автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Устройства передачи данных с переменной скоростью для систем управления

На правах рукописи

КАРПЕНКО ЛЕОНИД ВЛАДИМИРОВИЧ

УСТРОЙСТВА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ С ПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТЬЮ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

00305580Б

Специальность 05.13.05. - «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Москва - 2007 г.

Диссертация выполнена в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете)

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

НЕМЧИНОВ Валерий Михайлович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ДОМРАЧЕВ Вилен Григорьевич.

кандидат технических наук СИРОТКИН Александр Петрович.

Ведущая организация: ФГУП «Научно-исследовательский институт

импульсной техники» (НИИИТ).

Защита состоится 23 апреля 2007г. в 16-30 на заседании диссертационного совета Д212.130 02 при Московском инженерно-физическом институте (государственном университете) по адресу: 115409, г. Москва, ул Каширское шоссе, д.31 (тел 323-91-67)

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 115409, г. Москва, ул. Каширское шоссе, д.31, Ученый совет МИФИ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан «!6ъ марта 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Петров Г. В.

Актуальность

В диссертации рассматриваются устройства передачи данных, используемые для организации систем управления (СУ) магистральными нефте-, газопроводами, железными дорогами и т.п. Будем называть рассматриваемые СУ распределенными или технологическими Рассматриваемые системы передачи данных (СПД) содержат в своем составе модули передачи данных по кабельным линиям на расстояния от 3 до 40 км Рассматриваются симметричные СПД с одинаковыми скоростями в направлениях приема и передачи данных. Они относятся к классу плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) по классификации международного союза электросвязи (МСЭ-Т)

Большинство используемых СПД для СУ было разработано более двадцати лет назад. В настоящее время срок их эксплуатации заканчивается Кроме того, эти СПД, использующие аналоговые технологии передачи, морально устарели - за последние годы были разработаны новые цифровые технологии, позволяющие упростить эксплуатацию СУ и повысить качество передачи данных Заметим, что состояние большинства проложенных линейных кабелей является удовлетворительным, а построение новых оптоволоконных или радиорелейных линий экономически не оправдано в большинстве случаев.

Для замены существующих СПД для СУ, в основном, предлагаются модернизированные системы устаревшего, аналогового типа. Такие системы рассчитаны на передачу данных с одной скоростью. Это затрудняет их использование на кабельных участках увеличенной протяженности или на кабелях с плохими характеристиками При использовании таких кабелей соотношение сигнал / шум на входе приемника становится меньше допустимого. Это приводит к превышению максимально допустимого уровня ошибок в линии. На высоких частотах наблюдается наибольшее затухание в кабеле. Поэтому при ограниченной мощности передатчика для увеличения соотношения сигнал / шум следует уменьшить полосу передаваемого сигнала, убрав из нее наиболее высокочастотную часть Для такого уменьшения полосы необходимо снизить скорость передачи данных С появлением цифровых технологий передачи данных адаптивное изменение скорости в соответствии с параметрами используемого кабеля обеспечивается штатными функциями микросхем приемопередатчиков

В настоящее время разрабатываются модули СПД для СУ на основе микросхем цифровой абонентской линии (англ. digital subscriber line, xDSL) Эти интегральные

микросхемы (ИС) используют современные цифровые технологии передачи и делают возможным построение систем передачи данных с переменной скоростью (СПДПС), передающих данные на скоростях от 208 до 11016 кбит/с. К сожалению, микросхемы xDSL разрабатываются только зарубежными компаниями для организации небольших СПДПС, содержащих до восьми регенераторов. При использовании этих ИС в модулях систем, состоящих из десятков регенераторов, возникают проблемы Основной из них является возникновение и усиление фазовых искажений сигналов синхронизации в каждом модуле СПД Большие фазовые искажения синхросигналов, в свою очередь, приводят к ошибкам передачи данных, а в худшем случае - к продолжительным перерывам связи, что является неприемлемым для СУ Для подавления фазовых искажений в модулях СПД требуется использование специальных фильтров В качестве этих фильтров используются блоки фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которые также выполняют функцию преобразования частот Задача построения преобразователей частоты (ПрЧ) на основе ФАПЧ является одной из самых сложных для разработчика СПД Наряду с существованием большого количества теоретической литературы по ФАПЧ, отсутствуют практические методики по проектированию подобных преобразователей

В диссертации особое внимание уделяется построению блоков ПрЧ Предлагается пошаговая методика расчета цифровых ПрЧ для рассматриваемого класса устройств

Интерфейсные и xDSL микросхемы часто не снабжаются всеми функциями, необходимыми для построения модулей СПДПС для СУ. Поэтому первостепенное значение приобретает возможность быстрой модернизации решений Оно дополняется требованиями разных заказчиков, каждому из которых требуется введение специфических функций Приведенные требования обуславливают необходимость разработки методики проектирования модулей СПДПС, содержащей проверенные универсальные решения ряда задач, возникающих при разработке

В диссертации предлагается методика построения модулей СПД для СУ Предлагаемая методика рассматривает построение устройств, имеющих несколько разнородных сетевых интерфейсов, работающих на разных скоростях передачи данных. Методика предполагает использование программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) в качестве центрального элемента модуля СПД. В ней описываются архитектура типового устройства, основные унифицированные блоки ПЛИС, необходимые для передачи (коммутации) данных, а также подсистема

синхронизации Применение методики удобно в силу модульности и возможности адаптации проекта под новые интерфейсные ИС.

В настоящее время приведенные в диссертации методики успешно применяются при разработке серийных СПДПС для СУ Термин СПДПС в диссертации трактуется двояко во-первых, рассматриваемые модули имеют возможность адаптивного изменения линейной скорости передачи, а, во-вторых, скорость каждого интерфейса также может настраиваться для обеспечения максимальной совместимости с различными интерфейсными микросхемами.

Цель диссертации

Целью диссертации является разработка методики построения типовых модулей СПДПС и создание методики проектирования цифровых ПрЧ для этих модулей.

Для достижения поставленной цели последовательно решаются следующие задачи-

• Определение основных параметров модуля СПДПС.

• Классификация и анализ существующих подходов к построению СПДПС

• Изучение принципов передачи сигналов синхронизации в СПД классов ПЦИ и СЦИ (системы синхронной цифровой иерархии по классификации МСЭ-Т, в основном, класс оптоволоконных систем, англ БОН).

• Разработка методики построения типового модуля СПДПС

• Выделение основных параметров ПрЧ для модуля СПДПС.

• Анализ теоретических данных по системам ФАПЧ, составляющим ее блокам, выбор и адаптация необходимых алгоритмов расчета

• Реализация на основе ПЛИС нескольких управляемых цифровых синтезаторов частоты, цифровых фильтров и фазовых детекторов, входящих в состав ПрЧ, выбор наиболее эффективной реализации ПрЧ

• Разработка алгоритма выбора типа ПрЧ и синтезаторов частоты

• Разработка методики проектирования ПрЧ на ПЛИС для СПД.

• Реализация модуля СПДПС на основе разработанных методик.

• Тестирование реализованной СПДПС

Научная новизна исследования

• Разработана и апробирована методика проектирования цифровых преобразователей частоты на ПЛИС. Она позволяет по заданным параметрам проектировать ПрЧ для различных модулей СУ. При помощи разработанной методики возможно проектирование ПрЧ с малыми частотами среза и переключаемыми диапазонами подстройки В последнее время были опубликованы несколько описаний реализаций цифровых ФАПЧ Однако ни одна из них не может быть использована в качестве перестраиваемого ПрЧ в системах передачи данных

• Предложена схема для предварительного определения АЧХ цифрового ПрЧ на этапе моделирования его работы. Она позволяет рассчитывать АЧХ цифровых ПрЧ любого типа, реализованных в ПЛИС на этапе моделирования Рассчитанная АЧХ хорошо согласуется с экспериментальными данными и позволяет предварительно оценить характеристики разработанного ПрЧ Ранее определение АЧХ ПрЧ было возможно только путем экспериментального исследования для которого требовалось наличие сложного стенда Использование этого стенда, в свою очередь, было связанно с большими финансовыми и временными затратами

• Разработана и обоснована методика построения модулей СПДПС с несколькими разнородными сетевыми интерфейсами. Известно несколько открытых архитектур построения модулей СПДПС с одинаковыми сетевыми интерфейсами, работающими на одной скорости При этом задача построения модулей с интерфейсами разных типов не стандартизована, а открытые методики и архитектуры отсутствуют. Автором предлагается гибкая методика построения модулей СПД с сетевыми интерфейсами разных типов, работающими на разных скоростях

Практическая значимость результатов диссертации

В диссертации приводятся практические рекомендации для построения модулей СПДПС класса ПЦИ При использовании этих рекомендаций задача разработки новых модулей может быть решена в значительно более сжатые сроки, а полученные СПД с большой вероятностью будет качественными и расширяемыми

В результате использования приведенных в диссертации данных были разработаны СПДПС Орион-2 и Меда!гапБ-4 производства НТЦ Натеке Были

6

реализованы 3 базовых устройства системы Меда1гапз-4. модуль сетевого окончания и 2 линейных регенератора Все модули успешно прошли сертификационные испытания, было налажено серийное производство. Суммарный объем выпущенных изделий к концу 2006 года составил 1000 штук. Произведенные системы успешно эксплуатируются как в составе небольших СУ, так и на объектах Российских железных Дорог, ОАО «Транснефть» и др Имеется 3 акта о внедрении, сертификат и протоколы испытаний.

