Общие принципы систем синхронизации.

Для того, чтобы добиться необходимого для нормальной работы цифровой системы передачи более или менее одинаковой частоты задающих генераторов целесообразно подстроить все генераторы сети связи, выравнивая их частоты. Для систем синхронизации все цифровые устройства (рис. 3.2) одинаковы в том смысле, что эта система видит только входящие в них тактовые генераторы.

В результате любая система синхронизации может быть схематично отображена в виде графа, в узлах которого расположены генераторы, соединенные каналами передачи. По этим каналам передаются синхросигналы, информирующие генераторы о параметрах тактовой частоты (рис. 3.4).

Синхросигнал 1

ТГ2

Синхросигнал 2

ТГ1

Синхросигнал 4

Синхросигнал 3

Синхросигнал 5

ТГ3

ТГ4

ТГ5

ТГ6

Рис. 3.4. Общая схема любой системы синхронизации.

Таким образом, в состав любой системы синхронизации входят:

- тактовые генераторы устройств;

- каналы и передаваемые по ним синхросигналы;

- сама схема синхронизации.

Рассмотрим компоненты, составляющие систему синхронизации – генераторы, синхросигналы и графы синхронизации. В современных системах связи используется несколько типов генераторов. Генераторы или, как их еще называют, источники синхронизации разделяются на две основных группы: кварцевые источники и атомные источники (рис. 3.5). К первой группе относится три типа источников: обычные кварцевые генераторы, кварцевые генераторы с температурной компенсацией TCXO (Temperature Compensated Crystall Oscillator) и охлаждаемые кварцевые генераторы OSXO (Oven Compensated Crystall Oscillator). Атомные источники разделяются тоже на три типа: водородные мазеры, цезиевые стандарты и рубидиевые источники. Кварцевые источники используют пьезокерамические свойства кварца, тогда, как атомные источники частоты работают на принципе резонансного лазерного излучения.

Рис. 3.5. Иерархия источников синхронизации (генераторов).

Отдельной группой стоят источники, использующие систему спутниковой навигации GPS/GLONASS. Поскольку для решения задачи точного позиционирования (определения координат на местности) приемник этой системы должен синхронизироваться с системой спутниковой связи. В результате в качестве побочного продукта на приемнике GPS появляется сигнал со стабильностью , что более чем достаточно для телекоммуникационных приложений.

Все приведенные семь основных типов источников синхронизации различаются своими физическими принципами и параметрами точности, имеют свои особенности построения. Среднестатистические данные об основных параметрах этих источников сведены в табл. 3.1. Наибольшую точность и стабильность генерируемого сигнала дают водородные мазеры, затем идут цезиевые стандарты, рубидиевые источники частоты, ТСХО, ОСХО и, наконец, обычные кварцевые генераторы. Пропорционально точности уменьшается стоимость. Высокая стоимость водородных мазеров приводит к тому, что их практически не используют в телекоммуникационных приложениях. В оборудовании связи в основном применяются кварцевые генераторы различной стабильности.

В таблице указано несколько важных параметров генераторов, которые могут быть полезны каждому оператору, выбирающему цифровое устройство для своей сети. Однако, в той или иной степени все параметры генераторов связаны с параметрами частоты. По этой причине существует два основных параметра генератора – это точность и стабильность.

Таблица 3.1. Сравнительные характеристики различных источников синхронизации.

	Тип источника синхронизации
Характеристики	Кварцевый обычный	ТСХО	ОСХО	Цезиевый стандарт	Рубидиевый источник
Основная частота Резонатора		10 кГц – 100 Мгц		9192631770 Гц	6834682613 Гц
Обеспечиваемые выходные Частоты		10 кГц – 100 Мгц		1, 5, 10 МГц	1, 5, 10 МГц
Относительный кратковременный дрейф частоты, 1с
Относительный долговременный дрейф частоты, 1 сутки
Относительный долговременный дрейф частоты, большой временной интервал	в год	в год	в год	в год	в месяц
Внешние факторы, воздействующие на параметры	Движение, температура, физические параметры кварца	Магнитные поля, температура	Магнитные поля, температура, атмосферное давление
Причины, влияющие на долговременную стабильность	Старение кварца, старение электронных компонентов, окружающая среда	Старение компонентов	Источники света, окружающая среда

Точностью частоты называется относительное отклонение генерируемой частоты от номинальной частоты , так что

Точность = , например, отклонение в 50 ppm означает допустимую точность генерируемой частоты .

