Тактовая синхронизация при восстановлении непрерывного потока данных, переданных по пакетному каналу связи

УДК 621.391

ТАКТОВАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ НЕПРЕРЫВНОГО ПОТОКА ДАННЫХ, ПЕРЕДАННЫХ ПО ПАКЕТНОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ В.М. Питолин, А.А. Ступина

В данной статье рассматриваются особенности и характеристики работы устройств тактовой синхронизации при передаче непрерывного потока данных через пакетную сеть

Ключевые слова: система тактовой синхронизации, объем памяти, адресные счётчики, дискриминатор, управляемый генератор

Устройства тактовой синхронизации играют важную роль при передаче цифровой информации. В технической литературе они описаны достаточно подробно [1,2,3].

Обычно системы тактовой синхронизации (СТС) применяются для помехоустойчивого, т.е. энергетически эффективного приема цифровых сигналов. В связи с широким распространением систем пакетной связи возникает задача передачи по ним непрерывной информации. В данной статье рассматривается применение СТС для восстановления непрерывной информации при передаче ее пакетами. Эта задача возникла в связи с широким распространением современных и недорогих сетей пакетной связи и появившейся необходимости передачи по ним непрерывного потока данных. В качестве примера можно привести передачу потока Е1 между радиорелейными станциями, работающими в полудуплексном режиме, когда поочередно одна передает данные, а другая принимает. При этом информация на ИКМ аппаратуру и от нее должна поступать непрерывно.

Основной проблемой при организации передачи потоковых данных через пакетные среды является восстановление синхронизации на удаленном конце в связи с тем, что обычно в сетях нет возможности передавать синхроимпульсы, а время задержки является случайной величиной. Вариации задержки могут быть сглажены путем помещения приходящих в произвольные моменты времени пакетов в промежуточный буфер, данные из которого считываются непрерывно в оконечное устройство. Тактовая частота считывания символов задается специальной СТС, которая должна обеспечивать:

а) слежение за тем, чтобы промежуточный буфер не переполнялся и не опустошался, в противном случае будет нарушена непрерывность потока данных;

б) качество синхронизации в соответствии с требованиями оконечной аппаратуры по следующим параметрам:

- дрожание фазы (джиттер) - кратковременное смещение фронтов тактовой частоты относительно их идеального положения во времени,

- дрейф фазы (вандер) - медленное смещение фронтов тактовой частоты относительно их идеального положения во времени,

- максимально допустимое частотное отклонение тактовой частоты от номинального значения. Например, при передаче цифровых потоков Е1 согласно рекомендации в.703 допустимое относительное отклонение частоты не должно превышать ±5-10-5.

Задача передачи по сетям пакетной связи непрерывного потока данных решается с помощью буферной памяти и СТС. Действительно, если в такую память информация будет записываться порциями в дискретные моменты времени, а считываться непрерывно, но скорость выходной информации будет регулироваться таким образом, что память никогда не будет переполняться и не будет оставаться пустой, то для конечной аппаратуры канал можно считать непрерывным.

В состав функциональной схемы представленного на рис.1 устройства, на вход которого информация поступают из пакетной сети, а на выходе формируется непрерывный поток данных, входят:

-ЗУ - запоминающее устройство выполняет функции буферной памяти,

-СТ ЗП, СТ ЧТ - адресные счетчики записи и чтения,

-Ф - петлевой фильтр СТС,

-УГ - управляемый генератор.

Питолин Владимир Михайлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732)437678 Ступина Анна Александровка - ВГТУ, аспирант, тел. (4732)437678

Рис.1. Функциональная схема устройства.

Дискриминатор реализован на двух вычитающих устройствах. Первое вычитающее устройство определяет текущую разность между адресом записи и чтения. Поскольку ЗУ является кольцевым, то операция вычитания осуществляется по модулю числа N которое равно объему памяти. Второе вычитающее устройство определяет разность относительно N/2. Этим обеспечивается условие, когда в установившемся режиме память будет равноудалена от переполнения и опустошения. Поскольку моменты прихода пакетов являются случайными величинами, то код на выходе второго вычитающего устройства будет иметь существенный разброс, соизмеримый с длиной пакета. Это является причиной флуктуаций тактовой частоты СТС.

Рассмотрим особенности работы такого устройства и его характеристики.

Объем памяти. При выборе объема кольцевой памяти следует учитывать, что при ее увеличении растет задержка данных, но при этом улучшается качество передаваемых данных. Действительно, в любом реальном канале из-за действия шумов пакеты данных могут пропадать, поэтому для каждого канала существует требование по минимальному значению вероятности правильного приема пакета рпр. В современных системах связи, как правило, организован алгоритм перезапроса пропущенного пакета, но на это нужно время, а информация должна выдаваться непрерывно. Это возможно, если объем памяти выбран с учетом пропуска пакетов, т.е. информация считывается с задержкой, превышающей время переприема пропущенного пакета.

