличается от реакции, свойственной тому же формирователю в статическом режиме.
В случае использования ЛК в динамическом режиме, т.е. в качестве формирователя, необходимо учитывать начальные условия [145] и принимать во внимание скачки напряжения на емкостях, значения которых резко меняются в момент формирования t=t] [143]. Поэтому коэффициент передачи К(р) для схем ЛК на рисунках 3.6а,б имеет вид [142]:
Разработка средств измерения верности передачи, переключения на резерв и дистанционного контроля
При изменении режима происходит деформация переходной характеристики. Длительность фазы высокой обратной проводимости растет с ростом добавочного накопления на высоких частотах, а длительность фазы резкого восстановления - падает. Полное" время обратного переходного процесса ДНЗ с ростом частоты уменьшается.
Предложены методы расчета параметров приближения туннельной и диффузионной ветви ВАХ ТД по паспортным данным, которые наряду с простотой имеют удовлетворительные приближения [174, 178, 254].
Рассмотрены различные способы аппроксимации ВАХ ТД [97, 175-177, 179, 186]. Показано, что алгоритм расчета электронной схемы на ЭВМ с аппроксимацией ВАХ суммой экспонент значительно проще, чем в случае использования аппроксимации ВАХ полиномами такой степени, которая обеспечивает ту же точность приближения [179, 254].
В результате анализа схемы, содержащей ТД, шунтированный емкостью, получены соотношения частоты генерации и параметров схемы, основное уравнение генерации на отрицательной ветви, решение которого определяет конкретные значения элементов исследуемой схемы. Показана зависимость частоты генерации от параметров туннельного диода. Установлено, что эффект трех устойчивых состояний есть не что иное, как совмещенные режимы тригерного состояния ТД и устойчивой генерации на «отрицательном» участке ВАХ. Предложены упрощенные расчетные формулы для этого режима [98, 254].
Выведенные дифференциальные уравнения, описывающие динамический режим схемы, решены на аналоговой вычислительной машине. Нелинейная вольтамперная зависимость смоделирована дифференциальными уравнениями и воспроизведена в режиме переменного масштабирования., Предложенный способ машинного описания ВАХ ТД отличается простотой и точностью приближения к истинной вольтамперной характеристике. Исследовано влияние формы ВАХ, имеющей различные наклоны на «отрицательном» участке, на характер протекания динамических процессов переключения ТД. Машинная реализация такого влияния проведена с помощью моделирования функции ошибки, что позволило значительно сократить время исследования и схему моделирования на МН-14 [184, 185, 187].
Результатом исследования и решения дифференциальных уравнений явились временные характеристики, устанавливающие связь между тригерными состояниями ТД и генерацией. Экспериментально полученные зависимости подтвердили правомерность выбора схемы замещения ТД для описания эффекта, возникающего при работе туннельного диода, шунтированного емкостью. Совпадение экспериментальных данных с результатами моделирования указывает на электротехническую природу трехстабильного эффекта.
Проведен анализ последовательной и параллельной схем линейных ключей, являющихся основой формирователей заднего и переднего фронтов импульсов на ДНЗ как в статическом, так и в динамическом режимах [136, 140, 142, 143, 250]. Выражения, полученные для формирователей переднего и заднего фронтов, свидетельствуют о зависимости их коэффициентов передачи от характера входного сигнала. Проведен расчет коэффициента передачи формирователя с учетом сигнала, действующего на его входе в момент переключения. Показано, что учет динамики переключения вносит существенные коррективы в ход амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик по сравнению с характеристиками, соответствующими их статическим состояниям. Полученные расчетные соотношения могут быть использованы для анализа практических схем линейных ключей в режиме формирования [145, 250].
Результаты проведенных исследований использованы соискателем при разработке и исследовании схемотехнических решений для средств технической эксплуатации высокоскоростных ЦСП. Предложены простые схемы раздельной регулировки основных параметров импульсов на транзисторах и ДНЗ. На основе развитого аппарата исследования получены расчетные соотношения для длительности и задержки формируемых импульсов схемами на транзисторах и ДНЗ с учетом процессов накопления и рассасывания заряда в их базах. Выделены особенности, присущие только комбинированным схемам на ДНЗ, в частности, существенное влияние скорости выключения источника импульсного питания на длительность фазы высокой обратной проводимости. Разработан ряд усовершенствованных схем формирователей импульсов на транзисторах, ТД и. ДНЗ. Приведена методика инженерного расчета схем формирования импульсов. Все полученные расчетные соотношения представляют самостоятельный практический интерес и могут быть непосредственно применены разработчиками аппаратуры. Рассмотрены вопросы создания устройств задержки и пересчета коротких импульсов на ДНЗ с регулируемым коэффициентом пересчета. Даны анализ работы подобных устройств и основные расчетные соотношения. Исследованы аспекты применения предложенных формирователей коротких импульсов на ДНЗ при построении генераторов импульсных последовательностей и ступенчатой развертки наносекундного диапазона, работающих при различных частоте следования и скважности входных сигналов. Причем, в предложенных конкретных принципиальных схемах имеется возможность независимой и раздельной регулировки амплитуды, длительности, временного положения и полярности любого импульса в пачке. Рассмотрены аспекты применения схем на ДНЗ в генераторах одиночных импульсов, расщепителях, дискриминаторах частоты и стандартизаторах импульсов наносекундного диапазона. Показано, что значительное увеличение диапазона регулирования временных параметров импульсов возможно при использовании схем линейного заряда емкости. Отмечен ряд требований, предъявляемых к этим схемам. Произведен анализ работы и расчет выбранной схемы широкодиапазонной регулировки времени линейного нарастания сигнала. Рассмотрены различные способы построения устройств независимой и раздельной регулировки амплитуды, длительности, времен нарастания и спада импульсов в широком временном диапазоне с улучшенными характеристиками. Рассмотрены способы построения широкодиапазонных устройств задержки и перечета коротких импульсов с применением схемы линейного заряда емкости с регулируемыми задержкой и коэффициентом пересчета соответственно. Разработанные схемотехнические решения выполнены на уровне изобретений [51-84, 86, 87, 89, 92, 94]. Они использованы автором при создании средств технической эксплуатации высокоскоростных ЦСП, а также могут быть использованы и во многих других областях радиоэлектроники и связи. Актуальность и практическая значимость выполненных разработок и исследований схемотехнических решений сохраняется и на современном этапе развития полупроводниковой элементной базы, технологически реализуемой в микроисполнении.
Похожие диссертации на Концептуальные и теоретические основы технической эксплуатации цифровых телекоммуникационных систем
