Đồng bộ trong thông tin - xác định thời gian chuẩn theo GPS Common-View cho nút mạng viễn thông : Luận văn ThS. Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc: 2 07 00

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C GIA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ LÊ VÃN NINH ĐỔNG BỘ TRONG THÔNG TIN - XÁC ĐỊNH THỜI GIAN CHUAN THEO GPS COM MON-VIEW CHO NÚT MANG VlỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ VÀ THỐNG TIN LIÊN LẠC MÃ SÔ : 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC sĩ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TIẾN S ĩ NGUYỄN VIẾT KÍNH V lC /ttC HÀ NỘI-2002 MỤC LỤC CÁC C H Ử V IẾ T T Ắ T LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG X Â Y DỤNG TIÊU CH U A N c l ợ n g t h a m s ố HIỆU V À X Â Y DỤNG PLL 1.1 Xây dựng tiêu chuẩn ước lượng tham số tín hiệu, 1.1.1 Tiêu chuẩn ước lượng tham số, 1.1.2 H àm gần giống nhất, 1.2 Xây dựng PLL, TÍN 6 1.2.1 Xây dựng PLL tuyến tính, 1.2.1.1 H àm truyền, 9 1.2.1.2 Lỗi trạng thái ổn định đặc trưng lọc, 1.2.1.3 PLL bậc 1, 12 1.2.1.4 P L L bậc 2, 13 1.2.1.5 P L L bậc 3, 14 1.2.1.6 Chất lượng PLL có nhiễu tạp , 1.2.2 Xây dựng PLL phi tuyến, 15 18 1.2.2.1 Quá trình đồng bộ, 1.2.2.2 Thời gian trượt chu 11 18 kỳ lần đầu tiên, CHƯƠNG Đ Ồ N G BỘ SÓNG M AN G 2.1 Ư ớc lượng pha sóng mang, 22 22 2.2 Ư ớc lượng pha sóng mang ML, 2.3 Các vòng định trực tiếp, 20 23 26 2.4 Các vòng định gián tiếp, 31 2.5 Ước lượng pha sóng mang cho tín hiơu điều pha số M, 37 2.6 Ảnh hưởng lỗi bám pha đến chất lượng BPSK, 2.7 So sánh vòng định trực tiếp đinh gián tiếp, 39 41 CHƯƠNG Đ Ồ N G BỘ KÝ HIỆU 3.1 Ước lượng định thời ký hiệu, 42 42 3.2 Ước lượng định thời M L định trực tiếp, 43 3.3 Ước lượng định thời định gián tiếp, 44 3.4 Ảnh hưởng lỗi đồng ký hiệu đến chất lượng BPSK, 50 3.5 c lượng lúc pha sóng mang định thời ký hiệu, 3.6 Các đặc trưng chất lượng ước lượng ML, 51 54 CHƯƠNG Đ Ồ N G BỘ K H U N G 59 68 CHƯƠNG Đ Ồ N G BỘ M ANG 5.1 Đ ồng máy phát vòng hở, 69 5.2 Đ máy phát vịng kín, 71 CHƯƠNG Đ Ồ N G BỘ THỜI GIAN C U N G CẤP THỜI G IA N CHO CÁC N Ú T M Ạ N G V IỄN t h ô n g 6.1 K ế hoạch đồng mạng viễn thông, 75 75 6.2 Xây dựng phương pháp truyền thời gian chuẩn cho nút mạng viễn thông, 77 6.2.1 H ệ đơn vị quốc tế - Đơn vị thời gian, 78 6.2.2 Các thang thời gian th ế giới, 79 6.2.3 Chuẩn thời gian quốc gia Việt nam, 82 6.2.4 Độ xác Chuẩn thời gian quốc gia, 83 6.2.5 Thực so sánh thời gian GPS Comm on-View, 6.2.5.1 Thực việc thu đo so sánh ƯTC(VMI) với thời gian GPS, 6.2.5.2 Cấu trúc file liệu, 84 86 88 6.2.5.3 Tính hiệu thời gian tương đối thời gian PRS UTC(VMI), 89 6.2.5.4 Đ ánh giá sai số phương pháp so sánh thời gian GPS Common-View, 92 6.2.5.5 Kết thực nghiệm, 94 KẾT LUẬN 98 TÀI LIỆU TH A M K H Ả O 99 PHỤ LỤC A : TÍN H N Ả N G KỸ THUẬT c BẢN CỦA HP5071A 101 PHỤ LỤC B : TÍN H N Ă N G KỸ THUẬT c BẢN CỦ A TTR6 103 PHỤ LỤC c : K H U Ô N DẠNG s ố LIỆU CỦA TT R6 104 