Будем полагать, что по каналу связи передаются пакеты фиксированной длины (это типично для псевдодуплексных радиорелейных станций). На рис.2 показана ситуация, когда в канале связи отсутствуют пропуски пакетов.

Канал

Г

ПГ"

ЗПЗУ1

І+1

“Т-

ЗП ЇУ2

Инф. вых.

ЧТЗУЇ

т

чт ЗУ1

т

и а 13

Рис.2 Отсутствие пропусков пакетов в канале связи.

Для идеально работающей СТС в этом случае достаточно иметь память на 2 пакета. Действительно, если на интервале времени ^-^ данные считываются с первой половины ЗУ, а записываются во вторую, то на интервале 1243, наоборот: считывание идет со второй половины, а запись - в первую.

В реальности из-за существующей флуктуации тактовой частоты СТС возможна ситуация, когда к моменту времени 12 информация уже будет считана, а запись еще не закончена. Поэтому объем памяти надо выбирать с некоторым запасом, зависящим от требований к данной системе по допустимой частотной ошибке

На рис.3 показана ситуация, когда в канале связи возможны одиночные пропуски пакетов.

Рис.3. Одиночные пропуски пакетов в канале связи.

В этом случае объем памяти должен удовлетворять условию (2):

+ А

УЗУ = 3Пп

СТС

Для большинства практических задач можно рекомендовать объем памяти (3):

Узу =

Установка адресных счетчиков записи и чтения ЗУ. Действительно, в нормально функционирующей системе области записи и чтения ЗУ не должны перекрываться. Но при включении аппаратуры, при пропадании и последующем восстановлении канала связи адресные счетчики могут оказаться в произвольном состоянии. При этом даже если не предпринимать никаких усилий, СТС сама отрегулируется таким образом, что области записи и чтения ЗУ будут разнесены в адресном пространстве буферной памяти. Однако на это может уйти достаточно много времени, в течение которого не будет приема информации. Для частного случая, когда пакеты имеют фиксированную длину и передаются с постоянным периодом, используется СТС первого порядка с релейной характеристикой дискриминатора, т.е. имеет только два уровня и отсутствует зона нечувствительности. Это время можно оценить по выражению (4):

І

п„

перех

25„,

-• Тп,

где Ппакета - число бит в пакете;

Тпакета - длительность ПаЮПа;

5шаг - шаг подстройки в СТС.

Наприм^ для Ппакета =10000, Тпаета =2мс и ¿шаг =0,1 получаем ¡переХ =100с.

Значительно уменьшить время переходных процессов можно с помощью «схемы-ловушки». Суть ее работы заключается в следующем. Если в любой момент времени адресные счетчики сближаются на величину меньше некоторого порога, то осуществляется переустановка счетчика чтения на максимальное удаление от счетчика записи, равное половине объема буферной памяти.

Дискриминационная функция. Дискриминаторы СТС, описанные в [1,2,3], являются периодическими и имеют «раскрыв» дискриминационной ха-

рактеристики, соизмеримый с длительностью передаваемого бита или символа. Период при этом может быть равен «раскрыву», а может быть значительно больше. Например, в системах слежения за задержкой систем связи с шумоподобными сигналами он определяется длиной псевдослучайной последовательности. Описываемый в статье дискриминатор также является периодическим, поскольку он построен на кольцевой ЗУ, а его период равен (5):

Т = ^ЗУ • Тбит

где ЫЗУ - объем ЗУ;

Тбит - длительность бита.

При этом «раскрыв» дискриминационной характеристики равен ее периоду и в зависимости от Х3у может на несколько порядков превышать длительность бита. Именно благодаря такой «широкой» характеристике СТС может сама в процессе регулирования исключить перекрытие областей записи и чтения ЗУ, если в устройстве отсутствует «схема-ловушка».

В состав системы тактовой синхронизации (рис.1) входит управляемый генератор (УГ) с центральной частотой £, и диапазоном перестройки не менее (6):

А/ = ±3- —

где 5 - нестабильность тактовой частоты источника информационного потока.

В данной работе рассматриваются 3 варианта реализации УГ.

1.УГ с использованием генератора на кварцевом резонаторе, частота которого кратна £,. Функциональная схема этого варианта представлена на рис.4,

Рис.4. УГ с кратной частотой кварцевого генератора.

на котором обозначено:

ТИ - тактовые импульсы;

УИ - управляющие импульсы;

ДПКД - делитель с переменным коэффициентом деления, его номинальное значение равно ^Шд, а в зависимости от управляющих импульсов изменяется на ±1.

