Przemysław Krehlik, Marcin Lipiński Łukasz Śliwczyński, Andrzej Wolczko AGH Katedra Elektroniki Al. Mickiewicza 3 3-59 Kraków awolczko@uci.agh.edu.pl 5 Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań -9 grudnia 5 ŚWIATŁOWODO SYSTEM TRANSMISJI WZORCOCH SYGNAŁÓW CZASU I CZĘSTOTLIWOŚCI Streszczenie: Przedstawiono syntetyczny opis dedykowanego systemu światłowodowego do transmisji sygnałów czasu i częstotliwości z atomowych wzorców cezowych. Ze względu na specyfikę wymagań szczególną uwagę w konstrukcji systemu poświęcono zagadnieniom minimalizacji fluktuacji czasowych (jitter, wander) transmitowanych sygnałów. Szkicowo przedstawiono konstrukcję systemu oraz wyniki pomiarów końcowych. 1. WPROWADZENIE Przedstawiony w referacie światłowodowy system transmisyjny jest przykładem traktu światłowodowego wobec którego zarówno wymagania jak i ocena jego jakości są inne niż powszechnie stosowane dla linii transmisyjnych (np. przepływność i dystans transmisyjny lub bitowa stopa błędów). Przebiegami transmitowanymi w tym systemie są wzorcowe sygnały czasu i częstotliwości pomiędzy wzorcami atomowymi wysokiej klasy celem kontroli stabilności wzorców znajdujących się w różnych lokalizacjach. Każde urządzenie przesyłające czy przetwarzające zmienne w czasie sygnały jest źródłem fluktuacji czasowych tych sygnałów który negatywnie wpływa na jakość działania tego urządzenia. Atomowe wzorce częstotliwości charakteryzują się ekstremalnie wysoką stabilnością parametrów czasowych sygnału i jest oczywiste, że w transmisji takich sygnałów problem zminimalizowania wprowadzanych przez tor transmisyjny fluktuacji fazy jest zadaniem fundamentalnym. Dotyczy to zarówno fluktuacji szybkozmiennych (jitter) jak i wolnozmiennych zmian fazy (wander) pochodzących np. od zmian temperaturowych składników systemu.. KONCEPCJA SYSTEMU Stosownie do postawionych wymagań system transmituje na odległość kilku kilometrów dwa sygnały wzorcowe: sygnał czasu wzorcowego 1 pps (1 pulse per second) w postaci ciągu periodycznych impulsów o czasie trwania µs z okresem 1 s; sinusoidalny sygnał częstotliwości wzorcowej. Wymagany dystans transmisyjny zdeterminował zastosowanie rozwiązania światłowodowego a dla celów redundancyjnych liczbę kanałów transmisyjnych zwiększono do siedmiu w dwóch sekcjach: w sekcji podstawowej 1 kanał 1 pps + kanały ; w sekcji rezerwowej kanały 1pps + kanały. Strukturę systemu przedstawia rysunek 1. Każdy kanał dysponował oddzielnym jednomodowym włóknem światłowodowym przy czym kable sekcji podstawowej i rezerwowej poprowadzono od stacji nadawczej do odbiorczej różnymi trasami. Przyjęto także, że wszystkie Wejścia elektryczne Kaseta Nadajnik Nadajnik Moduły zasilania i sygnalizacji Nadajnik Wyjścia optyczne Kabel B Sekcje rezerwowe Kabel A Sekcje podstawowe Wejścia optyczne Kaseta Odbiornik Odbiornik Moduły zasilania i sygnalizacji Odbiornik Wyjścia elektryczne Rys. 1. Struktura systemu PWT 5 - POZNAŃ -9 GRUDNIA 5 1/5
