Забезпечення ефективної автономної роботи задаючих кварцових генераторів систем тактової синхронізації цифрових мереж зв`язку на основі модуляційного методу

Размещено на http://www.allbest.ru

ХАРКІВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ

Автореферат дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЕФЕКТИВНОЇ АВТОНОМНОЇ РОБОТИ

ЗАДАЮЧИХ КВАРЦОВИХ ГЕНЕРАТОРІВ СИСТЕМ ТАКТОВОЇ

СИНХРОНІЗАЦІЇ ЦИФРОВИХ МЕРЕЖ ЗВ'ЯЗКУ НА ОСНОВІ МОДУЛЯЦІЙНОГО МЕТОДУ

Садовий Костянтин Віталійович

Харків - 1999

Вступ

Актуальність теми. У останні десятиріччя бурхливий розвиток отримали цифрові засоби зв'язку, засновані на дискретизації та цифровій обробці повідомлень, що передаються, і які мають з цієї причини вельми істотні переваги в порівнянні з аналоговими засобами зв'язку.

У той же час одночасне ефективне функціонування різних за призначенням цифрових мереж зв'язку досягається головним чином шляхом прив'язки їх потоків інформації і внутрішніх тактових генераторів до єдиної часової шкали. Синхронізація повинна здійснюватися по ієрархічній структурі систем синхронізації, розділеній на рівні, що відрізняються похибкою прив'язки за часом.

Прецизійні кварцові генератори (КГ) є базовими джерелами часу і частоти для систем синхронізації другого і третього рівнів. Причому, єдиним параметром, за яким кварцовий генератор не має переваги в порівнянні з його найближчим конкурентом - квантовим рубідієвим стандартом частоти, є його довгострокова нестабільність частоти (старіння). Проте, реалізація КГ зі старінням частоти менш ніж 10-9 за місяць дозволяє ефективно використовувати їх в системах синхронізації другого і третього рівнів замість рубідієвих генераторів у режимі автономної роботи.

Початкові роботи з фазової синхронізації і стабілізації частоти відноситься до 20-30-х років, оскільки саме на початку 1930-х років розроблені основи теорії синхронізації, що базуються на роботах Ван дер Поля, Андронова і Вітта. Надалі основний внесок в розвиток теорії коливань, їх синхронізації і стабілізації зробили Л.І. Мандельшам, Н.Д. Папалексі, Н.Н. Боголюбов, Ю.Б. Кобзарьов, С.І. Євтянов, Г.Б Альтшуллер, В.В. Шахгільдян, Ж.Ж. Ганьнейн, Р. Бессон, В. Лідсней, Дж. Віг та інші.

Задача по забезпеченню ефективної роботи (стабілізації частоти) задаючих кварцових генераторів систем синхронізації цифрових мереж зв'язку на основі використання модуляційного методу кварцової стабілізації частоти (ММКСЧ), запропонованого професором Шмалієм Ю.С., визначає актуальність цієї роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами. Робота виконувалась згідно програми Міннауки “Ластiвка” і програми Держстандарту “Метрологія 2.4”, державної науково-технічної програми “Розробка стандарту частоти кварцового прецизійного” (постанова Держкомітету з питань науки і технології України N12 від 4 травня 1992 року), а також в рамках програми Головної астрономічної обсерваторії “Метрика-КВО”.

Мета роботи: забезпечення підвищення довгострокової стабільності частоти задаючих кварцових генераторів систем тактової синхронізації на основі аналізу та використання їх статичних і динамічних модуляційних характеристик, що приводить до збільшення часу ефективної автономної синхронізації цифрових мереж зв'язку.

Задачі, рішенням яких досягається поставлена мета:

- побудова математичної моделі ДМХ з урахуванням впливу внутрішніх і зовнішніх шумів кола управління кварцового автогенератора;

- дослідження впливу складних кіл управління на ДМХ фільтрових і осциляторних схем при модуляції ємності варикапа;

- дослідження кореляційного взаємозв'язку між змінами частот основного і ангармонійного контурів при статичному управлінні;

- експериментальне дослідження модуляційних характеристик автогенератора з кварцовим резонатором SC-зрізу;

- дослідження електричних і резонансних властивостей п'єзопластин лантан-галієвого силікату (лангаситу, Lа3Gа5SiO14) і можливості їх використання для фільтрації сигналів основної та ангармонійної частот КГ.

