Підвищення показників якості систем фазового автопідстроювання пристроїв синхронізації в телекомунікаціях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Український науково-дослідний інститут зв'язку

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.12.13 - Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

Підвищення показників якості систем фазового автопідстроювання пристроїв синхронізації в телекомунікаціях

Нетудихата Леонід Іванович

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій (ДУІКТ) Державного комітету зв'язку та інформатизації України

Науковий керівник: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Стеклов Василь Купріянович, завідувач кафедри інформаційних технологій ДУІКТ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Зайцев Григорій Фролович, провідний науковий співробітник Українського науково-дослідного інституту зв'язку

кандидат технічних наук, доцент Андреєв Анатолій Іванович, доцент Одеської національної академії зв'язку ім. О.С. Попова

Провідна організація: Відкрите акціонерне товариство “Науково-виробниче підприємство “Сатурн” (м. Київ).

Вчений секретар Михайлов В.Ф. спеціалізованої вченої ради К 26. 849. 01, к.т.н., с.н.с

Анотація

Нетудихата Л.І. Підвищення показників якості систем фазового автопідстроювання пристроїв синхронізації в телекомунікаціях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. Український науково-дослідний інститут зв'язку, Київ, 2003.

Роботу присвячено вирішенню наукових задач підвищення якості систем фазового автопідстроювання пристроїв синхронізації в телекомунікаціях у класі двозв'язаних систем (ДЗС) при детермінованих і випадкових впливах. Виконано аналіз різноманітних структур пристроїв синхронізації і визначені шляхи побудови систем ФАП високої точності та швидкодії.

Розглянуто методи оптимізації систем ФАП. Запропоновано методики синтезу компонентів ДЗС ФАП, їхніх зв'язків між собою та перехідних процесів за умов підвищення точності, швидкодії та надійності основної системи ФАП (ОСФАП), фізичної реалізації коригувальної системи ФАП (КСФАП), у різних режимах та при різних зовнішних впливах. Запропоновано також методики синтезу квазіоптимальних систем ФАП. Запропоновано нові структури: цифрових ДЗС ФАП і методику синтезу параметрів зв'язку між цифровими КСФАП та ОСФАП; оптимальної за швидкодією ДЗС ФАП при оптимізації перехідного процесу ОСФАП.

Ключові слова: фаза, автопідстроювання, усталеність, точність, оптимізація, процес

Аннотация

Нетудыхата Л.И. Повышение показателей качества систем фазовой автоподстройки устройств синхронизации в телекоммуникациях - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 - Радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. Украинский научно-исследовательский институт связи, Киев, 2003.

Работа посвящена решению научных задач повышения качества систем фазовой автоподстройки устройств синхронизации в телекоммуникациях в классе двухсвязных систем (ДСС) при детерминированных и случайных воздействиях. Выполнен анализ различных структур устройств синхронизации и определены пути построения систем ФАП высокой точности и быстродействия.

Рассмотрены методы оптимизации систем ФАП. Доказано, что ДСС эквивалентна комбинированной основной системе ФАП (ОСФАП) с дополнительным разомкнутым каналом управления, не влияющим на устойчивость замкнутого контура ОСФАП. Предложены методики синтеза: параметров корректирующей системы ФАП (КСФАП) и связи между системами из условия повышения точности ОСФАП в установившихся режимах при медленно изменяющихся задающих воздействиях и условии физической реализации КСФАП; оператора связи между КСФАП и ОСФАП из условия минимизации среднеквадратической ошибки ОСФАП и условии физической реализации оператора связи при случайном входном и задающем воздействиях с наложенной помехой. Предложены новые структуры: цифровых ДСС ФАП и методика синтеза параметров связи между цифровыми КСФАП и ОСФАП из условия повышения точности ОСФАП в установившихся режимах; оптимальных по быстродействию ДСС ФАП, отличающихся от известных тем, что устройство управления (УУ) расположено в разомкнутом канале управления и не влияет на устойчивость замкнутого контура; оптимальной по быстродействию ДСС ФАП при оптимизации переходного процесса ОСФАП, характеристическое уравнение которой имеет комплексные корни; квазиоптимальных по быстродействию ДСС ФАП, отличающихся тем, что УУ расположено в разомкнутом канале управления ОСФАП и не влияет на устойчивость ее замкнутого контура. Предложены методики синтеза: УУ оптимальной по быстродействию ДСС ФАП при оптимизации переходного процесса ОСФАП, в случаях, когда замкнутый контур ОСФАП является статическим или астатическим, или описывается дифференциальным уравнением с производными от сигнала управления в правой части; оператора связи между КСФАП и ОСФАП из условия компенсации начальных значений медленно затухающих компонент переходной составляющей фазовой ошибки и условии физической реализуемости оператора связи; УУ при оптимизации переходного процесса ОСФАП и ограничениях на производные управляемой величины. Предложена методика определения моментов переключения сигнала управления при оптимизации переходного процесса ОСФАП.

Ключевые слова: фаза, автоподстройка, устойчивость, точность, оптимизация, процесс

Annotation

Netudykhata L.I. Improvement of quality indices of phase-locked loop control systems of telecommunication equipment - Manuscript.

Thesis on the competition of the academy degree according to the speciality of 05.12.13 - Radio technical devices and telecommunication facilities. Ukrainian research institute of communications. Kyiv, 2003.

Thesis devotes to solving of scientific problems of quality improvement of synchronization devices phase-locked loop control (PLLC) systems in telecommunications in the double-connected systems (DCS) class under the deterministic and random influences. The comparative analysis of different structures of synchronization devices in telecommunications is performed. The ways of construction of high accuracy and high-speed response PLLC systems are defined. The methods of optimization of PLLC systems are considered.

