Oprogramowanie wielokana owego systemu pomiarowego sygna ów synchronizacji

Transkrypt

1 > REPLACE THIS LIE WITH YOUR PAPER IDETIFICATIO UMBER (DOUBLE-CLICK HERE TO EDIT) < Oprogramowane welokanaowego systemu pomarowego sygnaów synchronzacj Mcha Kaszna, Mcha Krycak, Pawe Malak Streszczene W pracy opsano oprogramowane systemu pomarowego do badana jakoc sygnaów synchronzacj. Przedstawono rozwzana programowe umolwajce welokanaowy pomar bdu czasu oraz jednoczesne oblczane parametrów sygnaów synchronzacj. Sowa kluczowe sygna synchronzacj, bd czasu, dewacja Allana, dewacja czasu, dewacja Hadamarda, maksymalny bd przedzau czasu W I. WPROWADZEIE ARUKIEM prawdowego funkcjonowana cyfrowej sec telekomunkacyjnej jest wacwa jako sygnaów synchronzacj taktujcych procesy zachodzce w sec. Sygnay synchronzacj, zwane te sygnaam taktowana, w okrelonym punkce sec musz spena wymagana (normy) sformuowane przez mdzynarodowe nstytucje standaryzacyjne []. Podstawowym parametram opsujcym jako sygnaów synchronzacj s dewacja Allana (ADEV Allan Devaton), dewacja czasu (TDEV Tme Devaton) oraz maksymalny bd przedzau czasu (MTIE Maxmum Tme Interval Error). Wartoc estymat tych parametrów wyznacza s na podstawe wartoc próbek bdu czasu (TE Tme Error) bdcych rezultatem dugotrwaego pomaru rónc faz badanego sygnau oraz sygnau odnesena. Proces oceny sygnau synchronzacj przebega zwykle dwuetapowo wyznaczane wartoc parametrów poprzedzone jest dugotrwaym procesem pomaru wartoc bdu czasu. Czas trwana pomaru determnowany jest dugoc maksymalnego przedzau obserwacj. Przeprowadzane oblcze wartoc parametru w trakce pomaru bdu czasu moe w znaczcy sposób skróc uproc proces oceny jakoc sygnau taktowana warto estymaty parametru charakteryzujcej badany cg bdu czasu bdze znana natychmast po zakoczenu pomaru. Dodatkowo, znajomo czcowych wynków oblcze podczas pomaru moe spowodowa wczenejsz reakcj serwsow (np. przerwane pomaru po przekroczenu M. Kaszna jest pracownkem Katedry Systemów Telekomunkacyjnych Optoelektronk Poltechnk Poznaskej, ul. Polanka 3, Pozna (mkaszna@et.put.poznan.pl). M. Krycak P. Malak s studentam studów II stopna na kerunku Elektronka Telekomunkacja na Poltechnce Poznaskej. Prac wykonano w ramach projektu nr fnansowanego przez arodowe Centrum auk w latach wartoc grancznych parametru). Zastosowane oblcze parametrów w czase rzeczywstym uatw wc dugotrway uclwy proces analzy jakoc sygnau synchronzacj. W praktyce pomarowej sygnaów synchronzacj czsto spotyka s koneczno wykonana oceny wcej n jednego sygnau taktowana. Taka sytuacja ma mejsce, gdy trzeba porówna dwa zegary ne posadajc wedzy, który z nch jest lepszy (charakteryzuje s wksz stablnoc, czyl mnejsz wartoc np. dewacj Allana). Wykonuje s wtedy pomary zgodne z tzw. metod 3-corner hat wykorzystujc dodatkowy zegar wykonujc trzy porównana (trzy sere pomarów bdu czasu oblcze parametrów) metod kady z kadym. astpne wylcza s warancje dla kadego z pomarów, poczym odpowedno dodajc odejmujc otrzymane warancje uzyskuje s parametry charakteryzujce poszczególne zegary []. Take postpowane wymaga znacznego zaangaowana czasowego (trzy nastpujce po sobe dugotrwae sere pomarowe oraz seanse oblczenowe parametrów) lub sprztowego (zastosowane trzech mernków bdu czasu) w