PHỤ LỤC D : K Ế T q u ả S Ử L Ý s ố LIỆU TH Á N G 4,5,6,7 N Ă M 2002 105 CÁC C H Ữ VIẾT TẮT UTC : coordinated universal time SI : le système international d ’ unites CGPM : la conference générale des poids et mesures GPS : global positioning system CCDS : comité consultatif pour la definition de la seconde CCTF : comité consultatif de temps et des frequences CCIR : comité consultatif international des radiocommunications CIPM : comité international des poids et mesures BIH : bureau international de l'Heure TAI : temps atomique international IAU : international astronomical union VMI : Vietnam metrology institute USNO : United State naval observatory, Washington, PTN : phịng thí nghiệm USA REFGPS : hiệu thời gian chuẩn quốc gia vàthời gian GPS PLL : phase locked loop PPS : pulse per second SA : selective availability LÒI MỞ ĐẦU Khi nehiẽn cứu vấn đé lý thuyết thơng tin so chúnu ta thưịìiíi íỉiá thiết tồn ho hệ thơng thịng tin đồng cách hoàn hao Tuy nhiên đồng luòn vân đề sống hệ thống thơng tin, với thơng tin số việc đạt đồng mạc định mà phải thực phương pháp, thiết bị định Chúng ta biết rărm tần số cua máy thu tín hiệu phát phải gần mức đó, cho nén từ thời kỳ đầu cúa kỷ nguyên thông tin, nhu cầu đồng tần số phái có, cịn thó sư Ngày thơng tin số hoá trước truyền để tăng tốc độ độ tin cậy Mọi tham số tín hiệu tận dụng dê phục vụ cho mục đích mang thơng tin tăng độ tin cậy, giảm tỉ lệ lỗi bít Với máy thu giai điểu ché kết hợp pha sóng mang dao động chỗ phái dồng hộ xác với pha sóng mang tín hiệu thu: ta có đồng pha sóng mang Chúng ta biết xung ký hiệu phái đựoc lấy mẫu thời điếm xác với chu kỳ cua ký hiệu : ta có đồng ký hiệu Các xung ký hiệu dược truyền di theo khung, việc xác định thời điếm bãi dấu két thúc cua khung phái đựơc biết xác : ta có đồng khung Để truycn da kênh nhát thiết phải có phân hợp kênh Sự phân hợp kênh theo tần sơ (FDM ) theo thời gian (TDM) Do vậy, tầm quan trọng việc đồng nói chung đồng thời gian nói riêng ngày trớ nên quan trọng Để mạng truyền thơng hoạt động hồn hảo, phần tử mạng phải dược đồng với nhau(đồng tương đối) Đặc biệt trường hợp cần có thời gian thực(ngày trở nên phổ biến), ví dụ việc truyền âm thanlKvoice) hình ảnh (video) qua mạng chuyển mạch gói Khi đó, thời gian cúa nút mạng viễn thõng phải đồng hộ với nhau, mà phái dược hộ với thời gian giới (UTC)(đồng tuyệt đối) Nội dung luận văn dề cập đến khía cạnh tổng quát vấn dể dỏIIụ nói chung Mỗi phương pháp điều chế, mã hố liệu thơng tin lại có đặc thù riêng chúng có phương thức đồng đặc biệt Với nội dung luận văn cao học đề cập cụ thể hết khía cạnh chi tiết vấn đề bộ, đày tác giả xin sâu vào khía cạnh nhỏ việc đồng k ế hoạch đồng nói chung, việc đồng thời gian xác cho nút mạng viễn thông từ chuẩn thời gian quốc gia[ƯTC(VMI)) Nếu có thời gian xác có nghĩa có tần số xác, biết sai số thời gian(sai số tần số ) có nghĩa có thời gian tần số xác nhờ việc điều chỉnh tần số dịch