The procedures for synthesis are proposed: of correcting PLLC (CPLLC) system parameters and connections between systems under the condition of MPLLC accuracy increase in the established modes under the slow changing control actions; of communication operator between CPLLC and MPLLC in terms of minimization of mean-square error of MPLLC under the random control actions with the additive noise; of control device (CD) of speed optimum DCS of PLLC when optimizing the transition process of MPLLC in cases when the MPLLC locked loop is static or astatic.

Key words: phase, locked loop control, stability, accuracy, optimization, process.

1. Загальна характеристика роботи

автопідстроювання синхронізація телекомунікаційний цифровий

Актуальність теми. Технологічна революція на межі двадцятого та двадцять першого сторіч забезпечила передумови переходу людства до принципово нової фази свого розвитку - інформаційного суспільства. Це стає можливим завдяки поступовому створенню національних, регіональних та глобальної інформаційних інфраструктур, важливою складовою частиною яких є телекомунікації. Розвиток мереж та послуг телекомунікацій визначає можливість реалізації завдань інформатизації.

Одним із найвідповідальніших завдань операторів сучасних цифрових телекомунікаційних мереж є побудова загальнонаціональної мережі синхронізації для забезпечення синхронного режиму роботи великої кількості технічних засобів, розосереджених на великих територіях. Вирішення цього завдання набуває особливого значення з впровадженням нових і новітніх технологій цифрового перетворення та перенесення інформації, різкого зростання швидкості передавання, інтелектуалізації мереж, підвищення вимог до якості послуг телекомунікацій. Особливо названа проблема стосується домінуючих операторів, які експлуатують більшу частину або великі фрагменти загальнонаціональної мережі. На них покладається завдання не тільки створити взаємозв'язану надійну та високостабільну опорну мережу джерел (генераторів) частоти синхронізації, але також і завдання контролю і управління цією мережею, забезпечення доставки опорних сигналів синхронізації в мережі інших операторів без погіршення якості синхронізації, і, значить, без погіршення якості телекомунікаційних послуг, що надаються користувачам.

У вирішення проблем синтезу різноманітних автоматизованих систем управління, суміжних проблем побудови систем синхронізації і управління ними, розвиток теорії оптимізації та теорії інформації значний науковий внесок зробили вітчизняні та зарубіжні вчені В.Н. Афанасьєв, В.І. Борщ, В.Н. Волкова, Є.Д. Вітербі, В.М. Глушков, М.І. Жодзишський, Г.Ф. Зайцев, М.В. Захарченко, А.Г. Зюко, В.Г. Лазарев, Д. Мако, Г.С. Поспелов, В.К. Стеклов, А.Д. Холл, В.В. Шахгільдян, К. Шеннон, Л. Янг та інші.

Разом з тим слід зазначити, що в умовах розмаїття телекомунікаційних та інформаційних технологій, їх швидкого прогресу та конвергенції, різноманітності типів та розгалуженості мереж, зростаючого попиту користувачів на нові послуги та підвищення вимог до їх якості, конкуренції на ринку телекомунікацій тощо виникають усе нові й нові задачі, пов'язані з підвищенням якості синхронізації - від загальномережних та загальнооператорських задач побудови ефективної національної системи синхронізації, пов'язаних з побудовою надійних, ефективних, гнучких структур, до підвищення надійності, точності, швидкодії окремих компонентів системи. Серед цих компонентів найбільш поширеними є системи фазового автопідстроювання (ФАП),на яких базується побудова національної системи синхронізації.

Системи ФАП широко використовуються при демодуляції цифрових ФМ сигналів, в частотних синтезаторах, де за допомогою ФАП полегшується вирішення задачі стабільності частоти і спектральної чистоти вихідного коливання; при побудові регенеративних дільників і помножувачів частоти, де шляхом побудови вузькосмугової замкненої ФАП з опорного сигналу, спотвореного завадами, можна одержати порівняно вільний від джитера субгармонійний когерентний сигнал; при розробці схем фільтрації спектральної складової сигналу на фоні шумів; при побудові високодобротних і смугових загороджувальних фільтрів з відстежувальною настройкою за середньою частотою; при побудові систем когерентної фазової або частотної модуляції; при управлінні фазованими антенними ришітками і побудові когерентних дальномірних систем; у підсилювачах для усунення фазових набігів. Методи фазової синхронізації широко використовуються в системах ІКМ для виділення тактового сигналу безпосередньо з інформаційної послідовності, що передаєтья; в апаратурі передавання даних, а також для стабілізації частот генераторів.

Як випливає з вищевикладеного, системи ФАП є одними з найпоширеніших в техніці зв'язку. Від показників якості ФАП багато в чому залежить ефективність системи зв'язку, вірність переданої від джерела до одержувача інформації тощо.

Основними показниками системи ФАП є точність в усталених режимах і швидкодія. Тому тема дисертаційної роботи, присвяченої вирішенню задачі підвищення основних показників якості системи ФАП, є особливо актуальною.

У відомій науково-технічній літературі вирішення задач підвищення точності і швидкодії систем ФАП у класі систем із принципом керування за відхиленням мають істотний недолік, який полягає у тому, що зміна параметрів замкненого контуру системи ФАП у напрямку зменшення фазової похибки призводить до збільшення тривалості перехідного процесу і до зменшення запасу стійкості. Тому при виборі параметрів замкненого контуру системи ФАП необхідно приймати компромісне рішення, яке б задовольняло необхідним точності та стійкості.

В ряді випадків поліпшення показників якості системи ФАП можливо досягнути шляхом запису сигналу в даний момент часу і зчитування його на наступному тактовому інтервалі п разів, але це пов'язано з появою додаткових спотворень, що виникають в пристроях запису-відтворення. Наявність п гілок для паралельної обробки інформації істотно ускладнює конструкцію системи ФАП.

В ряді робіт вирішується задача підвищення точності та швидкодії в класі комбінованих систем ФАП, систем ФАП з диференціальними зв'язками, а також в класі ітераційних систем ФАП. Однак розроблені системи ФАП вказаних класів в багатьох випадках є достатньо складними в реалізації.

