GPS синхронизатор времени для персонального компьютера СТ-1

GPS синхронизатор времени для персонального компьютера СТ-1

GPS синхронизатор времени для персонального компьютера СТ-1 Программно-аппаратный комплекс СТ-1 предназначен для синхронизации локального времени персонального компьютера через глобальную систему спутникового позиционирования (далее GPS).
Прибор выполнен в виде двух компонентов:
1. Аппаратная часть – GPS приемник со встроенной антенной, оснащенный интерфейсом RS-232 и внешним источником питания.
2. Программная часть – программно обеспечение, позволяет синхронизировать время либо через определенные промежутки времени, либо при отклонении времени за заданную величину.
GPS приемник ежесекундно получает информацию о точном времени по Гринвичу и обновляет системное время персонального компьютера согласно условиям обновления.

Доступные интерфейсы для подключения к ПК:

RS232 / USB

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОНИЗАТОРА ВРЕМЕНИ CT-1

Программно-аппаратный комплекс СТ-1предназначен для синхронизации локального времени персонального компьютера через глобальную систему спутникового позиционирования (далее GPS).

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ CT-1

УСТРОЙСТВО И ИЗДЕЛИЯ CT-1

Преобразователь размещен в компактном пластмассовом корпусе. Все электронные компоненты размещены на печатной плате, крепящейся к основанию блока и не отделима.
Чувствительные элементы располагаются в соответствующих местах для контроля наличия спутников на соответствующем уровне. Подключение аппаратной части прибора СТ-1 осуществляется через общий интерфейсный разъем типа DB9.
Магнитное основание GPS приемника позволяет закреплять его на любой металлической плоскости без механического крепежа.
GPS приемник необходимо размещать как можно ближе к наружному окну помещения, где установлен персональный компьютер.

Схема включения устройства приведена на рис.1.

ПОРЯДОК МОНТАЖА И НАЛАДКИ ИЗДЕЛИЯ СТ-1

1 При выключенном питании персонального компьютера подключите интерфейсный разъем прибора СТ-1 к последовательному порту ПК.
2. Подключите адаптер питания СТ-1 к сети переменного тока 220В и после включите персональный компьютер.
3. Установите программное обеспечение с диска из комплекта поставки и перезагрузите компьютер.
4. После перезагрузки программное обеспечение будет автоматически запущено. В панели TrayBar появится круглая системная иконка виде часов. Нажмите на эту иконку правой кнопкой мыши и выберите пункт "Параметры" для отображения панели настройки.
5. Выберите COM порт, к которому подключен интерфейсный кабель прибора СТ-1 и установите скорость обмена 4800bps. Далее установите необходимый вид синхронизации.

Устройство не требует обслуживания и работает в полностью в автоматическом режиме.

Система синхронизации времени

По заказу российской компании «Аэрокосмические технологии» (холдинг СТК «Союз») мы разработали систему синхронизации времени на базе систем ГЛОНАСС/GPS и программной платформы Linux. Готовое устройство успешно прошло сертификацию в испытательном центре АНО «Институт метрологии обороны и безопасности». Благодаря инновационной разработке инженеров компании Promwad заказчик получил патент на полезную модель.

Принцип работы устройства

Синхронизатор времени получает сигналы глобальных систем ГЛОНАСС и GPS и передает информацию о точном времени в аппаратно-программные комплексы потребителей: на промышленные объекты, узлы связи, пункты управления, банковские системы, телецентры и другие объекты, где важно знать точное время.

Система может работать в качестве сервера времени в Ethernet-сети по протоколам NTP или PTP. Её работу можно настраивать и отслеживать в терминальном режиме или через веб-интерфейс. Обеспечена высокая точность: автономная шкала времени отклоняется за трое суток на ±300 мсек.

