docświatłowodowy system transmisji wzorcowych sygnałów czasu i
download 
Reklamacja Transkrypt
światłowodowy system transmisji wzorcowych sygnałów czasu i
www.pwt.et.put.poznan.pl 2005 Przemysław Krehlik, Marcin Lipiński Łukasz Śliwczyński, Andrzej Wolczko AGH Katedra Elektroniki Al. Mickiewicza 30 30-059 Kraków [email protected] Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 8 - 9 grudnia 2005 ŚWIATŁOWODOWY SYSTEM TRANSMISJI WZORCOWYCH SYGNAŁÓW CZASU I CZĘSTOTLIWOŚCI sygnał czasu wzorcowego 1 pps (1 pulse per second) w postaci ciągu periodycznych impulsów o czasie trwania 20 µs z okresem 1 s; • sinusoidalny 5 MHz. sygnał częstotliwości wzorcowej Wymagany dystans transmisyjny zdeterminował zastosowanie rozwiązania światłowodowego a dla celów redundancyjnych liczbę kanałów transmisyjnych zwiększono do siedmiu w dwóch sekcjach: • w sekcji podstawowej 1 kanał 1 pps + 2 kanały 5 MHz; • w sekcji rezerwowej 2 kanały 1pps + 2 kanały 5 MHz. Strukturę systemu przedstawia rysunek 1. Każdy kanał dysponował oddzielnym jednomodowym włóknem światłowodowym przy czym kable sekcji podstawowej i rezerwowej poprowadzono od stacji nadawczej do odbiorczej różnymi trasami. Przyjęto także, że wszystkie Kaseta Kaseta Nadajnik 5MHz Odbiornik 5MHz Nadajnik 5MHz Kabel „B” Odbiornik 5MHz Nadajnik 1PPS Sekcje rezerwowe Odbiornik 1PPS Nadajnik 1PPS Moduły zasilania i sygnalizacji Nadajnik 5MHz Odbiornik 1PPS Moduły zasilania i sygnalizacji Odbiornik 5MHz Nadajnik 5MHz Kabel „A” Odbiornik 5MHz Nadajnik 1PPS Sekcje podstawowe Odbiornik 1PPS Rys. 1. Struktura systemu PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 1/5 Wyjścia elektryczne Każde urządzenie przesyłające czy przetwarzające zmienne w czasie sygnały jest źródłem fluktuacji czasowych tych sygnałów który negatywnie wpływa na jakość działania tego urządzenia. Atomowe wzorce częstotliwości charakteryzują się ekstremalnie wysoką stabilnością parametrów czasowych sygnału i jest oczywiste, że w transmisji takich sygnałów problem zminimalizowania wprowadzanych przez tor transmisyjny fluktuacji fazy jest zadaniem fundamentalnym. Dotyczy to zarówno fluktuacji szybkozmiennych (jitter) jak i wolnozmiennych zmian fazy (wander) pochodzących np. od zmian temperaturowych składników systemu. • Wejścia optyczne Przedstawiony w referacie światłowodowy system transmisyjny jest przykładem traktu światłowodowego wobec którego zarówno wymagania jak i ocena jego jakości są inne niż powszechnie stosowane dla linii transmisyjnych (np. przepływność i dystans transmisyjny lub bitowa stopa błędów). Przebiegami transmitowanymi w tym systemie są wzorcowe sygnały czasu i częstotliwości pomiędzy wzorcami atomowymi wysokiej klasy celem kontroli stabilności wzorców znajdujących się w różnych lokalizacjach. Stosownie do postawionych wymagań system transmituje na odległość kilku kilometrów dwa sygnały wzorcowe: Wyjścia optyczne 1. WPROWADZENIE 2. KONCEPCJA SYSTEMU Wejścia elektryczne Streszczenie: Przedstawiono syntetyczny opis dedykowanego systemu światłowodowego do transmisji sygnałów czasu i częstotliwości z atomowych wzorców cezowych. Ze względu na specyfikę wymagań szczególną uwagę w konstrukcji systemu poświęcono