Застосування адаптивних систем ФАП, що містять канали грубого і точного настроювання, також не вільне від основного недоліку, властивого системам ФАП з керуванням за відхиленням.

Проте, незважаючи на недоліки, властиві системам ФАП із принципом керування за відхиленням, і велику кількість робіт, присвячених їхньому дослідженню, багато важливих наукових та практичних питань щодо застосування систем ФАП у техніці телекомунікацій ще не досліджено.

Практично не досліджені двозв'язані системи ФАП. Не вирішені питання підвищення точності двозв'язаних ФАП при детермінованих повільно змінюваних та випадкових задавальних діяннях й збуреннях. Не вирішені завдання побудови оптимальних та квазіоптимальних за швидкодією двозв'язаних систем ФАП в пристроях синхронізації систем зв'язку. Не вирішено завдання розробки методик синтезу пристрою управління оптимальних та квазіоптимальних двозв'язаних систем ФАП. Не розроблена методика синтезу параметрів оператора зв'язку із умови компенсації початкових значень повільно загасаючих компонент перехідної складової фазової похибки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок досліджень безпосередньо пов'язаний з напрямками науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт, що провадились протягом 1996-2002 років в Українському науково-дослідному інституті зв'язку та в Київському інституті зв'язку Української Державної академії зв'язку ім. О.С. Попова (нині - Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій) відповідно до тематичних планів, затверджених Державним комітетом зв'язку та інформатизації України. Основні теми: "Розробка проекту дослідного фрагменту пілот-мережі АТМ" (держ. реєстр. № 0199U003098); "Концепція побудови та структурна схема мережі синхронізації України (держ. реєстр. № 0101U004808); "Розробка та впровадження пристрою сигналів синхронізації і звіряння частот цифрових та аналогових систем передачі первинної магістральної мережі ВАТ "Укртелеком" (держ. реєстр. № 0102U004874); "Експериментальні дослідження та розробка системи розподілу сигналів синхронізації і звіряння частот цифрових та аналогових систем передачі первинної магістральної мережі ВАТ "Укртелеком" (держ. реєстр. № 0102U004870), в яких використані результати роботи автора.

Мета та завдання дослідження. Метою роботи є підвищення точності та швидкодії двозв'язаних систем фазового автопідстроювання в пристроях синхронізації телекомунікаційних систем.

Об'єктом досліджень є двозв'язані системи фазового автопідстроювання в пристроях синхронізації телекомунікаційних систем, а предметом досліджень є їх показники якості - точність в синхронних режимах при детермінованих та випадкових задавальних діяннях і збуреннях та швидкодія. Для досягнення поставленої мети вирішуються такі задачі:

- виконання порівняльного аналізу різних структур пристроїв синхронізації і визначення шляхів побудови двозв'язаних систем ФАП високої точності та швидкодії;

- розробка методик синтезу цифрових основних та коригуючих систем ФАП (ОСФАП, КСФАП) і зв'язку між ними із умови підвищення точності в синхронних режимах при детермінованих та випадкових задавальних діяннях та збуреннях за умови фізичної реалізації коригуючих пристроїв;

- розробка нових структур оптимальних та квазіоптимальних двозв'язаних систем ФАП і методик синтезу пристрою управління при різних видах диференціальних рівнянь, які описують систему;

- розробка нових структур оптимальних і квазіоптимальних систем ФАП з урахуванням обмежень на похідні.

Методи дослідження. В роботі використані: методи моделювання на цифрових ЕОМ; спектральний і операторний методи рішення неоднорідних диференціальних рівнянь; методи теорії інваріантності та чутливості; теорія дискретних (цифрових) систем управління; теорія оптимального управління та випадкових процесів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у такому:

Запропоновані та досліджені нові структури аналогових та цифрових двозв'язаних систем ФАП і запропоновані методики синтезу параметрів: КСФАП за умови підвищення точності ОСФАП; коригуючої ланки зв'язку між КСФАП і ОСФАП за умови фізичної реалізації коригуючих пристроїв.

Запропоновані і досліджені нові структури оптимальних за швидкодією двозв'язаних систем ФАП, коли пристрій управління міститься в розімненому каналі КСФАП чи ОСФАП і не впливає на стійкість їх замкнених контурів управління.

Розроблено методику синтезу пристрою управління оптимальних за швидкодією систем ФАП при різних значеннях коренів характеристичного рівняння ОСФАП.

Розроблено методики синтезу двозв'язаних за швидкодією систем ФАП при обмеженнях на похідні керованої величини та синтезу оператора зв'язку між КСФАП і ОСФАП із умови компенсації початкових значень повільно загасаючих компонент перехідної складової фазової похибки.

Запропоновані й досліджені нові структури квазіоптимальних за швидкодією двозв'яза-них систем ФАП та запропонована методика синтезу пристрою управління.

Виконано порівняльний аналіз щодо мінімізації середньо-квадратичної похибки (СКП) ОСФАП двозв'язаної системи ФАП з принципом управління за відхиленням та комбінованої. Показано, що комбінована ОСФАП має більш широкі можливості щодо мінімізації СКП завдяки оптимальному вибору параметрів розімкненого каналу управління. Запропонована методика синтезу параметрів розімкненого каналу управління з урахуванням умов фізичної реалізації оператора розімкненого зв'язку.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій, виведених в роботі, досягаються ретельним багатостороннім системним аналізом реально існуючих процесів у сфері телекомунікацій взагалі та в об'єкті дослідження зокрема, коректним використанням методів досліджень та математичного апарату, підтверджуються результатами аналітичних доведень через математичні перетворення, результатами експериментальної перевірки та моделювання на ЕОМ та практичними результатами, які відображені в актах впровадження.

Наукове значення роботи. Наукові положення, отримані в дисертаційній роботі, є наступним кроком у розвитку теорії систем фазового автопідстроювання і пристроїв синхронізації в телекомунікаціях, а їх застосування при розробці і впровадженні конкретних каналів зв'язку і пристроїв синхронізації дозволяє підвищити їх якість і, значить, якість телекомунікаційних послуг.