Таким образом, на выходе ДПКД будет сформирован сигнал частотой ^ при этом паразитное дрожание его фронтов будет составлять 1/^Шд периода.

Уменьшить дрожание фронтов можно за счет увеличения значения ДПКД, что соответственно потребует увеличения частоты тактовых импульсов. Сделать это можно двумя способами:

- увеличением частоты кварцевого резонатора,

- применением умножителей частоты.

2. УГ с применением аналоговых узлов представлен на рис.5.

Рис.5. УГ с некратной частотой кварцевого генератора и применением аналоговых узлов.

Сигналы с делителя на к и ДПКД поступают на перемножитель, на выходе которого образуются составляющие с суммарной и разностной частотой. Одна из них равна ^ на нее настроен фильтр, вторая составляющая им будет подавлена. Компаратор преобразует гармонический сигнал в цифровой. Преимуществом этого варианта по сравнению с предыдущим является существенно меньшее дрожание фронтов, которое можно достичь при небольшом значении частоты ТИ. Действительно, в этом случае ^ равна (7):

/г

/ = — ±-к N Д

'ДПКД

Из этого выражения следует, что максимизация значения N возможна за счет варьирования величин £. и к. Знак ± означает, что фильтр может быть настроен как на суммарную, так и на разностную частоту.

Например, для :То=2048кГц можно выбрать :Тг=6МГц и к=3, тогда номинальный коэффициент деления ДПКД N=125, а при поступлении управляющих импульсов будет изменяться на 124 или 126. Следовательно, паразитное дрожание его фронтов будет составлять 1/125 периода. Для предыдущего варианта такое дрожание можно получить только при частоте тактовых импульсов £ = 2048кГц-125 = 256МГц.

Недостатком этого устройства является наличие аналоговых узлов - перемножителя, фильтра и компаратора. В современных разработках желательно отказываться от аналоговой техники в пользу цифровой для улучшения технологичности, повторяемости параметров и уменьшения габаритов изделий.

3. Цифровой УГ представлен на рис.6,

Рис.6. Цифровой УГ с некратной частотой кварцевого генератора.

на котором обозначено:

УДВ - устройство добавления-вычитания импульсов;

ТН - такты накопителя;

- умножение частоты входного сигнала в

т раз.

Реализация этого устройства полностью цифровая и отличается от варианта 1 наличием устройства добавления-вычитания импульсов и п-разрядного накопителя. Именно благодаря им удается компенсировать ошибку в значении частоты, полученной на выходе ДПКД в результате деления некратной частоты ТИ. В накопителе суммируется константа и при переполнении п-разрядов возникает импульс, который через УДВ воздействует на ДПКД, изменяя его значение. Величина коррекции частоты определяется выражением (8):

fm • const 2n • N Д

'ДПКД

причем коррекция учитывается со знаком «+», если выполняется условие

/г • т

ДПКД

в противном случае - знак «-».

УДВ выполняет функцию суммирования импульсов от накопителя и управляющих импульсов, при этом должно быть обеспечено, чтобы каждый из них приводил к изменению ^^"дПКд.

Достоинством этого варианта является большая свобода в выборе частоты кварцевого генератора.

Покажем это на примере. Пусть спроектирован УГ с Го=2048кГц, используя опорный генератор 10МГц, типичный для приемо-передающей аппаратуры. Задаваясь значениями k = 10, m = 6 (умножение частоты опорного генератора можно осуществить на встроенном модуле PLLs ПЛИС семейства Cyclon), n = 11, const = 1245, = 29, получим

' = fr • m fГ • const

J о

NД

’ДПКД

10 • 6 10•1245

к • 2n • N

ДПКД

= 2,048003МГц

29 10•2048•29

То есть всего на 3Гц больше номинального значения.

Диапазон перестройки УГ для всех рассмотренных вариантов зависит от частоты УИ и значения ДПКД и определяется выражением (10):

/уи

N

ДПКД

Литература

1.Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. -М.: Связь, 1979.-592с.

2.Цифровые радиоприемные устройства. Справочник/ Под ред. М.И.Жодзишского. -М.: Радио и связь, 1990.-208с.

3.Системы фазовой синхронизации с элементами дискретизации/ Под ред. В.В.Шахгильдяна. -М.: Радио и связь, 1989.-320с.

Воронежский государственный технический университет

THE CLOCK SYNCHRONIZATION BY REBUILDING OF TRANSMITTING VIA POCKET CONNECTION CHANNEL PERSISTANT DATA STREAM V.M. Pitolin, A.A. Stupina

This article discusses the features of the clock synchronization device in the transmission of a persistant stream of data via the packet network

Key words: system of clock synchronization, memory content, counters of address, discriminator, controlled generator