Пользуясь приведенными в диссертации данными можно провести анализ уже разработанных систем, повысить качество их работы и устранить функциональные дефекты, связанные с подсистемой синхронизации

Рассмотренные в диссертации блоки ПрЧ могут найти применение при проектировании следующих элементов СУ'

• Контроллеров телемеханики

• Конвертеров интерфейсов

• Систем передачи синхронных потоков через Е^егпеМР сети

• Систем кросс-коммутации синхронных потоков

• Систем служебной связи

• Гибких мультиплексоров

• Систем восстановления качества синхросигнала.

На защиту выносятся следующие положения

• Методика построения цифровых преобразователей частоты на базе ПЛИС.

• Схема для определения АЧХ цифрового ПрЧ на этапе моделирования работы ПЛИС.

• Методика построения модулей СПДПС класса ПЦИ

• Реализация модулей СПДПС Меда{гапз-4

Апробация диссертации

В опубликованных автором статьях были изложены методика расчета ПрЧ, методика построения СПДПС, а также требования по качеству сигналов синхронизации к оборудованию класса СЦИ и пути достижения этого качества с использованием оборудования класса ПЦИ, снабженного специализированными ФАПЧ. В докладах, сделанных на трех научных конференциях, рассматривались и обсуждались схемотехника устройств СПДПС и методы измерения фазовых искажений сигналов синхронизации

Публикации

По теме опубликовано три печатных работы и сделано три доклада на научной сессии и конференции МИФИ

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения Она содержит 134 страницы печатного текста, в том числе 65 рисунков и библиографию, включающую 70 наименований.

Основное содержание диссертации

Как видно на рис 1, СПДПС, входящая в СУ, содержит следующее оборудование передачи данных по кабельным линиям связи (DSL, англ digital subscriber loop)

у»»-™- I VKB v

еивк X (MUUM7UIHU J

Клгграллер mnid GSM

RS232/48J ТЧ TeJL

BS

RGN DSL |B1 1

¡Ethernet] RGN

--' 1 LTV la

El

Ethernet

Nx64

Рис 1. Типовые применения СПДПС в составе распределенных СУ

• Модули линейных окончаний (LTU, англ line termination unit), которые устанавливаются в узловых пунктах управления К LTU подключается различное оборудование обработки данных (АТС, сетевые коммутаторы, телефонные аппараты и т.п.).

• Модули линейных регенераторов (RGN), которые предназначены для восстановления линейного сигнала Они устанавливаются в необслуживаемых усилительных пунктах. Регенераторы снабжаются различными интерфейсами для подключения внешнего оборудования и датчиков

• Модули сетевых окончаний (NTU, англ network termination unit) Они имеют функции, сходные с RGN, но устанавливаются в обслуживаемых пунктах управления

Основной задачей СПД для распределенных СУ, является обеспечение связи между устройствами съема информации, совмещенными с исполнительными механизмами (контроллерами телемеханики), и пунктами управления Рассматриваемые СПД обычно также используются и для организации служебной связи различных видов Кроме того, их пропускной способности часто бывает достаточно для связи ведомственных АТС, расположенных на соседних узловых пунктах В последнее время усиливается интерес к IP/Ethernet/Internet приложениям, включающим в себя организацию видеоконференций, электронную почту, корпоративные электронные системы управления, охранные системы и т д. Поэтому требования к современной СПД включают в себя необходимость передачи данных по протоколам Ethernet.

На основе анализа элементов существующих модулей СПД и их архитектур разработана методика построения модулей СПДПС Эта методика содержит собственную архитектуру типового модуля и универсальные реализации блоков синхронизации и коммутации данных

Современный модуль синхронной системы передачи данных по медным линиям -это цифровая система, имеющая следующие интерфейсы (табл. 1)

Таблица 1

Распространенные интерфейсы СПД

Класс Описание Технология передачи

xDSL (DSL) Линейные интерфейсы передачи по проводной линии. Обеспечивают помехоустойчивую передачу данных по одной или двум кабельным парам на значительные расстояния Симметричные СПД (равные скорости приема и передачи). HDSL, SDSL, MSDSL, G.SHDSL

Асимметричные СПД (не равные скорости приема и передачи, в диссертации не рассматриваются)-ADSL, VDSL.

Сетевые интерфейсы Интерфейсы для подключения внешнего ООД (например, технолотческого оборудования СУ, АТС, маршрутизаторов, базовых станций GSM и др) El (МСЭ-Т G.703) - наиболее распространенный синхронный интерфейс 2048 кбит/с Кодирование HDB3,2 витые пары

Nx64 (МСЭ-Т VIO, V.ll, V.28, V.35, V36) -синхронный интерфейс N * 64 кбит/с, где N = 1,2. 64 2 линии данных, 3 линии синхронизации, 5 линий управления. Вытесняется интерфейсами Ethernet

Ethernet (IEEE 802.3х) асинхронный 10/100 Мбит/с 2 витые пары.

Основными узлами модуля СПДПС являются

• Линейные xDSL интерфейсы передачи по проводной линии

• Сетевые интерфейсы для подключения внешнего оборудования обработки данных (ООД).

• Управляющий микроконтроллер (МК)

• Внутренняя транспортная подсистема, обеспечивающая передачу данных между линейными и сетевыми интерфейсами

Под синхронной СПД, в рамках диссертации, понимается система, у которой средние значения частот следования данных (синхронизации), поступающей на вход приемника, и синхронизации на выходе передатчика точно совпадают. Модули СПД могут быть снабжены несколькими сетевыми интерфейсами Часто требуется использование нескольких интерфейсов одного типа, например, двух Е1

На настоящий момент существует две стандартные архитектуры построения модулей СПД Первая состоит в непосредственном подключении к МК всех интерфейсных ИС посредством встроенных в МК контроллеров. При этом все задачи передачи данных из одной интерфейсной шины в другую выполняются самим МК. Вторая стандартная архитектура базируется на использовании единой общей последовательной шины с временным разделением каналов (РСМ шины), к которой подключаются все интерфейсные ИС В соответствии с индивидуальными настройками каждая интерфейсная ИС передает и принимает данные из общей шины в необходимые моменты времени Данная архитектура является базовой для построения синхронных систем передачи. МК в данной системе не занимает центрального места (в смысле коммутации данных), однако также может подключаться к единой шине и выступать в качестве интерфейсного блока

Преимущества и недостатки приведенных архитектур приведены в табл 2

Таблица 2

Преимущества и недостатки стандартных архитектур модулей СПД

Архитектура Преимущества Недостатки

Центральный элемент - МК Хорошо подходит для асимметричных СПД с одним или несколькими интерфейсами. Несовместимость с большим количеством интерфейсных ИС

Слабые возможности построения симметричных синхронных СПД

Минимальный размер и стоимость системы. Широко используются в качестве оконечных абонентских устройств для домашнего применения Отсутствие возможностей по наращиванию интерфейсных функций и протоколов физического уровня

Простота системы Возможности строго ограничены количеством и типом встроенных в МК интерфейсов

Общая РСМ шина Возможность создания больших многоканальных систем на базе ИС одного типа. Частичная или полная несовместимость с большим количеством интерфейсных ИС

Слабые возможности модернизации

Наличие стандартов и рекомендаций по реализации от производителей Сложность построения перестраиваемой системы синхронизации от нескольких источников

Невозможность использования ИС, не предусматривающих подключение к единой шине

Предлагаемая архитектура модуля СПД позволяет сохранить преимущества стандартных архитектур и свести к минимуму присущие им недостатки Методика

построения модулей СПД предполагает использование собственной архитектуры на базе центральной коммутирующей ПЛИС (рис. 2), а также унифицированных реализаций блоков ПЛИС

В ПЛИС интерфейсные блоки подключаются к единой шине, однако для каждого блока реализуется так называемый «аппаратный контроллер», исключающий несовместимость интерфейсных блоков между собой. Реализуется комбинация архитектур «центрального МК» и «общей шины»

МК настраивает ПЛИС на необходимый режим работы, а также осуществляет контроль параметров ее работы через блок управления. Кроме блока управления в

Блок передатчика (рис 4) передает данные от сетевых интерфейсов к DSL интерфейсу.

#

[Fu

Г>

MUXj

ПрЧ

г*

I Iili

Модуль коммутации

он

ЦТ

А

Dm Dout _п Dm Dout _г 0111 Dout

Ki Fj Г K2 • Fn п Kn

f

KIi I Kh\ KInI

ЛД

KlN |

я микросхем сетевых интерфейсов

Рис. 4. Структурная схема блока передачи данных в DSL линию

В нем используется РСМ шина, которая состоит из шины синхронизации (ШС) и линии данных (ЛД). Передатчики контроллеров интерфейсов (ПКИ) Ki - Kn подключаются к ШС и соединяются друг за другом в разрыв ЛД ПКИ предназначены для приема данных от ООД, их передачи во внутреннюю РСМ шину, а также для выделения синхронизации F| из входного сигнала.

