Sto cercando di fare delle misure piuttosto precise che non sto qui a descrivere, per le quali mi serve un riferimento di frequenza o tempo affidabile. Ho pensato al segnale pps che ho trovato in un banale ricevitore gps. Benissimo, ho verificato che ha una precisione migliore di 0,1 ppm. Siccome non mi basta, mi sono messo a esaminare meglio questo segnale. Ho scoperto che il periodo di questo impulso ha piccolissime variazioni casuali, mediamente inferiori a 1 ns. Però ogni tanto ci sono variazioni molto maggiori e di durata praticamente costante, di 61 ns (+- 1 ns). In altre parole questo segnale normalmente ha un periodo di 1.000.000.000 ns e ogni tanto 1.000.000.061 ns. Da cosa può dipendere? Dal ricevitore? Dal mio periodimetro? Oppure questi piccoli salti sono normali e la massima precisione si ottiene solo sul lungo periodo facendo la media della durata dei singoli impulsi?
cercando con google nei loro archivi c'e' tutto. A memoria mi pare di ricordare che dipende dal ricevitore, alcuni sono piu' indicati, comunque credo che la prassi sia di agganciare un buon oscillatore al segnale gps e mediare su molte ore o giorni.
Ti segnalo anche i riferimenti al rubidio, a volte si trovano su ebay. Tempo fa ne ho comprati due a 30 euro l'uno, dei FE5680, naturalmente di recupero, buoni per 1E-8, vuoi stabilita', precisione assolute? Su quale intervallo ti serve: frazioni di secondo, secondi, minuti, che contatore usi per le misure?
Ciao!
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Muvideo altrove
Fabio Eboli nella vita reale...
Ci sono arrivato più volte seguendo le ricerche di google. E' interessante vedere quanta gente ci sia che vuole spaccare il femtosecondo!
Si' certo, e' proprio quello che voglio fare alla fine, un GPSDO ma senza comprarlo gia' pronto! Sapevo del jitter del segnale a 1 Hz PPS dei ricevitori, ma pensavo che fosse un jitter random con una distribuzione gaussiana. Qui invece mi ritrovo con il segnale che salta a step di 61 ns, sui quali e' sovrapposto un jitter molto piccolo, questo si' random, di circa 1 ns. Rpensandoci, il jitter di 1 ns è troppo piccolo per essere quello del GPS, perche' se fosse solo questo basterebbe mediarlo per pochi minuti e avere un riferimento preciso di 10^-10. Quindi il jitter che affligge il PPS deve essere, nel caso del mio ricevitore, di 61 ns. Probabilmente sarebbe più appropriato chiamarlo dithering invece che jitter. Puo' anche esserci una spiegazione del valore 61 ns. Forse e' un caso ma e' molto vicino al periodo di
1,023 MHz*16.
Sei stato fortunato a prenderli a quella cifra. Io sto aspettando l'occasione ma non si trovano sotto i 55 euro. Però scusa, 1e-8 non è scarsa come precisione per un riferimento al rubidio? Io ho un OCXO che dopo una giornata di riscaldamento è altrettanto stabile e preciso.
Approfitto a farti una domanda sul FE5680. So che esistono versioni programmabili da 0 a 20 MHz via seriale e altre più economiche a 10 MHz fissi, che vorrei prendere io. Pero' anche in queste versioni viene detto che la frequenza e' aggiustabile finemente. E' vero? Come si fa?
Beh, immagino che il periodimetro che usi abbia un manuale o qualcosa che ti permetta di verificarne la precisione, almeno sulla carta. :)
Credo che nei "normali" moduli GPS il segnale PPS sia gestito in software, almeno parzialmente. Probabilmente c'è una ISR triggerata da qualche output dei correlatori hardware. Sarà senz'altro una ISR a priorità massima, ma magari la posizione in cui si trova l'esecuzione quando arriva l'interrupt può portare a tempi di risposta diversi, ad esempio potresti avere la sfiga che il tuo interrupt arrivi proprio mentre la CPU sta gestendo un altro interrupt (salvando o ripristinando il contesto, che è un'operazione sostanzialmente "hardwired" e non interrompibile). Ma la sto veramente buttando lì.
