GPSDO Explained
|
Nederlands • العربية • български • català • čeština • Deutsch • Ελληνικά • English • español • فارسی • français • hrvatski • magyar • italiano • română • 日本語 • 한국어 • lietuvių • norsk • polski • português • русский • Türkçe • українська • 中文（中国大陆） • 中文（臺灣） • עברית • azərbaycanca • |
Release status: documentation
| Description | GPSDO Explained
|
| License | |
| Author | |
| Contributors | Corne Lukken (PD3SU)
|
| Based-on | |
| Categories | |
| CAD Models | none
|
| External Link |
Introductie
GPS-gedisciplineerde oscillatoren (GPSDO) kunnen worden gebruikt om gesynchroniseerde (coherente) klokken op afstand te creëren zonder andere parameters van de lokale oscillator, zoals faseruis, drastisch te beïnvloeden, terwijl tegelijkertijd het lange tijdsverloop wordt verminderd.
Dit document dient als introductie in de onderliggende concepten om in latere artikelen de achtergrond te bieden voor het ontwerpen en vervaardigen van een daadwerkelijke GPSDO.
Clock signals
Zenders en ontvangers gebruiken doorgaans kristaloscillatoren om kloksignalen te genereren. Deze oscillatoren hebben een temperatuurcoëfficiënt, wat resulteert in een drift in frequentie als de oscillatoren kouder of warmer worden. Fabrikanten zijn zich bewust van deze implicaties en creëren vaak temperatuurgecompenseerde oscillatoren, genaamd Temperature Compensated Crystal Oscillator (TCXO) of zelfs Oven Controlled Crystal Oscillators (OCXO).
Deze kenmerken in termen van fase- en frequentiestabiliteit (faseruis en frequentiedrift) spelen een belangrijke rol bij het genereren van extreem hoge frequenties. Vanwege de hoge vermenigvuldigingsfactor om deze hoge frequentie te verkrijgen, zullen eventuele onvolkomenheden ook worden vermenigvuldigd. Dit kan resulteren in een grote verscheidenheid aan problemen, zoals frequentiestabiliteit of modulatie. Om deze problemen te kunnen minimaliseren moeten we de kenmerken begrijpen, te beginnen met de definitie van tijd en wat een seconde is. Het zal waarschijnlijk geen verrassing zijn dat de frequentie gebaseerd is op het aantal oscillaties in één seconde. Deze seconde, onze absolute tijdseenheid, is gebaseerd op het aantal oscillaties van een cesium-133-atoom (SI) tussen zijn twee zogenaamde hyperfijne overgangsgrondtoestanden. De exacte details over deze cesiumoscillaties en de zogenaamde zeemanlijnen vallen buiten het bestek van deze inleiding.
Cesium-133-atoom hyperfijne overgangstoestanden Cesium-133-atoom hyperfijne overgangstoestanden - Bernard. Jet. al. - Lasergekoelde atomen en ionen in nauwkeurige tijd- en frequentienormen. [1])
Time
Gegeven dat SI-eenheden de tijd definiëren op basis van het cesium-133-atoom , is het geen verrassing dat we een cesiumklok kunnen gebruiken om een absolute tijdreferentie te verschaffen. Met zo'n klok kunnen we het aantal oscillaties tellen totdat het overeenkomt met wat precies één seconde moet overeenkomen en meten hoeveel oscillaties het te testen apparaat (DuT) hiervan afwijkt. Meestal levert de DuT een signaal van 10 MHz en wordt ons cesiumkloksignaal naar deze gemeenschappelijke referentiefrequentie verdeeld. Nog verder kunnen ook delen van oscillaties of de fase tussen oscillatieperioden worden gemeten. Ten slotte kan dit verschil meerdere keren per seconde worden bemonsterd in plaats van slechts één keer. Het resultaat is de drift van een oscillator in de tijd. Met behulp van statistische methoden kan deze drift vervolgens worden gebruikt om de stabiliteit van de oscillator te kwantificeren, zoals later zal worden beschreven.
Deze cesiumklokken zijn echter onbetaalbaar, dus er is een goedkopere oplossing nodig. Gelukkig bevat elke GPS-satelliet zo'n cesiumklok. De signalen van deze GPS-satellieten en het onderliggende protocol stellen ons dus in staat een tijdsignaal te reconstrueren op basis van gegevens van alle momenteel te ontvangen GPS-satellieten.
