СИСТЕМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ ВРЕМЕНИ И ЧАСТОТЫ

1 Области применения и актуальность задачи синхронизации времени и частоты

Практически ни одна из существующих и вновь создаваемых систем передачи и извлечения информации, измерений, контроля и управления любыми процессами не может обойтись без учета и измерения времени и стабильных генераторов.

Прямо или косвенно частотно-временные методы используются: для исследования космоса, мирового океана и земной коры; при создании совершенных навигационных, локационных и связных систем, высокоточного оружия и военной техники; для обеспечения измерений в физике, радиоастрономии и др. [1-5, 7, 8]. Основой для реализации этих методов является синхронность или привязка территориально разнесенных генераторов, выступающих или в качестве источников стабильной частоты, или в качестве хранителей времени. Требования основных потребителей к точности синхронизации по времени и частоте приведены в табл. 1 [8].

Время является основной величиной во всех системах единиц измерений и непосредственно связано с другими величинами, прежде всего, с частотой и длинной. В отличие от других единиц измерений время требует не только воспроизведения, но и хранения (счета времени). С хранением времени связано фундаментальное понятие шкалы времени.

Шкалой времени называется непрерывная последовательность интервалов времени определенной длительности, отсчитываемая от условного начала отсчета - начального момента (ДСТУ 2870–94. Вимірювання часу та частоти).

Шкалы различаются способами определения единицы измерения времени секунды и выбором начального момента.

Таблица 1 - Требования к точности частотно-временной синхронизации

С вращением Земли вокруг своей оси связаны "солнечная секунда" и шкала Всемирного времени (UT).

Шкала, в которой единица времени равна "атомной секунде", называется атомной (ТА). "Атомная секунда" определяется как интервал времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний резонансной частоты энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при нулевом магнитном поле. "Атомная секунда" принята в качестве единицы измерения времени в системе СИ в 1967 г.

По результатам привязки к движению Земли вокруг Солнца приняты определения "эфемеридной секунды" и, соответственно, эфемеридной шкалы (ТЕ).

Используются также гибридные шкалы, например, шкала координированного времени (UTC). Секунда в этой шкале - "атомная", а отсчет времени (эпоха) отличается от шкалы UT не более заданной величины. Шкалы у территориально разнесенных эталонов могут быть привязанными, синхронными или сдвинутыми.

Привязанными являются шкалы, у которых разности между эпохами любого события известны. Шкалы синхронны, если эпохи любого события в них совпадают. Сдвинутые шкалы имеют известный сдвиг между начальными моментами и совпадающие единичные интервалы. В приведенных определениях величины известны и совпадают не абсолютно, а с заданной точностью.

Хранение времени и воспроизведение единиц измерения времени и частоты осуществляется соответствующими эталонами или стандартами.

Записать шкалу времени временным способом можно с применением дельта-функций в виде [13]

, (1)

где — единичный интервал шкалы. Размерность — .

Начало отсчета времени для шкал территориально разнесенных эталонов, размещенных в одной инерциальной системе ìîæíî выбрать как единым, так и индивидуальным для каждой из шкал. Например, на рис. 1 изображены три шкалы времени для эталонов , , . Начало отсчета времени для этих шкал принято индивидуальным, поэтому каждую из них можно записать аналогично выражению ( 1).

Сдвиги шкал времени — алгебраические величины, характеризующие взаимное опережение или запаздывание соответствующих пар шкал. Например, на рис. 1 указаны: сдвиги шкал эталонов и относительно эталона ( , ); сдвиги шкал эталона А относительно эталонов В и С ( >0, <0); сдвиги шкал эталонов С и А ( ).

Описать шкалы и их сдвиг можно и для случая выбора общего начало отсчета времени. Например, на рис. 2 изображены шкалы, у которых общее начало отсчета времени совпадает с началом отсчета шкалы эталона . При этом выражения для шкал примут вид:

; ; . ( 2.)

Для вычисления сдвига шкал в случае предложено соотношение [13]

, ( 3)

где и приведены в выражениях ( 2).

Интегрирование в формуле ( 3) выполняется по временной шкале, для которой определяется сдвиг (в данном случае по времени шкалы пунктов или ). Для определения сдвига шкал в -м периоде необходимо на изменить пределы интегрирования в выражении ( 3).

Если эталоны отличаются по частоте (Т_А ¹ Т_В), например,

; . ( 4)

то сдвиг шкал изменяется во времени (cм. рис. 3) и в n-ом периоде сдвиг шкал составит:

DT_n ^BA = DT₀^BA+n(T_A-T_B).

Переходя выражениях ( 5) к текущим моментам измерений (t = nT_A - для пункта А; t = nT_В - для пункта В) зависимость сдвига шкал от времени примет вид:

DT^BA(t) = DT₀^BA+ t(T_A-T_B)/T_B.

Дифференцируя по времени соотношения ( 6), можно оценить отличие эталонов по частоте:

где F_A=1/T_A, F_B=1/T_B - частоты первых гармоник спектров эталонов шкал А и В соответственно.