• формирует собственную шкалу времени, которая синхронизирована со шкалами UTC (SU) и UTC (USNO);
• хранит собственную шкалу времени с заданной точностью в условиях ухудшения приёма сигналов от спутников ГЛОНАСС или GPS;
• определяет координаты стационарных и подвижных объектов;
• определяет скорость и курс подвижных объектов;
• выполняет функции первичных часов и управляет вторичными часами в виде цифровых табло времени и стрелочных часов;
• сохраняет управляющие программы и настройки при отключении электропитания, включая информацию о текущем времени.

В процессе реализации проекта специалисты Promwad выполнили следующие задачи:

— Разработка концепции, аппаратной платформы и программного обеспечения
— Производство прототипов устройства

Техническое описание проекта и процесса разработки устройства

1. Концепция

Для получения высокой точности при автономном хранении шкалы времени разработана следующая архитектура системы:

Основной узел архитектуры: ПЛИС с реализованным алгоритмом цифровой коррекции термокомпенсированного кварцевого генератора (TCXO) на основании секундных меток, получаемых от приёмника GLONASS/GPS.

2. Аппаратное обеспечение

Использовался недорогой и доступный ARM-микроконтроллер AT91SAM9260 компании Atmel. Производитель предоставляет для этого микроконтроллера плату разработчика с поддержкой ОС Linux.

На плате была реализована возможность установки одного из двух распространённых GLONASS/GPS-приёмников: NAVIOR-24S от Navis или ГеоС-1М от GeoStar.

На заднюю панель системы были выведены поверочные сигналы работы алгоритма цифровой коррекции: 1 PPS и 10 МГц.

Унифицированная конструкция задней стенки позволяет устанавливать различную комбинацию модулей сопряжения, которые выступают в роли усилителя/преобразователя выходного сигнала секундной/минутной метки.

3. Программное обеспечение

Программное обеспечение системы построено на ядре версии 2.6.34.3. Для управления и мониторинга системы разработан веб-интерфейс:

Для подтверждения заявленных характеристик системы были проведены испытания в центре ФГУП «ВНИИФТРИ».

Преимущества

Разработанная система синхронизации времени обладает рядом преимуществ по сравнению с аналогами:

СИНХРОНИЗАЦИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ ПО СИГНАЛАМ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Большинство современных цифровых систем радиосвязи имеют несколько систем синхронизации, которые располагаются на приемной части радиосистемы.

Среди них выделяют:

• системы синхронизации по несущей частоте (ССН);
• системы тактовой синхронизации (СТС);
• системы словной синхронизации (ССС);
• системы кадровой синхронизации (СКС).

В первую очередь выполняется синхронизация по несущей частоте, затем по тактовой частоте, по словной частоте и по кадровой частоте.

Для каждой системы синхронизации выделяют два режима работы: режим вхождения в синхронизм (режим поиска); режим слежения. В режиме вхождения в синхронизм осуществляется поиск и обнаружение сигнала, грубая оценка его неизвестных параметров. После чего система захватывает сигнал и переходит в режим слежения, в котором осуществляется точная оценка неизвестных параметров принимаемого сигнала. Переход в синхронный режим может осуществляться при помощи информации, передаваемой в начале сеанса связи или по самому информационному сигналу. Таким образом, эффективность передачи полезных данных снижается из-за затрат на передачу данных, необходимых только для синхронизации и необходимого времени для поиска сигнала и перехода в режим слежения всех систем синхронизации приемника [1]. В связи с этим не теряют актуальности вопросы повышения эффективности работы систем синхронизации.

Одним из методов синхронизации передающего и приемного устройств является принудительная синхронизация с использованием всемирного точного времени [2]. В этом случае метки точного времени на концах линии передачи данных формируются, например, при помощи приемников глобальных спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС/GPS/Galileo. Современные приемные устройства СРНС способны синхронизировать временные шкалы пользователя с погрешностью в десятки наносекунд и лучше, что позволяет использовать их для синхронизации цифровых систем связи по несущей частоте.

Предлагается следующая структурная схема синхронизации передающего и приемного устройств по сигналам спутниковых навигационных систем (рисунок 1).