Практичне значення отриманих результатів. Результати роботи знайшли практичне застосування в науково-дослідних та дослідно-конструкторських роботах і впроваджені Українським науково-дослідним інститутом зв'язку, в навчальних посібниках, які використовуються в учбовому процесі Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій, що підтверджується актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі особисто автором проведені наступні дослідження і одержані такі результати: розробка та дослідження нових структур цифрових та аналогових двозв'язаних систем ФАП та запропоновані методики синтезу КСФАП і зв'язку між КСФАП і ОСФАП із умови підвищення точності ОСФАП в усталених режимах; запропоновані нові структури оптимальних та квазіоптимальних за швидкодією двозв'язаних систем ФАП та запропоновані методики синтезу пристрою управління. У співавторстві із співробітниками кафедри інформаційних технологій ДУІКТ на ЕОМ проведені експериментальні дослідження систем ФАП, які використовуються в синхронних системах передавання інформації.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення і результати експериментальних досліджень були висвітлені на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу і наукових співробітників Одеської національної академії зв'язку ім. О.С. Попова (2000-2002 рр.); на науково-методичних конференціях Київського інституту зв'язку (1999-2001 р.р.); на 1-му Міжнародному форумі “Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку” (Харків, АНПРЕ, ХНУРЕ, 2002 р.); на міжнародних науково-практичних конференціях “Системы и средства передачи и обработки информации”, (Одеса, ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2000-2002 рр.); на ювілейній науково-практичній конференції, присвяченій 10-річчю УНДІРТ (Одеса, 2003 р.); на 6-й міжнародній науково-практичній конференції “Еволюція транспортних мереж телекомунікацій” (Ялта, 2003 р); на 2-й міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми управління мережами та послугами телекомунікацій в умовах конкурентного ринку” (Ялта, 2003 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи одноосібно або у співавторстві опубліковано 27 основних наукових праць, в тому числі: 1 монографію (у співавторстві з проф. Стекловим В.К.), 5 навчальних посібників (1 - одноосібно), 15 статей у виданнях, затверджених ВАК України (11 - одноосібно), 6 матеріалів доповідей на науково-технічних конференціях (3 - одноосібно).

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 219 сторінок друкарського тексту, який у тому числі містить 133 сторінки основного тексту, 50 сторінок з рисунками (46) та таблицями (4), 14 сторінок списку використаних джерел (177 найменувань), та 22 сторінки додатків.

Положення, що виносяться на захист:

Нові структури цифрових і аналогових двозв'язаних систем ФАП та доказ їх еквівалентності комбінованим системам ФАП.

Методики синтезу цифрових і аналогових двозв'язаних систем ФАП із умови підвищення точності в синхронних режимах при детермінованих та випадкових задавальних діяннях та збуреннях з урахуванням умов фізичної реалізації коригуючих пристроїв.

Методика синтезу оператора зв'язку між КСФАП і ОСФАП із умови компенсації початкових значень повільно загасаючих компонентів перехідної складової фазової похибки з урахуванням умов фізичної реалізації оператора зв'язку.

Нові структури оптимальних за швидкодією двозв'язаних систем ФАП, та запропоновані методики їх структурного синтезу з урахуванням наявності комплексних коренів характеристичного рівняння ОСФАП, обмежень на похідні керованої величини та можливості зміни структури ОСФАП при оптимізації її перехідного процесу.

Нові структури квазіоптимальних за швидкодією двозв'язаних систем ФАП та методика синтезу пристроя управління, який забезпечує генерацію сигналу управління і квазіоптимальний за швидкодією перехідний процес.

Результати порівняльного аналізу щодо можливості мінімізації СКП ОСФАП двозв'язаної системи ФАП з пристроєм управління та комбінованої, коли на вхід ОСФАП надходить задавальне діяння з накладеною завадою.

2. Основний зміст

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, сформульована мета, об'єкт, предмет та методи дослідження, перераховані основні наукові результати дисертації, викладена їх коротка характеристика.

Головна ідея, методи вирішення поставлених наукових задач, їх порівняльні оцінки, загальна методика проведення досліджень щодо побудови двозв'язаних систем фазового автопідстроювання високої точності та швидкодії для пристроїв синхронізації каналів зв'язку послідовно розкриті у чотирьох розділах та додатку.

Перший розділ присвячений розкриттю загальних підходів до синтезу технічних рішень пристроїв синхронізації в телекомунікаціях, зокрема систем фазового автопідстроювання. Розглянуті режими примусової та взаємної синхронізації, наведені основні терміни та визначення і математична модель системи синхронізації. При впровадженні цифрових методів передавання інформації, які поліпшують якість зв'язку, необхідно відмовитись від незалежних пристроїв синхронізації в вузлах мережі, тобто вводяться ведучі пристрої синхронізації та пристрої, які працюють в режимі слідкування за ведучими (так називані ведені пристрої синхронізації).

Розглянуто, з точки зору синхронізації, цифрові центри комутації в транспортному оточенні PDH та транспортна мережа SDH. Показано, що мережі синхронізації в транспортному оточенні PDH не розроблялись таким чином, щоб мінімізувати власний шум веденого пристрою синхронізації, а в транспортному оточенні SDH саме він є параметром, який підлягає нормуванню.

В розділі викладені загальні вимоги до систем і пристроїв синхронізації та управління ними, наведений порівняльний аналіз критеріїв оптимізації систем ФАП, які є основою побудови пристроїв і систем синхронізації. Розглянуто критерії: максимальної швидкодії; інтегральний критерій якості перехідних процесів; узагальнений інтегральний критерій; аналітичне конструювання регуляторів.

Задачу управління в системах ФАП доцільно вирішувати за допомогою принципу максимуму Л. С. Понтрягіна. Розглянуто особливості застосування принципу максимуму в системах ФАП. На основі порівняльного аналізу різних пристроїв синхронізації вказано на необхідність підвищення точності та швидкодії систем ФАП.

Другий розділ присвячений підвищенню точності цифрових і неперервних систем ФАП в синхронних (усталених) режимах при детермінованих та випадкових задавальних діяннях і збуреннях в класі двозв'язаних систем ФАП пристроїв синхронізації систем телекомунікацій.

В комбінованих системах ФАП сигнали розімкнених компенсуючих каналів управління одержують за допомогою частотного або фазового дискримінаторів, які включають на вході системи ФАП. Однак одержання сигналів другої і більш високих похідних по задавальному діянню (різниці фаз двох порівнюваних по фазі напруг однакової частоти) потребує застосування складних пристроїв: пасивних диференціюючих з проміжним посиленням; операційних підсилювачів постійного струму зі зворотним зв'язком; схем підсилювачів з позитивним зворотним зв'язком, близьким до критичного. В роботі показано, що в якості джерела похідних доцільно використовувати коригуючу систему ФАП (КСФАП), яка функціонує від загального задавального діяння з основною системою ФАП (ОСФАП). Вхідним діянням такого диференціатора є задавальне діяння , а вихідним - сигнал похибки КСФАП, оскільки сигнал похибки містить всі похідні від задавального діяння. Вказаний спосіб побудови двозв'язаної системи дозволяє не тільки забезпечити усунення ряду складових фазової похибки ОСФАП, але й покращити показники якості перехідного процесу. Функціональна схема двозв'язаної системи ФАП зображена на рис. 1, а. Двозв'язана система ФАП складається з двох систем КСФАП і ОСФАП та зв'язку між ними. На входи 1 та 2 системи надходять задавальна і керуєма напруги. Різниця фаз напруг є задавальним діянням, яке вимірюється за допомогою фазового дискримінатора ФД1. Для перетворення косинусної статичної характеристики ФД1 (а також ФД2 і ФД3) використовується елемент постійного запізнювання на . Замкнений контур КСФАП складається з елемента порівняння ЕП1, фільтра нижніх частот Ф1, підсилювача-перетворювача ПП1, інтегратора І та фазообертача ФО1. Для зміни фази напруги на додатковий вхід ФО1 надходить управляючий сигнал . Для вимірювання керованої величини (різниця фаз вхідної і вихідної напруг ФО1). ОСФАП складається з аналогічних елементів: ЕП2, Ф2, ПП2, І, ФО2 та ФД3, який використовується для вимірювання керованої величини . КСФАП і ОСФАП зв'язані між собою коригуючим пристроєм КП.



а

б

в

Рис. 1

Структурна схема двозв'язаної системи ФАП зображена на рис. 1, б. Рівняння її елементів визначаються виразами:

, (1)

де , - оператор КСФАП відносно похибки;

; ; - оператор коригуючого пристрою зв'язку ; .

Виключаючи з (1) проміжні змінні, одержуємо рівняння ОСФАП відносно похибки

. (2)

Рівнянню (2) відповідає також структурна схема комбінованої ОСФАП (рис. 1, в). В зв'язку з тим, що двозв'язана система (рис. 1, а, б) і комбінована ОСФАП (рис. 1, в) описується однаковими диференціальними рівняннями, то вони є еквівалентними. При цьому в двозв'язаній системі просто вирішується задача одержання похідних високого порядку за задавальним діянням.

Передавальна функція ОСФАП відносно похибки дорівнює

, (3)

; (4)

- відповідні коефіцієнти похибки ОСФАП; .

Умови усунення відповідних складових фазової похибки ОСФАП мають вигляд:

. (5)

При усувається статична складова фазової похибки ОСФАП; при усувається складова похибки, зумовлена швидкістю зміни задавального діяння (частотою).

Запропонована методика синтезу параметрів КСФАП та зв'язку між КСФАП і ОСФАП з умови підвищення порядку астатизму ОСФАП при врахуванні умов фізичної реалізації КП. Запропонована програмна реалізація КСФАП і КП.

В розділі викладено методику синтезу ОСФАП із умови одержання мінімуму середньоквадратичної похибки з урахуванням умов фізичної реалізації оператора зв'язку для випадку, коли на вхід системи надходить корисний сигнал з накладеною завадою. Показано, що критерії СКП для оцінки точності комбінованої ОСФАП може бути прийнятий з більшим підґрунтям, чим для оцінки точності ОСФАП з управлінням за відхиленням.

Параметри чисельника оператора розімкненого зв'язку ОСФАП визначаються із системи рівнянь

,

- -ий параметр замкненого контуру ОСФАП;

- параметри оператора зв'язку

.

Параметри знаменника оператора розімкненого зв'язку визначаються з умови, щоб найбільший за абсолютним значенням корінь характеристичного рівняння був більший, ніж найбільший за абсолютним значенням корінь характеристичного рівняння замкненого контуру ОСФАП.

Третій розділ присвячений розробці нових структур двозв'язаних оптимальних за швидкодією систем ФАП. В відомих оптимальних за швидкодією замкнених системах ФАП пристрій управління (ПУ) міститься в замкненому контурі управління. При синтезі таких систем звичайно не враховуються вимоги стійкості усталених режимів роботи системи, тобто в відомих системах є протиріччя між умовами оптимальності за швидкодією та стійкістю.

В третьому розділі пропонуються і досліджуються оптимальні за швидкодією двозв'язані системи ФАП, коли пристрій управління (ПУ) розміщено в розімкненому каналі управління ОСФАП. Такі оптимальні за швидкодією двозв'язані системи ФАП належать до класу систем зі змінною структурою, які здійснюють подвійне управління. Тому що розімкнений зв'язок з ПУ не впливає на стійкість замкненого контуру ОСФАП, то постає можливість синтезувати ПУ тільки в відповідності з умовами оптимальності; не враховуючи умову стійкості замкненої системи і вимог до її точності в усталених режимах.