przypadku stosowana jednokanaowych urzdze pomarowych. Zastosowane welokanaowego mernka bdu czasu oraz algorytmów oblczenowych umolwajcych wyznaczane parametrów w czase rzeczywstym jednoczene dla welu cgów próbek bdu czasu uproc procedur analzy. Jednoczesne pomary welokanaowe przydatne s take w pomarach sygnaów synchronzacj w sec telekomunkacyjnej. Procedura pomaru welokanaowego wraz oblczenam w czase rzeczywstym umolwa bece ledzene jakoc sygnaów synchronzacj wydobywanych ze strumen danych dopywajcych do wza sec telekomunkacyjnej z rónych kerunków bd generowanych przez zegary podrzdne w tym wle natychmastow reakcj sub utrzymana sec w przypadku pogorszena jakoc sygnau. W referace przedstawono oprogramowane analtycznopomarowe wspópracujce z urzdzenem pomarowym czterokanaowym mernkem bdu czasu umolwajce wykonywane oblcze parametrów sygnaów synchronzacj w czase rzeczywstym podczas welokanaowego pomaru bdu czasu. II. PARAMETRY SYGAU SYCHROIZACJI Podstawowym parametrem sygnau taktowana jest bd czasu TE bdcy rónc faz mdzy sygnaem badanym a sygnaem odnesena wyraony w jednostkach czasu. PWT 03 - Poznań - 3 grudna 03 9

2 > REPLACE THIS LIE WITH YOUR PAPER IDETIFICATIO UMBER (DOUBLE-CLICK HERE TO EDIT) < Warto dewacj Allana, dewacj czasu oraz dewacj Hadamarda estymuje s wykorzystujc cg próbek bdu czasu ze wzorów: n x n ADEV xn x () n n 0 3n jn T DEV n0 x n x n x () 6 3n j n j 3n x3n HDEV 3xn 3xn x (3) 6n 3n 0 gdze: x wartoc bdu czasu wzte z odstpem 0 ; =n 0 jest przedzaem obserwacj, a jest lczb równomerne odlegych wartoc bdu czasu x []. Realzujc oblczane parametrów w czase rzeczywstym naley wz pod uwag, e dla becej chwl próbkowana, ne s dostpne próbk bdu czasu oznaczone ndeksam +n, +n, oraz +3n, gdy te próbk ne zostay jeszcze zmerzone. Dostpna jest aktualne zmerzona próbka (oznaczona ndeksem ) oraz próbk zmerzone wczenej o mnejszych ndeksach. Dlatego te dokonano zmany ndeksowana oraz przeksztacena postac wzorów (-3) do postac dogodnej do oblcze w czase rzeczywstym [4]. Warto dewacj Allana dla -tej chwl próbkowana mona estymowa ze wzoru: ADEV n (3) n x x x 0 A n n 0 n n n gdze A jest sum kwadratów drugch rónc oblczon w chwl : n x x x j jn jn jn A (4) Operacje oblczana dewacj czasu dla becej chwl próbkowana przebegaj wedug wzoru: TDEV n0 3n 6n S n S n n gdze: S ov, n jest sum cakowt (zewntrzn) dan wzorem: (5) ov, Sov, n Sov, n S n S n jest sum wewntrzn oblczan wedug wzorów: S n S n x x 3x x dla n S (6) 3n 3 n n 3 (7) 3n n x j x jn x jn 3n (8) jn n a n jest trzec rónc bdu czasu x 3 n 3x n 3x n x (9) Operacje oblczana dewacj Hadamarda dla becej chwl próbkowana przebegaj wedug wzoru: HDEV gdze 0 n0 B n n (0) 6n 3n B n jest sum kwadratów trzecch rónc oblczon w chwl : B n x j x jn 3x jn x j3n j3n 3 () a n jest trzec rónc bdu czasu dan wzorem (9). Warto parametrów dla becej chwl próbkowana zale od sum A n, B n, S ov,- (n) S - (n) wyznaczonych dla chwl, próbk bdu czasu zmerzonej w becej chwl próbkowana oraz próbek zmerzonych n, n oraz 3n odstpów próbkowana wczenej. W przypadku oblcze prowadzonych dla pomarów welokanaowych, operacje wykonuje s na wektorach wartoc TE [8]. Maksymalny bd przedzau czasu MTIE() jest estymowany wedug wzoru: MTIE n max max x mn x 0 () k n k k n k k n gdze =n 0 jest przedzaem obserwacj, cg {x } jest cgem próbek bdu czasu mdzy sygnaem badanym a sygnaem odnesena wztych z odstpem 0, natomast warto n moe zmena s od do. W celu znalezena wartoc MTIE w przedzale obserwacj zgodne ze wzorem (), naley dokona przejrzena wszystkch przedzaów (oken) o szerokoc =n 0 wystpujcych w cgu próbek bdu czasu. W tym celu okno obejmujce n+ kolejnych próbek przesuwane jest o jedn próbk (odstp 0 ), od pocztku do koca cgu {x }. Dla kadego usytuowana okna znajdowana jest warto mdzyszczytowa bdu czasu x pp. Warto MTIE() jest maksymaln wartoc mdzyszczytow bdu czasu x pp znalezon dla wszystkch molwych usytuowa okna o szerokoc. Estymat MTIE z reguy wyznacza s po zakoczenu pomaru bdu czasu. Szereg efektywnych czasowo metod wyznaczana MTIE zaadoptowany zosta jednak do oblcze parametru prowadzonych w czase rzeczywstym, podczas pomaru próbek bdu czasu. ajlepsze efekty uzyskano wykorzystujc metod z zastosowanem dekompozycj bnarnej [3] oraz metod skoku do ekstremum EF [4]. W perwszej metodze wykorzystuje s mechanzm dekompozycj bnarnej cgu próbek do redukcj lczby danych wykorzystywanych do szukana wartoc MTIE dla kolejnych przedzaów obserwacj. W drugej metodze opuszczane s take usytuowana okna, których przeszukane ne przynese znalezena wartoc bardzej ekstremalnych od znalezonych do tej pory. Okno przesuwane jest ne o jedn próbk, lecz do najblszego ekstremum. Realzujc wyznaczane MTIE w czase pomaru bdu czasu, nowo zmerzon próbk porównuje s z aktualnym wartocam ekstremalnym dla danego przedzau obserwacj (w przypadku metody EF) lub z poprzedn próbk (w przypadku dekompozycj bnarnej). Wyznaczone wartoc ekstremów znalezone dla aktualne analzowanego usytuowana oken pozwalaj wyznaczy nastpne usytuowana oken. W przypadku metody z dekompozycj 30 XVII Poznańske Warsztaty Telekomunkacyjne

3 > REPLACE THIS LIE WITH YOUR PAPER IDETIFICATIO UMBER (DOUBLE-CLICK HERE TO EDIT) < 3 bnarn efekt porównana w postac pary ekstremów (maksmum mnmum) jest zapsywany do dalszych oblcze. Rónca uzyskanych wartoc jest porównywana z bec maksymaln wartoc mdzyszczytow. astpne, jel wystarczajca lczba próbek zostane zmerzona, dokonywana jest analza dla okna 4-próbkowego, 8-próbkowego td. Wszystke nezbdne operacje wykonywane s w odstpe pomdzy kolejnym próbkam bdu czasu. Metody te zaadaptowano skuteczne take do oblcze MTIE dla pomarów welokanaowych [6, 7] III. OPROGRAMOWAIE SYSTEMU POMIAROWEGO Aby bya molwa welokanaowa analza sygnaów synchronzacj w czase rzeczywstym nezbdny jest odpowedn system pomarowy. W jego skad wchodz mus urzdzene pomarowe umolwajce pomar wartoc bdu czasu dla klku par sygnaów oraz wspópracujce z nm oprogramowane, zrealzowane na wewntrznym kontrolerze lub zewntrznym komputerze, umolwajce zaps merzonych wartoc oraz oblczane parametrów w trakce pomaru. W opracowanym rozwzanu wykorzystano dowadczena realzacj systemów pomarowych umolwajcych analz w trybe off-lne, a wc po zakoczenu pomaru [4, 5], w których mernk bdu czasu stanow osobne urzdzene, a sterowane pomarem analza odbywa s za pomoc podczonego komputera osobstego. Schemat blokowy zrealzowanego systemu przedstawony jest na Rys.. W skad urzdzena pomarowego wchodz cztery mernk bdu czasu umolwajce nezaleny pomar czterech