Рисунок 1 – Структурная схема синхронизированной системы связи

Навигационные приемники передающей и приемной части системы связи служат для определения координат местоположения устройств и синхронизации шкал времени. Определение координат местоположения устройств позволяет вычислить расстояние между передатчиком и приемником системы связи, рассчитать и учесть задержку на распространение сигнала (другим способом определения этой задержки является способ автоматической калибровки, когда передатчик излучает в определенные моменты времени сигнал-маркер, а приемник производит оценку задержки этого сигнала по всемирной шкале времени).

Кроме того, при связи с движущимися объектами, приемник СРНС выдает данные о векторе скорости объекта, что позволяет учесть в системе синхронизации эффект Доплера.

Отличительными особенностями предлагаемого варианта синхронизации являются:

• реализация синхронизации цифровых систем связи по несущей частоте;
• создание возможности построения систем связи без каких-либо дополнительных петель синхронизации;
• реализация возможности использования шкалы всемирного времени для синхронной смены параметров программно-определяемых систем связи.

Использование приемников СРНС для синхронизации шкал времени передатчика и приемника позволяет обеспечить синхронизацию с определенной погрешностью. В общем случае ухудшение работы системы передачи данных, вызванное ошибками синхронизации, зависит от выбранного вида модуляции. Для определения степени влияния ошибок синхронизации шкал времени приемника и передатчика цифровой системы связи были реализованы соответствующие модели в программе Simulink [3].

Общий вид модели приемопередающего устройства в Simulink показан на рисунке 2.

Рисунок 2 – Модель приемопередатчика в Simulink

Данные для формирователя комплексной огибающей сигнала (рисунок 3 и 4) формируются генератором случайных чисел (рисунок 2, Random Integer Generator).

Рисунок 3 – Формирователь комплексной огибающей сигнала

Рисунок 4 – Формирователь комплексной огибающей сигнала в Simulink

Сформированный сигнал поступает в канал (рисунки 5 и 6), в котором осуществляется моделирование следующих явлений:

• воздействия аддитивного белого гауссова шума;
• частотного и фазового сдвига сигнала вследствие эффекта Доплера и рассогласования шкал времени приемника и передатчика;
• дробной задержки в канале связи;
• замираний сигнала.

Рисунок 5 – Моделирование канала связи

Рисунок 6 – Модель канала связи в Simulink (без моделирования замираний)

Приемная часть системы в базовом виде содержит петлю восстановления несущего колебания (петля с возведением сигнала в квадрат, синфазно-квадратурная петля и др.) и петлю восстановления тактовых импульсов (например, петля Гарднера) (рисунок 7).

Рисунок 7 – Модель приемника в Simulink с петлями синхронизации по несущей и по символьной частоте

Демодуляция принятого сигнала осуществляется по результатам расчета метрик (рисунок 8).

Рисунок 8 – Расчет метрик и демодуляция сигнала

На рисунке 9 показана модель демодулятора (рисунок 8) в Simulink.

Рисунок 9 – Расчет метрик и демодуляция сигнала в Simulink

Для моделирования принудительной синхронизации передатчика и приемника из приемной части системы связи удаляются петля слежения за фазой и частотой сигнала и петля восстановления тактовых импульсов (рисунок 10), что значительно упрощает структуру приемника.

Рисунок 10 – Модель приемника в Simulink без петель синхронизации

Перейдем к результатам моделирования.

На рисунке 11 показаны зависимости вероятности символьной ошибки от отношения сигнал/шум для квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ16) при различных сдвигах временных шкал передатчика и приемника (с условием полной компенсации задержки на распространение сигнала). Задержка в канале носит случайный характер с равномерным распределением. Данные зависимости были получены в ходе моделирования и соответствуют теоретическим выкладкам [4].

