Введение к работе
. ;
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Наиболее эффективный спогиб построения цифровых сетей связи, основанных на интеграции цифровой передачи и цифровой коммутации, предполагает синхронизм от тактовых генераторов, расположенных на узлах и станциях сота. Равенство средних частот тактовых генераторов обеспечивает- я системой сетевой синхронизации < ССС >, состоящей из самих r^uepaTojoB, устройств управления их частотой и линий передачи синхросигналов. Как показывает опыт исследования и эксплуатации і \ Яровых сетей связи во многих странах, при заданных ограничениях на величину расхождения фаз сигналов тактовых генераторов наиболее высокая надежность и наименьшая стоимость ССС *)гут быть достигнуты при использовании принудительного иерархического способа. Этот способ характеризуется тем, что в любой момент времени каждый генератор либо - в общем случае, через посредство промежуточных генераторов - синхронизируется от главного < на данный момент времени > генератора ССС, либо работает в автономном режиме. Таким образом, разработка ССС основывается на исследовании взаимодействия пары соседних генераторов, один из которых является ведущим, а другой - ведомым. Сигнал синхронизации передается внутри цифрового потока системы передачи и подвержен флуктуация?! фазы, причем для ССС наиболее опасны их низкочастотные <<20 Гір компоненты, называемые фазовыми блужданиями.
ССС крупных цифровых сетей ев том числе, и цифровой сети ЕАСС), как правило, обладают региональной структурой. ССС разбивается на отдельные принудительно синхронизируемые участки, называемые регионами синхронизации. В каждом регионе назначаются ведущий узел,
называемый региональным, а также определенная иерархическая структура ССС. Взаимодействие между _рехиональными узлами организуется посредством выделения главного регионального узла, управляющего частотой и фазой остальных региональных узлов, каждый из которых получает синхросигнал непосредственно от главного узла. Причем в зависимости от состояния сети функции главного может принять на себя любой из региональных узлов. ССС с региональной структурой, с одной стороны, удачно вписывается в общую иерархическую концепцию цифровой сети, а с другой стороны, обладает высокой живучестью и может гибко .развиваться вплоть до глобальной системы.
Сигналы синхронизации для региональных узлов ССС передаются на большие расстояния оІОООкм) по различным физическим средам «кабельные, волоконно-оптические, спутниковые линии), в связи с чем им присущи интенсивные фазовые флуктуации со среднеквадратическим отклонением по меньшей мере на порядок превосходящим тактовый интервал сигналов того уровня цифровой иерархии, для которого осуществляется сетевая синхронизация. Тем не менее изменение фазы выходного сигнала регионального узла, ответственного за сетевую синхронизацию большого участка цифровой сети, должны как можно более точно повторять изменения фазы главного узла ССС. Поскольку все регионал* v. узлы способны принимать на себя функции главного узла, они оснащаются высокостабильными атомными стандартами частоты < АСЧ > практически не допускающими непосредственного управления частотой и имеющими номинальное значение частоты, как правило отличное от требуемого значения частоты выходного сигнала устройства синхронизации. Наличие высокостабильного задающего генератора приводит к тому, что и в случае, когда региональный узел не является
главным, выбор на определенное время автономного режима может оказаться предпочтительным с точки зрения точности синхронизации. По сравнению с другими устройствами ССС для региональных узлов требуется наивысшая точность синхронизации при условии более сильных помех. С другой стороны, эти узлы и связи между ними образуют костяк ССС, и должны быть в первую очередь установлены на цифровой сети.
Исследованию сетевой синхронизации и применению в ССС устройств фазовой синхронизации посвящено значительное число работ таких авторов как А.А.Каяцкас, А.А.Львович, В.В.Шахгильдян, Ю.А.Алексеев, М.Н.Колтунов, В.Линдсей, Т.Сайто, Г.Стовер, Х.Хартманн, Дж.Пирс, Э.Мюнтер. В этих работах были изучены различные способы сетевой синхронизации и предложены алгоритмы управления частотой генераторов ССС. Однако на основании полученных к настоящему времени результатов вышеописанная региональная структура, по существу, не может быть реализована. В частности, известные способы применения высокостабильных генераторов допускают скачки фазы при переходах из ведомого режима в автономный и обратно, даже лучший алгоритм подавления фазовых блужданий с А.А.Львович, Х.Хартманн, Э.Мюнтер з позволяет достичь приемлемой частоты среза с<10-7Гф лишь в обмен на высокую вероятность выхода из синхронизма, кроме того, остаются открытими вопросы повышения cтaбильнoc частоты и точности измерений разности фаз в устройствах ССС, содержащих высокостабильные генераторы.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является разработка технических средств, необходимых для построения ССС, обеспечивающей синхронный режим узлов и станций цифровой сети на большой территории с высокой точностью < не хуже 10 ).