wejścia i wyjścia sygnałów elektrycznych pracują w dopasowaniu falowym 5 Ω. Dla zwiększenia elastyczności eksploatacyjnej i serwisowej przyjęto konstrukcję kaset modułowych w których wydzielono przestrzeń dla trzech modułów sekcji podstawowej i oddzielną dla czterech modułów sekcji rezerwowej z możliwością dowolnego zestawienia modułów nadawczych i odbiorczych w obu przestrzeniach i kasetach (np. dla organizowania pętli). Pozostałe miejsca w kasetach przeznaczono na układy zasilania i alarmów niesprawności systemu. 3. MODUŁY TRANSMISYJNE Układy elektronicznych komparatorów które tak w modułach nadawczych jak i odbiorczych służą do formowania i normalizacji sygnałów mają tę właściwość, że ich czas propagacji jest zależny od poziomu przesterowania sygnałem wejściowym, fluktuacji jego składowej stałej, zmian napięcia niezrównoważenia komparatora, szumów w układzie i innych czynników efekt ten nazywamy dyspersją komparatora. Jest on graficznie pokazany na rysunku. V ref + - V os 1,5V przesterowania mv przesterowania Q wy dyspersja Rys.. Dyspersja komparatora Dla bardzo szybkich komparatorów realizowanych w technice ECL (PECL) wartość dyspersji wynosi kilka do stukilkudziesięciu pikosekund. Kumulacja tych zjawisk w nadawaniu i odbiorze połączona z efektami opóźnieniowymi przy przełączaniu mocy optycznej laserów półprzewodnikowych są bezpośrednią przyczyną fluktuacji opóźnienia w torach, co jest równoznaczne z jitterem. Ponadto zmiany napięć zasilania, szumy własne i zakłócenia z zewnątrz oraz zmiany temperatury powodują fluktuację progu zadziałania komparatorów co przy określonych czasach narostu zboczy bezpośrednio przenosi się na niepożądane fluktuacje czasowe na wyjściach komparatorów. Obserwuje się także efekty wolnozmiennych fluktuacji czasowych pochodzące głównie od zmian temperatury układów elektronicznych jak i światłowodu tzw. wędrówka fazy (wander). Jest oczywiste, że mimo iż transmitowane sygnały są relatywnie wolne w porównaniu ze strumieniami w jednomodowych transmisjach telekomunikacyjnych to dla uzyskania najmniejszego z możliwych jitterów należało budować kanały o dużej szybkości pracy wykorzystując układy elektroniczne o krótkich czasach propagacji i krótkich czasach narostu i opadania zboczy przy przełączaniu. Zarówno sygnał 1 pps jak i sinusoidalny są w światłowodzie transmitowane w formie analogowych periodycznych sygnałów impulsowych. Dla zapewnienia najkorzystniejszych warunków pracy laserów w modułach nadawczych lasery te utrzymywane są w stanie ciągłej pracy aktywnej. W żadnym momencie czasowym prąd sterujący laser nie jest niższy od prądu progowego. Szybki komparator na wejściu nadawczego normalizuje poziom sygnału modulującego oraz formuje stromość zboczy a układ polaryzacji i modulacji lasera zapewnia założone warunki pracy. Poziom mocy optycznej w detektorze zależy w pierwszej kolejności od długości światłowodu oraz innych czynników. Dla optymalnego ustawienia progu komparacji w odbiorze przeprowadza się detekcję poziomu sygnału w układzie odbiorczym i stosownie modyfikuje wartość napięcia progowego. Znormalizowany w czasie i amplitudzie sygnał z komparatora jest poprzez wzmacniacze buforowe dostarczany na wyjście. Dodatkowo w modułach nadawczych zastosowano wejściowe transformatory separujące z wyjścia których sterowane są szybkie komparatory formujące sinusoidę w falę prostokątną sterującą lasery. Z kolei w modułach odbiorczych sinusoida jest odtwarzana z fali prostokątnej przez filtrację dolnoprzepustową z użyciem filtrów aktywnych. Rodzaj i strukturę filtru wybrano kierując się kryterium minimalizacji fluktuacji opóźnienia grupowego (przy częstotliwości ) przy zmianach termicznych i starzeniowych wartości elementów biernych filtru. W skład modułów wchodzą dodatkowe układy sygnalizacyjne których funkcje są przedstawione w tabelach (1 ) parametrów technicznych. Pomiary wartości jitteru wtrąconego dokonywane były za pomocą oscyloskopu