На вход преобразователя частоты подается сигнал синхронизации с одного из ПКИ или внутреннего генератора. Интерфейс, с которого снимается сигнал синхронизации, является, таким образом, источником синхронизации для всей передающей части модуля. ПрЧ преобразует частоту источника синхронизации в частоту, необходимую для работы линейного DSL интерфейса. Модуль коммутации предназначен для выдачи сигналов разрешения передачи данных на ПКИ (К,). Разработана обобщенная структурная схема Ki, содержащая память FIFO и интерфейс управления

Блок приемника (рис 5) предназначен для передачи данных из DSL интерфейса в сетевые интерфейсы

■п

Модуль коммутации

_еп2_

pclk

Lin

Ki

К2

U

К1Г

Kn *

KI2V KlN

к микросхемам сетевых интерфейсов

Рис. 5. Структурная схема блока приема данных из DSL линии

Он, также как и блок передатчика, построен на основе общей РСМ шины Все приемники контроллеров интерфейсов (ПрКИ) KrKN параллельно подключаются к

ШС и к ЛД ПрКИ предназначены для приема данных из РСМ шины, подключенной к выходу DSL интерфейса и передачи полученных данных в интерфейсную ИС на скорости, отличной от скорости РСМ шины. Разработана обобщенная структурная схема ПрКИ, содержащая ПрЧ, FIFO и интерфейс управления.

Итак, ПрЧ используются для преобразования частот синхронизации интерфейсов, работающих на разных тактовых частотах. Помимо преобразования частот ПрЧ выполняют еще одну важную функцию - подавление фазовых искажений Ниже кратко рассматриваются теоретические аспекты работы блоков ПрЧ.

Используют 2 характеристики фазовых искажений: jitter - фазовое дрожание с частотой более 10 Гц и wander - фазовое блуждание с частотой менее 10 Гц На рис. 6 показан вид сигнала с фазовым дрожанием. Пиковый jitter определяется как максимальное отклонение показательных участков сигнала от их идеального AT

положения во времени J -

То

Рис. 6. Осциллограмма сигнала с наличием фазового дрожания

Цифровые синхронные схемы характеризуются минимальным (или инструментальным) фазовым дрожанием, связанным с квантованием выходного

Т Р

сигнала тактовым синхросигналом РтС|к- Jm

1 mclk .

т.

На рис. 7 приведена схема системы ФАПЧ в режиме ПрЧ Она содержит фазовый детектор (ФД), управляемый генератор (УГ) и фильтр (Ф), который в ряде случаев может отсутствовать ПрЧ преобразует частоту входного сигнала к виду

F =F

OUI 1П г

ref

—ч иУ| (ÙR

ф УГ

m Sip

F(V)E

Рис. 7. Структурная схема классической ФАГГЧ

В модулях СПД необходимо контролировать следующие характеристики блоков ПрЧ полосы удержания и захвата, передаточную функцию и уровень вносимых фазовых искажений Расчет необходимых характеристик выполнен с

использованием основных положений теории систем ФАПЧ и теории автоматического управления Дифференциальное уравнение ФАПЧ без делителей на входе ФД с фильтром нижних частот первого порядка записывается в виде

Тт— = Ашн-SEF{ф), где Д®н=(шн-ш|п) - начальная расстройка частоты со„ УГ

dt dt

относительно частоты задающего генератора щ/л, Т- постоянная времени ФНЧ, £ -максимальное напряжение на выходе ФД, F(<p) - нормированная к единице

характеристика ФД, a S = ----- (отношение приращения выходной частоты Ашои| к Ли,

приращению управляющего напряжения на входе УГ Диг) - крутизна управления УГ Максимальная допустимая начальная расстройка ФАПЧ определяется выражением ЛсонМах = ES. При Лю» < ES наблюдается режим захвата, характеризующийся равенством частот Fcut и Fn

Полоса удержания вычисляется как разница между максимальной и минимальной частотами УГ, при которой еще наблюдается режим захвата. 2=(<и0 + Ьюнмах)-{ша -Аанмах) = 2 Аюнмах = 2SE. Приняв во внимание наличие в составе ФАПЧ делителей (^-ref) и (-i-gen), получим формулу для определения полосы удержания.

(1)

gen

Для определения полосы захвата Пз необходимо найти бифуркационное значение нормированной начальной расстройки у3, которое свяжет искомое значение

п

с полосой удержания yt = —L. Для этого в диссертации используется метод Пу

фазовой плоскости Автором был реализован модернизированный, по сравнению со стандартным, алгоритм нахождения у, на Matlab Проведенные для исследуемых ПрЧ расчеты показывают, что при а г 1, где (коэффициент фильтра),

нормированная полоса захвата y¡ равна единице с точностью шага математического моделирования. Следовательно, при выполнении этого условия полосу захвата можно практически считать равной полосе удержания.

Передаточная функция системы ФАПЧ с фильтром нижних частот 1-го порядка равна

5Д Е Syri¡ - Е-Syr¡ $

где Syr = —, а Бд - крутизна характеристики ФД АЧХ дает ценные сведения о

" gen

коэффициентах усиления фазовых искажений системой ФАПЧ Для СПД не допускается усиление фазовых искажений большее 1,02 (+0,2 дБ) Существование большего усиления в системах с последовательным включением нескольких модулей может повлечь за собой существенное усиление искажений фазы, а в некоторых случаях привести к срывам синхронизации. С уменьшением частоты среза F„ ФНЧ (при неизменности остальных параметров блоков ФАПЧ) в АЧХ ФАПЧ (рис 8) начинают появляться выбросы больше допустимого максимального значения

Из теории автоматического управления следует, что отсутствие выбросов, больших единицы, в АЧХ описанной системы возможно только в случае, если'5<г-£ 5УГ(-Т&\12. Подставив в это уравнение коэффициент фильтра а,

получим а > -.¡2 Данное неравенство удовлетворяет приведенному выше условию равенства полосы захвата и удержания Сформулируем следующий важный вывод если в АЧХ рассматриваемого типа ФАПЧ отсутствуют выбросы, большие единицы, то полосу захвата можно считать практически равной полосе удержания

Реализация ПрЧ для модуля СПДПС в практической части работы сводилась к выбору типа ПрЧ, выбору реализаций входящих в него элементов, расчету и проверке параметров полученного преобразователя

Для выбора между аналоговой и цифровой реализациями ПрЧ были рассмотрены преимущества и недостатки систем обоих типов (табл 3).

Таблица 3

Преимущества и недостатки аналоговых ФАПЧ при построении кабельных СПД

Преимущества аналоговых ФАПЧ Недостатки аналоговых ФАПЧ

Минимально возможный jitter на выходе (единицы ps) Отсутствие гибкости системы При возникновении потребности во включении дополнительной ФАПЧ требуется перетрассировка печатной платы (ПП)

Возможность умножения входного сигнала до частот, больших частоты тактирования синхронных схем. Максимальная выходная частота >6ГГц Отсутствие возможностями управления параметрами внутреннего ФНЧ Невозможность захвата синхронизации входного сигнала с большим дрожанием фазы

Легкость применения, нет необходимости расчетов и тестирования Дополнительная цена

Дополнительное энергопотребление

Дополнительный источник ЭМИ

Дополнительное место на ПП

Было показано, что предпочтительным для модулей СПД является использование цифровых ПрЧ, реализованных на ПЛИС.

В полном тексте диссертации описано несколько реализаций элементов цифровых ПрЧ - фильтров и УГ. Рассчитаны их основные характеристики и размер полученных схем при размещении в ПЛИС Из приведенных реализаций были выбраны лучшие. Была предложена методика расчета ПрЧ на ПЛИС (рис 9) Она сводится к заданию целевых и вспомогательных параметров ПрЧ, расчету каждого элемента и проверке характеристик полученного преобразователя Если характеристики синтезированного ПрЧ не удовлетворяют целевым, то необходима коррекция вспомогательных параметров и повторение расчета

Начало )

(Ц1аг1 Задание параметров ПрЧ

+

(Шаг 2 Выбор реализации блоков

*-

(ШагЗ Расчет ФД

(Шаг4 Расчет УГ

(Шаг 5 РасчетФ

+

(Шаг 6 Определение АЧХ, ыга

i' Дополнение

Реализация J ПрЧ с .

переключаемыми ,

(Конец ^

Рис. 9 Методика проектирования ПрЧ 16

Рассмотрим методику подробнее

Шаг 1. Зададим следующие параметры проектируемого ПрЧ (табл. 4).