pha thời gian CH Ư Ơ N G XẢY I)ỰN(; TIÊU CHUAN ƯỚC LƯƠNG t h a m s ố TÍN HIÊU VÀ XẢY DỰN(Ỉ PLL 1.1 X y d ụ n g tiéu c h u ẩ n ước lượ ng tham sỏ tín hiệu 1.1.1 Tiêu c h u n ước lượng th a m so Với giá thiết tín hiệu truyền qua kênh bị giữ chậm bị cộng thèm nhiễu Gauss, tín hiệu thu được biểu diễn sau : r(t) = s(t - T) + Ii(t) đày s(t) = R e [ s l( t) ej2l^r' ( 1- 1) r thời gian giữ chậm 5,(7) tín hiệu thơng thấp tương đương Từ đó, tín hiệu thu biểu diễn theo tín hiệu tương đương thơng thấp sau : ( 1- ) ệ= - ĩĩ/.r pha sóng m ang độ giữ chậm r g â y Theo công thức ta thấy cần ước lượng tham số tín hiệu, độ giữ chậm r t tính ệ với f ( r đ ã biết Tuy nhiên có hai ngun nhàn làm điều khơng the thực Thứ sóng mang dược tạo dao động chỗ ứ máy thu sử dựng cho giải điều chế không đồng pha với sóng m ang tạo máy phát Thứ hai hai dao động máy phát máy (hu bị trôi(chậm) theo thời gian theo hướng ngược Kết pha sóng mang thu khơng phụ thuộc vào thời gian giữ chậm r Hơn độ xác đồng thời gian phục vụ cho mục đích giải diều chê tín hiệu thu lại phụ thuộc vào khoảng thời gian ký hiệu T Thông thường lỗi mắc phải ước lượng r phải nhỏ so với T Ví dụ ±1% T đủ cho số trường hợp thực tế Tuy nhiên độ xác khơng đủ cho việc ước lượng pha sóng mang, trường hợp ệ chí phụ thuộc r m thơi Đó sóng mang f ( thường lớn nên lỗi nhỏ r gây lỗi pha lớn Do phải ước lượng hai tham sô ĩ ộ đê giải điều chẽ tách sóng tín hiệu thu dược Chúng ta có the bieu đicn tín hiệu thu dược Iiliư rỤ)=s{l;ệ, T) + /;(/) (1-3) (V đâv ộ r biểu diễn tham số tín hiệu ước lượng Để đơn gián ký hiệu, viết Vị/ ký hiệu cho véc tơ tham sô ( ộ, t \, s{t;ậ, T) viết lại thành sỤ:\ụ) Có hai tiêu chuẩn sử dụng rộng rãi cho việc ước lượng tham sị tín hiệu : tiêu chuẩn gần giống (M axim um -Likelihood : ML) tiêu chuẩn cực đại xác suất hậu nghiệm (M aximum a Posteriori Probability : MAP) Với tiêu chu ẩn M A P , véc tơ tham số tín hiệu xụ xem ngẫu nhiên đặc trưng hàm mật độ xác suất tiên nghiệm p(\ự) Với tiêu chuẩn M AP véc tơ tham số Vị/ xem tất định chưa biết Bằng việc khai triển trực chuẩn /-(/) băng hệ hàm trực chuẩn {/„(/)}, biểu diễn r(t) véc tơ hệ số [/•, r2 r n]=r Hàm mật độ xác suất có diều kiện biến ngẫu nhiên [/-, I'2 r,J biểu diễn n h /; ( 1'|V|/) Khi ước lượng ML Vị/ giá trị làm cực đại hàm mật độ xác suất /Xr|vịí), cịn ước lượng M A P Vị/ giá trị làm cực đai hàm mật độ xác suất hậu nghiệm p(r\\ụ)p(\ịf) (1-4) p(r) Nếu k hơng có thơng tin vé véc tơ tham số \ị/, giả thiết p{\ụ) số toàn dải giá trị tham số Trong trường hợp đó, giá trị VỊ/ làm cực đại /?(r|vịí) làm cực đại p{\ụ|r), ước lượng M L M AP giống Từ ch ú n g ta chấp nhận tiêu chuẩn M L ước lượng tham số ệ ĩ điều cũ ng có nahĩa xem chúng tất định chưa biết Khi ước lượng M L tham số tín hiệu, máy thu phải quan sát trích giá trị từ tín hiệu thu qua khoảng thời gian T ữ >T gọi khoảng thời gian quan sát 1.1.2 H m g ần g iố n g n h ấ t C húns ta phát triển hệ thức tưưng đương thời gian liên tục cực đai />(r|v|/) Do nhiễu n(l) Gauss, trắng, cộng, trung bình khơng, hàm mật độ xác suất có diều kiện /?