Методи досліджень, що використовуються при вирішенні поставлених задач: методи статистичної теорії радіотехніки, математичної статистики, математичного аналізу, елементів теорії електро- і радіо-кіл. Експериментальні дослідження підтверджують теоретичні положення.

Наукова новизна досліджень полягає в тому, що:

- отримана нова математична модель ДМХ КГ в смузі ангармонійного контура;

- теоретично досліджені модуляційні характеристики генераторів, побудованих по схемі Батлера і Колпітца, з різними схемами управління частотою вихідного і керуючого сигналу і проведений їх порівняльний аналіз;

- досліджено вплив управління ємністю варикапа на частоти основного та ангармонійного резонансів при різних схемах управління, на основі чого зроблені рекомендації по їх використанню;

- зроблений аналіз впливу управління ємністю варикапа на ДМХ кварцового генератора з різними схемами управління;

- удосконалена методика і проведений експеримент по дослідженню ДМХ КГ з резонатором SC-зрізу, підтверджуючий теоретичні дослідження;

- експериментально досліджений вплив умов температурної обробки і b-опромінювання на електричні параметри п'єзопластин лангаситу та подані рекомендації щодо використання електричних фільтрів на їх основі для фільтрації сигналів з частотами основного та ангармонійного резонансів.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані в дисертації результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють застосувати перспективний ММКСЧ для рішення задачі підвищення стабільності задаючого генератора системи синхронізації в нестаціонарному флуктуючому полі дестабілізуючих факторів із застосуванням складних схем управління основною та ангармонійною частотами.

Основні результати досліджень і технічні рішення, що обговорюються в дисертаційній роботі, були використані в науково-виробничому центрі “Сіхрон” (м. Харків) і відкритому акціонерному товаристві “ІРВА” (м. Київ) при розробці стандартів частоти кварцових і опорних генераторів по програмі Міннауки “Ластiвка” (договір N2/781-97 від 13 серпня 1997 року) і програмі Держстандарту “Метрологія 2.4” (договір N196 від 1 січня 1996 року), при виконанні державної науково-технічної програми “Розробка стандарту частоти кварцового прецизійного” (шифр 6.08.00/276-92 “Лелека”, постанова Держкомітету з питань науки і технології України N12 від 4 травня 1992 року), внаслідок якої був розроблений стандарт частоти кварцовий Ч1-88, а також в процесі створення уніфікованого ряду прецизійних кварцових генераторів для кварцових мір частоти і іншої апаратури служб часу і зв'язку в рамках програми Головної астрономічної обсерваторії “Метрика-КВО”.

Особистий внесок здобувача у виконану роботу і публікації полягає в розробці математичних моделей, проведені та аналізу розрахунків і експериментальних досліджень, формуванні висновків і рекомендацій. Основні напрямки і задачі досліджень формувались науковим керівником професором Шмалієм Ю.С., у співавторстві з яким опублікована більшість робіт автора.

Основні наукові положення, що виносяться на захист:

- математична модель ДМХ КГ в смузі ангармонійного контуру з урахуванням впливу шумів кола управління;

- результати дослідження модуляційних характеристик фільтрових і осциляторних схем кварцових генераторів зі складними схемами управління частотою та їх порівняльний аналіз;

- схеми складних кіл управління частотою і рекомендації щодо їх використання в КГ, побудованих на основі ММКСЧ;

- методика і результати експериментального дослідження модуляційних характеристик кварцового автогенератора;

- результати дослідження п'єзопластин лангаситу і рекомендації щодо використання електричних фільтрів на їх основі для фільтрації сигналів основної та ангармонійних частот.

Апробація результатів дисертації.

Результати досліджень докладалися на 5-му Російському симпозіумі “Метрология времени и пространства” (м. Менделеєво, Росія, 1994 р.), 1-й Українській науково-технічній конференції “Метрологічне забезпечення в галузі електричних, магнітних і радіотехнічних вимірювань” (м. Харків, 1994р.), Українській науково-технічній конференції “Метрологія та вимiрювальна технiка” (м.Харків, 1995р.), International Symposium “Acoustoelectronics, Frequency Control and Siqnal Generation” (г.Москва, Росія, 1996 г.), 50-th IEEE International Frequency Control Symposium (Honolulu, USA, 1996), 2-й Міжнародній конференції “Теорія і техніка передачі, прийому та обробки інформації” (м. Туапсе, Росія, 1996 р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 2 статтях, 4 доповідях в матеріалах симпозіумів, 4 тезах доповідей, викладені в 9 звітах про НДР.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається з введення, п'яти розділів, висновку і містить 141 сторінку машинописного тексту, 84 рисунка, 18 таблиць і списку використаної літератури із 137 найменувань.