sygnaów taktowana wzgldem czterech sygnaów odnesena oraz nterfejs przesyajcy zmerzone wartoc do komputera podczonego poprzez port USB. Zadanem oprogramowana jest sterowane procesem pomaru (uruchomene pomaru, zaps cgu zmerzonych wartoc na dysku, zakoczene pomaru), wywetlane merzonych wartoc, oblczane w czase pomaru wartoc parametrów sygnau synchronzacj: dewacj Allana, dewacj czasu, dewacj Hadamarda maksymalnego bdu przedzau czasu oraz prezentacja wynków oblcze. Schemat funkcjonalny oprogramowana przedstawa Rys.. Realzujc oprogramowane przyjto nastpujce zaoena: pomar próbek bdu czasu jest realzowany równoczene we wszystkch kanaach (dla kadego mernka) uruchamany w chwl START koczony w chwl STOP z takm samym odstpem pomaru (odstpem próbkowana) 0 ; przed rozpoczcem pomaru ustalany jest odstp próbkowana 0, czas trwana pomaru oraz wartoc przedzaów obserwacj, dla których lczone s parametry; wynk pomaru próbek bdu czasu w tej samej chwl próbkowana przesyane s wspólne w postac wektora pcu wartoc czterech próbek TE oraz chwl próbkowana; wynk pomaru zapsywane s na dysku komputera w celu umolwena analzy w trybe off-lne; oblczena parametrów realzowane s w odstpe czasu pomdzy kolejnym chwlam próbkowana; wykonywane s jednoczene oblczena ADEV, TDEV HDEV lub oblczena MTIE dla wybranego zakresu przedzaów obserwacj dla wszystkch czterech kanaów pomarowych; na ekrane prezentowane s na beco wynk pomaru bdu czasu (na wykrese w skal lnowej) oraz wartoc lczonych parametrów (na wykresach typu log-log). s 4(t) s 4ref(t) czterokanaowy system pomarowy mernk TE strume danych zaps cgu danych na dysku komputera s 3(t) s 3ref(t) s (t) mernk TE mernk TE nterfejs bufor ostatnch 3nmax+ wektorów próbek w pamc komputera 4x -3nmax 3x -3nmax x -3nmax... 4x -nmax... 4x - 4x... 3x -nmax... 3x - 3x... x -nmax... x - x s ref(t) s (t) mernk TE x -3nmax t -3nmax... x -nmax... x - x... t -nmax... t - t s ref(t) algorytmy wyznaczana ADEV, TDEV, HDEV MTIE w czase rzeczywstym MTIE [ns] 0000 TDEV[ns] , tau [s] 0,0 0, tau[s] Rys.. Schemat blokowy czterokanaowego systemu pomarowego sygnaów taktowana PWT 03 - Poznań - 3 grudna 03 3

4 > REPLACE THIS LIE WITH YOUR PAPER IDETIFICATIO UMBER (DOUBLE-CLICK HERE TO EDIT) < 4 Okno gówne programu START/STOP Wykresy bdu czasu TE Wykresy ADEV, TDEV, HDEV Wykresy MTIE Ustawena parametrów pomaru oblcze oblczane ADEV oblczane TDEV oblczane HDEV pomar TE oblczane MTIE Rys.. Schemat funkcjonalny oprogramowana systemu pomarowego Oprogramowane napsane zostao w jzyku C# w rodowsku Mcrosoft Vsual Studo. Po uruchomenu programu, a przed rozpoczcem seansu pomarowooblczenowego, uytkownk mus dokona ustawena parametrów pomaru oblcze. Ekran wyboru parametrów uruchamany jest przycskem Ustawena na ekrane gównym programu. W okne wyboru parametrów (Rys. 3) naley wybra oblczane parametry: albo dewacje ADEV, TDEV HDEV, albo maksymalny bd przedzau czasu MTIE. W przypadku wyboru MTIE naley take wybra metod oblcze. astpne naley wybra lczb przedzaów obserwacj przypadajc na jedn dekad wykresu log-log oblczanego parametru, dla których lczone bd jednoczene wartoc wybranych parametrów. Dla oblcze trzech dewacj molwy jest wybór,, 5, 0 lub 0 przedzaów obserwacj na dekad wykresu logarytmcznego. W przypadku