cyfrowego HP Infinium 55A. Jitter mierzono jako odchyłkę standardową opóźnienia pomiędzy chwilą przejścia przez poziomy referencyjne V ref zbocza narastającego sygnału wejściowego i wyjściowego z testowanego kanału. Poziom referencyjny dla sygnału wzorcowego wynosił V, a dla sygnału 1 pps połowę wartości amplitudy impulsów pps. Czas trwania pomiaru wynosił t p 1 s. Pomiary wykonywane były dla stałej wartości tłumienia światłowodu w ustalonej temperaturze otoczenia wynoszącej ok. C. PWT 5 - POZNAŃ -9 GRUDNIA 5 /5
Tabela 1. Parametry techniczne nadajnik 1 pps Elektryczny sygnał wejściowy 1 PPS; µs,, 5 V na 5 Ω Gniazdo wejściowe koncentryczne BNC, 5 Ω, DC Wyjście światłowodowe Moc optyczna, długość fali emitowanej ok. + 1,5 dbm, 131 nm Alarm wejścia elektrycznego świecenie czerwonej diody LED sygnalizuje brak lub nieprawidłowy poziom sygnału 1 PPS na wejściu Alarm wyjścia optycznego świecenie czerwonej diody LED sygnalizuje brak lub zbyt niski poziom sygnału optycznego na wyjściu światłowodowym Tabela 3. Parametry techniczne nadajnik Wejście elektryczne koncentryczne BNC, 5 Ω, AC - z transformatorem separującym Sygnał wejściowy sinusoidalny,, 5 Vpp na 5 Ω Wyjście światłowodowe Moc optyczna, długość fali ok. - 3 dbm, 131 nm emitowanej Alarm wejścia elektrycznego poziom sygnału na wejściu Alarm wyjścia optycznego wyjściu światłowodowym Tabela. Parametry techniczne odbiornik 1 pps Wejście światłowodowe Czułość wejścia optycznego Wyjście sygnału elektrycznego Amplituda sygnału wyjściowego Zbocze narastające impulsu Alarm wyjścia elektrycznego Alarm wejścia optycznego Zasięg transmisyjny przy typowym tłumieniu światłowodu <, db/km Wtrącony jitter Maksymalne zmiany opóźnienia w kanale w przedziale tłumienia światłowodu 13 db. ok. 1 dbm, koncentryczne, BNC; 5 Ω 3V na 5 Ω < 1,5 ns poziom sygnału 1 PPS na wyjściu wejściu światłowodowym ok. 3 km < ps < ps Tabela. Parametry techniczne odbiornik Wejście światłowodowe Czułość wejścia optycznego Wyjście sygnału elektrycznego Sygnał wyjściowy Zawartość harmonicznych w sygnale wyjściowym Alarm wyjścia elektrycznego Alarm wejścia optycznego Zasięg transmisyjny przy typowym tłumieniu światłowodu <, db/km Wtrącony jitter Maksymalne zmiany opóźnienia w kanale w przedziale tłumienia światłowodu 13 db. ok. 1 dbm, koncentryczne, BNC, 5 Ω sinusoidalny, 3Vpp na 5 Ω < 5 % poziom sygnału na wyjściu wejściu światłowodowym ok. 3 km < 3 ps < ps PWT 5 - POZNAŃ -9 GRUDNIA 5 3/5
SEKCJA PODST. SEKCJA REZERW. ALARMY ZDALNE SYSTEM TRANSMISJI SYGNALÓW WZORCOCH & 5MHz PODSTAWO T1A REZERWO T1A - Sekcja podstawowa - 3 dowolne moduły sygnałowe Moduł sygnalizacji - Sekcja rezerwowa - dowolne moduły sygnałowe Moduł podłączenia zasilań i bezpieczników Rys. 3. Wygląd kasety. KONSTRUKCJA SYSTEMU Jak wspomniano w punkcie konstrukcja ma charakter modułowy. Dwie 19 calowe standardowe kasety Eurocard 3U stanowią podstawę mechaniczną dla instalacji elementów systemu. Magistrala w tylnej części kasety służy do rozprowadzenia napięć zasilania do wszystkich modułów oraz do połączeń z modułem zdalnej sygnalizacji. Wygląd kasety przedstawia rysunek 3. Podstawowe moduły są indywidualnie ekranowane i wsuwane w prowadnicach kasety. Sygnały elektryczne i optyczne doprowadzane są od czoła modułów. TIE, średnia 5 pom. [ps] 1 1 1 1 1 Przetworniki optoelektryczne 1pps; EO + m św. + OE; 1.9.5 Średnia TIE 5 pom. [ps] Odchyl. Standard. 5 pom. [ps] 1 1 1 1 1 Odchylenie standard. 