кварцовий лангаситовий райс

1. Сучасний стан питання тактової синхронізації цифрових мереж зв'язку і стабілізації частоти

У першому розділі приведені результати аналізу сучасного стану питання тактової синхронізації цифрових мереж зв'язку і стабілізації частоти. Аналіз проведений по джерелам науково-технічної інформації в напрямі пошуку шляхів створення прецизійних кварцових джерел опорних коливань (генераторів і стандартів частоти і часу), а також сучасних методів стабілізації частоти і шляхів їх реалізації.

Показано, що при зникненні сигналу синхронізації від ведучого генератора або генератора системи глобальної навігації GPS використання коливань на частоті ангармонійного контуру (використання ММКСЧ) може збільшити час ефективної автономної роботи веденого генератора, який визначається допустимою (по міжнародним рекомендаціям G.811 та G.812) величиною максимальної похибки часового інтервалу (МПЧІ).

Тут також розглянуті фундаментальні обмеження стабільності частоти кварцових генераторів і резонаторів.

2. Статистична математична модель динамічних модуляційних характеристик

У другому розділі отримана модель частотно- та амплітудно-модульованого (ЧМ-АМ) КГ з урахуванням впливу внутрішніх і зовнішніх шумів, включаючи шуми схеми управління частотою, що дозволяє аналізувати поведінку ДМХ в смузі ангармонійного контуру. Також отримана статистична математична модель динамічних модуляційних характеристик в смузі ангармонійного контуру з урахуванням параметрів конкретної схеми прецизійних КГ та їх флуктуацій, яка представлена у вигляді нелінійних функціональних перетворень вузько смугового випадкового процесу, діючого з виходу ангармонічного контуру на вхід нелінійного пристрою (НП).

Отримані вирази для одномірної щільності розподілу імовірності (ЩРІ) функцій ДМХ у формі узагальненого закону Райса:

,

,

(jA,w) = (1/2p) exp (-MA,j/2D) {1+2p(MA,j0.5/D0.5) cos (jA,w-fA,w) ґґФ [(MA,j/D0.5) cos (jA,w-fA,w)] exp [0.5(MA,j/D) cos2 (jA,w -fA,w)]},

Де:

MA,j = [M2{X1,Y1}+M2{X2,Y2}]0.5,

tgfA,w = M{X1,Y1}/M{X2,Y2},

In(x)

- модифікована функція Бесселя n-го порядку,

- інтеграл імовірності, X1, Y1, X2, Y2 - випадкові процеси, що характеризують поведінку ДМХ.

Знайдені ЩРІ характеризують стаціонарні статистичні властивості функцій ДМХ прецизійного КГ при різних співвідношеннях між амплітудою верхньої складової спектра частотно- і амплітудно-модульованого (ЧМ-АМ) коливання і середньоквадратичним відхиленням шуму для різних розстроювань відносно частоти ангармонійного контуру.

Розроблена математична модель функцій ДМХ в смузі ангармонійного контуру дозволяє провести чисельний аналіз поведінки модуляційних характеристик кварцового генератора з урахуванням складних кіл управління.

3. Параметри ДМХ

У третьому розділі був проведений чисельний аналіз параметрів ДМХ і проведено порівняння впливу різних схем управління на модуляційні характеристики фільтрових і осциляторних схем КГ.

На основі розробленої узагальненої та еквівалентної схеми управління частотами основного та ангармонійного коливань отримані вирази:

облік яких при розрахунку модуляційних характеристик дозволяє оцінювати впливи різних схем управління на ДМХ.

Явище регенеративного резонансу при збігу частоти модуляції з частотою ангармонійного резонансу полягає в різкому збільшенні коефіцієнта амплітудної модуляції mА і крутості фазової характеристики (аж до переходу через точку, де ці характеристики терплять розрив), при цьому фазова характеристика jА може розглядатися як дискримінаційна, на основі якої виробляється сигнал відходу частоти від номінального значення.