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач, включащих теоретическое и экспериментальное исследование элементов ССС:
1. Обоснование концепции и выбор архитектуры ведущего узла
региона системы синхронизации цифровой сети.
2. Разработка, теоретический анализ и экспериментальная
проверка алгоритмов подавления фазовых блувданий входного
синхросигнала.
3. Разработка устройств смещения фазы и синтеза номинальной
частоты ССС, обладающих свойством малой нестабильности частоты
выходного сигнала.
4.. Синтез и вероятностный анализ прецизионных цифровых фазовых дискриминаторов с ЭДД э.
5. . Измерение и статистическая обработка фазовых блужданий цифрового сигнала.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При решении поставленных задач используются ' аппарат линейной теории дискретных систем и z-преобразования, теория непараметрической и калмановской фильтрации, метод дискретной фазовой плоскости и метод динамического программирования, теория чисел, теория марковских цепей и рекуррентные алгоритмы спектрального анализа. Для проверки качественных свойств и расчета количественных характеристик синтезированных алгоритмов применен метод численного моделирования. Для экспериментальных исследований разработаны макеты устройств ССС с компьютерной обработкой результатов в реальном времени.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в том, что впервые
Т.ТТроджжін способ использования высокостабильных задающих іїіНі-.рсіїоі«.'о и г.гг,, позьолищий повысить стабильность частоты ССС за
счет прецизионной временной шкалы генератора.
2.Обобщен на случай управления по фазе известный алгоритм подавления фазовых блужданий на основе цифровой системы фазовой синхронизации (ЦСФС) с переменной структурой, предложена дискретная математическая модель. Разработан адаптивный непараметрический алгоритм управления фазой, основанный на рекуррентной записи метода локальной аппроксимации. Последний алгоритм обеспечивает подавление фазовых блужданий входного сигнала синхронизации начиная с частоты 10- и стабильность частоты выходного сигнала лучше 10
3.Синтезирован класс алгоритмов, минимизирующих для астатической ЦСФС с ограниченным диапазоном управления частотой и фиксированным периодом дискретизации число тактов до достижения состояния равновесия. Проведен расчет характеристик нестабильности частоты и фазы выходного сигнала синтезированных астатических ЦСФС различных типов в зависимости от диапазона управления частотой генератора и периода дискретизации.
4.Синтезированы прецизионные цифровые фазовые дискриминаторы для ССС, обеспечивающие на основе серийных интегральных микросхем точность временных измерений порядка десятых долей наносекунды. С целью исследования их вероятностных характеристик предложена марковская модель, в которой как результат измерения, так и тактовый интервал описываются одним и тем же одномерным неограниченным случайным блужданием.
5.Экспериментально исследованы передаточная функции и динамические характеристики регионального узла ССС при использовании разработанных алгоритмов подавления фазовых блужданий и получены полезные данные о свойствах фазовых блужданий цифровых систем передачи, в том числе спектры и авторвгрессионные модели для
сверхнизкочастотных компонент.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. По результатам работы были изготовлены макеты устройств ССС, которые прошли испытания на опытной цифровой зоне в Белоруссии, в том числе исследование алгоритмов подавления фазовых блужданий и измерение фазовых блужданий. Результаты диссертационной работы были также использованы при разработке аппаратного и программного обеспечения ССС в ОКР "Разработка комплекса аппаратуры синхронизации цифровой сети ЕАССИ.
Предложенные в диссертационной работе архитектура системы синхронизации и алгоритмическое обеспечение также улучшают стабильность частоты для узлов ССС, оснащенных высокостабильными кварцевыми генераторами.
На основании предложенного способа прецизионного измерения разности фаз разработано устройству измерения отклонения частоты высокостабильных источников колебаний от номинального значения с точностью 10 .за время менее получаса.
Практическая ценность подтверждается актами внедрения результатов диссертационной работы.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ Результаты диссертационной работы многократно обсуждались среди специалистов отрасли. По результатам работы получено авторское свидетельство и два положительных решения на заявки на изобретение, опубликованы три статьи , отдельные результаты работы апробированы на междунардном семинаре 'Синхронизация - 90" в Болгарии, на Всесоюзной НТК по системам фазовой синхронизации в Горьком в 1988 г., на Всесоюзном семинаре по сетевой синхронизации в Каунасе в 1888 г., xlvi Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио в 1991 г, на НТК молодых специалистов в Черноголовке с 1989 г.) и Ростове с 1990 г. >, на НТК молодых
специалистов ЦНИИС < 1989, 1990 гг. э.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация изложена на 200 страницах машинописного текста. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 94 наименований.
