СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ И ФАЗЫ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА УПРАВЛЯЕМОГО ГЕНЕРАТОРА БЛОКА СИНХРОНИЗАЦИИ В РЕЖИМЕ УДЕРЖАНИЯ
METHOD OF GENERATING FREQUENCY AND PHASE OF OUTPUT SIGNAL OF CONTROLLED GENERATOR OF HOLDING MODE SYNCHRONISATION UNIT

Предлагаемый способ относится к технике связи и к режимам работы блоков синхронизации (БС), содержащим управляемые генераторы (УГ), точнее, к способам формирования высокостабильного выходного сигнала УГ БС в режиме удержания.
Один из известных способов формирования высокостабильного выходного сигнала УГ в режиме удержания представлен в патенте US 7692499 «Способ формирования высокостабильных сигналов синхронизации в режиме удержания с цифровой компенсацией и с использованием адаптивной фильтрации» (авторы Xin Liu, Liang Zhang и др.), дата приоритета 31.12.2007 г.
В известном способе предложено повысить стабильность частоты выходного сигнала УГ БС в режиме удержания путем компенсации отклонения частоты, связанного с эффектом старения УГ и с изменениями температуры. Непосредственное измерение отклонения частоты УГ невозможно, так как в режиме удержания сигнал внешней синхронизации отсутствует. Чтобы обеспечить возможность прогнозирования значений отклонений частоты УГ в режиме удержания, в упомянутом способе предлагается заранее, в режиме синхронной работы, накопить два набора параметров, характеризующих зависимость отклонений частоты УГ от старения и изменений температуры. После перехода УГ в режим удержания, отклонения частоты УГ оцениваются на основе прогноза. Исходными данными для расчета прогнозируемых отклонений частоты являются предварительно накопленные два набора параметров, время работы в режиме удержания и отклонение температуры от начального значения режима удержания.
Общее выражение для прогнозирования значений отклонений частоты УГ в режиме удержания, приведенное в известном способе, представлено следующим образом:
<mrow><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>G</mi><mi>k</mi><mo>+</mo><mi>T</mi><mi>k</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где F(k) и F(k+1) - спрогнозированные отклонения частоты в моменты времени k и k+1 соответственно, относительно начального значения частоты в режиме удержания,
G и Г - параметры из двух предварительно накопленных наборов, соответствующие отклонению частоты соответственно от старения УГ и изменения температуры,
k - момент времени.
Чтобы скомпенсировать спрогнозированное отклонение частоты, вводится изменение в цифровой сигнал управления (ЦСУ) УГ.
Указанный способ имеет недостатки. В связи с конечной разрядностью ЦСУ, компенсация спрогнозированных отклонений частоты будет производиться с некоторой погрешностью, не превышающей цены единицы младшего разряда кода ЦСУ. Некомпенсированные отклонения частоты будут вызывать отклонения фазы выходного сигнала УГ от начального значения режима удержания. Если БС входит в состав аппаратуры синхронизации времени, неконтролируемые отклонения фазы выходного сигнала УГ могут значительно увеличить случайную составляющую основной погрешности аппаратуры.
Целью изобретения является ограничение изменений фазы УГ БС в режиме удержания заранее заданными пределами для повышения точности формирования высокостабильного выходного сигнала УГ БС в режиме удержания.
Техническим результатом применения предлагаемого изобретения является снижение расходов на эксплуатацию оборудования и сетей синхронизации, за счет возможности использования недорогих управляемых генераторов с влияниями на отклонения частоты эффекта старения и изменений температуры большими, чем в существующем оборудовании. Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить стоимость используемых УГ, при сохранении параметров качества связи. Также применение предлагаемого способа позволяет значительно увеличить допустимое время работы БС в режиме удержания без ухудшения качества связи.