GPS
Dit gereconstrueerde tijdsignaal wordt geleverd als blokgolf die eenmaal per seconde (1 Hz) oscilleert, dit signaal wordt Pulse Per Second (PPS) genoemd. Het stabiliteitsgedrag op korte termijn in termen van faseruis en harmonischen van dit signaal is zeer slecht, veel slechter dan zelfs de slechtste kristaloscillator. Het langetermijngedrag van dit signaal, over tientallen minuten, is echter beter dan zelfs dat van een Oven Controlled Crystal Oscillator (OCXO). Was er maar een manier om het kortetermijngedrag van een OCXO te combineren met het langetermijngedrag van een GPS PPS-blokgolf!
GPSDO
Dit is precies de taak van een GPS-gedisciplineerde oscillator. Deze apparaten integreren twee verschillende kloksignalen, waarbij de uitgangsklok van de ene wordt aangepast en de andere als referentieklok wordt gebruikt om deze aanpassingen te moduleren. Het resultaat is een zelfstabiliserende feedbacklus waarvoor de kenmerken van één kloksignaal na een bepaalde tijdsperiode dominant kunnen worden gemaakt. Deze integratietijd, waarna één van de twee kloksignalen dominant wordt, kan worden geregeld. Deze tijd is gekozen om overeen te komen met het precieze overgangspunt waarop de kenmerken van de ene klok superieur worden ten opzichte van de andere.
Dit werkt omdat bij alle OCXO's de referentiespanning kan worden aangepast. Deze instelspanning kan worden afgeleid van een fasevergelijker, in het bijzonder een fasevergrendelde lus (PLL). Bij een lange integratietijd wordt deze instelspanning langzaam aangepast, waardoor het lang duurt voordat het GPS PPS-signaal dominant wordt.
Kenmerken
De kritische instelling binnen dit systeem wordt de integratietijd. Dit moet zo worden ingesteld dat het juist plaatsvindt op de overgang waar de kenmerken van de ene klok de andere overtreffen. Dit vereist dat we deze kenmerken in detail begrijpen, in de eerste plaats zijn dit faseruis en frequentiestabiliteit. Deze faseruis kan eenvoudig direct aan de uitgang van de GPSDO worden gemeten. Dit is de uitvoer van de OCXO en dit kan worden gedaan op een spectrumanalysator met behulp van een bode-plot. In zo'n bode-diagram wordt de vermogensdichtheid van een bandbreedte van 1 Hertz van het spectrum gemeten ten opzichte van het vermogen op de draaggolf. We herhalen deze metingen voor specifieke afstanden tot de drager en drukken deze uit in dBc/Hz, waarbij lagere waarden beter zijn.
Het andere kenmerk, de frequentiestabiliteit, wordt gemeten met behulp van herhaalde faseverschillen tussen twee kloksignalen. Deze meting is een stuk minder intuïtief en vereist het gebruik van statistieken. Deze statistische analyse maakt onderscheid of individuele meetpunten de frequentiestabiliteit op korte of lange termijn beïnvloeden.
Allan deviation (ADEV)
Hierover is een prima artikel te vinden op WikiPedia.
De praktijk
Het verzamelen van meetgegevens om deze frequentiestabiliteitsmetingen uit te voeren vereist toegang tot een referentieklok die stabieler is dan de klok die u probeert te meten. Het resultaat is dat, hoewel het relatief goedkoop is om een GPSDO te bouwen met kant-en-klare hardware, het valideren ervan en het aanpassen van het cross-over-punt voor het integreren van de kloksignalen moeilijk is.
Potentieel de minst commercieel veeleisende oplossing die adequate resultaten kan opleveren, is het gebruik van gereviseerde rubidiumklokoscillatoren van ebay.com of aliexpres.com.
Deze rubidiumklokoscillatoren kunnen worden gebruikt als referentieklok op de NanoVNA H4 [3]. Deze NanoVNA H4 is een draagbare Vector Network Analyzer (VNA) waarvoor de TinyFPA [3]-firmware door de gemeenschap is geschreven. Deze NanoVNA H4 kan gemakkelijk online worden gekocht, maar via platforms zoals AliExpress of eBay kunnen er defecten optreden als gevolg van goedkope reproducties, dus officiële wederverkopers worden geadviseerd.
Met de TinyPFA-firmware wordt de NanoVNA H4 een fasefrequentie-analysator die meetgegevens kan leveren die rechtstreeks door TimeLab kunnen worden geanalyseerd met behulp van serieel via USB.
NanoVNA H4 en typische accessoires NanoVNA H4 en typische accessoires
Deze opstelling zal worden gebruikt om het ontwerp van een GPSDO te analyseren en iteratief te verbeteren met behulp van de ADF4001 fasevergrendelde lus. Het ontwerp en de meetopstelling worden hopelijk binnenkort in volgende artikelen beschreven.