wybrana oblcze MTIE metod EF molwy jest wybór, lub 5 przedzaów. W przypadku wybrana oblcze MTIE metod dekompozycj bnarnej ne ma molwoc takego wyboru ze wzgldu na ogranczone potg lczby rozmary analzowanych przedzaów obserwacj. astpne mona wybra cakowty czas pomaru. W przypadku pozostawena wartoc 0, czas bdze neokrelony, a pomar bdze naleao zakoczy nacskajc przycsk STOP. W kolejnej kolumne wyberany jest odstp 0, z jakm merzony bdze bd czasu. Ze wzgldu na rozwzana sprztowe zastosowane w mernkach bdu czasu przyjto, e mnmalny odstp pomaru wynos bdze /3 s, a nne molwe jego welkoc bd welokrotnoc tej wartoc, w zakrese od 0. s do s. W kolejnych polach ustawane s wartoc mnmalnego ( mn ) oraz maksymalnego przedzau obserwacj ( max ), dla których wykonywane bd oblczena. Warto mn jest ustawana jako welokrotno odstpu pomaru 0, przy czym, zgodne z zalecenam [] ne moe by mnejsza n 3 0. Warto maksymalnego przedzau obserwacj max wyberana jest sporód zaproponowanego zboru wartoc z zakresu od s do 000 s. Ustawena parametrów naley zakoczy wyborem nazwy lokalzacj plków wynkowych plku z wynkam pomaru oraz plków z wartocam oblczonych parametrów. Weryfkacja ustawe pozwol na sprawdzene poprawnoc wybranych wartoc (np. relacj mdzy 0, mn max ). Po zamkncu okna wyboru parametrów przycskem START rozpoczynany jest seans pomarowo-oblczenowy. Wektory wartoc bdu czasu odczytywane s z mernka, zapsywane w plku na dysku komputera oraz przekazywane procedurom oblczenowym. W ramach procedur wyznaczana wybranych parametrów, wykonywane s oblczena dla czterech kanaów dla wszystkch przedzaów obserwacj z wybranego zakresu. Oblczena wykonywane s w odstpe czasu pomdzy kolejnym chwlam próbkowana zgodne z proceduram opsanym w poprzednm rozdzale. W ramach realzacj procedury jednoczesnych oblcze trzech dewacj lub oblczana MTIE wybran metod, tworzone s bufory cyklczne w pamc operacyjnej, w których zapsywane jest 3n max + (w przypadku dewacj) lub n max + (w przypadku MTIE) ostatno zmerzonych wektorów wartoc bdu czasu, gdze n max jest mar najwkszego analzowanego przedzau obserwacj ( max =n max 0 ). Dzk temu wszelke oblczena z udzaem próbek zmerzonych wczenej wykonywane s na wartocach przechowywanych w pamc, a ne na dysku komputera, co znaczco skraca czas oblcze [7, 8] Algorytm procedury pomaru oblcze w czase rzeczywstym przestawony jest na Rys XVII Poznańske Warsztaty Telekomunkacyjne

5 > REPLACE THIS LIE WITH YOUR PAPER IDETIFICATIO UMBER (DOUBLE-CLICK HERE TO EDIT) < 5 Rys. 3. Wdok okna wyboru parametrów pomaru oblcze pomar próbek TE w czterech kanaach k:=0; :=+ konec start oblczane parametrów dla k =n k 0 k:=k+ T k=k max? aktualzacja wykresów TE wykresów parametrów STOP? Rys. 4. Algorytm pomaru oblcze w czase rzeczywstym Wartoc bdu czasu uzyskane z pomarów w czterech kanaach prezentowane s za pomoc czterokolorowego dynamczne zmenajcego s wykresu. Istneje molwo wyczena podgldu przebegu bdu czasu w wybranym kanale pomarowym, co moe uatw bec obserwacj przebegu bdu czasu w przypadku duych rónc wartoc w T poszczególnych kanaach. Wykresy bdu czasu odweane s dla kadej chwl próbkowana. Uzyskwane na beco wynk oblcze wybranych parametrów prezentowane s na czterech wykresach logarytmczno-logartymcznych (dla ADEV, TDEV, HDEV