Аналіз модуляційних характеристик КГ з різними схемами управління частотою показав, що при введенні відповідних кіл управління стабілізуючі властивості осциляторних схем генераторів і генераторів, побудованих по фільтровій схемі, мають однакову тенденцію до зміни, але стабілізуючі властивості осциляторних схем вищі, ніж у фільтрових. При цьому введення в схему управління п'єзофільтра в коло ангармонічної частоти збільшує величину екстремуму амплітудних ДМХ і крутість фазових ДМХ, що підвіщує стабілізуючі властивості цих характеристик.

Показано, що теоретично розраховані ДМХ КГ і виміряні в фізичній моделі генератора з такими ж параметрами (по методиці, приведеній у четвертому розділі) практично співпадають для відповідних ангармонік, що говорить про адекватність розроблених теоретичних положень реальним процесам, що відбуваються при модуляції на частоті ангармонік.

4. Кореляційний взаємозв'язок між основною та ангармонійною частотами

У четвертому розділі приведені результати дослідження кореляційного взаємозв'язку між основною та ангармонійною частотами при корекції для різних схем управління. При цьому показано, що найкращою схемою, з точки зору незалежності управління, є схема що містить п'єзофільтри в колах основного та ангармонійного коливань.

Тут також була удосконалена методика, яка дозволила на основі запропонованої структурної схеми експериментальної установки для дослідження ДМХ, практично вивчити поведінку модуляційних характеристик при управління і зміні режимів роботи (величин напруги живлення і рівня модуляції).

Температурно-частотні характеристики (ТЧХ) основної та ангармонійних мод кварцового резонатору SC-зрізу відрізняються тим, що в певному інтервалі температур, де крутість ТЧХ основної частоти рівна нулю (район точки термостатування), крутість ТЧХ ангармонійних мод відмінна від нуля і має величини від одиниць (моди h513 і h531) до сотень (B-мода та її ангармоніка) Гц/oC, що дає можливість використання даних мод як вельми чутливих датчиків температурного відходу частоти основного коливання при використанні ММКСЧ.

5. Використання лангаситових фільтрів

У п'ятому розділі досліджувалась можливість використання лангаситових фільтрів в схемі управління частотою задаючих кварцових генераторів.

Досліджені пластини лангаситу Y-зрізу здійснюють товщинно-зсунуті коливання на першій механічній гармоніці і мають вельми багатий частотний спектр, інтенсивність мод якого залежить від наявності домішок, кількість яких залежить від режимів відпалу.

Параметри даних пластин лантан-галієвого силікату лежать в межах: Rq=60-360 Ом, Lq=30-130 мГн, Сq=80-210Ч10-3пФ, Q=1000-20000 (в залежності від міри обробки при виготовленні), з чого слідує , що можливо на основі даного п'єзоелектрика реалізувати п'єзоелектричні фільтри з добротністю від сотень одиниць до десятків тисяч одиниць на частотах в кілька мегагерц. З цією метою накладні технологічні електроди (які використовувались при досліджені) замінюються напиленими, які, на відміну від накладних, збільшують опір втрат не набагато. Крім того, було встановлено, що лангасит Y-зрізу малочутливий до b-опромінювання (до доз 1.4Ч106 Рад).

Висновки

Отримані теоретичні та експериментальні результати, що забезпечують можливість зменшення довгострокової нестабільності частоти КГ на основі використання модуляційного методу. При цьому:

1. Розроблена математична модель кварцового генератора, побудованого на основі ММКСЧ і що має в своєму складі коло управління частотою, з урахуванням внутрішніх і зовнішніх шумів.

2. Отримана статистична модель динамічних модуляційних характеристик з урахуванням конкретних параметрів КГ і схем управління частотою, на основі якої можливий ймовірностний аналіз властивостей ДМХ.

3. Теоретично досліджені динамічні модуляційні характеристики основних типів кварцових генераторів при різних схемах корекції частоти. Розроблені рекомендації по вибору типу КГ і кола управління з точки зору кращих стабілізуючих властивостей ДМХ.