(rIVỊ/) biếu diễn sau ex p L y k z ^ M tì 2or2 V2 " (1-5) đày '•„= ị m m Ti) ( 1- ) A'„(\|/)= Ịs(t;\ụ)fn(t)clt '/ 7,) khoảng tích phân khai triển /-(/) s(t;\ụ) Biến sô mũ biểu diễn theo số hạng dạng sóng tín hiệu /•(/) ,v(/;vự) cách thay (1-6) vào (1-5), ta có : T T ± l r - * ' W Ì = -rỊ- jĩ'-(0 -s(r,\ụ)Ỵdt 2ơ (1-7) N n iị Bây việc làm cực đại /?(r|vị/) theo Vị/ tương đương với việc làm cực đại hàm gần giống ị-± J r(,)-s (,^ ỉd ị ( 1- ) Từ trở đi, xem xét việc ước lượng tham số quan điểm làm cực đại A { \ ụ ) 1.2 Xay d ự n g P L L 1.2.1 X â y d ự n g P L L tuyến tính 1.2.1.1 H m truyền Bó loc H ìn h 1.1 Sơ đồ khối vịng khố pha Trái tim tất mạch đồng pha PLL Sơ đồ khối PLL m ô tả hình 1.1 Một PLL có thành phần chủ yêu : tách sóng pha, lọc dao động điều khiển điện áp bên Bộ lọc làm cho PLL đáp ứng với thay đổi tín hiệu m không đáp ứng với nhiều tạp máy thu Trong sơ đồ khối hình 1.1 tách sóng pha mó tá nhân, hộ lọc mơ tả bới đáp ứng xung ị'Ụ) với biến đổi Fourier /•’(co) Việc khố pha đạt việc đưa điện áp tỉ lệ với sai khác pha e{t) tín hiệu thu được, /•(/), tín hiệu từ đầu v c o , x(t), đến đầu vào v c o , Ta xem xét tín hiệu vào chuẩn hóa có dạng : /•(/) = cos[újự + ậ(t)] (1-9) a\i tần số sóng mang danh định ệ (t) pha thay đổi chậm Cũng vậy, ta xem xét tín hiệu v c o chuẩn hố có dạng : \ ( t ) = sin[íy„/ + ệ { t )] ( 1- ) 92 S I ' I I M I ; : S T I 'I M i - ; đ ọ c d ợ c Ờ file B CLa : CL dọc file A C ’I - , : C L d ọ c d ợ c file B Các REFGPS cúa lần thu vịng 48 PRS Time UTC(VMI) có tham sỏ PRN, CL, MJD, STTIME, CL siông so sánh tính hiệu tương đối (At) với thời gian tương ứng chúng Tiếp theo phép xấp xỉ tuyến tính giá trị hiệu tương đối thực để tính độ dốc đường xấp xỉíchính độ lệch tần số tương đơi PRS so với chuẩn tần số quốc gia) độ lệch thời gian At 00:00 ngày hóm đó(chính độ lệch thời gian tương đối PRS so với U TC(V M I)) 6.2.5.4 Đ n h giá sai sỏ củ a p h n g p h p so sánh thòi gian G P S C o m m o n -V iew Việc thu đo so sánh tuyệt đối PRS Time UTC(V M I) với thời gian GPS định phạm phải sai số sau : sai số đồng hồ vệ tinh, sai sỏ thời gian GPS, sai số việc đo toạ độ an ten khơng xác, sai số độ giữ chậm tầng điện li sai số độ giữ chậm tầng đối lưu, sai số đo giữ chậm máy thu, lính tốn dùng phần mém máy thu, lan truyển đa đường nhiễu tạp máy thu Nhờ việc ứng dụng phương CỈPS C om m on-V iew để so sánh tương đối giữahai đồng hồ mà độ pháp xác thiện nhiều, ví dụ sai sô thời gian CiPS sai số đồng hồ vệ tinh loại bỏ hoàn toàn Các sai số khác tầng điện li, tầng đối lưu giám nhiều không hồn tồn Các lỗi cịn lại cho bảng 1/ Lỗi đồng hộ vệ tinh : bị loại trừ hoàn toàn phương pháp CommonVie\v / LỖI d o toạ đ ộ an ten : thực n g h i ê m c h o thày đ â y d n g lỗi c ó đ ó n g g ó p lớn nhát v sai s ố s o sá n h thời gia n