MTIE). Wartoc oblczone dla wybranych przedzaów obserwacj prezentowane s w postac kolorowych znacznków (gwazdek) poczonych lnam. Kolejne oblczone wartoc pojawaj s wraz z zebranem wystarczajcej lczby danych nezbdnych do wykonana oblcze dla danego przedzau obserwacj. Wyznaczane wartoc s modyfkowane dla kadej chwl próbkowana (wraz z kad nowo zmerzon próbk), przy czym aktualzacja wykresów odbywa s raz na sekund, ze wzgldu na ch mnejsz dynamk n wykresu bdu czasu. Wygld ekranu podczas pomaru bdu czasu oblcze trzech dewacj oraz MTIE przedstawony jest na Rys Pomar koczy s po upyncu zdefnowanego wczenej czasu, bd po nacncu przycsku STOP. Po zakoczenu pomaru wykonywane s oblczena resztkowe oblczena zwzane z ostatnm zmerzonym wektorem próbek bdu czasu oraz zaps wynków pomaru oblcze do plków na dysku komputera. IV. PODSUMOWAIE W pracy opsano zaoena oraz realzacj prototypowego oprogramowana pomarowo-analtycznego sucego do analzy jakoc sygnaów synchronzacj. Oprogramowane to wspópracujce z czterokanaowym mernkem bdu czasu umolwa pomar wartoc bdu czasu oraz oblczane parametrów sygnaów taktowana dewacj Allana, dewacj czasu, dewacj Hadamarda oraz maksymalnego bdu przedzau czasu w czase rzeczywstym, dla czterech kanaów pomarowych. Zaproponowane zrealzowane rozwzana algorytmczne stanow stotne poszerzene stnejcych narzdz analzy jakoc sygnaów synchronzacj sec telekomunkacyjnej. PWT 03 - Poznań - 3 grudna 03 33

6 > REPLACE THIS LIE WITH YOUR PAPER IDETIFICATIO UMBER (DOUBLE-CLICK HERE TO EDIT) < 6 Rys. 5. Wdok okna programu dla pomaru bdu czasu oblcze ADEV, TDEV HDEV Rys. 6. Wdok okna programu dla pomaru bdu czasu oblcze MTIE Autorzy pracy pragn wyraz swoje podzkowana studentom II stopna na kerunku Elektronka Telekomunkacja na Poltechnce Poznaskej n. Sewerynow Grabskemu, n. Adamow Grzelce oraz n. Jakubow konowczow za pomoc w mplementacj algorytmów oblczenowych. LITERATURA [] Zalecena ETSI E , ITU-T Rec. G.80, ASI T [] S. Bregn, Synchronzaton of Dgtal Telecommuncatons etworks, J. Wley & Sons, 00. [3] S. Bregn, S. Maccabrun, Fast computaton of Maxmum Tme Interval Error by bnary decomposton, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 49, o. 6, pp , Dec [4] A. Dobrogowsk, M. Kaszna, M. Jessa, K. Lange, M. Jaworsk, Hardware and software realzaton of tme terror measurements wth real-tme assessment of ADEV, TDEV, and MTIE, Proc. of 4 th European Frequency and Tme Forum, 3-6 Aprl 00, oordwjk, etherlands. [5] A. Dobrogowsk, M. Jessa, M. Kaszna, K. Lange, System wspomagana synchronzacj, Poznaske Warsztaty Telekomunkacyjne PWT 0, str. 5-54, Pozna, 4 grudna 0. [6] A. Dobrogowsk, M. Kaszna, Some Concepts of the Real-Tme MTIE Assessment for Mult-Channel Tme Error Measurement, Proc. of 0 IEEE Frequency Control Symposum, pp , May -4, 0, Baltmore, USA. [7] A. Dobrogowsk, M. Kaszna, Expermental Tests of the Real-Tme MTIE Assessment Methods for Mult-Channel Tme Error Measurement, Proc. of 03 Jont IEEE UFFC, EFTF and PFM Symposum, -5 July 03, Prague, Czech Republc. [8] M. Kaszna, Implementaton of the Real-Tme Mult-Channel ADEV, TDEV, and HDEV Computaton Methods, Proc. of 03 Jont IEEE UFFC, EFTF and PFM Symposum, -5 July 03, Prague, Czech Republc. 34 XVII Poznańske Warsztaty Telekomunkacyjne