Параметры проектируемого ПрЧ

Параметр Ед. изм. Описание

{FJ Гц Номинальная входная частота или сетка входных частот

ÍFJ Гц Номинальная выходная частота или сетка выходных частот

J mu Fmclk UI Гц Предельное неустранимое фазовое дрожание выходного сигнала (инструментальный jitter) Опорная тактовая частота синхронной схемы. Master clock Если задан J, то F„tii, £ F^j/J

dfjí ррга Максимальное относительное отклонение выходной частоты от номинальной

dF,L ррт Максимальный относительный шаг перестройки частоты выходного сигнала (шаг перестройки УГ)

F„„ Гц Максимальная частота среза ФАПЧ

2П Гц Минимальная полоса удержания (захвата)

В АЧХ преобразователя частоты не должно наблюдаться выбросов, больших 0,2 дБ

***** Вспомогательные параметры ПрЧ *****

Fe Гц Номинальная частота на входах ФД Определяется, как НОД( Рш и Р„ )/Ы, где N - целое число.

Гц Желаемая частота среза фильтра

2й Коэффициент деления делителя на выходе фильтра

Шаг 2 Выберем следующие реализации блоков ПрЧ

• ФД с предварительными делителями.

• Рекурсивный фильтр 1-го порядка с кратными 2Ы коэффициентами

• Цифровой синтезатор прямого синтеза частот с делителем на входе При этом структурная схема ПрЧ будет иметь следующий вид (рис 10)

gin (CPU)

Ц

ai _

(СРП

Т;

l+ger. N

'.я*

Fo ФД ч

l+rrf 1— 1 > ФНЧ\

А

, „ . 1*2d r-r—I

'»Di '-1 wTK.

/ wK

(CPU I

Рис. 10. Структурная схема цифровой ФАПЧ

Шаг 3. Зная номинальную частоту на входах ФД (Fo), частоты на входе и выходе ПрЧ, определим коэффициенты деления делителей, стоящих перед ФД: gen = Fn/F0, ref=Fin/F0. Определив максимальные значения коэффициентов деления и выходного значения ФД, рассчитаем разрядности входов gen и ref, а также выхода

ФД wDf = окр.вверх

.Fmclk. log2(-„-)

+ 1.

Шаг 4 Найдем максимальный шаг перестройки частоты УГ, зная с(Рл1

AFnL = mm(Fíi) dFnL Зная формулу определения частоты УГ FM=-rFmM,

рассчитаем разрядность аккумулятора учитывая, что шаг перестройки частоты

Ртс1к

можно получить из этой же формулы, приняв к=1. АРпЬ >" ■■, отсюда I = окрлверх(^тс^) Зная I, рассчитаем числа суммирования {к} для заданной сетки

АРп1

,21-Р,

выходных частот {Рп}. к = округл(-"), по максимальному из которых определим

^тс/к

разрядность входа и/К Найдем разрядность входа сигнала динамического управления РК (рис 10). и/РК = О.

Шаг 5 Примем частоту дискретизации фильтра равной Р0. Тогда число N фильтра

Р.

будет рассчитываться по N = окржерх

-+1)

Разрядность

Рф (желаемое) • п

элементов задержки фильтра на входе равна разрядности выхода ФД \Ntfi

Шаг 6 Полученный ПрЧ соответствует ФАПЧ, описанной выше Воспользуемся полученными ранее теоретическими результатами

Передаточная функция ПрЧ определяется (2), а полоса удержания (1),

где 5 =

ЬРЬ-гп гл

2°

тс!к_

г1 -2°

ж'

5

gen'

2 Ъ

Период фильтра Т

определяется согласно формуле Т = где N фильтра

2" -1

может быть

N = окрлверх

+ 1)

После

найдено построения

из условия АЧХ ПрЧ

по

Рф(желаемое) ■ я

передаточной функции определяется частота среза системы и факт наличия выбросов в АХЧ, больших 0,2 дБ Если такие выбросы присутствуют, либо частота среза ПрЧ больше заданного значения, то требуется корректировка схемы ПрЧ и проведение повторных расчетов Как было отмечено выше, после устранения выбросов в АЧХ, полосы удержания и захвата ПрЧ становятся практически одинаковыми

Шаг 7 Устранение выброса в АЧХ достигается увеличением частоты среза Рф ФНЧ Однако часто это приводит к синтезу ПрЧ с частотой среза выше заданной Ррп Также устранение выброса в АЧХ достигается увеличением О делителя на входе УГ При этом уменьшается полоса удержания 20 Если полоса удержания рассчитанного ПрЧ оказалась недостаточной, ее можно увеличить путем уменьшения в целое число раз Ро - номинальной частоты на входах ФД

Возможность построения ПрЧ с переключаемыми диапазонами работы В

некоторых модулях СПД необходимо использовать ПрЧ с очень низкой частотой среза (-К)"4 Гц) и широкой полосой захвата При этом требуется «быстрый» вход ПрЧ в синхронный режим. Для этого синтезировать ПрЧ по приведенной выше методике невозможно. Данную задачу можно решить путем синтеза ПрЧ с перестраиваемым делителем 1/.2° на входе УГ На первой стадии захвата используется минимальный коэффициент деления D При этом частота среза ПрЧ достаточно велика, а полоса захвата удовлетворяет необходимым требованиям. После подстройки выходной частоты к входной с некоторой точностью происходит увеличение коэффициента D, при этом частота среза и полоса захвата ПрЧ уменьшаются Далее происходит более точная подстройка выходной частоты и т.д Ограничения методики на проектирование ПрЧ с низкой частотой среза Приведенная методика подразумевает, что частота генератора Fmcft является стабильной К сожалению, при использовании стандартных генераторов типа СХО (crystal oscillator) наблюдается температурный дрейф выходной частоты с сопутствующими скоростями изменения фазы <ртЛ до 300 нс/с. Такой дрейф приводит к невозможности нормальной работы цифровых ПрЧ схема начинает отслеживать не входной сигнал, а сигнал опорного генератора Автором было экспериментально установлено, что использование кварцевых генераторов СХО позволяют использовать ПрЧ на ПЛИС с частотами среза до 1Гц При необходимости использования ПрЧ с более низкими частотами необходимо использовать более стабильные типы генераторов, такие как термокомпенсированные кварцевые генераторы (ТСХО, англ temperature compensated crystal oscillator) или термостабилизированные / термостатированные кварцевые генераторы (ОСХО англ. oven controlled crystal oscillator)

На базе приведенной в диссертации методики были разработаны 3 модуля СПДПС. Рассмотрим модуль линейного окончания line termination unit (LTU) более подробно Как видно из его блок-схемы (рис 11), центральный МК используется для настройки параметров всех интерфейсных ИС Также МК обрабатывает данные Ethernet и формирует синхронные HDLC (англ high-level data link control) потоки для передачи нужной части данных Ethernet через линейный или сетевой интерфейсы В качестве центрального коммутатора данных используется ПЛИС. К ней посредством РСМ шин подключаются ИС сетевых интерфейсов - 2 формирователя Е1, chipset xDSL и МК ПЛИС является коммутатором данных всех сетевых и линейных интерфейсов, а также блоком синхронизации этих интерфейсов.

i Е1 Framer

I 'Ж Е1 Framer

к

плис

4- (FPGA)

РСМ

т

Линейный интерфейс

Рис 11. Архитектура модуля LTU

Код ПЛИС был разработан в соответствии со структурными схемами (рис. 3 - 5) и предложенной методикой. В ПЛИС потребовалась реализация двух ПрЧ. На языке Verilog HDL был создан параметризованный модуль ПрЧ «LPLL». Разрядности шин, объединяющих компоненты этого модуля между собой, а также разрядности выходных портов и некоторых внутренних сигналов были сделаны настраиваемыми Таким образом, стало возможно быстро изменять его параметры. Был разработан комплект nn-файлов для проведения расчета ПрЧ на компьютере с использованием пакета Matlab

В результате расчета были получены значения параметров модулей LPLL, с необходимыми характеристиками. После расчета было проведено моделирование работы ПрЧ, а также экспериментально проверены характеристики, полоса захвата, фазовое дрожание на выходе ПрЧ при «эталонном» входном сигнале и АЧХ

Для проверки полосы захвата ПрЧ и измерения фазового дрожания на выходе ПрЧ использовался стенд (рис 12). Все необходимые измерения и воздействия производились коммуникационным тестером (BER-T) Consultronics PUMA 4300

Рис. 12. Структурная схема стенда для проведения комплексных измерений ФАПЧ

В результате испытаний LTU были получены результаты, приведенные в табл 5 и табл.6

Результаты тестирования полосы захвата ПрЧ LTU

Испытуемая система Frain, Гц Fmax, Гц Описание

Требования рекомендации G.703 2047897 2048103 Согласно рекомендации МСЭ-Ю703.