I punti con variazioni di 61 ns sono regolari nel tempo o casuali? Se il tuo modulo consente di regolare finemente il periodo del PPS, prova a variarlo di qualche ms per vedere se è effettivamente una cosa dovuta a dei "battimenti" con un altro interrupt.
Grazie della risposta. Purtroppo il periodimetro non ha manuali, visto che l'ho fatto io con una fpga overclockata e pure tanto :)
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La maggior parte delle volte succede che per una decina di minuti ogni tot secondi, tipo 20-30 secondi abbastanza regolari, arrivi un periodo allungato di 61 ns. Ma poi varia e gli impulsi lungi diventano piu' frequenti. Comunque ormai mi sono convinto che questo sia il comportamento normale del ricevitore. Sono riuscito a sapere che usa un clock con periodo proprio di 61 ns circa, quindi significa che aggiunge o toglie un ciclo di clock ogni secondo per tenersi al passo con il tempo del gps. Quindi direi che la questione e' chiarita, il mio periodimetro e' innocente e per avere un riferimento preciso devo semplicemente fare la media dei vari secondi su un tempo lungo.
Per i dettagli sugli oscillatori disciplinati non so aiutarti, ne so poco, ho letto solo qualcosa di sfuggita. Riguardo la mailing list questa pagina raccoglie molti link:
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Hai ragione, andavo a memoria e mi riferivo all'errore assoluto da attendersi da una unita' a caso.
Mi spiego meglio: Gli oscillatori al Rb dovrebbero essere buoni per
1E-11 su un secondo e meno su intervalli superiori. Questo vale anche per quell'unita'. La precisione assoluta che hanno questi esemplari usati dipende anche da altri fattori come ad esempio una precedente programmazione sulla stazione in cui lavoravano. Mi hanno detto che capitano molte unita' che lavorano a scostamenti multipli di 5mHz dalla frequenza di 10MHz, di solito in un intervallo di +-25mHz dal valore esatto. A me servivano come riferimenti assoluti e quindi a naso "mi sono fatto una regola" che quelle che ho e' probabile che sbaglino di meno di 100mHz su 10MHz che e' appunto una parte su 1E8. Misurandoli con il frequenzimetro, rispetto all'OCXO dello strumento, una unita' segna 10MHz+45mHz , e l'altra +60mHz, quindi hanno 15mHz di differenza, e probabilmente sono state programmate cosi'. Il riferimento e' l'OCXO di un racal dana 1992 opzione 04E, che tra l'altro non e' mai stato calibrato dalla fine degli anni 80 :)
L'unico modo che avrei per misurare realmente tutto sarebbe mettere su un GPSDO, fammi sapere se procedi e come, dovessi recuperare un GPS magari mi avventuro anch'io.
Credo (ma forse dico una scemenza, controlla da fonti + certe) che un buon OCXO sia anche meno rumoroso di un Rb su brevi intervalli, una volta disciplinati non ci dovrebbero essere differenze di prestazioni, solo che una volta fuori dal loop il Rb deriva molto meno del quarzo.
Si e' vero anche se io non ho ancora provato. Queste unita' non sono documentate, credo siano fatte su specifica di qualche cliente, le piu' diffuse sono quelle con un unico connettore DB9 che porta tutti i segnali e lavorano a 10MHz. Vogliono una alimentazione a 15V e una a 5V, erogano il segnale da 10MHz e un impulso PPS largo 1us. E hanno anche una seriale per la programmazione, RS232. A quanto ne so potrebbe anche capitare qualche unita' differente. I comandi che sono stati decodificati permettono di spostare molto finemente la frequenza di lavoro ed opzionalmente memorizzare le impostazioni nella eeprom interna. Il protocollo e i comandi sono noti. Qua qualche info:
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anche qua:
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Ciao!