Для достижения указанной цели предлагается в способе формирования частоты и фазы выходного сигнала управляемого генератора блока синхронизации в режиме удержания, включающем предварительное, в режиме синхронной работы, накопление наборов параметров, характеризующих зависимость отклонений частоты выходного сигнала управляемого генератора (УГ) от эффектов старения УГ и от воздействий изменений температуры окружающей среды, и формирование частоты и фазы выходного сигнала УГ в режиме удержания путем прогнозирования отклонений частоты выходного сигнала УГ от начального значения на основе предварительно накопленных наборов параметров, времени работы в режиме удержания и текущих значений температуры окружающей среды, расчет необходимых изменений цифрового сигнала управления (ЦСУ) УГ на основе спрогнозированных значений отклонений частоты и формирования изменений ЦСУ УГ для компенсации спрогнозированных отклонений частоты выходного сигнала УГ,
- производить прогнозирование некомпенсированных отклонений частоты выходного сигнала УГ, вызванных конечной разрядностью кода ЦСУ,
- производить прогнозирование отклонений фазы выходного сигнала УГ от начального значения, вызванных некомпенсированными отклонениями частоты,
- и, в случае выхода спрогнозированного отклонения фазы выходного сигнала УГ за заранее заданные предельные значения, вводить поправку к ЦСУ, равную по модулю одной единице младшего разряда кода ЦСУ, причем знак поправки выбирать таким, чтобы ограничить отклонения фазы выходного сигнала УГ.
На фиг.1 приведен пример графика изменения некомпенсированного отклонения частоты на выходе УГ при использовании известного способа формирования частоты и фазы УГ в режиме удержания.
На фиг.2 приведен пример графика общего характера изменения фазы на выходе УГ при использовании известного способа формирования частоты и фазы УГ в режиме удержания.
На фиг.3 приведен пример графика изменения некомпенсированного отклонения частоты на выходе УГ при использовании предлагаемого способа формирования частоты и фазы УГ в режиме удержания.
На фиг.4 приведен пример графика характера изменения фазы на выходе УГ при использовании предлагаемого способа формирования частоты и фазы УГ в режиме удержания.
Таким образом, в предлагаемом способе производится прогнозирование некомпенсированных отклонений частоты выходного сигнала УГ, вызванных конечной разрядностью кода ЦСУ.
Для расчета некомпенсированных отклонений частоты, из спрогнозированного в соответствии с выражением (1) отклонения частоты вычитается отклонение частоты, которое может быть скомпенсировано рассчитанным изменением ЦСУ.
Значение изменения ЦСУ, необходимого для компенсации спрогнозированного в соответствии с выражением (1) отклонения частоты, можно рассчитать в соответствии с выражением (2).
<mrow><mi>D</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>−</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mi>D</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где:
D(k+1) - необходимое изменение ЦСУ в момент времени k+1 относительно начального значения ЦСУ в режиме удержания;
F(k+1) - спрогнозированное отклонение частоты в момент времени k+1 относительно начального значения частоты в режиме удержания;
D
f - изменение частоты УГ при изменении ЦСУ на единицу младшего разряда;
[…] - обозначает округление до ближайшего целого значения.
Некомпенсированное отклонение частоты на выходе УГ можно определить по выражению:
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>o</mi><mi>u</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>D</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где:
D(k+1) - необходимое изменение ЦСУ в момент времени k+1 относительно начального значения ЦСУ в режиме удержания;
out
F(k+1) - спрогнозированное некомпенсированное отклонение частоты на выходе УГ в момент времени k+1;
F(k+1) - спрогнозированное отклонение частоты в момент времени k+1 относительно начального значения частоты в режиме удержания;
D
f - изменение частоты УГ при изменении ЦСУ на единицу младшего разряда.
Некомпенсированное отклонение частоты на выходе УГ будет вызывать отклонение фазы выходного сигнала УГ, равное произведению среднего отклонения частоты на время.
Если обозначить как Δt промежуток времени между моментами времени k и k+1, можно спрогнозировать отклонение фазы в момент времени k+1, проведя расчет по следующему выражению:
<mrow><mi>Ф</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>Ф</mi><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>o</mi><mi>u</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>o</mi><mi>u</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>k</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где:
Ф(k) и Ф(k+1) - отклонение фазы сигнала на выходе УГ в моменты времени k и k+1, относительно начального значения в режиме удержания;
out
out
F(k) и F(k+1) - спрогнозированное некомпенсированное отклонение частоты на выходе УГ в моменты времени k и k+1;
Δt - промежуток времени между моментами времени k и k+1.
Предполагается, что промежуток времени Δt достаточно мал, чтобы считать изменение частоты на этом промежутке линейной функцией.
Пример.