Система Е1-Е1 (оценка фазового дрожания, вносимого приемопередатчиками LVTTL-»G703 без включения ПрЧ) не удается определить используемым BER-T не удается определить используемым BER-T Разрешается использовать в составе оборудования О 703 Система захватывает частоту входного сигнала при отклонениях его частоты более ±10000 ррга

Система Е1 -ПрЧ -Е1 2047860 2048163 Разрешается использовать в составе оборудования в 703

Таблица 6

Генерация фазового дрожания блоками LTD

Испытуемая система J, ЕИ Описание

Предельное значение 0,15 Согласно стандарту МСЭ-Т О 823

Система Е1-Е1 0,059 Удовлетворяет требованиям синхронизации стандарта передачи ПЦИ 0 823

Система Е1-ПрЧ-El 0,082

На рис 13 приведена структурная схема стенда для измерения АЧХ ПрЧ

Oscilloquartz OSA 5565

Рис 13. Структурная схема стенда для измерения АЧХ ПрЧ

Первичный эталонный генератор (ПЭГ), использующий сигналы глобального позиционирования (GPS), генерировал высокостабильный опорный «эталонный» сигнал Фаза этого сигнала в коммуникационном тестере W&G PFJ-8 модулировалась синусоидальными колебаниями, поступающими от синтезатора частоты НР3325В. Сигнал с выхода PFJ-8 поступал на тестируемую систему, а также на прецизионный тестер синхронизации Oscilloquartz OSA 5565 Пройдя через тестируемую систему, сигнал синхронизации также поступал на OSA 5565 Отношения амплитуд фазовых искажений на выходе и входе системы, на разных частотах, задаваемых НР3325В, являлись точками АЧХ системы Результаты измерений приведены в табл 7

Измеренная ЛЧХ преобразователя частоты

Частота вводимых фазовых искажений, Гц 0,001 0,01 0,05 0,2 0,7 1 5 10 20 30 40 100

Подавление фазовых искажений, дБ -0,007 -0,01 0,07 0,38 3,23 5,51 25,9 37,5 49,5 56,5 >60 >60

Испытания на стенде (рис. 13) проводились во внешней лаборатории Они занимали значительное время и проводились платно. По этим причинам автором была разработана схема (рис 14) для предварительного определения АЧХ ПрЧ на этапе математического моделирования ПЛИС

Рис 14. Испытательная схема математического моделирования для определения

АЧХ ПрЧ

Принцип работы схемы состоял в следующем. На исследуемый ПрЧ подавался сигнал Fin с синусоидальными фазовыми искажениями Этот сигнал генерировал УГ типа DDS, на который подавался код центральной частоты Ki и код синусоидального смещения AKi. Сигнал ДК-i генерировался блоком ПЗУ (ROM), в котором были записаны отсчеты синусоидальной функции Дрожание сигнала на выходе ПрЧ определялось амплитудой дкг Сигналы aki и а кг поступали на пиковые детекторы (Peak det.), которые выделяли амплитуду каждого сигнала Соотношение амплитуд сигналов ДКг и ДК1 (при условии, что используемые УГ в испытательной схеме и ПрЧ одинаковые) давало точку АЧХ на исследуемой частоте вводимых искажений

Экспериментальные данные согласуются с результатами математического моделирования АЧХ в пределах погрешности 5% Полученная погрешность возникла из-за постоянного фазового шума, являющегося следствием инструментального фазового дрожания связанного с квантованием сигнала в ПЛИС и преобразователях Е1, а также из-за температурного дрейфа фазы задающего генератора системы

Результаты диссертации

Основные теоретические результаты

• Разработана методика построения модулей СПДПС класса плезиохронной цифровой иерархии с несколькими разнородными сетевыми интерфейсами. Эта методика предлагает использование архитектуры на базе центральной коммутирующей ПЛИС, а также унифицированных реализаций блоков ПЛИС. Использование полученных результатов позволяет в несколько раз уменьшить время разработки новых модулей и быстро расширять функциональность уже разработанных изделий.

• Предложена методика расчета цифровых ПрЧ на базе ПЛИС, которая позволяет рассчитывать ПрЧ по заданным характеристикам

Частный теоретический результат

• Разработана схема для предварительного определения АЧХ цифрового ПрЧ любого типа на этапе моделирования логической схемы ПЛИС.

Основной практический результат

Разработано семейство модулей СПДПС для СУ Megatrans-4 модуль линейного окончания и два модуля линейных регенераторов В настоящее время налажено их серийное производство На финальной стадии разработки находятся еще 2 устройства СПДПС Orion-2. Гибкость архитектуры позволила «НТЦ Натеке» одной из первых в мире создать работающий образец модуля СПД на xDSL микросхеме 2-го поколения Infineon SDFE со скоростью передачи данных до 11 6 Мбит\с

Частные практические результаты

• Разработан алгоритм выбора типа ПрЧ и синтезаторов частоты для устройств СПД

• В пакете Matlab разработана программа расчета цифрового ПрЧ по заданным характеристикам

• На языке Verllog HDL разработан параметризованный модуль ПрЧ Его параметры настраиваются при помощи коэффициентов, рассчитываемых по программе (см выше) При этом время синтеза ПрЧ с необходимыми параметрами сокращается на 2 порядка по сравнению с использованием непараметрических схем (с 2 часов до 2-х минут)

• Реализованы несколько типов ФД, фильтров и УГ для работы в составе ПрЧ. Получены данные о характеристиках каждой реализации Для реализации ПрЧ выбраны наиболее удачные из них Для ПЛИС Altera Cyclone ЕР1СЗТ144С8 синтезирован ПрЧ, работающий на частоте 180 МГц и УГ, работающий на частоте 275 МГц

Публикации

1. Карпенко Л В Реализация модулей передачи данных для систем управления протяженными объектами // Электросвязь. - 2006

№ 9. - С. 33-36

2. Карпенко Л В. Передача сигналов синхронизации оборудованием PDH // Вестник Связи. - 2005. - №12. - С. 27-32.

3. Карпенко Л.В. Реализация цифрового преобразователя частоты на ПЛИС // CHIP NEWS Инженерная микроэлектроника -2005 -№9(102) - С 14-18.

4. Карпенко Л В Измерение фазового дрожания сигналов синхронизации проводных систем передачи данных // Научная сессия МИФИ-2004. Сб науч. тр. Т1. Автоматика Электроника Микроэлектроника. Измерительные системы -М: МИФИ, 2004 - С. 245-246

5 Карпенко Л В. Цифровой блок понижения частоты для систем связи с переменной скоростью передачи // 5-я научно-техническая конференция Электроника, Микро- и Наноэлектроника: Сб. науч тр.

М: МИФИ, 2003 - С 118-121

6 Карпенко Л.В. Блоки ФАПЧ в проводных системах передачи данных // Научная сессия МИФИ-2003. Сб науч тр Т1. Автоматика Электроника Микроэлектроника. Измерительные системы -М МИФИ, 2003.-С 215-216.

Принято к исполнению 15/03/2007 Исполнено 16/03/2007

Заказ № 186 Тираж: 100 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское т., 36 (495) 975-78-56 www.autoreferat.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПОСТРОЕНИЕ МОДУЛЕЙ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ С ПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТЬЮ.

1.1. Обзор функций систем передачи данных для систем управления.

1.2. Основные элементы модулей систем передачи.

1.3. Внутренняя транспортная подсистема модуля системы передачи.

1.4. Использование асинхронных систем передачи для систем управления.

1.5. Методика построения модуля системы передачи на базе программируемой логической интегральной схемы.

ГЛАВА 2. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ.

2.1. Основные соотношения. Принцип работы.

2.2. Метод фазовой плоскости для определения полосы захвата ФАПЧ.

2.3. Анализ и определение основных характеристик ФАПЧ для систем передачи данных с переменной скоростью.

ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ ДЛЯ МОДУЛЕЙ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ.

3.1. Выбор типа генераторов и преобразователей частоты для модулей цифровых систем передачи.

3.2. Элементы цифровых преобразователей частоты.

3.3. Методика проектирования преобразователей частоты на программируемой логической интегральной схеме.:.

3.4. Упрощенные преобразователи частоты для не критичных приложений.

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ И ТЕСТИРОВАНИЕ МОДУЛЯ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ .„

4.1. Задание основных параметров.

4.2. Выбор архитектуры и элементной базы.

4.3. Реализация.

4.4. Разработка кода программируемой логической интегральной схемы.

В диссертации рассматриваются устройства передачи данных, используемые для организации систем управления (СУ) магистральными нефте-, газопроводами, железными дорогами и т.п. Будем называть рассматриваемые СУ распределенными или технологическими. Как правило, технологические СУ не требуют больших скоростей передачи данных, обеспечиваемых оптическими и радио системами передачи данных (СПД). Вдоль рассматриваемых объектов, обычно уже проложены медные кабели связи. Поэтому СПД, использующие для передачи данных кабели, являются наиболее экономически привлекательными для рассматриваемых применений.

Описанные в диссертации модули систем передачи данных с переменной скоростью (СПДПС) предназначены для передачи цифровых потоков данных El [1], Nx64 [2], [3] и Ethernet [4] по физическим кабельным линиям на расстояния от 3 до 40 км при линейной скорости от 208 до 4624 кбит/с. Рассматриваются синхронные системы с одинаковыми скоростями передачи данных в направлениях приема и передачи. Эти СПД относятся к классу плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) по классификации международного союза электросвязи (МСЭ-Т, англ. ITU-T).

