uBlox NEO-7M + OCXO = GPSDO

11.10.2014

Это продолжение и вторая часть темы. Первую часть можно найти по этой ссылке

Для проверки правильности решения использования приемника GPS uBlox NEO-7M с внешним OCXO был собран стенд для измерения параметров выходного GPSDO сигнала.

Рис.1. Фото измерительного стенда GPSDO

В состав стенда входят следующие элементы:

• приемник GPS uBlox NEO-7M
• внешняя активная GPS антенна с усилением 26 дБ и питанием 3.3В
• преобразователь USB <-> Serial TTL на базе микросхемы CP2102 (для программирования NEO-7M)
• управляемый напряжением малошумящий кварцевый генератор с двойным термостатированием (OCXO) MV89A (Морион, СПб) на частоту 10.000 МГц
• делитель частоты OCXO на 10
• фазовый детектор с пропорционально-интегрирующим фильтром с большой постоянной времени
• буферный усилитель выходного сигнала 10 МГц
• стабилизатор напряжения 5В

OCXO MV89A был выбран благодаря его наличию на момент проведения испытаний, удобным номиналом частоты 10 МГц и удобным диапазоном управляющего напряжения подстройки частоты (EFC), не требующим дополнительных усилителей-преобразователей уровня.   Недостатком применения MV89A в данном конкретном стенде являются не малые размеры, которые приводят к не коротким соединения между самим OCXO и схемой блока (что может являться источником дополнительных побочных сигналов) и достаточно большая потребляемая мощность. В последствии MV89A будет заменен на малогабаритный и малопотребляющий OCXO 10.0 МГц, предназначенный для установки на печатную плату.

В качестве номинала частоты сравнения была выбрана частота 1000 кГц как «чистая частота» с минимальным фазовым дрожанием (см. первую часть), образуемая от целочисленного деления внутреннего генератора 48.000 МГц GPS приемника uBlox NEO-7M.  Можно было бы также использовать частоту 2.000 МГц, но при делении частоты OCXO 10 МГц на 5 образуется сигнал 2000 кГц скважностью отличной от 50%, необходимой для правильной работы фазового детектора. Поэтому для получения скважности равной 50% используется цепочка делителей сначала на 5, затем на 2.

Перед началом измерений с помощью ПО uBlox u-center устанавливаем на выходе NEO-7M «частоту в режиме захвата» — 1000 кГц и «скважность в режиме захвата» равную 50%.

Производим наблюдение спектра на выходе модуля GPSDO в различных полосах обзора.

Рис.2. Спектр выходного сигнала GPSDO 10.0 МГц в полосе 1 МГц (на входе анализатора спектра включен аттенюатор 20 дБ)

Рис.3. Спектр выходного сигнала GPSDO 10.0 МГц в полосе 10 МГц (на входе анализатора спектра включен аттенюатор 20 дБ). Подавление частоты сравнения 1.0 МГц почти 60 дБ без дополнительной фильтрации.

Рис. 4. Спектр сигнала 10.0 МГц с приемника NEO-7M (не с блока GPSDO) в полосе 100 кГц. Фазовый шум на частоте 10.0 МГц с отстройкой 10 кГц имеет уровень только — 95 дБн/Гц при отстройке 10 кГц, что явно недостаточно для серьезного применения.

Рис. 5. Спектр сигнала 10.0 МГц с блока GPSDO в полосе 100 кГц. Фазовый шум на частоте 10.0 МГц при отстройке 10 кГц ожидается на уровене — 150 дБн/Гц (измеренное на рисунке значение ФШ -125 дБн/Гц — это ограничение анализатора спектра R&S), что уже вполне достаточно для серьезных приложений.

Для определения стабильности частоты измеряем девиацию Аллана

Рис.6. Девиация Аллана выходной частоты 10.0 МГц с GPSDO. Реальные результаты на самом деле должны быть как минимум на порядок лучше — здесь уже ограничение по стабильности опорной частоты моего частотомера Pendulum CNT-91.

На выходе модуля GPSDO

• точный и стабильный по частоте выходной опорный сигнал частотой 10.000 МГц
• в отличие от сигнала с выхода приемника uBlox NEO-7M выходной сигнал с данного модуля GPSDO имеет низкий фазовый шум и существенно более чистый спектр
• выходной сигнал 10.0 МГц имеет стандартный уровень выходной мощности для опорных генераторов +13 дБм на нагрузке 50 Ом

Что сделать: 

• проверить работу с малошумящими высокочастотными OCXO, например, на 100 МГц, которые оптимальны для формирования частот для малошумящих СВЧ синтезаторов. Для получения минимального фазового шума использовать более высокие, чем 1.0 МГц (как в нашем примере),  частоты сравнения.
• проверить использование малогабаритных OCXO и даже VC-TCXO, обеспечивающих необходимую кратковременную временную стабильность частоты (долговременная стабильность обеспечивается самой GPSDO). Это позволит создать малоразмерный, низкопотребляющий и недорогой высококачественный источник опорного сигнала
• для дополнительной фильтрации опорного сигнала возможно использование кварцевого фильтра на выходе модуля

В итоге

Подтверждена правильность GPSDO решения использования приемника GPS uBlox NEO-7M с внешним OCXO для получения высокостабильного и точного по частоте выходного опорного сигнала с низким фазовым шумом и низким уровнем побочных продуктов при относительно не высокой стоимости решения.

Ссылки:

• NEO-7M
• OCXO MV89A
• 9V1TD:  «Frequency agile GPS reference for less than $30″
• G4ZFQ: NEO-6-7
• Time-nuts: Ublox neo-7M GPS
• G3RUH: GPS Stabilised 10 MHz Oscillator
• G4JNT: USING GPS TO ENHANCE AMATEUR COMMUNICATIONS
• The Use of GPS Disciplined Oscillators as Primary Frequency Standards for Calibration and Metrology Laboratories