zagadnieniom minimalizacji fluktuacji czasowych (jitter, wander) transmitowanych sygnałów. Szkicowo przedstawiono konstrukcję systemu oraz wyniki pomiarów końcowych. www.pwt.et.put.poznan.pl wejścia i wyjścia sygnałów elektrycznych pracują w dopasowaniu falowym 50 Ω. Dla zwiększenia elastyczności eksploatacyjnej i serwisowej przyjęto konstrukcję kaset modułowych w których wydzielono przestrzeń dla trzech modułów sekcji podstawowej i oddzielną dla czterech modułów sekcji rezerwowej z możliwością dowolnego zestawienia modułów nadawczych i odbiorczych w obu przestrzeniach i kasetach (np. dla organizowania pętli). Pozostałe miejsca w kasetach przeznaczono na układy zasilania i alarmów niesprawności systemu. 3. MODUŁY TRANSMISYJNE Układy elektronicznych komparatorów które tak w modułach nadawczych jak i odbiorczych służą do formowania i normalizacji sygnałów mają tę właściwość, że ich czas propagacji jest zależny od poziomu przesterowania sygnałem wejściowym, fluktuacji jego składowej stałej, zmian napięcia niezrównoważenia komparatora, szumów w układzie i innych czynników – efekt ten nazywamy dyspersją komparatora. Jest on graficznie pokazany na rysunku 2. 1,5V przesterowania 20 mV przesterowania V ref +- Vos Q wy dyspersja Rys. 2. Dyspersja komparatora Dla bardzo szybkich komparatorów realizowanych w technice ECL (PECL) wartość dyspersji wynosi kilka do stukilkudziesięciu pikosekund. Kumulacja tych zjawisk w nadawaniu i odbiorze połączona z efektami opóźnieniowymi przy przełączaniu mocy optycznej laserów półprzewodnikowych są bezpośrednią przyczyną fluktuacji opóźnienia w torach, co jest równoznaczne z jitterem. Ponadto zmiany napięć zasilania, szumy własne i zakłócenia z zewnątrz oraz zmiany temperatury powodują fluktuację progu zadziałania komparatorów co przy określonych czasach narostu zboczy bezpośrednio przenosi się na niepożądane fluktuacje czasowe na wyjściach komparatorów. Obserwuje się także efekty wolnozmiennych fluktuacji czasowych pochodzące głównie od zmian temperatu- PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 ry układów elektronicznych jak i światłowodu – tzw. wędrówka fazy (wander). Jest oczywiste, że mimo iż transmitowane sygnały są relatywnie wolne w porównaniu ze strumieniami w jednomodowych transmisjach telekomunikacyjnych to dla uzyskania najmniejszego z możliwych jitterów należało budować kanały o dużej szybkości pracy wykorzystując układy elektroniczne o krótkich czasach propagacji i krótkich czasach narostu i opadania zboczy przy przełączaniu. Zarówno sygnał 1 pps jak i sinusoidalny 5 MHz są w światłowodzie transmitowane w formie analogowych periodycznych sygnałów impulsowych. Dla zapewnienia najkorzystniejszych warunków pracy laserów w modułach nadawczych lasery te utrzymywane są w stanie ciągłej pracy aktywnej. W żadnym momencie czasowym prąd sterujący laser nie jest niższy od prądu progowego. Szybki komparator na wejściu modułu nadawczego normalizuje poziom sygnału modulującego oraz formuje stromość zboczy a układ polaryzacji i modulacji lasera zapewnia założone warunki pracy. Poziom mocy optycznej w detektorze zależy w pierwszej kolejności od długości światłowodu oraz innych czynników. Dla