Диссертация состоит из 4-х глав. В первой главе приводится обзор, рассматривается подсистема синхронизации и коммутации модулей СПДПС. Предлагается собственная методика построения этих модулей. Во второй главе рассматриваются теоретические аспекты работы преобразователей частоты (ПрЧ), которые являются системами фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Данные ПрЧ используются в модулях СПД для точного преобразования частот работы различных интерфейсов [5], а также для подавления фазовых искажений сигналов синхронизации [6]. Последней функции ПрЧ уделяется особое внимание, так как от нее зависит стабильность работы протяженной цепочки из нескольких модулей СПД. Во второй главе выводятся формулы для расчетов и предлагаются теоретические рекомендации по проектированию рассматриваемых ПрЧ. В третьей главе, которая является центральной частью диссертации, предлагается методика построения ПрЧ с использованием программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Описание реализации модуля СПДПС на базе разработанных методик приводится в заключительной, четвертой главе. Также приводятся результаты тестирования реализованного модуля.

Термин СПДПС в диссертации трактуется двояко: во-первых, рассматриваемые модули имеют возможность адаптивного изменения линейной скорости передачи, а, во-вторых, скорость обмена с каждой интерфейсной микросхемой также может настраиваться для обеспечения максимальной совместимости.

Данные, приведенные в диссертации, получены и проверены автором в процессе разработки СПДПС Megatrans-4 и Orion-2 производства НТЦ Натеке. Использование этих данных может существенно повысить качество и ускорить разработку новых модулей СУ, в которых требуется использование многоканальной коммутации данных с временным разделением каналов, полностью цифровых ПрЧ на основе ФАПЧ с возможностью быстрого изменения параметров, а также цифровых синтезаторов частот.

Актуальность исследования

Большинство используемых кабельных СПД для СУ было разработано более двадцати лет назад. В настоящее время срок их эксплуатации заканчивается. Кроме того, эти СПД, использующие аналоговые технологии передачи, морально устарели - за последние годы были разработаны новые цифровые технологии, позволяющие упростить эксплуатацию СУ и повысить качество передачи данных.

Сегодня для замены этих систем, в основном, предлагаются модернизированные СПД устаревшего, аналогового типа. Такие системы рассчитаны на передачу данных на единственно определенной скорости. Это затрудняет их использование на кабельных участках увеличенной протяженности или на кабелях с плохими характеристиками. При использовании таких кабелей соотношение сигнал / шум на входе приемника становится меньше допустимого. Это приводит к превышению максимально допустимого уровня ошибок в линии. На высоких частотах наблюдается наибольшие затухания в кабеле. Поэтому при ограниченной мощности передатчика для увеличения соотношения сигнал / шум следует уменьшить полосу передаваемого сигнала, убрав из нее наиболее высокочастотную часть. Для такого уменьшения полосы необходимо снизить скорость передачи данных. С появлением цифровых технологий передачи адаптивное изменение скорости в соответствии с параметрами используемого кабеля, обеспечивается штатными функциями микросхем приемопередатчиков.

В настоящее время также предлагаются СПД, использующие микросхемы цифровой абонентской линии (англ. digital subscriber line, xDSL). Эти интегральные микросхемы (ИС) используют современные цифровые технологии передачи. Их использование делает возможным построение СПДПС, передающих данные со скоростями от 208 до 4624 кбит/с. К сожалению, микросхемы xDSL разрабатываются только зарубежными компаниями для организации небольших СПД, содержащих не более восьми регенераторов. При использовании этих ИС в системах, состоящих из десятков регенераторов, возникают проблемы. Основными из них являются генерация и усиление фазовых искажений сигналов синхронизации в каждом модуле СПД. Большие фазовые искажения синхросигналов, в свою очередь, приводят к ошибкам передачи данных, а в худшем случае - к продолжительным перерывам связи, что является неприемлемым для СУ. Подавление фазовых искажений может выполняться блоками ПрЧ, которые используются в модулях СПД для преобразования частот работы различных интерфейсов. Задача выбора и построения ПрЧ на основе ФАПЧ является одной из самых сложных для разработчика СПД. Хотя существует большое количество теоретической литературы по ФАПЧ, отсутствуют практические методики по проектированию подобных преобразователей.

В диссертации особое внимание уделяется построению блоков ПрЧ. Предлагается методика расчета цифровых ПрЧ для рассматриваемого класса устройств.

В интерфейсных и xDSL микросхемах не реализовано значительное количество функций, необходимых для модулей СПДПС. Кроме того, многим заказчикам требуется введение в СПДПС специфических функций. Поэтому первостепенное значение приобретает требования к гибкости построения модулей СПД и возможности быстрого изменения их характеристик. Приведенные требования обуславливают необходимость создания методики проектирования модулей СПД для СУ, содержащей проверенные универсальные решения ряда задач, возникающих при разработке.

В диссертации предлагается методика построения модулей СПД для СУ. Она предназначена для разработки устройств, имеющих несколько разнородных сетевых интерфейсов, работающих на разных скоростях передачи данных. Методика предполагает использование ПЛИС в качестве центрального элемента модуля СПД. Предлагаются архитектура типового устройства и основные унифицированные блоки ПЛИС, необходимые для передачи (коммутации) данных. Применение методики удобно в силу модульности предлагаемых решений и возможности адаптации проекта под новые интерфейсные ИС. Методика успешно применяется при разработке серийных СПДПС для СУ.

Цели и задачи исследования

Целью диссертации являются разработка методики построения модулей СПДПС и создание методики проектирования цифровых ПрЧ для этих модулей.

Для достижения поставленных целей последовательно решаются следующие задачи:

• Определение основных параметров модуля СПДПС.

• Классификация и анализ существующих подходов к построению СПДПС.

• Изучение принципов передачи синхросигналов в СПД класса ПЦИ.

• Разработка методики построения модуля СПДПС.

• Определение основных параметров ПрЧ для модуля СПДПС.

• Анализ теоретических данных по системам ФАПЧ, составляющим их блокам, выбор и адаптация необходимых алгоритмов расчета.

• Реализация на ПЛИС нескольких элементов цифровых ПрЧ: управляемых генераторов, фильтров и фазовых детекторов. Выбор наиболее эффективной реализации ПрЧ.

• Разработка алгоритма выбора типа преобразователей и синтезаторов частоты.

• Разработка методики проектирования ПрЧ на ПЛИС для модулей СПДПС.

• Реализация модулей СПДПС на основе разработанных методик.

• Тестирование реализованных модулей СПДПС.

Объект исследования

В диссертации рассматриваются вопросы построения оборудования класса ПЦИ, разработанного для работы в составе технологических СУ. При разработке элементов и устройств такого оборудования значительную сложность представляет построение систем синхронизации и коммутации данных.

В диссертации исследуются системы синхронизации и коммутации данных на базе микросхем ПЛИС, а также общие вопросы построения модулей СПДПС.

Предмет исследования

В диссертации исследуется вопрос использования микросхем ПЛИС в качестве центрального элемента модулей СПДПС. Рассматриваются вопросы построения подсистемы коммутации данных (далее транспортной подсистемы) модулей СПДПС на ПЛИС. Также рассматриваются вопросы построения преобразователей и синтезаторов частоты на ПЛИС.

Методологическая и теоретическая основа исследований

Методологическую и теоретическую основу исследования составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области электроники, связи, автоматики и информатики.

В процессе анализа выпускаемых СПД для СУ использовались учебные курсы «Интерфейсы» и «Телекоммуникационные системы», а также теория построения синхронных и плезиохронных цифровых систем передачи данных.

При разработке авторской методики построения модулей СПДПС использовались методы схемотехнического проектирования микроэлектронных устройств. Применялись современные технологии проектирования ПЛИС.

Использовался язык описания аппаратуры Verilog HDL и аппаратно-независимый маршрут проектирования ПЛИС. Автор также использовал многочисленные рекомендации крупнейших производителей коммуникационных компонентов: Conexant, Infineon, Altera, Maxim-Dallas и Mindspeed и др.

В процессе проектирования цифрового преобразователя частоты (ПрЧ) использовалась теория ФАПЧ и метод фазовой плоскости. Также использовалась теория автоматического управления и методы цифровой обработки сигналов.

Для предварительного анализа работы логических схем, реализованных на ПЛИС, применялись методы функционально-логического моделирования.

Для оценки параметров подсистемы тактовой сетевой синхронизации (ТСС) разработанной СПД применялись методы и программы испытаний, изложенные в рекомендациях международных организаций, занимающихся вопросами стандартизации: ITU-T, ETSI и IEEE.

Информационная база исследования

В числе информационных источников диссертации были использованы:

• Литература по системам ФАПЧ, преимущественно относящаяся к области радиоприемных устройств [7], [8] и др.

• Тематические статьи, размещенные на сайтах производителей ПЛИС: wavw.altera.com, www.xilinx.com,www.latticesemi.com, документация к используемым программам синтеза и моделирования (САПР), а также книги [9], [10] и др.

• Книги [11], [12], [13] по цифровой фильтрации, обработке сигналов и автоматическому управлению.

• Книги, описывающие построение цифровых систем передачи данных, систем синхронизации, управления и удаленного мониторинга [4], [14], [15], [16] и др.