Стабильностью называется свойство данного генератора поддерживать режим генерации номинальной частоты в течение заданного промежутка времени. Параметр стабильности также измеряется в относительных единицах отклонения частоты от номинальной, однако, включает в себя промежуток времени наблюдений, например, за сутки.

По времени наблюдений различают долговременную и кратковременную стабильность генераторов. Это разделение является оценочным. Параметры стабильности оцениваются в пределах с: если параметры стабильности анализируются до , это называется кратковременной стабильностью, если больше , то это долговременная стабильность.

Как видно из табл. 3.2, кварцевые генераторы обеспечивают достаточно высокий уровень кратковременной стабильности, но долговременная стабильность у них довольно низкая. Атомные генераторы характеризуются на несколько порядков более высокими параметрами стабильности. Цезиевые стандарты обеспечивают высокие параметры как долговременной, так и кратковременной стабильности. Рубидиевые генераторы обладают высокими параметрами кратковременной стабильности, но их параметры долговременной стабильности ниже, чем у цезиевых.

Стоимость генераторов прямо пропорциональна их стабильности, так что самыми дорогими являются цезиевые стандарты, затем идут рубидиевые генераторы, кварцевые генераторы ТСХО, ОСХО и, наконец, наиболее дешевыми являются обычные кварцевые генераторы (табл. 3.2).

Таблица 3.2. Основные типы генераторов, используемых в системах связи.

Вторым компонентом системы синхронизации являются синхросигналы. Для передачи информации о генераторе необходимо использовать определенный сигнал, который бы содержал сведения о точной частоте генератора, и этот сигнал должен передаваться по системе связи. Поэтому в зависимости от возможностей транспортной сети используется несколько общеупотребительных синхросигналов:

- цифровой сигнал 2048 кбит/с с кодированием HDB3;

- гармонический одночастотный сигнал с частотой 2048 кГц;

- гармонический одночастотный сигнал с частотой 10 кГц;

- гармонический одночастотный сигнал с частотой 5 кГц;

- сигнал TTL в виде меандра.

Каждый из этих синхросигналов может использоваться в системах передачи для синхронизации. Использование того или иного сигнала зависит только от трех возможностей системы связи:

1. Генератор-передатчик должен иметь возможность передать сигнал.

2. Канал связи с системами передачи должен иметь возможность передать сигнал без искажений на генератор-приемник.

3. Генератор-приемник должен принять сигнал и использовать его для подстройки частоты.

Несмотря на тривиальность вышеперечисленных требований, в них содержаться 90% всех проблем синхронизации, а именно:

1. Проблемы, связанные с передачей без помех синхросигнала.

2. Проблемы искажений синхросигнала в процессе передачи.

3. Проблемы конвертации форматов синхросигналов, когда приемник и передатчик не понимают форматы синхросигналов друг друга.

При передаче синхросигнала по линии связи на него воздействует множество факторов, наиболее существенными из которых являются:

- электромагнитная интерференция, шумы и помехи, воздействующие на цепь синхронизации в приемнике;

- изменения длины тракта передачи, например, удлинение системы передачи при изменении температуры ночью и днем приводит к модуляции частоты синхросигнала;

- изменение скорости распространения;

- доплеровские сдвиги от подвижных оконечных устройств, например при движении спутника по орбите;

- нарушения в формате данных синхросигнала.

В результате воздействия всех этих факторов синхросигнал теряет свои свойства, его стабильность ухудшается и использовать его для подстройки частоты генераторов становится невозможно. Чем большее количество цифровых устройств находится в цепочке передачи синхросигнала, тем хуже по качеству сигнал получит последний. Длина такой цепочки часто называется количеством переприемов по синхросигналу. Таким образом, возникает задача оптимизации структуры системы синхронизации с целью уменьшения количества переприемов по каждому направлению.

Мы переходим к третьему компоненту системы синхронизации – графу системы синхронизации. Это схема, на которой определено какой генератор куда передает синхросигналы. Построение оптимального графа синхронизации представляет собой очень важную задачу. Достаточно представить себе схему из полутора тысяч цифровых устройств, которые мы должны рассматривать в качестве генераторов в системе синхронизации, причем каждый из них имеет свои параметры и может передавать и принимать только определенные синхросигналы.