optymalnego ustawienia progu komparacji w odbiorze przeprowadza się detekcję poziomu sygnału w układzie odbiorczym i stosownie modyfikuje wartość napięcia progowego. Znormalizowany w czasie i amplitudzie sygnał z komparatora jest poprzez wzmacniacze buforowe dostarczany na wyjście modułu. Dodatkowo w modułach nadawczych 5 MHz zastosowano wejściowe transformatory separujące z wyjścia których sterowane są szybkie komparatory formujące sinusoidę w falę prostokątną sterującą lasery. Z kolei w modułach odbiorczych sinusoida jest odtwarzana z fali prostokątnej przez filtrację dolnoprzepustową z użyciem filtrów aktywnych. Rodzaj i strukturę filtru wybrano kierując się kryterium minimalizacji fluktuacji opóźnienia grupowego (przy częstotliwości 5 MHz) przy zmianach termicznych i starzeniowych wartości elementów biernych filtru. W skład modułów wchodzą dodatkowe układy sygnalizacyjne których funkcje są przedstawione w tabelach (1÷4) parametrów technicznych. Pomiary wartości jitteru wtrąconego dokonywane były za pomocą oscyloskopu cyfrowego HP Infinium 54845A. Jitter mierzono jako odchyłkę standardową opóźnienia pomiędzy chwilą przejścia przez poziomy referencyjne Vref zbocza narastającego sygnału wejściowego i wyjściowego z testowanego kanału. Poziom referencyjny dla sygnału wzorcowego 5 MHz wynosił 0 V, a dla sygnału 1 pps połowę wartości amplitudy impulsów pps. Czas trwania pomiaru wynosił tp ≅ 1000 s. Pomiary wykonywane były dla stałej wartości tłumienia światłowodu w ustalonej temperaturze otoczenia wynoszącej ok.22°C. 2/5 www.pwt.et.put.poznan.pl Tabela 1. Parametry techniczne – nadajnik 1 pps Elektryczny sygnał wejściowy 1 PPS; 20 µs, 2,4 ÷5 V na 50 Ω Gniazdo wejściowe koncentryczne BNC, 50 Ω, DC Wyjście światłowodowe SC-APC Moc optyczna, długość fali emitowanej ok. + 1,5 dBm, 1310 nm Alarm wejścia elektrycznego AE świecenie czerwonej diody LED sygnalizuje brak lub nieprawidłowy poziom sygnału 1 PPS na wejściu modułu Alarm wyjścia optycznego AO świecenie czerwonej diody LED sygnalizuje brak lub zbyt niski poziom sygnału optycznego na wyjściu światłowodowym modułu Tabela 3. Parametry techniczne – nadajnik 5 MHz Wejście elektryczne koncentryczne BNC, 50 Ω, AC z transformatorem separującym Sygnał wejściowy sinusoidalny, 5 MHz, 2÷5 Vpp na 50 Ω Wyjście światłowodowe SC-APC Moc optyczna, długość fali emitowanej ok. - 3 dBm, 1310 nm Alarm wejścia elektrycznego świecenie czerwonej diody LED sygnalizuje brak lub nieprawidłowy poziom sygnału 5 MHz na wejściu modułu AE Alarm wyjścia optycznego AO świecenie czerwonej diody LED sygnalizuje brak lub zbyt niski poziom sygnału optycznego na wyjściu światłowodowym modułu Tabela 2. Parametry techniczne – odbiornik 1 pps Wejście światłowodowe Czułość wejścia optycznego Wyjście sygnału elektrycznego Amplituda sygnału wyjściowego Zbocze narastające impulsu Alarm wyjścia AE SC-APC ok. – 12 dBm, koncentryczne, BNC; 50 Ω 3V na 50 Ω < 1,5 ns elektrycznego świecenie czerwonej diody LED sygnalizuje brak lub nieprawidłowy poziom sygnału 1 PPS na wyjściu modułu Tabela 2. Parametry techniczne – odbiornik 5 MHz Wejście światłowodowe Czułość wejścia optycznego SC-APC ok. – 16 dBm, Wyjście sygnału elektrycznego