• Online ресурсы: www.protocols.ru и www.vsi.ru (сетевые протоколы), www.opencores.com,www.hunteng.co.uk (открытые разработки), www.geocities.com/CapeCanaveral/56n/(системы ФАПЧ) и др.

• Многочисленные статьи печатных и online журналов: «Chip News», «ЕЕ Times», «Электронные компоненты», «Живая электроника России», «Вестник связи» и др.

• Результаты испытаний различных систем передачи и обработки данных производства ЗАО «НТЦ Натеке», ФГУП «ЛОНИИС», Sagem Group, Siemens и Schmid Telecom.

Научная новизна исследования

• Разработана и апробирована методика проектирования цифровых преобразователей частоты на ПЛИС. Она позволяет по заданным параметрам проектировать ПрЧ для различных модулей СУ. При помощи разработанной методики возможно проектирование ПрЧ с малыми частотами среза и переключаемыми диапазонами подстройки. За последние годы было опубликовано несколько описаний цифровых ФАПЧ. Однако ни одна из них не может быть использована в качестве перестраиваемого ПрЧ в системах передачи данных.

• Предложена схема для предварительного определения АЧХ цифровых преобразователей частоты на этапе моделирования их работы. Она позволяет рассчитывать АЧХ цифровых ПрЧ, реализованных в ПЛИС, на этапе моделирования работы схемы. Рассчитанная АЧХ хорошо согласуется с экспериментальными данными и позволяет предварительно оценить характеристики разработанного ПрЧ. Ранее определение АЧХ ПрЧ было возможно только путем экспериментального исследования, для которого требовалось наличие сложного стенда, что было связанно с большими финансовыми и временными затратами.

• Разработана и обоснована методика построения модулей СПДПС с несколькими разнородными сетевыми интерфейсами. Известны открытые архитектуры построения модулей СПД с одинаковыми сетевыми интерфейсами, работающими на одной скорости. При этом задача построения модулей с интерфейсами разных типов не стандартизована, а открытые методики и архитектуры отсутствуют. Автором предлагается гибкая методика построения модулей СПДПС с сетевыми интерфейсами разных типов, работающими на разных скоростях.

Практаческая значимость диссертации

В диссертации приводятся практические рекомендации для построения модулей СПДПС класса ПЦИ. При использовании этих рекомендаций задача разработки новых модулей может быть решена в значительно более сжатые сроки, а полученные СПД с большой вероятностью будут качественными и расширяемыми.

Приведенные в диссертации данные были использованы автором в процессе разработки и тестирования семейства СПДПС Megatrans 4 производства «НТЦ Натеке». Были спроектированы 3 базовых устройства - модуль сетевого окончания и 2 линейных регенератора. Все модули успешно прошли сертификационные испытания, налажено серийное производство. Суммарный объем выпущенных изделий к концу 2006 года составил 1000 штук. Произведенные системы успешно эксплуатируются как в составе небольших СУ, так и на объектах Российских железных дорог, ОАО «Транснефть» и др. Имеются 3 акта о внедрении, сертификат соответствия и протоколы сертификационных испытаний.

Пользуясь методиками, приведенными в диссертации, можно провести анализ уже разработанных систем, повысить качество их работы и устранить функциональные дефекты подсистемы синхронизации.

Рассмотренные в диссертации блоки ПрЧ могут найти применение при проектировании следующих элементов СУ:

• Контроллеров телемеханики.

• Конвертеров интерфейсов.

• Систем передачи синхронных потоков через Ethernet/IP сети.

• Систем кросс-коммутации синхронных потоков.

• Систем служебной связи.

• Гибких мультиплексоров.

• Систем восстановления качества синхросигнала.

Апробация результатов диссертации

Основные идеи, вошедшие в методику построения СПДПС, были приведены в статье [17]. Они были также доложены и опубликованы в трудах конференций [5], [18]. В статьях [17] и [19], опубликованных в журналах «Chip News» и «Электросвязь», была приведена методика расчета цифрового ПрЧ. В статье [20] журнала «Вестник связи» были изложены требования по качеству сигналов синхронизации к оборудованию класса синхронной цифровой иерархии (СЦИ, в основном [21], оптоволоконные системы) и пути достижения этого качества с использованием оборудования класса ПЦИ. Сбор материалов и откликов на эту статью помог автору в определении необходимых параметров разрабатываемых блоков ПрЧ. В докладе [22] были сформулированы используемые автором методы измерения фазовых искажений сигналов синхронизации.

Выводы

• Сформулирована задача разработки нового модуля LTU (модуля линейного окончания СПДПС). По методике (п. 1.5) разработан модуль LTU. Приведена его структурная схема, детально описана реализация центрального коммутатора на ПЛИС.

• Приведены параметры блока ПрЧ, синтезированного для модуля LTU с использованием методики (п.3.3). Вычисленные и измеренные в лаборатории характеристики ПрЧ согласуются в пределах 10%-ной погрешности.

• Предложена схема для предварительного определения АЧХ преобразователя частоты на этапе математического моделирования работы ПЛИС. Эта методика использует испытательную схему моделирования, разработанную по портотипу экспериментальной лабораторной установки. Результаты лабораторных измерений и математического моделирования согласуются в пределах допустимой 5%-й погрешности.

Заключение

В диссертации рассматривается схемотехника модулей систем передачи данных с переменной скоростью, используемых в системах управления.

Разработана методика построения модулей СПДПС класса ПЦИ с несколькими разнородными сетевыми интерфейсами. Данная методика включает в себя новую архитектуру модуля, разработанную автором путем синтеза стандартных архитектур. В методике предлагается использование микросхемы ПЛИС в качестве центрального коммутатора данных. Предлагаются типовые реализации основных блоков ПЛИС, к которой подключаются все интерфейсные микросхемы, а также микроконтроллер. Для каждой интерфейсной микросхемы в ПЛИС создается, так называемый, «аппаратный контроллер», который подключается к внутренней общей шине.

Использование предлагаемой методики позволяет в несколько раз уменьшить время разработки новых модулей СПДПС и быстро расширять функциональность уже разработанных изделий, что, в свою очередь, необходимо в силу сжатых сроков разработки и наличия большого числа специфических требований различных заказчиков.

Детально рассмотрен наиболее сложный блок ПЛИС модуля СПДПС -цифровой преобразователь частоты (система ФАПЧ). Проведены расчеты характеристик данного ПрЧ. Разработано несколько реализаций его компонентов: фильтров и управляемых генераторов. Выбраны лучшие реализации. Для ПЛИС Altera Cyclone ЕР1СЗТ144С8 синтезирован ПрЧ, работающий на частоте 180 МГц, и УГ, работающий на частоте 275 МГц.

Впервые разработана методика проектирования полностью цифровых ПрЧ на ПЛИС по заданным характеристикам. Разработана программа расчета параметров ПрЧ. При этом время синтеза ПрЧ с необходимыми параметрами занимает всего несколько минут. Использование разработанной методики ограничено кратковременной стабильностью используемого кварцевого генератора и шириной полосы захвата ПрЧ (на низких частотах среза). Предложены направления дальнейшей модернизации методики.

Разработана схема для предварительного определения АЧХ цифрового ПрЧ на этапе моделирования логической схемы ПЛИС. Она позволяет с 95%-ной точностью оценить АЧХ цифрового ПрЧ любого типа до проведения дорогостоящих испытаний в сертифицирующей организации.

Описан процесс реализации и результаты тестирования семейства модулей СПД, построенных с использованием предложенных автором алгоритмов и методик.

Результаты диссертации были успешно опробованы и внедрены в процессе разработки следующих серийных СПДПС: «Орион», «Орион-2», «Megatrans-4». В настоящее время налажено серийное производство всех описанных в диссертации модулей. Использование предложенных методик позволило «НТЦ Натеке» одному из первых в мире создать работающий образец модуля СПДПС на xDSL микросхеме 2-го поколения Infineon SDFE со скоростью передачи данных до 11,6 Мбит/с.

1. ITU-T Recommendation G.703. Physical/electrical characteristics of hierarchical digital interfaces. Geneva: ITU-T, 1991.-40 p.

2. ITU-T Recommendation V.28. Electrical characteristics for unbalanced double-current interchange circuits. Geneva: ITU-T, 1993. - 6 p.

3. ITU-T Recommendation V.36. Modems for synchronous data transmission using 60-108 kHz group band circuits. Geneva: ITU-T, 1988. - 10 p.

4. Олифер В. Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для ВУЗов.1. Спб.: Питер, 2004. 672с.

5. Карпенко JI.B. Цифровой блок понижения частоты для систем связи с переменной скоростью передачи // 5-я научно-техническая конференция Электроника, Микро- и Наноэлектроника: Сб. науч. тр. М.: МИФИ, 2003.-С. 118-121.

6. Barrett С. Technical Brief SWRA029: Fractional/Integer-N PLL Basics. -S. I.: Texas Instruments, 1999. 7 p.

7. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебное пособие для вузов / Д.В. Васильев, М.Р. Витоль, Ю.Н. Горшенков и др.; Под ред. К.А. Самойло. М.: Радио и связь, 1982. 528 с.