5 pom. [ps] 5 1 15 5 3 35 5 5 55 5 7 5. POMIARY UŻYTKOWNIKA Opóźnienie toru 355 ps Punkt wykresu obejmuje 5 pomiarów wykonywanych co sekundę Rys.. Jitter w torze 1 pps W klimatyzowanym, wyposażonym w atomowy zegar wzorcowy i unikalną aparaturę pomiarową Laboratorium Głównej Izby Pomiarowej TPSA dokonano wielodniowych pomiarów weryfikujących przydatność wykonanego systemu do transmisji sygnałów wzorcowych. Poniżej przedstawiono kilka wybranych wykresów. Opisy wykresów informują o wielkościach i warunkach pomiarowych. Wielkość TIE (time interval error) jest równoważna błędowi bezwzględnemu pomiaru odcinka czasu jednej sekundy w torach 1 pps. Interesujące jest porównanie wykresów z rysunków i 5. Zmierzone wartości dla jednego kanału 1 pps i kaskady trzech takich kanałów są bardzo zbliżone, co wskazuje, że duży udział w wyniku ma jitter samego sprzętu pomiarowego i że wyniki pomiarów dla mierzonego obiektu należy interpretować jako: wartość mniejsza niż wskazana na wykresie. O ile nie wskazano warunków termicznych na wykresie temperatura pomiaru była stabilizowana. TIE, średnia pom. [ps] 1 - - - - -1 Rel=11,7 ns TIE trzech zespołów przetworników optoelektrycznych 1 pps, połączonych szeregowo światłowodami 1, 515 i 515 cm;.9.5 Średnia TIE pom. [ps] Odchyl. Standard. pom. [ps] 1 3 5 Punkt wykresu obejmuje pomiarów wykonywanych co sekundę (s) Rys. 5. Jitter kaskady trzech kanałów 1 pps 1 1 1 1 1 Odchyl. standard. pom. [ps] PWT 5 - POZNAŃ -9 GRUDNIA 5 /5
Zmiana czasu propagacji sygnału przez trzy zespoły przetworników (1,,) optoelektrycznych połączonych krótkimi światłowodami. 9.9.5 TIE, średnia pom. [ps] 3 5 15 1 5-5 -1-15 - -5-3 Średnia TIE pom. [ps] Odchyl. Standard. pom. [ps] 1 3 3 5 15 1 5 Odchyl. standard. pom [ps] Na rysunku 7 pokazano wynik pomiaru kanału połączonego światłowodem o długości 5 km a temperatura w laboratorium zmieniała się wg krzywej przedstawionej na rysunku. Wyraźnie widoczna jest analogia pomiędzy przebiegiem w czasie wielkości TIE i temperatury. W przybliżeniu zmiana TIE jest spowodowana zmianą czasu propagacji światłowodu od temperatury a udział układów elektronicznych w tych zmianach jest drugorzędny. Punkt wykresu obejmuje pomiarów wykonywanych co milisekundę Rys.. Jitter kaskady trzech kanałów. KONKLUZJE TIE, średnia 1 pom. [ps] 5 15 1 5 Przetw.optoel. 5MHz; EO3 + światłow. 53. us + OE3; 3.9.5 Średnia TIE 1 pom. [ps] Odchyl. Standard. 1 pom. [ps] 5 1 15 Punkt wykresu obejmuje 1 pomiarów wykonywanych co milisekundę (s) Rys. 7. Jitter kanału 5 15 1 5 Odchyl. standard. 1 pom. [ps] Według posiadanych przez autorów informacji opisany system jest pierwszą próbą zastosowania dedykowanego systemu światłowodowego do porównywania atomowych wzorców czasu i częstotliwości. O jakości przedstawionej realizacji świadczy konkluzja z Protokołu Sprawdzenia systemu. Cytat: Wyniki pomiaru Światłowodowego systemu transmisji sygnałów wzorców czasu 1pps i częstotliwości5 MHz spełniają bardzo dobrze wymagania transmisji dla celów pomiarowych. Fluktuacja fazy wnoszona przez układy optoelektroniczne nie przekracza: w zakresie1 sekund dla zespołu 1 ps Temperatura w laboratorium w zakresie sekund dla zespołu1 pps ps Stopnie Celsjusza średnia 3 minutowa 3 wędrówka fazy w przedziale sekund w warunkach laboratoryjnych zarówno dla zespołów 1pps jak i dla 5 ps 3-9-5 1: -9-5 : -9-5 1: 5-9-5 : 5-9-5 1: -9-5 : -9-5 1: Czas pomiaru Rys.. Przebieg temperatury do pomiaru z rys. 7 PWT 5 - POZNAŃ -9 GRUDNIA 5 5/5