-10
-15
-12
Характер изменения некомпенсированных отклонений частоты и соответствующих отклонений фазы можно рассмотреть, используя численный пример, относящийся к термостатированному кварцевому УГ, при воздействии эффекта старения. Допустим, что скорость ухода частоты в результате старения УГ составляет 2*10относительных единиц в сутки (или 2,3*10 относительных единиц в секунду), а величина изменения частоты на выходе УГ, соответствующая изменению ЦСУ на одну единицу наименьшего разряда, составляет 7,6*10 относительных единиц.
Для приведенного численного примера, изменение некомпенсированного отклонения частоты на выходе УГ, рассчитанное по выражению (3), будет соответствовать графику на фиг.1. Общий характер изменения фазы, рассчитанного по выражению (4), будет соответствовать графику на фиг.2.
В аппаратуре синхронизации времени, в частности в серверах времени, систематическая и случайная составляющие основной погрешности формируемой шкалы времени должны быть метрологически установлены. Это накладывает ограничения и на отклонения фазы выходного сигнала УГ.
Чтобы не допустить выхода фазы сигнала УГ за заданные пределы, необходимо ввести дополнительные изменения ЦСУ, по отношению к рассчитанным по выражению (2) значениям.
max
min
Если обозначить пределы отклонения фазы как Ф и Ф, функцию определения необходимых значений ЦСУ в виде математического выражения можно записать следующим образом:
<mrow><mi>D</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>−</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mi>D</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><mi>δ</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где:
min
δ=1, если Ф(k+1)≤Ф
mах
δ=-1, если Ф(k+1)≥Ф
δ=0, в других случаях.
Если в рассмотренный выше численный пример добавить пределы отклонения фазы, например
max
-10
Ф=1*10с и
min
-10
Ф=-1*10с,
и воспользоваться выражением (5) для определения значений ЦСУ, изменение некомпенсированного отклонения частоты на выходе УГ будет соответствовать графику на фиг.3, а характер изменения фазы будет соответствовать графику на фиг.4. Отклонения фазы на выходе УГ снизились, по сравнению с фиг.2, почти в 32 раза и не превышают заданных пределов.
Периодичность прогнозов зависит от заданных пределов изменения фазы следующим образом:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo><</mo><mo><</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Ф</mi><mrow><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>Ф</mi><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mi>D</mi></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
D
В результате применения предлагаемого способа, мгновенные отклонения частоты УГ не превышают ±f, а мгновенные отклонения фазы на выходе УГ не превышают заданных пределов.
Технико-экономический эффект.
Применение предлагаемого способа позволяет использовать в БС на сетях связи недорогие управляемые генераторы с влияниями на отклонения частоты эффекта старения и изменений температуры большими, чем в существующем оборудовании. Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить стоимость используемых УГ, при сохранении параметров качества связи. Также применение предлагаемого способа позволяет значительно увеличить допустимое время работы БС в режиме удержания без ухудшения качества связи. Это снижает расходы на эксплуатацию оборудования и сетей синхронизации.
Наиболее наглядно экономический эффект проявляется при использовании предлагаемого способа в серверах времени.
Рассмотрим аппаратуру эталонной шкалы времени, предназначенную для организации распределенной в пространстве шкалы времени методом физической транспортировки работающей эталонной шкалы. Если требуется обеспечить синхронность локальных шкал времени до единиц наносекунд, аппаратура эталонной шкалы времени, без применения предлагаемого способа, должна содержать атомную шкалу времени на основе цезиевых или водородных генераторов. Рубидиевые и, тем более, кварцевые генераторы без применения предлагаемого способа не могут использоваться в аппаратуре эталонной шкалы времени, так как имеют значительные коэффициенты старения и температурные коэффициенты отклонения частоты.
Применение предлагаемого способа позволяет во многих случаях использовать в аппаратуре эталонной шкалы времени рубидиевые генераторы, что дает значительный экономический эффект. Так, стоимость водородного стандарта 41-1007 (изготовитель ЗАО «Время-Ч», Нижний Новгород) более чем в 34 раза превосходит стоимость рубидиевого генератора FE-5680A (поставщик ОАО «Морион», Санкт-Петербург). Экономия на замене только одного водородного стандарта рубидиевым генератором составляет более двух миллионов рублей.