Методы повышения точности синхронизации частоты и времени в волоконно-оптических системах передачи

Методы повышения точности синхронизации частоты И времени в волоконно-оптических системах передачи

Ключевые слова: синхронизация частоты, волоконно-оптические сети, передача сигналов времени.

Использование существующих волоконно-оптических сетей для передачи сигналов єдиного точного времени и стандартных частот (СВСЧ) позволяет получить достаточные для большинства практических применений характеристики точности данных сигналов. Проведенное рассмотрение показало возможность повышения точности поддержания частоты в системе тактовой сетевой синхронизации систем передачи СЦИ. Очевидно, что при наличии на сетевых узлах опорных сигналов с существенно более точной и стабильной частотой вопрос обеспечения адекватной точности распространяемых по сети сигналов времени не будет представлять значительных затруднений. Исходя из функционирования мультиплексного оборудования, представляется целесообразным использовать при передаче сигналов времени подход, аналогичный рассмотренному выше с применением двунаправленной передачи и компенсации дрейфа фазы сигнала, а также исключить из тракта передачи сигналов времени ряд асинхронных преобразований СЦИ, которые используют буферизацию и вносят неконтролируемые задержки распространения сигнала.

Новожилов Е.О.,

к.т.н, ОАО "НИИАС"

В настоящее время относительная точность частоты в цифровых сетях синхронной цифровой иерархии (СЦИ) на полусуточном интервале наблюдения может составлять порядка 10-7, а точность сигналов времени, передаваемых по сети с помощью дополнительного оборудования — около десятков микросекунд (данные приведены для сети, использующей подвеску волоконно-оптического кабеля на опорах) [1]. В качестве примера можно привести линию связи на участке Хабаровск — Чита с ярко выраженным континентальным климатом, протяженность которой около 3000 км, а перепад температур ночь—день на поверхности кабеля в течение года может достигать 100 и более градусов.

Когда речь идет о точностях СВСЧ, то волоконно-оптическая сеть связи (в частности, сеть СЦИ) не позволяет реализовать такие точности в силу ряда ограничений. Во-первых, системы передачи СЦИ проектировались из расчета мультиплексирования множества сигналов, которые в общем случае формируются с использованием различных по частоте тактовых сигналов. При этом приходится применять различные механизмы выравнивания скоростей сигналов, что приводит к нестабильности временных задержек. Во-вторых, главная задача цифровой сети — обеспечить на приемном конце получение той же самой информации, которая вводилась в сеть при передаче. Для этого не требуется поддержание высокоточной частоты синхронизирующего сигнала; напротив, то, что сеть может работать в условиях непостоянства частоты и фазы тактовых сигналов (в опреде-

ленном поле допуска) является ее преимуществом. Так, например, сеть СЦИ может нормально выполнять функцию передачи информации даже при работе всех генераторов сетевых элементов (ГСЭ) в автономном режиме.

Поскольку фаза (информация о времени) и частота сигнала связаны между собой, рассмотрим проблему распространения по линии передачи (ВОЛП) сигнала стандартной частоты.

Главным препятствием для поддержания точности частоты при распространении синхросигнала по цепочке синхронизации сети СЦИ является дрейф фазы, возникающий как в аппаратуре систем передачи, так и в линии передачи. Особенно сильно проявляется температурный дрейф фазы, наблюдаемый в волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП), которая подвешена на опорах. Эта составляющая вносит наибольший вклад в фазовую ошибку синхросигнала, передаваемого по се-

ти СЦИ. Для повышения точности СВСЧ, передаваемых по сети СЦИ, необходимо в первую очередь рассмотреть методы передачи синхросигнала, обеспечивающие компенсацию температурного дрейфа фазы в ВОЛП.

Среди известных методов компенсации дрейфа фазы в ВОЛП заслуживают внимания методы, основанные на использовании управляемой линии задержки. Такие методы рассмотрены! в отчете [2]. В данных методах с помощью управляемого электронного фазовращателя (линии задержки) осуществляется коррекция фазы сигнала, поступающего в линию передачи, на основании информации о необходимой компенсации фазы1. Информация о необходимой компенсации фазы получается в результате измерения изменений круговой задержки сигнала в кабельной секции ВОЛП. Таким образом, обеспечивается компенсация синфазной составляющей дрейфа фазы в ВОЛП.

Рис. 1. Упрощенная схема электронной компенсации фазовых возмущений радиочастотного эталонного сигнала при передаче его по волоконно-оптическому каналу: Ц — оптический циркулятор;

ФП — фотоприемник; ФД — фазовый детектор; ФНЧ — фильтр нижних частот

38

Т-Сотт #2-2014

Направление передачи синхросигнала в цепи синхронизации

Оптический Оптический

интерфейс «V интерфейс е

РИс. 3. Упрощенная схема формирования агрегатных сигналов мультиплексора СЦИ уровня £ГМ-1

Один из вариантов реализации рассматриваема методов компенсации дрейфа фазы показан на рис. 1 (воспроизведено из [2] со ссылкой на [3]).

Для практических целей является актуальным рассмотреть использование указанных выше методов или их аналогов применительно в первую очередь к существующему оборудованию волоконно-оптических систем передачи стандарта СЦИ.

