Синхронизация и электропитание. Синхронная и асинхронная передача

Надо отметить, что проблема синхронизации появилась при введении на станции тактового генератора. Как мы видели, все временные каналы разделялись по времени благодаря тактам. При этом периодически необходимо отмечать начало кадров, циклов и т. п.

Следует обратить внимание, что до недавнего времени проблемы синхронизации в электромеханических АТС не существовало. В первых электронных АТС для передачи сигналов использовался метод передачи "запрос-ответ", который не требовал тактового генератора. Этот метод поясняется на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Принцип посылки импульса без использования тактового генератора

Если необходимо переслать один импульс, система посылает в линию сигнал высокого уровня (передний фронт). После приема соседняя станция отвечает подтверждением, это вызывает прекращение посылки сигнала в прямом направлении. Такой способ требует прямого и обратного тракта, но имеет то преимущество, что не нуждается в тактовых генераторах и не возникает такой серьезной проблемы как синхронизация. В момент возникновения цифровой передачи требование наличия обратного тракта было неприемлемо, поэтому вся цифровая техника пошла по пути установки тактовых генераторов. Способ упомянут для полноты картины и как дальнейшая перспектива развития цифровой техники.

Как уже сказано выше, для нормальной работы цифровых устройств в сети необходима установка единых моментов отсчета и нумерации тактов [4].

В цифровой технике имеется два способа установки этой временной базы:

1. асинхронный способ;
2. синхронный способ.

Первый способ передачи связан с каждым из передаваемых сообщений.

Начало сообщения отмечается специальной группой знаков, называемых "стартовыми", они же и завершают сообщение, поэтому комбинация называется "старт-стоповой".

С момента принятия старт-стопового знака система начинает прием информации, и генераторы не должны расходиться за время самого большого сообщения. Асинхронная система особо привлекательна для случаев невысокой нагрузки и коротких сообщений. В этом случае на станциях можно иметь генераторы невысокой точности, которые могут сохранять стабильность процесса приемо-передачи в течение короткого отрезка времени.

Синхронные системы рассчитаны на большие потоки сообщений или непрерывную передачу сообщений (иногда пустых, заполняющих паузы).

Для правильного обмена между двумя станциями должно быть идеальное совпадение частот фаз генераторов на обеих станциях. В реальной аппаратуре генераторы имеют допуски по вырабатываемой частоте. В настоящее время имеются генераторы, частота генерации импульсов которых имеет точность 10-6, 10-9. Рис. 6.2 иллюстрирует процесс, который происходит при несовпадении частот импульсов.

Рис. 6.2. Нарушение синхронности местного тактового генератора и синхропоследовательности приходящей по линии

На рис. 6.2 приведена последовательность импульсов местного станционного генератора. Ниже показана серия импульсов, поступающих по линии и представляющих кодированную информацию (в дальнейшем будем ее называть "линейной последовательностью"). Для простоты изображено, что информационные импульсы идут без интервалов (пропусков). В реальной аппаратуре паузы между импульсами зависят от исходных кодов и линейного кодирования. Предположим, что в начальный момент времени передние фронты импульсов местного генератора и линейной последовательности совпадают. На рисунке серым цветом обозначены области (площади) несовпадения линейных импульсов и импульсов местного генератора. В начале они совпадают почти полностью (удлинение или укорочение импульсов порядка 10-6 или такое же несовпадение интервалов незначительно).

Далее рассмотрим 2-й момент, когда из-за разности частот (или то же самое разности длительностей импульсов и интервалов) накопился сдвиг между фазой линейной последовательности импульсов и последовательности импульсов, которые вырабатываются местным генератором. Как мы видим, площадь совпадения уменьшилась. В 3-й момент времени площадь еще больше уменьшилась. Такое уменьшение может стать причиной того, что импульс не будет принят, и это приведет в дальнейшем к сбою на других более высоких уровнях (например, на уровне синхронизации кадров). В 4-й момент площадь совпадения остается малой. При этом происходит новое явление: полное несовпадение (5-й момент) или совпадение со следующим импульсом последовательности импульсов местного тактового генератора (совпадение "на хвосте" 6-ой момент). Далее происходит увеличение площади совпадения с последующим импульсом, и затем опять полное совпадение. Таким образом, происходит изменение площади совпадения или, как говорят, "дрожание" фазы, под котор ым понимают расхождение фазы между тактовым местным генератором и линейной последовательностью.