8. Головин О.В. Радиоприемные устройства. М.: Горячая линия Телеком, 2002. - 383 с.

9. Поляков А.К. Языки VHDL и VERILOG. М.: Солон-Пресс, 2003. 320 с.

10. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA. М.: Додэка, 2002. - 576 с.

11. Айфичер Э.С., Джервис Б.У. Цифровая обработка сигналов. Практический подход. Второе изд. М.: Вильяме, 2004. - 992 с.

12. Дьяконов В., Абраменкова И. MATLAB обработка сигналов и изображений: Специальный справочник. Спб.: Питер, 2002. - 608 с.-13013. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 1. Спб.: Питер, 2002. 606 с.

13. Брени С. Синхронизация цифровых сетей связи. М.: Мир, 2003. - 417с.

14. Тактовая сетевая синхронизация/ Давыдкин П.Н.,Колтунов М.Н.,Рыжков А.В.; Под ред.М.Н. Колтунова. М.:Эко-Трендз, 2004.-205 с.

15. Парфенов Ю.А., Мирошников Д.Г. Цифровые сети доступа: медные кабели и оборудование. М.: Эко-Трендз, 2005 -285 с.

16. Карпенко JI.B. Реализация модулей передачи данных для систем управления протяженными объектами // Электросвязь. 2006. - № 9. С. 33-36.

17. Карпенко JI.B. Блоки ФАПЧ в проводных системах передачи данных // Научная сессия МИФИ-2003: Сб. науч. тр. Т1. Автоматика. Электроника. Микроэлектроника. Измерительные системы.

18. М: МИФИ, 2003. С. 215-216.

19. Карпенко J1.B. Реализация цифрового преобразователя частоты на ПЛИС // CHIP NEWS Инженерная микроэлектроника.2005.-№9(102).-С. 14-18.

20. Карпенко Л.В. Передача сигналов синхронизации оборудованием PDH // Вестник Связи. 2005. - №12. - С. 27-32.

21. Семенов А. Б. Волоконная оптика в локальных и корпоративных сетях связи. М.: Компьютер-пресс, 1998. - 302 с.

22. Карпенко Л.В. Измерение фазового дрожания сигналов синхронизации проводных систем передачи данных // Научная сессия МИФИ-2004: Сб. науч. тр. Т1. Автоматика. Электроника. Микроэлектроника. Измерительные системы. М: МИФИ, 2004. - С. 245-246.

23. Андреас Б. Родословная xDSL или попытка классификации технологий xDSL для «последней мили» // Технологии и средства связи.2000.-№ 1.-С. 15-20.

24. Прокис Дж. Цифровая связь. М.: Радио и связь, 2000. - 800 с.

25. Денисьева О.М., Мирошников Д.Г. Средства связи для последней мили. М.: Эко-Тренз, 1998.-360 с.

26. Мирошников Д.Г. Новый шаг в интеграции голоса и данных // Вестник связи. 2000. - №4. - С. 36-39.

27. Беллами Д. Цифровая телефония. М.: Эко-Трендз, 2004. - 640 с.

28. Золотов С. Протоколы Internet. СПб.: BHV, 1998. - 304 с.

29. Горнак А. Цифровые иерархии в сетях связи // PC Magazine / Russian Edition. 1998. -№10. -С. 18-25.

30. Слепов Н.Н. Синхронные цифровые сети SDH. 4-е изд., испр. М.: Эко-Трендз, 1999. 148 с.

31. ITU-T Recommendation G.811. Timing characteristics of primary reference clocks. Geneva: ITU-T, 1997. - 10 p.

32. ITU-T Recommendation G.810. Definitions and terminology for synchronization networks. Geneva: ITU-T, 1996. - 22 p.

33. ITU-T Recommendation G.813. Timing characteristics of SDH equipment slave clocks (SEC). Geneva: ITU-T, 1996. - 36 p.

34. ITU-T Recommendation G.812. Timing requirements at the outputs of slave clocks suitable for plesiochronous operation of international digital links. Geneva: ITU-T, 1996.-7 p.

35. Behaghel D., Pradat P. Developing the Local Loop // Telecommunications. 2000, May. P. 42-53.

36. ITU-T Recommendation G.991.2 Single-pair high-speed digital subscriber line (SHDSL) transceivers. Geneva: ITU-T, 2003. - 233 p.

37. Соколов H.A. Сети абонентского доступа. Принципы построения. Пермь.: Энтер-профи, 1999. 253 с.

38. Парфенов Ю.А. Кабели электросвязи. М.: Эко-Трендз, 2003. - 256 с.

39. ITU-T Recommendation V.54. Loop test devices for modems. Geneva: ITU-T, 1988.-18 p.

40. ITU-T Recommendation V.38. A 48/56/64 kbit/s data circuit-terminating equipment standardized for use on digital point-to-point leased circuits. -Geneva: ITU-T, 1996.-22 p.

41. Стандарты по локальным вычислительным сетям: Справочник / В. К. Щер-бо, В. М. Киреичев, С. И. Самойленко; Под ред. С. И. Самойленко. М.: Радио и связь, 1990. 304 с.

42. Кунегин С.В. Системы передачи информации. Курс лекций. М.: в/ч 33965,1997.-317 с.

43. Seal D. ARM Architecture Reference Manual (2nd Edition). New Jersey: Addison-Wesley Professional, 2000. 816 p.

44. Зотов В. Ю. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС фирмы XILINX.

45. М.: Горячая Линия Телеком, 2006. - 520 с.

46. Шахгильдян В.В. Системы фазовой синхронизации с элементами дискретизации. М.: Радио и связь, 1989. - 319 с.

47. Stephen M.W., Terry Troudet. Digital Phase-Locked Loop with Jitter Bounded // IEEE Transactions on circuits and systems. 1989. Vol.36, no.7, July. - P. 980-987.

48. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров М.: Наука, 1973. - 832 с.

49. ITU-T Recommendation G.823. The control of jitter and wander within digital networks which are based on the 2048 kbit/s hierarchy. Helsinki, 1993.- 18 p.-13351. Clock(CLK) Jitter and Phase Noise Conversion: AN 3359.

50. S. 1.: Maxim Integrated Products, 2004. 8 p.

51. Мирошник И. В. Теория автоматического управления. Линейные системы. Спб.: Питер, 2005. - 333 с.

52. Теория автоматического управления: Учебник для студ. вузов / С.Е. Душин, Н. С. Зотов, Д. X Имаев и др.; Под ред. В. Б. Яковлева. 2-е изд., перераб. -М.: Высш. шк., 2005. 567 с.

53. Best R. Е. Phase-locked loops, Design and Applications. NewYork: McGraw-Hill, 1984. 386 p.

54. Левин B.A., Малиновский B.H., Романов C.K. Синтезаторы частот с системой импульсно-фазовой автоподстройки.

55. М.: Радио и связь, 1989.-231 с.

56. Curtin М., O'Brien P. Phase Locked Loops for High-Frequency Receivers and Transmitters. Analog Dialogue.

57. S. 1.: Analog Devices, 1999. Vol. 33, No. 3, 5, 7. - 12 p.

58. Olsson T. Distributed Clocking and Clock Generation in Digital CMOS SoC ASICs PhD thesis. Lund: Department of Electroscience Lund University, 2004.- 167 p.

59. Using PLLs in Cyclone Devices: Cyclone Device Handbook, Volume 1. S. I.: Altera Corporation, 2005. 42 p.

60. Стариков О. Fractional-N и двойные Fractional-N/Integer-N синтезаторы частоты // CHIP NEWS. 2001. - № 10. - С. 28-36.

61. Fague D. A New Direct-Conversion Radio Chip Set Eliminates IF Stages. Analog Dialogue.

62. S. 1.: Analog Devices, 1999. Vol. 33, No. 10. - P. 58-70.

63. Digital Frequency Synthesizer with Random Jittering for Reducing Discrete Spectral Spurs. United States Patent 4410954 / Wheatley C.E. (USA). -33 p.

64. Аналоговые и цифровые синхронно-фазовые измерители и демодуляторы / А. Ф. Фомин, А. И. Хорошавин, О. И. Шелухин ; Под ред. А. Ф. Фомина. М.: Радио и связь, 1987. - 247 с.

65. Цифровые фильтры и устройства обработки сигналов на интегральных микросхемах / Ф.Б.Высоцкий, В.И.Алексеев, В.Н.Пачин; Под ред.Б.Ф. Высоцкого. М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.

66. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. М.: Техносфера, 2006. 855 с.

67. Системы автоматизированного проектирования фирмы Altera MAX+plus II и Quartus II. Краткое описание и самоучитель / А. А. Зобенко, А. С. Филиппов, Д. А. Комолов, Р. А. Мяльк. М.: РадиоСофт, 2002. 360 с.

68. Ален Э. Типичные ошибки проектирования. Библиотека программиста. Спб.: Питер, 2003.-400 с.

69. ITU-T Recommendation 0.171. Timing jitter and wander measuring equipment for digital systems which are based on the plesiochronous digital hierarchy (PDH). Geneva: ITU-T, 1997. - 12 p.