Структурна схем оптимальної за швидкодією двозв'язаної системи ФАП зображена на рис. 2, а. Рівняння її елементів мають вид:

(6)

де - нелінійна функція пристрою управління. З рівнянь (6) одержуємо рівняння руху ОСФАП відносно керованої величини

. (7)

Із рівняння (7) одержуємо умову, яка забезпечує вимогу сталості амплітуди сигналу управління відповідно до принципу максимуму, а також сам сигнал управління:

(8)

(9)

де - максимально можливий сталий за величиною знакозмінний результуючий сигнал управління (рис. 2, д).

Структурна схема двозв'язаної системи ФАП, в якій виконується умова оптимальності (9), зображена на рис. 2, б. Для формування імпульсів з амплітудою використовується формувач імпульсів ФІ.

За допомогою додаткового зв'язку за задавальним діянням в ОСФАП з оператором і логічного комутуючого пристрою вироблюється компенсуючий сигнал на час тривалості перехідного процесу :

.



а

б в

г д

Рис. 2

Рівняння елементів системи рис. 2, б визначаються так:

(10)

У відповідності до рівняння (10) рівняння динаміки системи при , тобто в режимі перехідного процесу визначається так:

а структурна схема оптимальної за швидкодією двозв'язаної системи ФАП при зображена на рис. 2, в. Після закінчення перехідного процесу для усталеного режиму

а структурна схема при відповідає рис. 2, г.

В розділі запропоновано методику визначення моментів переключення сигналу управління оптимальної за швидкодією двозв'язаної системи ФАП. Для технічної реалізації ПУ необхідно знайти значення моментів переключення сигналу управління які в загальному випадку визначаються функцією

,

де - -тий корінь характеристичного рівняння замкненого контуру ОСФАП.

Для визначення використано метод стикування рішень диференціальних рівнянь зі знакозмінною правою частиною.

В розділі розглянуті такі випадки при оптимізації перехідних процесів: характеристичне рівняння ОСФАП містить комплексні корені; оптимізується перехідний процес розімкненого контуру ОСФАП; оптимізується перехідний процес замкненого або розімкненого контуру управління з урахуванням обмежень на похідні керованої величини.

Для визначення моментів переключення в перерахованих вище випадках необхідно вирішувати систему трансцендентних рівнянь. Для системи другого порядку, маємо:

(11)

Для конкретних значень параметрів ОСФАП графічне рішення системи рівнянь (11) дає значення та : ; . При цьому тривалість перехідного процесу дорівнює . Для двозв'язаної системи без ПУ маємо . Порівняння і показує, що тривалість перехідного процесу в оптимальній системі зменшується приблизно в .

В четвертому розділі вирішуються задачі побудови та дослідження квазіоптимальних за швидкодією двозв'язаних систем ФАП: вирішується задача досягнення квазіоптимального за швидкодією перехідного процесу в ОСФАП, коли має місце тільки один інтервал сигналу управління, знак якого збігається зі знаком задавального діяння. При цьому синтезується структура квазіоптимальної за швидкодією двозв'язаної системи ФАП, а саме оптимізується перехідний процес: замкненого контуру ОСФАП з обмеженою кількістю інтервалів сигналу управління і наявністю логічного комутатора; розімкненого контуру ОСФАП з обмеженою кількістю сигналів управління і з логічним комутатором; замкненого контуру ОСФАП, що описується неоднорідним диференціальним рівнянням, яке містить у правій частині похідні; ОСФАП п'ятого порядку.

У ряді випадків побудова строго оптимальної системи фазового автопідстроювання зустрічає певні труднощі, зумовлені неможливістю реалізації з великою точністю моментів переключення сигналу управління , погрішністю при математичному описі системи ФАП (об'єкта управління) і ін. Крім того, у більшості випадків економічно невигідно реалізувати строго оптимальну систему ФАП. Тому в деяких випадках доцільно проектувати не оптимальну систему ФАП, а близьку до неї за швидкодією. У цьому випадку вектор стану системи ФАП попадає не в точку, а у задану зону фазового простору.

Значного спрощення пристрою управління (ПУ) можна досягти зменшенням кількості інтервалів управління шляхом зниження порядку диференціального рівняння системи ФАП, наприклад, зневажаючи постійною часу підсилювача. Зневажаючи малими за тривалістю інтервалами управління, можна також спростити ПУ при несуттєвому відхиленні перехідного процесу системи ФАП від оптимального.

В розділі запропоновано методику визначення моментів переключення сигналу управління квазіоптимальної за швидкодією системи ФАП і розроблені структури таких систем. Наведено конкретні приклади визначення моментів переключення сигналу управління та графіки перехідних процесів.

Для системи ОСФАП п'ятого порядку зменшення кількості інтервалів управління до двох практично не впливає на якість перехідного процесу, але суттєво спрощує ПУ.

У висновках наведено загальні результати досліджень та сформульовані висновки по роботі.

В додатках викладені теоретичні основи побудови структур ієрархічного управління формуванням сітки частот мереж телекомунікацій з використанням швидкодіючих систем фазового автопідстроювання, а також акти впровадження результатів робіт в конкретні розробки та навчальний процес.

Висновки

Сукупність наукових положень сформульованих та обґрунтованих в дисертаційній роботі, є вирішенням наукового завдання підвищення основних показників якості систем ФАП в класі двозв'язаних систем, призначених для зменшення розбіжностей фаз двох напруг в пристроях фазової синхронізації по тактам в системах зв'язку. Основними результатами дисертаційної роботи є розробка, аналіз і синтез нових структур двозв'язаних систем ФАП.

В дисертації одержані такі теоретичні і практичні результати:

Виконано порівняльний аналіз різних структур пристроїв синхронізації в каналах зв'язку і відзначені шляхи побудови систем ФАП високої точності та швидкодії. Розглянуті методи оптимізації систем ФАП. Показано, що доцільно використовувати принципи максимуму Л.С. Понтрягіна при розробці оптимальних за швидкодією систем ФАП.