На рис. 6.2 показана площадь совпадения импульсов рассматриваемых последовательностей. В идеальном случае (когда расхождение параметров двух частот стабильное и определяется только точностью генераторов) величина этой площади меняется периодически. При этом совпадения происходят то в начале, то в конце линейных импульсов. Поэтому часто изменение площади обозначают с помощью синусоиды (рис. 6.2), указывающей на увеличение и уменьшение площади совпадения, а знак указывает, какая из двух последовательностей является опережающей. Накопление разности фаз при большой точности генераторов и высокой стабильности передающей среды происходит достаточно медленно (сутки, недели, месяцы). Поэтому период синусоиды достаточно большой.

Выделение указанных площадей совпадений в реальной аппаратуре служит как индикатор для взаимной подстройки генераторов. Используя импульсы приходящей информации, специальное устройство (селектор тактовых импульсов) определяет частоту генератора передатчика. Это возможно, если импульсы передатчика идут без перерыва (или с небольшим перерывом), для чего используется специальное кодирование (см. "Линейное кодирование" [5]).

"Блуждание" фазы

Кроме нестабильности генераторов, существует расхождение частот по различным параметрам (фазы, периоды и т. п.). Основными причинами фазового блуждания являются:

1. изменение длины и параметров тракта;
2. изменения скорости распространения;
3. допплеровские сдвиги при подвижных оконечных устройствах.

Изменение длины кабельной линии происходит в результате температурных воздействий или в результате атмосферных изменений, приводящих к изгибу радиотракта. При этом происходит замедление распространения, что меняет реальную скорость передачи. Наиболее значительным увеличением пути распространения обладают спутниковые каналы, где изменение пути может достигать до 300 км, что увеличивает время прохождения сигнала примерно на 1 мс. Относительное изменение скорости при температурных изменениях мало, но сопоставимо с точностью тактового генератора.

Это увеличивает необходимость регулирования частоты на приемной станции.

Усложняет дело тот факт, что блуждание носит нерегулярный характер.

Изменение скорости распространения связано с изменением физических параметров линии (например, значений индуктивности и емкости линий). Эти изменения примерно того же порядка, что и при изменении длины линии. При радиотракте большие коррективы вносят параметры среды (например, влажность).

Допплеровские сдвиги. Этот фактор является наиболее значительным источником потенциальной нестабильности тактовой частоты, возникающей при связи с подвижными объектами. Например, при движении самолета со скоростью 500 км/час нестабильность тактовой частоты может достигать 5 x 10^-7.

Рассмотренные выше причины требуют взаимной подстройки частоты между взаимодействующими устройствами цифровой информации.

Принцип работы станционного генератора

Имеется два типа станционных генераторов с автоподстройкой. Структурная схема первого из них показана на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Структурная схема станционного генератора, управляемого напряжением

Основным устройством, входящим в его состав, является генератор, управляемый напряжением. Селекторы тактовых частот (СТЧ) выделяют из поступающей по каналу линейной последовательности импульсы тактовой частоты передатчика. Эти импульсы поступают на сравнивающее устройство (СУ), которая определяет площадь совпадения (см. рис. 6.2) и преобразовывает (интегрирует) ее в напряжение. Это напряжение подается на вход генератора, управляемого напряжением, который изменяет значение частоты местного генератора. Процесс продолжается, пока не наступит полное совпадение моментов поступления тактовых импульсов местного генератора и импульсов, поступающих по линии. На рис. 6.3 видно, что подстройка может производиться от нескольких соседних станций. В этом случае генератор настраивается на среднеарифметическое значение частоты.

Второй вариант показан на рис. 6.4. Он содержит общестанционный генератор импульсов (ОИГ), который работает по тактовым импульсам, получаемым от задающего генератора (ЗУ). Эти импульсы поступают через подстраивающее устройство (ПУ), которое принимает импульсы от задающего генератора, вырабатывает на выходах нужные последовательности импульсов с необходимой частотой путем их деления и подключает их к заданным устройствам.

Рис. 6.4. Структурная схема генератора с импульсной подстройкой