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Muvideo altrove
Fabio Eboli nella vita reale...
Dimenticavo, a queste risoluzioni ogni cosa va messa in conto: il Rb e' sensibile ai campi magnetici e i quarzi alla gravita' terrestre, e si vede, ho le prove :)
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Ciao!
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Muvideo altrove
Fabio Eboli nella vita reale...
Ciao, interessante vedere che ci sono altri time-nut in Italia... 8-) Come detto, la lista time-nuts e'il miglior posto per trovare informazioni, ci sono persone molto competenti e disponibili, per cui non farti problemi a chiedere anche li.
I salti di fase che vedi sul segnale a 1 pps sono normali e dipendono dalla architettura del ricevitore GPS; come ormai hai capito da solo il ricevitore usa un oscillatore libero e corregge "a martellate" il segnale pps per farlo stare in media agganciato al segnale di tempo che viene dai satelliti, togliendo ad aggiungendo un periodo della base tempi locale. Guardando l'errore di fase dell'uscita 1 pps di uno di questi ricevitori si vede una specie di dente di sega (non periodico), dovuto appunto alle continue correzioni. Negli RX GPS fatti bene e'possibile attivare una funzionalita'di "sawtooth correction" che riduce il jitter in uscita:
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vedi anche il link nel messaggio sopra per alcuni esempi di "pps sawtooth"
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e pagg. 23 e seguenti di
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per gli effetti della "sawtooth correction". Per la cronaca esistono architetture di RX GPS diverse (migliori), come il Trimble Thunderbolt (molto apprezzato dai time-nuts) che non hanno questo problema
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Comunque se vuoi fare un GPSDO ti conviene partire da un buon OCXO e agganciarlo al GPS con una costante di tempo lunga, un RX GPS ti garantisce la stabilita'a lungo termine, quella a breve termine deve venire dall'oscillatore locale. La definizione di "breve" e "lungo" e'ovviamente relativa e dipende da molte cose...
Per l'FE-5680 tutto quello che vuoi sapere lo trovi qui 8-)
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Le versioni economiche (che erano a 30 euro all'inizio dell'anno ma ora sono molto piu'care) si possono aggiustare un po'in frequanza tramite la seriale. Occhio che se lo usi come oscillatore locale per un ricevitore, il 10 MHz in uscita non e'molto adatto, ha un rumore di fase orrendo e va pulito con un PLL. La sua precisione e'circa di 1/10^11 a un secondo (ovvero, sgarra di 10 picosecondi al secondo) ma l'accuratezza dipende da come e'stato trattato, per cui di solito gli trovi un posto, lo accendi, non lo tocchi piu' (magari lo tieni a temperatura costante) e poi dopo qualche tempo lo regoli per portarlo alla frequenza esatta... comparandolo con un buon riferimento... se hai uno standard al cesio e'piu'facile 8-).
Mi sembra che il jitter sia un po' troppo basso perché il segnale sia generato tramite una ISR, a meno che la CPU non vada a diverse centinaia di MHz. Non lo so con certezza ma direi a naso che non si usino CPU così performanti in un ricevitorino GPS.
In ogni caso una cosa del genere io non la farei mai in software. Ad occhio visto che il sistema GPS richiede un bel po' di hw per avere un fix veloce, direi che è fatto in hardware.
Questo è molto semplice ma ottimo. Ne ho uno quasi identico, cambia solo la marca dell'oscillatore a quarzo.
Esiste anche una versione che usa il segnale da 1 pps, "brook shera design". Questo richiede un oscillatore a quarzo di qualità migliore dell'altro, perchè disciplina lo OCXO ogni secondo, mentre il primo lo fa ogni decimillesimo di secondo.
L'unico inconveniente del tipo semplice è quello di trovare il ricevitore GPS che abbia l'uscita a 10 KHz, ma sul noto sito di aste si trovano.
Naviga nel sito di G3RUH, ci sono molte info utili. Altro sito è quello di KO4BB, Didier, anche qui hai tantissime info.
Tieni presente che il segnale GPS è migliore dell'oscillatore a quarzo a partire da circa 100 secondi, mentre da 0,1 a 100 secondi ( circa ! ) è superiore il quarzo, che però tende lentamente a spostarsi e quindi viene corretto dal segnale GPS.
Facilmente ottieni stabilità e precisione di 1 parte su 1 miliardo.
HTH, Piero.
a 10 KHz, e sono più difficili da reperire, ma con un pò di pazienza
Ti ringrazio della risposta, come rigrazio Luca e Fabio delle utilissime informazioni. Sfortunatamente il gps che ho ha solo l'uscita a 1 pps, quindi devo pensare a un PLL piu' critico di quello che mi hai proposto. La mia intenzione e' di stabilizzare un OCXO preso in cina per una decina di euro. Ha già di per se' una stabilità e precisione impressionanti, tipo 10^-8 senza nemmeno calibrarlo. Almeno 10 volte piu' stabile e veloce a stabilizzarsi di un enorme OCXO tedesco che avevo sempre considerato come riferimento di laboratorio. La parte di correzione la farei tutta con un micro che comanda un DAC per l'OCXO, in pratica un PLL dove anche il filtro e' realizzato in digitale.Infatti un filtro analogico in questo caso sarebbe troppo critico mentre un micro in un secondo ha tutto il tempo per eseguire algoritmi anche abbastanza pesanti. Vedremo se riusciro' a trovare il tempo per farlo!
Piero, non sono sicuro che usare un GPS con uscita a 10 kHz apporti per forza un miglioramento, quello che ricordavo era che fosse utile per fare un filtro d'anello del GPSDO semplice, senza le grosse capacita' ed i problemi associati (leakage, etc.) di un PLL con riferimento ad 1 pps. Qui trovi un confronto sulla stabilita' di un GPS con uscite a 1 pps e
100 Hz e come detto nelle conclusioni in fondo alla pagina, le prestazioni delle due uscite sono identiche
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. Il circuito di Shera e'un anello di controllo in digitale, per cui non ha i problemi implementativi di un filtro analogico.
Potresti "divertirti" a rifare il circuito di Shera, sul suo sito trovi l'articolo originale
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e qui
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una dettagliata analisi della sua parte piu'importante, quella che misura la durata effettiva del segnale a 1 pps (leggi anche tutto il thread, che e'sempre interessante).
Forse mi sono spiegato male, intendevo dire ( e lo sostengo ) che lo OCXO che si usa per un riferimento gps da 1 secondo deve avere una stabilita' migliore dello OCXO col riferimento a 10 KHz, perche' la deriva di frequenza e' corretta meno frequentemente.
OK che il filtro digitale del PLL e' piu' semplice e comodo a 1 Hz che a 10 KHz... ma la semplicita' circuitale di quello a 10 KHz e' imbattibile.
Semmai bisogna vedere quale rumore di fase ha lo OCXO, che, nel caso di un OCXO migliore, per disciplinarlo ogni secondo, di solito ha anche un minor rumore di fase, ma ha anche un costo superiore.
grazie per il link, interessante.
Pero' la comparazione e' fatta usando lo stess OCXO sia ad 1 pps che a
0,01 pps... quindi le curve sono le stesse, di conseguenza.
Ma e' soggetto ad incrementi ( anche se piccolissimi ) finiti ( cioe' a gradino ).
Dimonio Caron, giusto per curiosita' in questi giorni finalmente ho avuto modo di fare una stima dell'errore assoluto degli oscillatori al Rubidio che ho, e sembra molto basso. In particolare uno dei due FE5680 mostra uno sfasamento inferiore a 3x10^-10, confrontato con il segnale del GPS su una 20ina di ore, fase tra gli impulsi PPS del GPS e l'FE5680:
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Correzione con drift lineare di 2,86x10^-10:
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Quindi cosi' com'e' l'uscita a 10MHz ora dovrebbe essere dalle parti di 10 000 000,00286Hz salvo errori...
Ciao!
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Muvideo altrove
Fabio Eboli nella vita reale...
Grazie dell'aggiornamento. Sara' l'ora tarda o che sono tardo io, ma ho impiegato un po' a capire i grafici. Sono valori buoni ma non lontaninissimi quanto avrei immaginato da un OCXO, almeno nel periodo preso in esame. Probabilmente poi su un periodo piu' lungo il rubidio si mantiene molto piu' stabile di un quarzo. Proprio ieri ho verificato l'effetto della gravita' su un OCXO, circa
10^-8, tuttaltro che trascurabile rispetto agli altri errori. Intanto ho proseguito nelle prove del mio progetto di DOCXO agganciato al GPS e ho notato una stranezza. Nel pps, oltre al consueto jitter di
61 ns, una volta c'e' stato un salto di circa 300 ns. Forse una correzione del ricevitore dopo una breve perdita del segnale?
Nella fretta ho dimenticato di spiegare cosa rappresentano, comunque e' la misura della fase tra i segnali del Rb e del ricevitore GPS, il contatore parte sul fronte di salita del Rb e si ferma sul fronte di salita del ricevitore GPS. L'offset e' la fase tra i segnali, che ora sono a circa 670ms di distanza, la pendenza e' la differenza di frequenza tra i segnali, di circa 2,8x10^-10, vedi il primo grafico. Un eventuale drift in frequenza del Rb dovrebbe apparire come un effetto quadratico (una gobba o pancia sul grafico), ma i log sono troppo brevi per apprezzare qualcosa del genere.
Aspe', sto raccogliendo i dati per vedere un po' il modulino GPS come si comporta (e sembra andare bene per quanto costa), e per vedere un po' la reale frequenza del Rb, non credo si possano trarre altre conclusioni da quei grafici. Gli scostamenti che si vedono sono il normale "passeggio" del segnale GPS + il rumore creato dai limiti del setup, cioe' il fattore limitante credo sia la bonta' del ricevitore GPS (per 20? + 10 di antenna...) e i limiti del mio sistema di misura, pensa che non ho amplificatori o squadratori sui segnali, e la temperatura ambientale praticamente segue quella esterna...
Infatti, in qualche post precedente avevo linkato le foto del contatore che cambia misura al cambiare dell'orientamento nello spazio...
Non so dirti, sarebbe utile loggare i dati del ricevitore se puoi, cosi' puoi correlare i glitch con eventuali problemi di ricezione, e' proprio quello che sto facendo, anche se i miei log sono ancora brevi. Hai intenzione di rendere pubblico il progetto che stai facendo o rimarra' proprietario? Sto pensando di provare anche io a fare qualcosa, per ora molto semplificato.
Ciao!
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Muvideo altrove
Fabio Eboli nella vita reale...
Potrei anche pubblicare tutto... ma non sono sicuro che arrivera' mai una versione definitiva. Sto usando una FPGA con il vantaggio che posso costruire e ricostruire un circuito hardware in pochi minuti senza toccare il saldatore. Quindi alla fine la FPGA stessa diventa uno strumento che configuro come voglio istante per istante. L'altro ieri gli ho aggiunto una cpu per leggere i contatori e inviare i dati al pc, quindi adesso da software posso elaborare i dati come voglio. Il problema pero' e' che ho poco tempo e gli orari dei mieri post lo testimoniano. Il passo successivo sarebbe un convertitore DAC sigma delta per comandare l'OCXO e a quel punto sarebbe vicino un DOCXO completo.
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