Доведено, що двозв'язана система ФАП еквівалентна комбінованій ОСФАП з додатковим розімкненим каналом управління, який не впливає на стійкість замкненого контуру ОСФАП. Оператор розімкненого каналу зв'язку за задавальним діянням ОСФАП містить послідовно з'єднані оператор КСФАП відносно її похибки та оператор коригуючого пристрою зв'язку між КСФАП і ОСФАП.

Запропоновано методику синтезу параметрів коригуючої системи ФАП (КСФАП) та зв'язку між системами із умови підвищення точності ОСФАП в усталених (синхронних) режимах при повільно змінюваних задавальних діяннях із урахуванням умов фізичної реалізації коригуючих пристроїв.

Запропоновано методику синтезу оператора зв'язку між КСФАП та ОСФАП із умови мінімізації середньоквадратичної похибки ОСФАП з урахуванням умов фізичної реалізації оператора зв'язку при випадковому вхідному задавальному діянні з накладеною завадою. Показано, що якщо параметри замкненого контура комбінованої системи ФАП синтезовані відповідно критерію середньоквадратичної похибки (СКП), то додатково зменшити СКП можливо раціональним вибором параметрів розімкненого каналу на основі частотного дискримінатора.

Досліджено вплив умов фізичної реалізації розімкненого каналу на мінімум СКП, який для конкретної реальної системи ФАП зменшується в 1,2 рази порівняно з системою з управлінням за відхиленням, а при с мінімум СКП зменшується на 33%.

Запропоновані нові структури цифрових двозв'язаних систем ФАП і методика синтезу параметрів зв'язку між цифровими КСФАП і ОСФАП за умови підвищення точності ОСФАП в усталених режимах.

Запропоновано нові структури оптимальних за швидкодією двозв'язаних систем ФАП, які відрізняються від відомих тим, що пристрій управління, який генерує сигнал управління, розташований у розімкненому каналі КСФАП чи ОСФАП і не впливає на стійкість замкненого контуру КСФАП чи ОСФАП.

Запропоновано методику синтезу пристрою управління оптимальної за швидкодією двозв'язаної системи ФАП із оптимізації перехідного процесу ОСФАП в таких випадках: коли замкнений контур ОСФАП є статичним або астатичним; коли замкнений контур ОСФАП описується диференціальним рівнянням, яке в правій частині містить похідні від сигналу управління.

Запропоновано методику синтезу оператора зв'язку між КСФАП і ОСФАП із умови компенсації початкових значень повільно загасаючих компонент перехідної складової фазової похибки з урахуванням умов фізичної реалізації оператора зв'язку.

Запропоновано структуру оптимальної за швидкодією двозв'язаної системи ФАП при оптимізації перехідного процесу ОСФАП, характеристичне рівняння якої має комплексні корені. Запропоновано методику синтезу додаткового розімкненого каналу зв'язку, використаного для компенсації початкових значень, відповідних до комплексних коренів характеристичного рівняння ОСФАП. При цьому об'єктом управління, перехідний процес якого оптимізується, є замкнений контур ОСФАП разом з додатковим розімкненим зв'язком по задавальному діянню.

Запропоновано методику синтезу пристрою управління при оптимізації перехідного процесу ОСФАП, коли регульована величина має обмеження на похідні.

Запропоновано нові структури квазіоптимальних за швидкодією двозв'язаних систем ФАП, які відрізняються тим, що пристрій управління розташований у розімкненому каналі управління ОСФАП і не впливає на стійкість її замкненого контуру. Запропоновані структури квазіоптимальних двозв'язаних систем ФАП для таких випадків: при оптимізації перехідного процесу замкненого контуру ОСФАП та відключенні КСФАП та задавального діяння; при оптимізації перехідного процесу ОСФАП, що описується диференціальним рівнянням, яке містить похідні в правій частині з одночасним відключенням задавального діяння та КСФАП при оптимізації перехідного процесу розімкненої ОСФАП з одночасним відключенням задавального діяння та КСФАП.

Запропоновано методику визначення моментів переключення сигналу управління при оптимізації перехідного процесу ОСФАП. Доведено, що двозв'язана система ФАП з пристроєм управління, яка побудована із забезпеченням меншої кількості інтервалів управління ніж необхідно теоретично, у багатьох випадках з великим запасом задовольняє заданим показникам якості в перехідному режимі. Отримано формули для наближеного з достатнім ступенем точності обчислення моментів переключення в системі другого порядку при одному інтервалі управління. Теоретично та експериментально доведено, що зневага малими постійними часу ОСФАП високого порядку (у конкретному випадку - п'ятого порядку) дозволяє значно спростити її дослідження та спростити пристрій управління без помітного погіршення швидкодії двозв'язаної системи ФАП.

Порівняння тривалості перехідних процесів в ОСФАП п'ятого порядку без додаткового розімкненого зв'язку за задавальним діянням і без пристрою управління та у квазиоптимальній за швидкодією ОСФАП при зменшенні кількості інтервалів управління до двох замість п'яти показує, що тривалість перехідного процесу в квазиоптимальній ОСФАП зменшується приблизно на порядок (у 9,6 рази).

Наукові результати дисертаційної роботи впроваджені в держбюджетну дослідну роботу, яка проводилась на кафедрі інформаційних технологій Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій, в навчальний процес та в розробки Українського науково-дослідного інституту зв'язку.

Список основних публікацій за темою дисертації

1. Борщ В.І., Коваль В.В., Михайлов М.К., Нетудихата Л.І. Ієрархічні формувачі сітки частот мереж телекомунікацій //Вісн. Нац. університету “Львівська політехніка”. - Радіоелектроніка та телекомунікації.-2002, № 443.-С. 45-56.

