Virbactd.ru

Авто шины и диски
11 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

GPS синхронизатор времени для персонального компьютера СТ-1

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.

Читайте так же:
Переменным резистором можно регулировать обороты двигателя

  • 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.

Читайте так же:
Чем регулируют зазор клапанов

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).

Синхронизированная система связи

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.

Модель приемопередатчика в Simulink

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).

Формирователь комплексной огибающей

Рисунок 3 – Формирователь комплексной огибающей сигнала

Boev2-4.jpg

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

Модель канала связи в Simulink

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).

Читайте так же:
Как отрегулировать карбюратор бензопилы байкал

Модель приемника в Simulink

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).

Расчет метрик

Рисунок 8 – Расчет метрик и демодуляция сигнала

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

Модель демодулятора 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.

Модель приемника в Simulink без петель синхронизации

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].

Зависимости вероятности символьной ошибки от отношения сигнал/шум

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.

Разность временных шкал навигационных приемников

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>

Boev2-13.png

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.

Читайте так же:
Как регулировать давление воды в гидрофоре

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

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.

Глазковая диаграмма

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).

Необходимые условия по относительной ошибке синхронизации временных шкал

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.

Читайте так же:
Карбюраторы регулировка карбюратора на yamasaki scorpion

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

Нестабильность частоты выходного
сигнала 10 МГц в режиме «стандарт»
за интервал времени измерения τи, не более
τи=1 c1,5×10 −11
τи=1 cут2,0×10 −12
Средняя квадратическая погрешность
измерения относительной разности
частот при работе прибора в режиме
«калибратор», при интервале времени
измерения τи и интервале времени
наблюдения τн, не более
τи=100 c; τн=10 5 с;1,0×10 −12
τи=1000 c; τн=10 6 с;1,0×10 −13
Относительная погрешность по частоте в
режиме «стандарт», не более
±3,0×10 −12
Периодичность коррекции встроенного
рубидиевого опорного генератора
3 часа
Время выхода прибора в рабочий
режим в режиме «стандарт», с
погрешностью по частоте, не более
3 ч±2,0×10 −11
9 ч±7,0×10 −12
24 ч±3,0×10 −12

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.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector