Я создаю SDR (программно-определяемое радио) и пытаюсь синхронизировать свой 16-битный АЦП со скоростью 130 Мвыб/с. На этой скорости очень важен джиттер тактового сигнала, а плохой джиттер может сильно снизить ОСШ моего АЦП. Например, синхронизация со стандартным Xtal, который не имеет превосходных характеристик фазового шума, вызывает джиттер в часах, который добавляет столько шума в АЦП, что его эффективное отношение сигнал-шум не лучше, чем у 14-битного АЦП! Единственный способ получить доступ к полному диапазону АЦП — иметь джиттер на тактовой частоте около 80 фс. (в соответствии с выбранным чипом АЦП, который сам по себе добавляет 70 фс)
Конечно, я мог бы купить OCXO с отличным фазовым шумом, но я не могу позволить себе потратить 300 долларов на осциллятор. Особенно, если на плате может быть несколько АЦП...
Я читал некоторые примечания к приложениям, которые объясняют использование PLL для удаления фазового шума из часов. Хорошо, но тогда, насколько я понимаю, ГУН PLL должен быть дорогим. И чип PLL также добавляет фазовый шум. Даже при идеальном VCO джиттер, вызванный выходным драйвером PLL, составляет около 100 фс. Таким образом, это не похоже на решение.
Таким образом, мой вопрос несколько:
Как очистить часы от достаточно хорошего осциллятора? Я думал об использовании дискретных фильтров, но энергия фазового шума, создающая джиттер, очень близка к номинальной частоте генератора. Мне пришлось бы использовать полосовой фильтр с полосой пропускания ~ 10 кГц на частоте 130 МГц! Можно ли сделать? (ниже 200$, иначе было бы дешевле купить OCXO)
Если нет способа достичь такого уровня джиттера ~80 фс (фазовый шум от 10 Гц до 260 МГц) самостоятельно, где я могу купить генераторы с таким уровнем производительности по разумной цене? Проблема в том, что OCXO чрезвычайно стабильны во времени (годы) и обычно используются для этого. Но тут мне все равно, мне важен именно фазовый шум. Существуют ли технологии осцилляторов, которые очень чисты, но дрейфуют с годами?
Как вы, радиолюбитель, у которого есть система SDR, или инженеры, разрабатывающие высокоскоростной АЦП, решили эту проблему?
Как видите, я провел МНОГО времени, читая заметки о приложении на эту тему в Интернете, поэтому у меня есть глубокое понимание того, как это работает. Я немного пессимистично отношусь к этому и начинаю верить, что нет способа получить часы с низким джиттером, не приобретая OCXO стоимостью ~ 100 $ + ...
Первое, что вам нужно понять, это то, что проектирование с использованием 16-разрядного АЦП не является тривиальным. Даже при частоте отсчета 1 отсчет/с вам необходимо уделять особое внимание каждому аспекту проекта, чтобы достичь 16-битной точности или, что еще сложнее, 16-битной точности. При 130 Мвыб/с все еще сложнее.
Детали, необходимые для такого дизайна, просто не будут недорогими. Во-первых, из-за чрезвычайной точности и тщательного тестирования, необходимых для достижения требуемой производительности. Во-вторых, потому что такого рода вещи не делаются в продуктах массового рынка, поэтому детали не производятся в таких чрезвычайно больших объемах, которые могут снизить цену для всех.
Как говорит Дейв в другом ответе, убедитесь, что вам действительно нужно 16 бит, прежде чем идти по этому пути. Но, может быть, вам действительно нужна 12-битная точность, и вы знаете, что если вы используете даже 14-битный АЦП, вам будет трудно добиться этого, поэтому вы проектируете с 16-битным АЦП и оптимизируете все остальное как столько, сколько вы можете.
Другим ключом, вероятно, является понимание того, какие именно характеристики вам нужны для работы вашей системы, и не завышайте джиттер тактовой частоты. В приложении SDR вы будете выполнять математические операции с образцами, чтобы выделить определенные полосы частот и т. д., что будет иметь эффект усреднения по многим циклам. Таким образом, вас может не слишком заботить то, что абсолютно каждый образец рассчитан идеально, только то, что в течение вашего интервала расчета не слишком много отклонений от идеального времени. Насколько много, конечно, зависит от того, какую математику вы делаете и насколько малый сигнал вам нужно извлечь из того, сколько шума.
CTS Valpey , например, имеет XO со среднеквадратичным значением джиттера всего 200 фс. Но эта спецификация определяется, когда фазовый шум интегрируется в определенной полосе частот от 12 кГц до 20 МГц (относительно несущей). Если учитывать общий джиттер от цикла к циклу, спецификация увеличивается до 3-6 пс, в зависимости от центральной частоты.
Позвольте мне также обратиться к одному комментарию, который вы сделали в своем вопросе:
OCXO чрезвычайно стабильны во времени (годы) и обычно используются для этого.
«Запеченная» часть этого продукта в основном уменьшает дрейф из-за изменения температуры окружающей среды, который может быть значительным в течение минут или секунд, а не только лет. Это также уменьшит износ детали из-за термоциклирования и улучшит стабильность в течение многих лет.
Для диапазона джиттера < 100 фс, который вы ищете, вам может понадобиться OCXO, чтобы предотвратить небольшие изменения температуры, влияющие на производительность, в течение времени, необходимого для достаточно точного измерения джиттера, чтобы знать, что вы достигли своей спецификации.
Ответ заключался в использовании чипа PLL. Он добавляет широкополосный шум, но его можно отфильтровать с помощью полосового ПАВ-фильтра с полосой пропускания 12 кГц на его выходе.
По сути, PLL поддерживает близкий шум своего эталонного тактового генератора и подавляет его широкополосный шум. Противоположное относится к VCO PLL.
Таким образом, игра заключалась в том, чтобы найти осциллятор с превосходным шумом на близком расстоянии, не принимая во внимание его широкополосный шумовой порог. А также найдите ГУН, который имеет очень низкий уровень шума на ~10 кГц от номинальной частоты, не принимая во внимание его отклик на более близких частотах.
Шум на выходе PLL будет комбинацией ближнего шума опорной частоты, шума ГУН в диапазоне от 1 кГц до 12 кГц и широкополосного шума выходного драйвера микросхемы PLL.
ПАВ-фильтр удаляет шум выше 12 кГц, а окончательный отклик имеет очень хороший фазовый шум, который при преобразовании в джиттер (от 10 Гц до 230 МГц) создает джиттер ~90 фс! Что хорошо для приложения.
Вам нужна производительность 16-битного АЦП в вашей системе? Я бы начал с этого вопроса. Тот факт, что ваш АЦП выдает 16 бит, не означает, что он требуется вашей системе.
Если вам действительно нужен такой уровень производительности АЦП, то один из вариантов — спроектировать собственный генератор с использованием кристалла. Возможно, это даст вам необходимый фазовый шум без затрат на OCXO. Конечно, тогда вы спускаетесь в кроличью нору проектирования генераторов, что интересно, но, возможно, не то, что вас интересует. Сколько вы планируете построить? Ebay может помочь вам с излишками OCXO.
Вы можете осторожно использовать DDS для генерации нескольких частот из одного OCXO с низким фазовым шумом, если вам нужно несколько частот, но вы все равно увидите ухудшение фазового шума из-за этого.
Крис Стрэттон
рфдэйв
рфдэйв