2. Борщ В.И., Коваль В.В., Нетудыхата Л.И. Анализ и синтез выделителей тактового сигнала ЦСП на основе методов оптимального приема и теории нечетких множеств.-К.: Радиоэлектроника, 2002.-С. 136-139.

3. Нетудыхата Л.И., Гордиенко С.Б., Недашковский О.Л. Система фазовой автоподстройки с нелинейной обратной связью/ /Радиотехника, № 133.-2003. - С. 222-227.

4. Нетудыхата Л.И. Уменьшение переходной составляющей ошибки в двухсвязной системе фазовой синхронизации. - К.: Зв'язок, № 6. - 2002. - С. 45-48.

5. Нетудихата Л.І., Кірпач Л.В. Неперервні та цифрові системи фазової синхронізації. / Навч. посібник. - К.: ДП УНДІЗ.-2001.-86 с.

6. Нетудыхата Л.И. Помехоустойчивое выделение тактового синхросигнала в цифровых системах передачи по аналоговым радиорелейным каналам связи // Труды V Международной научно-практической конференции “Системы и средства передачи и обработки информации”. - Одесса.: ОНАС им. А.С. Попова, 2001.-С. 48.

7. Нетудыхата Л.И. Выделители тактового синхросигнала цифровых систем передачи // Сб. тезисов научно-техн. семинара “Системы синхронизации в радиотехнике и связи”. - Одесса.: ОНАС им. А.С. Попова, 2001.-С. 59.

8. Нетудихата Л.И. Оптимальная по быстродействию двухсвязная система фазовой автоподстройки при оптимизации переходного процесса основной системы. - К.: Зв'язок, № 1, 2003. -С. 45-47.

9. Нетудихата Л.І., Кірпач Л.А., Сторчак К.П., Катасова Н.В. Методи фазової синхронізації в пристроях зв'язку/Навч. посібник - К.: ДП УНДІЗ, 2001.-83 с.

10. Нетудихата Л.И., Стеклов В.К. Системы фазовой автоподстройки в устройствах связи -К.: Техніка, 2003.-368 с.

11. Нетудихата Л.І. Системи фазового автопідстроювання пристроїв синхронізації в телекомунікаціях /Навч. посібник - К.: ДП УНДІЗ, 2003.-67 с.

12. Нетудихата Л.І. Квазіоптимальні за швидкодією двозв'язані системи ФАП // Вісник УБЕНТЗ, № 1.-2003.-С. 114-121.

13. Нетудыхата Л.И. Об эквивалентности двухсвязной системы фазовой автоподстройки системе с комбинированным принципом управления. - К.: Зв'язок, № 2, 2003.-С. 55-58.

14. Нетудыхата Л.И., Щербина И.С. Многосвязные системы фазовой синхронизации /Навч. посібник//КИС УГАС им. А.С. Попова - К.: ДП УНДІЗ, 2000.-35 с.

15. Нетудыхата Л.И. Оптимальная по быстродействию двухсвязная система ФАП с дополнительной разомкнутой связью по задающему воздействию /Наукові праці Донецького нац. технічн. університету. Вип. 64, 2003.-С. 64-68.

16. Нетудыхата Л.И. Определение моментов переключения сигнала управления оптимальной по быстродействию двухсвязной системы ФАП при ограничении скорости изменения управляемой величины/Радиотехника, № 133.-2003.-С. 112-117.

17. Нетудыхата Л.И., Кирпач Л.А., Ламаш А.А. Квазиоптимальная двухсвязная система ФАП с ОС ФАП, описываемой дифференциальным уравнением, содержащим производные в правой части // Вісник УБЕНТЗ, № 1, 2003.-С. 108-114.

18. Нетудихата Л.І., Кірпач Л.А., Ламаш А.О. Синхронно-фазові вимірювачі та демодулятори /Навч. посібник//КІЗ ОНАЗ ім. О.С. Попова. - К.: ДП УНДІЗ, 2002.-69 с.

19. Нетудыхата Л.И. Оптимальная по быстродействию двухсвязная система ФАП при ограничении на производные управляемой величины. - К.: Зв'язок, № 3, 2003.-С. 55-58.

20. Нетудыхата Л.И. Синтез структуры оптимальной по быстродействию двухсвязной системы ФАП при комплексных корнях характеристического уравнения замкнутого контура основной системы. - К.: Зв'язок, № 4, 2003.-С. 53-57.

21. Нетудыхата Л.И. Сравнительный анализ структур оптимальных по быстродействию систем фазовой автоподстройки. - К.: Зв'язок, № 5, 2003.-С. 66-68.

22. Нетудихата Л.І., Катасова Н.В. Квазіоптимальна за швидкодією двозв'язана система ФАП з розімкненим контуром основної системи //Вісник УБЕНТЗ, № 2, 2003.-С. 124-127.

23. Нетудыхата Л.И. Синтез структуры оптимальной по быстродействию двухсвязной системы фазовой автоподстройки. - К.: Зв'язок, № 6, 2003.-С. 51-54.

24. Нетудихата Л.І., Бабич Ю.О., Коршун Є.І. Узагальнені функціональні схеми систем тактової та фазової синхронізації/ Праці УНДІРТ, 2003, № 2 (34).-С.112-113.

25. Нетудыхата Л.И. Оценка влияния отклонений параметров на длительность переходных процессов оптимальной по быстродействию двухсвязной системы ФАП /Праці УНДІРТ, 2003, № 3(35).-С. 101-103.

26. Стеклов В.К., Кирпач Л.А., Нетудыхата Л.И. Минимизация среднеквадратической ошибки в комбинированных системах фазовой синхронизации//Вісник УБЕНТЗ, № 1, 2003.-С. 166-173.

27. L. Netudykhata. The measuring Information processing at Operational analysies of Jitter on an Input of Clock Synchronization devices of telecommunication Networks // Proc. Of the International conference TCSET' 2002.-Lviv, 2002. P. 299-300.

Размещено на Allbest.ru