В практическом применении таких методов существуют следующие трудности: во-первых, управляемые линии задержки имеют ограничения по максимальному сдвигу фазы и дискретности фазового сдвига, что осложняет их применение; во-вторых, рассмотренные выше подходы не в полной мере учитывают специфику функционирования существующей аппаратуры систем передачи СЦИ.

На основе анализа известных методов компенсации дрейфа фазы в ВОЛП предлагается подход, заключающийся в модификации вышеуказанных методов с учетом возможности использования в аппаратуре систем передачи.

Основным отличием предлагаемого подхода от рассмотренных аналогов является использование вместо управляемой линии задержки узла фазовой автоподстройки частоты с симметричным детектированием, а также применимость к существующей структуре аппаратуры систем передачи с учетом особенностей ее функционирования. Применение такого подхода позволит повысить точность поддержания частоты синхросигнала в цепочке мультиплексного и генераторного оборудования систем передачи СЦИ без существенного изменения структуры аппаратуры систем передачи (рис. 2).

В представленной на рис. 2 схеме с помощью фазовых детекторов (ФД) измеряется разность фаз между синхросигналом, направляемым в ВОЛП, и синхросигналом эталонного генератора, левого по схеме (верхний ФД на схеме), а также между синхросигналом эталон-

ного генератора и синхросигналом, получаемым от ВОЛП (нижний ФД на схеме). При этом подразумевается, что синхросигнал на удаленном конце кабельной секции ВОЛП (правая часть схемы) принимается и направляется в обратную сторону (такой же подход используется в цепочке синхронизации систем передачи СЦИ).

Частота вспомогательного управляемого генератора, который входит в состав узла ФАПЧ, подстраивается таким образом, чтобы две рассмотренные выше разности фаз стали равны между собой. При таком условии сигнал, направляемый в ВОЛП, имеет некоторое опережение фазы относительно эталонного сигнала левого (по схеме) генератора, а сигнал, принимаемый от ВОЛП — некоторое запаздывание. Предположив, что задержки сигнала в оптическом волокне для прямого и обратного направлений передачи являются одинаковыми, получим, что в точке приема синхросигнала сигнал правого (по схеме) генератора будет совпадать по фазе с сигналом левого (по схеме) генератора.

Если задержки в обоих оптических волокнах будут изменяться одинаково (например, вследствие суточных изменений температуры окружающей среды), то такое изменение за-

держек не повлияет на фазовые соотношения в рассматриваемой схеме.

Следовательно, представленный метод позволяет компенсировать температурную составляющую дрейфа фазы в ВОЛП.

Далее рассмотрим использование предлагаемого метода компенсации дрейфа фазы в составе аппаратуры систем передачи СЦИ.

На рис. 3 представлена упрощенная схема формирования агрегатных сигналов мультиплексора СЦИ уровня 5ГМ-1 (без применения предлагаемого метода).

Поскольку после формирования административного модуля А11-4 дальнейшие преобразования сигнала являются полностью синхронными, то на схеме (рис. 3) показаны только преобразования УС-4 < >• А11-4, при которых сигналы на входе и выходе преобразования могут иметь отличающиеся фазы и частоты.

Будем считать, что в начале цепи синхронизации сети СЦИ находится первичный эталонный генератор, а далее в этой цепи показанные на рис. 3 элементы соединяются последовательно, один за другим, а синхросигнал распространяется слева направо.

Из схемы на рис. 3 следует, что ГСЭ (средний по схеме генератор) синхронизируется сигналом, поступающим от оптического интерфейса М (с "западной" стороны). При этом накопленный в предшествующих кабельных секциях дрейф фазы присутствует на всех сигналах синхронизации, формируемых ГСЭ для функционирования мультиплексора. Таким образом, только сигнал, принимаемый с оптического интерфейса Е (с "восточной" стороны), может иметь отличную от ГСЭ фазу и частоту. Посылаемый в "восточную" сторону сигнал А11-4 (5ГМ-1) имеет полученные с "западной" стороны фазовые флуктуации. В результате в цепочке синхронизации происходит накопление дрейфа фазы, который формируется в участках ВОЛП, соединяющих аппаратуру систем передачи.

Рис. 2. Метод компенсации дрейфа фазы в ВОЛП с использованием ФАПЧ с симметричным детектированием

Г-Сотт #2-2014

39

Рис. 4. Модифицированная упрощенная схема формирования агрегспньк сигналов мультиплексора СЦИ уровня 5ТМ-1

Если в рассмотренную схему (рис. 3) с целью компенсации дрейфа фазы в ВОЛП ввести узел ФАПЧ с симметричным детектированием, который используется в схеме на рис. 2, то получится модифицированная схема формирования агрегатных сигналов мультиплексора СЦИ (рис. 4).