koncentryczne, BNC, 50 Ω Sygnał wyjściowy sinusoidalny, 3Vpp na 50 Ω Zawartość harmonicznych w sygnale wyjściowym <5% Alarm wejścia optycznego AO świecenie czerwonej diody LED sygnalizuje brak lub zbyt niski poziom sygnału optycznego na wejściu światłowodowym modułu Alarm wyjścia elektrycznego świecenie czerwonej diody LED sygnalizuje brak lub nieprawidłowy AE poziom sygnału 5 MHz na wyjściu modułu Zasięg transmisyjny przy typowym tłumieniu światłowodu < 0,4 dB/km ok. 30 km Alarm wejścia optycznego świecenie czerwonej diody LED sygnalizuje brak lub zbyt niski AO poziom sygnału optycznego na wejściu światłowodowym modułu Wtrącony jitter < 20 ps Maksymalne zmiany opóźnienia w kanale w przedziale tłumienia światłowodu 0 ÷13 dB. < 200 ps PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 Zasięg transmisyjny przy typowym tłumieniu światłowodu < 0,4 dB/km ok. 30 km Wtrącony jitter < 30 ps Maksymalne zmiany opóźnienia w kanale w przedziale tłumienia światłowodu 0 ÷13 dB. < 200 ps 3/5 www.pwt.et.put.poznan.pl NADAJNIK 1PPS NADAJNIK 5 MHz NADAJNIK 5 MHz AO AO AO AE AE AE WY WY WY WE WE WE - Sekcja podstawowa 3 dowolne moduły sygnałowe SEKCJA PODST. SEKCJA REZERW. ZASILANIE ZASILANIE NADAJNIK 1PPS ALARMY ZDALNE NADAJNIK 1PPS NADAJNIK 5 MHz NADAJNIK 5 MHz AO AO AO AO AE AE AE AE WY WY WY WY WE WE WE WE SYSTEM TRANSMISJI SYGNALÓW WZORCOWYCH 1PPS & 5MHz ZASILANIE PODSTAWOWE - Sekcja rezerwowa 4 dowolne moduły sygnałowe Moduł sygnalizacji ZASILANIE REZERWOWE T1A T1A Moduł podłączenia zasilań i bezpieczników Rys. 3. Wygląd kasety 4. KONSTRUKCJA SYSTEMU Średnia TIE 500 pom. [ps] 21.09.2005 Odchyl. Standard. 500 pom. [ps] 26 26 24 24 22 22 20 20 18 18 16 16 14 14 12 12 10 10 8 8 6 6 4 4 2 2 0 0 0 5. POMIARY UŻYTKOWNIKA Odchylenie standard. 500 pom. [ps] Podstawowe moduły są indywidualnie ekranowane i wsuwane w prowadnicach kasety. Sygnały elektryczne i optyczne doprowadzane są od czoła modułów. Przetworniki optoelektryczne 1pps; EO6 + 2 m św. + OE6; TIE, średnia 500 pom. [ps] Jak wspomniano w punkcie 2 konstrukcja ma charakter modułowy. Dwie 19 calowe standardowe kasety Eurocard 3U stanowią podstawę mechaniczną dla instalacji elementów systemu. Magistrala w tylnej części kasety służy do rozprowadzenia napięć zasilania do wszystkich modułów oraz do połączeń z modułem zdalnej sygnalizacji. Wygląd kasety przedstawia rysunek 3. 5000 Opóźnienie toru 35405 ps 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000 Punkt wykresu obejmuje 500 pomiarów wykonywanych co sekundę Czas [sekundy] Rys. 4. Jitter w torze 1 pps Interesujące jest porównanie wykresów z rysunków 4 i 5. Zmierzone wartości dla jednego kanału 1 pps i kaskady trzech takich kanałów są bardzo zbliżone, co wskazuje, że duży udział w wyniku ma jitter samego sprzętu pomiarowego i że wyniki pomiarów dla mierzonego obiektu należy interpretować jako: wartość mniejsza niż wskazana na wykresie. O ile nie wskazano warunków termicznych na wykresie temperatura pomiaru była stabilizowana. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 TIE trzech zespołów przetworników optoelektrycznych 1 pps, połączonych szeregowo światłowodami 210, 515 i 515 cm; 26.09.2005 Odchyl. Standard. 