4. Досліджений кореляційний взаємозв'язок в зміні частот різних коливань при управлінні. Показано, що найменший вплив на частоту сусіднього коливання можна отримати при використанні електричних фільтрів на основі п'єзоелементів в колі управління кожної частоти.

5. Проведено теоретичне дослідження впливу управління ємністю варикапа на ДМХ та отримано практичне підтвердження характеру змін модуляційних характеристик при корекції.

6. На основі проведеного експерименту по дослідженню динамічних модуляційних характеристик ємнісного трьох точного КГ отримано підтвердження правильності отриманої моделі ДМХ-дискримінаторів.

7. Досліджено вплив температурної обробки і b-опромінювання на параметри різних зразків п'єзопластин лангаситу. Аналіз зміни динамічних параметрів показав, що протікання внутрішніх процесів в різних зразках співпадає у напрямі змін, але по інтенсивності є відміннності. Крім того, отримані дані кажуть про низьку чутливість зразків до b-опромінювання.

8.Отримані дані по дослідженню п'єзопластин лангаситу кажуть про можливість використання їх в п'єзорезонаторах як електричні фільтри для створення кіл незалежного управління частотами основного та ангармонійного резонансів в КГ, побудованих на основі ММКСЧ.

Література

1. Садовый К.В. Влияние ангармонических резонансов на динамические модуляционные характеристики прецизионного кварцевого автогенератора // Научные труды 5-го Российского симпозиума "Метрология времени и пространства", Менделеево ИМВП ГП ВНИИФТРИ, 1994. - с. 294-298.

2. Шмалий Ю.С., Романько В.Н., Садовый К.В. Исследование деградационных процессов ангармонического спектра колебаний кварцевого резонатора // Научные труды 5-го Российского симпозиума "Метрология времени и пространства", Менделеево ИМВП ГП ВНИИФТРИ, 1994. - с. 299-305.

3. Садовый К.В. Определение эквивалентных динамических параметров основной моды колебаний пьезопластин Y-среза с накладными электродами // Сборник научных трудов ХВУ. Выпуск 6. - Харьков, 1996. - с. 39-46.

4. Шмалий Ю.С., Садовый К.В., Дубовик М.Ф. Электрические свойства автономных пьезопластин лангасита Y-среза // Сборник научных трудов ХВУ. Выпуск 6. - Харьков, 1996. - с. 47-54.

5. Dubovik M.F., Zagoruiko Yu.A., Korshikova T.I., Shmaly Yu.S., Sadovy K.V. Influence of thermal treatment on some electrophysical parameters of langasite samples // Proceedings 1996 International Symposium Acoustoelectronics, Frequency Control and Signal Generation. - Moscow: MPEI Publishers, 1996. - р. 133-137.

6. Dubovik M.F., Zagoruiko Yu.A., Korshikova T.I., Shmaly Yu.S., Sadovy K.V. Influence of thermal treatment and radiation on some electrophysical parameters of langasite crystals // Proc. of 50th IEEE IFCS, 1996, p. 84-89.

7. Шмалий Ю.С., Романько В.Н., Садовый К.В. Расчет динамических модуляционных характеристик кварцевого емкостного трехточечного автогенератора в полосе ангармонического контура // В кн.: I Українська науково-технічна конференція “Метрологія в електроніці” (“Метрологічне забезпечення в галузі електричних, магнітних та радіотехнічних вимірювань”). Тези доповідей. - Харків. - 1994. - с. 169.

8. Шмалий Ю.С., Романько В.Н., Садовый К.В. Динамические модуляционные характеристики прецизионного кварцевого автогенератора // В кн.: I Українська науково-технічна конференція “Метрологія в електроніці” (“Метрологічне забезпечення в галузі електричних, магнітних та радіотехнічних вимірювань”). Тези доповідей. - Харків. - 1994. - с. 188.

9. Адаменко А.А., Дружинец В.В., Евдокименко Ю.И., Клейман А.С., Попова Т.В., Романько В.Н., Садовый К.В., Старицкий Ю.И., Ткаченко В.В., Шмалий Ю.С. Разработка измерительного стенда и узлов макетов стандарта частоты кварцевого. Отчет о НИР/ НПЦ “Сихрон”. Регистр. №0193И039141, шифр “Лелека-1”. - Харьков, 1993. - 111с.

Размещено на Allbest.ru