В общем случае параметры эталонов изменяются по случайным законам. При этом сдвиг шкал становится случайной функцией времени. Относя эти случайные отклонения параметров к одному из эталонов, например В, его шкалу (cм. рис. 4) можно записать в виде

где t_n - корень уравнения j(t_n) = 2p ×F_B×t_n +ej(t_n) = n×2p; j(t) - полная фаза первой гармоники шкалы В; ej(t) - случайный закон отклонения полной фазы от линейного закона.

Сдвиг шкал в рассматриваемом случае (рис. 4) составит

DT^BA(t_n) =nТ_А-t_n = n(Т_А-T_B) + ej(t_n)/(2p ×F_B). ( 8)

Переходя в выражении ( 8) от дискретных моментов времени t_n к непрерывной переменной t и выполнив дифференцирование, можно получить соотношение

( 9)

где W_A=2p×F_А, W_B=2p×F_B - соответствующие угловые частоты.

После введения средней частоты W₀ = (W_B+ W_A)/2 и соответствующих приближений, из выражения ( 9) следует соотношение для мгновенного значения разности частот первых гармоник данных эталонов

( 10)

Таким образом, сравнение шкал времени позволяет производить и сравнение (или синхронизацию) частот эталонов или стандартов частоты.

Системы, реализующие современные частотно-временные методы, относятся к классу многопозиционных информационно-измерительных систем и могут быть условно названы системами синхронизации времени и частоты (ССВЧ).

Обобщенная структурная схема ССВЧ изображена на рис. 5. Общими элементами таких систем являются подсистема генераторов, генерирующих стабильные частоты или являющиеся основой хранителей времени, и подсистема синхронизации. Подсистема синхронизации, в свою очередь, состоит из устройств измерения сдвигов шкал хранителей времени (или разностей частот генераторов), а также устройств обработки результатов измерений и управления параметрами генераторов. ССВЧ отличаются своими функциональными назначениями, выполнение которых обеспечивается соответствующими подсистемами. На рис.. 5 входная и выходная информация систем условно обозначена обобщенными векторами I_ВХ и I_ВЫХ

Качество работы ССВЧ прежде всего определяется высокой стабильностью генераторов и точностью их синхронизации.

Относительная нестабильность современных квантовых генераторов составляет . Высокие темпы совершенствования генераторов, оцениваемые ориентировочно уменьшением нестабильности на один порядок в течение пяти лет, позволяет прогнозировать в перспективе нестабильности генераторов в пределах [5, 6, 8]. Что касается средств и методов синхронизации, то они традиционно уступают по точности генераторам и поэтому в значительной мере определяют качество работы систем [3, 7,12, 13]. Этим определяется актуальность работ, направленных на совершенствование методов синхронизации территориально распределенных генераторов и хранителей времени.

По принципу синхронизации рассматриваемые с системы можно разделить на две основные категории – плезиохронные (асинхронные) и синхронные.

В каждом узле плезиохронной сети имеется собственный прецизионный опорный генератор. В начале генераторы регулируются таким образом, чтобы разница в отсчете времени была равна нулю (по крайней мере стараются добиться, чтобы эта величина была как можно ближе к нулю. Поскольку опорные генераторы плезиохронной сети независимы, их собствен­ные частоты несколько различаются. Эта разность частот вызывает линейно возрастающую во времени погрешность между генераторами сети. Накоплению временной погрешности между узлами сети способствуют и другие факторы, например уход частоты и фазовый шум. Временная погрешность может в ко­нечном счете превысить допустимое значение, и тогда работу сети придется приостанавливать для приведения опорных генераторов в исходное состояние. Промежуток времени между корректировками зависит от качества опорных генераторов и допустимого расхождения во времени опорных генераторов сети. Примером плезиохронной сети, использующей цезиевые генераторы, служит система хронирования TRI-TAC с периодом корректировки 24 ч. Этот метод применяется также в глобальной системе определения местоположения GPS.

В синхронных сетях все опорные генераторы синхронизированы во времени (по фазе) и по частоте с общим для сети временем и частотой, так что шкалы времени, образуемые пространственно удаленными генераторами, в средне идентичны. Такого синхронизма можно добиться несколькими способами. В зависимости от характера управляющих сигналов применяемые в синхронных сетях методы синхронизации делятся на централизованные и децентрализованные.

В централизованных сетях используется метод синхронизации по задающему генератору, согласно которому все опорные генераторы сети прямо или косвенно подстраиваются по одному задающему генератору сети. Этот генератор задает шкалу времени и частоту сети. Децентрализованные сети действуют по принципу взаимной синхронизации. В сетях с взаимной синхронизацией задающий генератор отсутствует и все опорные генераторы вносят равный вклад в определение частоты и шкалы времени сети.

Достоинства и недостатки указанных принципов синхронизации приведены в табл. 2.

Таблица 2 – Достоинства и недостатки основных принципов синхронизации

Особое место среди ССВЧ занимают Государственные службы времени и частоты [7, 8, 10]. У этих систем векторы I_ВХ и I_ВЫХ являются сигналами и информационными полями времени и частоты. К ССВЧ можно отнести радионавигационные системы, радиоинтерферометры со сверхдлинными базами, радиолокаторы и пеленгаторы с пространственно распределенными антенными системами, цифровые системы связи. Ниже рассматриваются наиболее характерные из этих систем, при этом основное внимание обращается на вопросы синхронизации.