200 pom. [ps] 10 20 8 18 6 16 4 14 2 12 0 10 -2 8 -4 6 -6 4 -8 2 -10 0 10000 Rel=116,827 ns 20000 30000 40000 0 50000 Punkt wykresu obejmuje 200 pomiarów wykonywanych co sekundę (200s) Czas [sekundy] Rys. 5. Jitter kaskady trzech kanałów 1 pps 4/5 Odchyl. standard. 200 pom. [ps] Średnia TIE 200 pom. [ps] TIE, średnia 200 pom. [ps] W klimatyzowanym, wyposażonym w atomowy zegar wzorcowy i unikalną aparaturę pomiarową Laboratorium Głównej Izby Pomiarowej TPSA dokonano wielodniowych pomiarów weryfikujących przydatność wykonanego systemu do transmisji sygnałów wzorcowych. Poniżej przedstawiono kilka wybranych wykresów. Opisy wykresów informują o wielkościach i warunkach pomiarowych. Wielkość TIE (time interval error) jest równoważna błędowi bezwzględnemu pomiaru odcinka czasu jednej sekundy w torach 1 pps. www.pwt.et.put.poznan.pl Zmiana czasu propagacji sygnału 5 MHz przez trzy zespoły przetworników (1,2,4) optoelektrycznych połączonych krótkimi światłowodami. 29.09.2005 Średnia TIE 200 000 pom. [ps] Odchyl. Standard. 200 000 pom. [ps] 30 30 25 TIE, średnia 200000 pom. [ps] 20 15 20 10 5 15 0 -5 10 -10 -15 5 -20 Odchyl. standard. 200000 pom [ps] 25 -25 -30 0 200 10200 20200 30200 40200 Na rysunku 7 pokazano wynik pomiaru kanału 5 MHz połączonego światłowodem o długości 52 km a temperatura w laboratorium zmieniała się wg krzywej przedstawionej na rysunku 8. Wyraźnie widoczna jest analogia pomiędzy przebiegiem w czasie wielkości TIE i temperatury. W przybliżeniu zmiana TIE jest spowodowana zmianą czasu propagacji światłowodu od temperatury a udział układów elektronicznych w tych zmianach jest drugorzędny. Punkt wykresu obejmuje 200000 pomiarów wykonywanych co milisekundę Czas [sekundy] 6. KONKLUZJE Rys.6. Jitter kaskady trzech kanałów 5 MHz Przetw.optoel. 5MHz; EO3 + światłow. 253.8 us + OE3; 23.09.2005 Odchyl. Standard. 1000000 pom. [ps] 2500 250 2000 200 1500 150 1000 100 500 50 0 Odchyl. standard. 100000 pom. [ps] TIE, średnia 1000000 pom. [ps] Średnia TIE 1000000 pom. [ps] 0 0 50000 100000 150000 200000 Punkt wykresu obejmuje 1000 000 pomiarów wykonywanych co milisekundę (200s) Czas [sekundy] Rys. 7. Jitter kanału 5 MHz Temperatura w laboratorium Cytat: Wyniki pomiaru „Światłowodowego systemu transmisji sygnałów wzorców czasu 1pps i częstotliwości5 MHz spełniają bardzo dobrze wymagania transmisji dla celów pomiarowych. Fluktuacja fazy wnoszona przez układy optoelektroniczne nie przekracza: w zakresie1000 sekund dla zespołu 5 MHz 14 ps w zakresie 200 sekund dla zespołu1 pps 8 ps wędrówka fazy w przedziale 220 000 sekund w warunkach laboratoryjnych zarówno 50 ps dla zespołów 1pps jak i dla 5 MHz 24 Stopnie Celsjusza średnia 30 minutowa Według posiadanych przez autorów informacji opisany system jest pierwszą próbą zastosowania dedykowanego systemu światłowodowego do porównywania atomowych wzorców czasu i częstotliwości. O jakości przedstawionej realizacji świadczy konkluzja z Protokołu Sprawdzenia systemu. 23 22 23-09-05 12:00 24-09-05 0:00 24-09-05 12:00 25-09-05 0:00 25-09-05 12:00 26-09-05 0:00 26-09-05 12:00 Czas pomiaru Rys. 8. Przebieg temperatury do pomiaru z rys. 7 PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 5/5