Рисунок 11 – Зависимости вероятности символьной ошибки от отношения сигнал/шум

при различном сдвиге временных шкал передатчика и приемника для модуляции КАМ16:

1 – ±ΔT = 0; 2 – ±ΔT = Ts/16; 3 – ±ΔT = Ts/8; 4 – ±ΔT = Ts/5;

5 – ±ΔT = Ts/4; 6 – ±ΔT = Ts/3; 7 – ±ΔT = Ts/2

На рисунке 12 приведена экспериментально полученная зависимость разности временных шкал приемников навигационной системы ГЛОНАСС, находящихся на расстоянии 5 км.

Рисунок 12 – Разность временных шкал двух навигационных приемников ГЛОНАСС за период времени

Таким образом, при ошибке синхронизации до ±10 нс возможна передача данных с периодом следования символов 80 нс. Потери в этом случае составят 3 дБ для вероятности символьной ошибки 10-5 (зависимость 3 на рисунке 11). Увеличение периода следования символов при той же вероятности символьной ошибки в два раза (160 нс) уменьшит потери до 1 дБ (зависимость 2 на рисунке 11), а уменьшение периода следования символов в два раза (40 нс) увеличит потери до 7 дБ (зависимость 4 на рисунке 11).

Для тактирования гетеродинов (петель ФАПЧ) преобразователей частоты передатчика и приемника предполагается использование опорной частоты 10 МГц навигационных приемников. При этом возникает ряд проблем, которые приводят к фазовому рассогласованию при приеме сигнала и, как следствие, к повороту сигнального созвездия, что приводит к повышению вероятности ошибки. На рисунке 13 показаны графики зависимостей вероятности символьной ошибки от отношения сигнал/шум при различных дисперсиях фазового шума, распределенного по нормальному закону. При этом ошибка смещения шкал времени лежит в диапазоне ±ΔT = Ts/4./p>

Рисунок 13 – Зависимости вероятностей символьной ошибки от отношения сигнал/шум при различных значениях дисперсии фазового шума и ошибке смещения шкал времени ±ΔT = Ts/4 для модуляции КАМ16: 1 – σ2 = 0; 2 – σ2 = π/8; 3 – σ2 = π/4; 4 – σ2 = π/2; 5 – σ2 = π

Как видно из рисунка 13, одновременная ошибка синхронизации шкал времени и фазовая ошибка приводят к заметному ухудшению работы системы связи. Поэтому в каждом конкретном случае реализации системы связи необходимо учитывать все ошибки синхронизации единовременно и в случае необходимости применять дополнительные меры для их компенсации.

Для подтверждения результатов теоретических расчетов и моделирования был поставлен эксперимент. На рисунке 14 показана структурная схема экспериментальной установки.

Рисунок 14 – Структурная схема экспериментальной установки

Двухканальный генератор прямоугольных импульсов (рисунок 14) формирует опорные колебания для тактирования БЦОС и гетеродинов приемника и передатчика. Использование одного двухканального генератора позволяет формировать два опорных колебания с известным фазовым и частотным рассогласованием. Приемник и передатчик цифровой системы связи работают в штатном режиме, сигнал с выхода преобразователя частоты поступает на двухканальный осциллограф для отображения траектории вектора комплексной огибающей сигнала.

На рисунке 15 показана глазковая диаграмма одной из квадратурных составляющих принимаемого сигнала при тактировании передатчика и приемника от одного источника тактовых импульсов.

Рисунок 15 – Глазковая диаграмма одной из квадратурных составляющих приемного тракта

Заключение

В ходе проведенных испытаний была подтверждена возможность использования радионавигационных систем для синхронизации цифровых систем связи. Анализ полученных в ходе эксперимента данных показал необходимость контролирования начальной фазы синтезатора частот гетеродина. Вследствие асинхронной инициализации синтезаторов частот передатчика и приемника возникает фазовый сдвиг между несущими колебаниями, который приводит к повороту созвездия. Устранить данный фазовый сдвиг можно двумя способами: синхронной синфазной инициализацией синтезаторов частот гетеродинов передатчика и приемника или введением в приемный тракт петли фазовой синхронизации.