В отличие от схемы на рис. 3, схема на рис. 4 формирует отдельный синхросигнал, передаваемый в сторону оптического интерфейса Е (в "восточную" сторону). Данный синхросигнал содержит фазовую предкомпенсацию, необходимую для обеспечения отсутствия влияния дрейфа фазы в линии передачи "восточного" направления, идущей к следующему (справа по схеме) мультиплексору. Таким образом, введение в мультиплексор СЦИ узла ФАПЧ с симметричным детектированием в соответствии с рис. 4 устраняет синфазную составляю-шую дрейфа фазы в участке ВОЛП, следующем за данным мультиплексором в цепи синхронизации сети СЦИ.

В реальной системе влияние на точность поддержания частоты будут оказывать такие факторы, как фазовые шумы узлов аппаратуры систем передачи, в том числе обусловленные шагом установки частоты цифровых ФАПЧ

и разрешающей способностью фазовых детекторов, а также ряд других факторов. Поэтому с практической точки зрения можно говорить не

0 полной компенсации, а о существенном ослаблении температурного дрейфа фазы ВОЛП. Результаты моделирования для подвешенного на опорах кабеля магистральной цифровой сети связи ОАО "РЖД" показали, что относительная величина температурного смещения частоты может составлять до 1,84^10"10 на

1 км оптического кабеля. Отсюда следует вывод, что компенсация дрейфа фазы дает существенное повышение точности поддержания частоты в ВОЛП большой протяженности.

Следует отметить, что для корректного поддержания фазовых соотношений в данной схеме должно выполняться условие, при котором возможная асимметрия задержек в каналах передачи прямого и обратного направления (с учетом ВОЛП, а также буферов и других элементов аппаратуры систем передачи) будет в несколько раз меньше периода тактового синхросигнала, используемого в вводимом в схему узле ФАПЧ. Это требование легко реализуется, например, использованием в контуре ФАПЧ частоты цикловой синхронизации 8000 Гц и получением других, более высоких частот пу-

тем умножения частоты.

Выбор оптимальных параметров ФАПЧ с симметричным детектированием, включая постоянную времени фильтра нижних частот контура управления, является задачей дальнейших исследований.

Проведенное рассмотрение показало возможность повышения точности поддержания частоты в системе тактовой сетевой синхронизации систем передачи СЦИ. Очевидно, что при наличии на сетевых узлах опорных сигналов с существенно более точной и стабильной частотой вопрос обеспечения адекватной точности распространяемых по сети сигналов времени не будет представлять значительных затруднений. Исходя из функционирования мультиплексного оборудования, представляется целесообразным использовать при передаче сигналов времени подход, аналогичный рассмотренному выше с применением двунаправленной передачи и компенсации дрейфа фазы сигнала, а также исключить из тракта передачи сигналов времени ряд асинхронных преобразований СЦИ, которые используют буферизацию и вносят неконтролируемые задержки распространения сигнала.

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Рыжкову А.В. за участие в обсуждении материала для данного доклада.

Литература

1. Рыжков А.В, Кобышева Н.В, Клюева М.В., Акентьева Е.М., Пигольцина ГБ. Анализ устойчивости системы синхронизации магистральной цифровой сети связи ОАО "РЖД" в реальных условиях окружающей среды // Электросвязь, 2005. — №1.

2. Отчет о научно исследовательской работе "Исследования по передаче эталонных сигналов времени и частоты по оптоволокну" (промежуточный) по теме "поисковые исследования по точному распространению времени". — ВНИИФТРИ, 2009.

3. O.Lopez, A.Amy-Klein, C.Daussy,

C.Chardonnet, F.Narbonneau, M.Lours, and

G.Santarelli. European Physical Journal D / vol.48, pp. 35-41, 2008.

Methods to improve the accuracy of frequency synchronization and time in fiber-optic transmission systems

Novozhylov E.O., Ph.D., JSC "NIIAS", Moscow, Russia

Abstract. Use of existing fiber-optic networks to transmit signals single precise time and frequency standard (SVSCH) provides sufficient lor most practical applications accuracy specifications of these signals. This analysis showed the possibility of increasing the accuracy of maintaining the system frequency clock network synchronization SDH transmission systems. Obv'ously, in the presence of network nodes to a reference signal with a substantially more accurate and stable frequency question to ensure adequate accuracy distributed network time signal will not pose significant problems. Based on the operation of multiplex equipment, it is advantageous to use when sending time signals approach similar to that discussed above with the use of bidirectional transmission and compensate for drift of the signal phase, and also to eliminate from the signal transmission path asynchronous time series of transformations cms, which make use of buffering and uncontrollable signal propagation delay.

Keywords: frequency synchronization, fiber-optic network signaling time.

References

J. Ryzhkov AV, Kobysheva N.V., Klyuyeva M.V, Akenteva E.M., Pigoltsina G.B. Stability Analysis of synchronization digital backbone network of JSC "Russian Railways" in the leal environment /Electrosvyaz, 2005. № J.

2. Reporton scientific research, "Studies on the transfer of the reference time and frequency signals overftber" (intermediate) on "exploratory research on the dissemination of accurate time" VNIIFTRI, 2009.

3. O.Lopez, AAmy-Klein, C.Daussy, C.Chardonnet, F.Nafaonneau, M.Lours, and G.Santarelli. European Physical Journal D/vol.48, pp. 35-41, 2008.

40

T-Comm #2-2014