Синхронизация устройств цифровой связи с использованием приемников СРНС позволяет упростить структуру приемника и значительно сократить затраты на синхронизацию приемного устройства. Работа подобного устройства принудительной синхронизации не зависит от мощности шума на входе приемника, что позволяет исключить зависимость вероятности ошибки от соотношения сигнал/шум, характерную для классических систем синхронизации. В случае, когда полное исключение систем синхронизации невозможно, комплексирование системы связи с навигационной системой позволяет:

• адаптивно изменять параметры петель синхронизации для более быстрого перехода в режим слежения;
• использовать упрощенные системы синхронизации;
• использовать шкалу абсолютного времени для синхронной смены основных параметров радиосистемы (модуляции, кодирования, шифрования и др).

На рисунке 16 показаны условия по необходимому отношению сигнал/шум на входе приемника и относительной ошибке синхронизации временных шкал приемника и передатчика для поддержания вероятности символьной ошибки на заданном уровне (10-3, 10-4 и 10-5 для модуляции КАМ16).

Рисунок 16 – Необходимые условия по относительной ошибке синхронизации временных шкал

приемника и передатчика и отношения сигнал/шум для поддержания вероятности

символьной ошибки на заданном уровне (модуляция КАМ16)

В таблицу 1 сведены потери в канале связи для различных скоростей передачи данных при ошибке синхронизации временных шкал 20 нс (рисунок 12) для модуляции КАМ16 и заданной вероятности символьной ошибки 10-5.

Таблица 1 – Потери в канале связи, вызванные относительной ошибкой синхронизации временных шкал приемника и передатчика

Передача с заданной вероятностью символьной ошибки и с более высокой скоростью невозможна

Как видно из таблицы 1, современные радионавигационные системы способны обеспечить синхронность работы высокоскоростных цифровых систем передачи данных при приемлемом уровне потерь.

Список использованных источников

Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. / Б. Скляр. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 c.

Прокис, Д. Цифровая связь / Д. Прокис. – М.: Радио и связь, 2000. – 800 c.

Mengali, U. Synchronization Techniques for Digital Receivers / U. Mengali, N. D’Andrea. – New York: Plenum Press, 1997. – 524 c.

Синхронизация от приемника глонасс gps

Назначение
Приемник-синхронизатор VCH-311 предназначен для формирования высокостабильных сигналов частоты (режим «стандарт»), а также для определения относительной погрешности по частоте стандартов частоты различных типов (режим «калибратор»).

Основные области применения:
— в метрологии при поверке и калибровке;
— различного рода исследования и разработки;
— синхронизация в телекоммуникационных сетях.

Входные сигналы:
— синусоидальные: частота 5 МГц, 10 МГц, среднеквадратическое значение напряжения — (1±0,2) В на нагрузке 50 Ом;
— импульсные: частота 2,048 МГц — параметры соответствуют Рекомендации МСЭ-Т G.703 на нагрузке 75 Ом.
Выходные сигналы:
— синусоидальные: частота 5 МГц, 10 МГц, среднеквадратическое значение напряжения — (1±0,2) В на нагрузке 50 Ом;
— импульсные: частота 1 МГц, амплитуда импульсов не менее 2,5 В, длительность импульсов не менее 1 мкс, длительность фронта не более 50 нс;
частота 2,048 МГц — параметры соответствуют Рекомендации МСЭ-Т G.703 на нагрузке 75 Ом.

Метрологические характеристики

Диапазон рабочих температур — от плюс 5 до плюс 40°С.
Габаритные размеры (Ш×В×Г) — 450×140×330 мм. Масса — не более 10 кг.
Питание приёмника-синхронизатора от сети переменного тока 220 В, 50 Гц или постоянного тока напряжением минус 48 В (определяется при заказе). Потребляемая мощность — не более 85 ВА.
Срок службы — не менее 12 лет.

Приёмник-синхронизатор VCH-311 содержит в своём составе приёмник сигналов НКА КНС ГЛОНАСС/GPS, аппаратуру сравнения шкал времени и автоматически корректируемый по частоте рубидиевый опорный генератор.
Управление — с помощью интерактивной цифровой лицевой панели.