DL4OCH Amateurfunk und Elektronik

Januar 22, 2015

10 MHz-D-GNSS-D-DOCXO

Filed under: Bauprojekte,Zeitnormale — DL4OCH @ 10:39 pm

Ein was?

Ja, es handelt sich um eine 10 MHz-Differential-Global-Navigation-Satellite-Subsystem-Disciplined-Double-Oven-Controlled-Chrystal-Oscillator. Was ein Wort!

Unter dem Strich handelt es sich um den Overkill, was man mit Amateurmitteln für ein Zeitnormal erreichen kann.

  •  Es werden sowohl GPS-, als auch das GLONASS-System verwendet
  • Es werden die Korrekturdaten von WAAS/EGNOS, als auch XARA verwendet
  • Der Oszillator hat einen doppelten Ofen, ist also schon selbst fast so stabil wie ein Rubidium-Normal
  • Es wird kein 1PPS-, oder 10kHz-Signal verwendet, sondern 100kHz. Dies macht die Regelung wesentlich schneller, aber nicht ungenauer.

Braucht es jetzt für diesen technischen Wahnsinn auch wahnsinnig viel Geld? NEIN, das geht heute preisgünstiger, als viele Anbieter im Amateurbereich es möchten. Das geht unter 100 Euro.

Kernelement ist ein GNSS-Modul von ublox aus der Schweiz. Der aktuelle NEO-M8N. Hierbei handelt es sich um einen GNSS-Empfänger mit 50 Kanälen, der sowohl GPS als auch GLONASS empfängt. Korrekturdaten werden von WAAS/EGNOS und XARA verarbeitet. Somit ist das Referenzsignal schon super stabil. Es werden halt 2 Navigationssysteme verglichen und deren Korrekturdaten gleich mit dazu. Sagen wir mal, die Referenz ist aus Beton.

Des weiteren hat dieses Modul für die Timing-Reference einen TO. Also eigentlich, was wir wollen. Und warum sind diese Module jetzt recht erschwinglich? Nun, wer einen Octokopter, der selbst fliegen kann, bauen will, der braucht so etwas. Also sind wir mal wieder Mitnutzer…

In der Vergangenheit fanden sich in der Bucht gealterte OXCOs von Morion aus St. Petersburg. Aufgrund einiger Quellen konnte ich einen dOXCO erwerben. Hierbei handelt es sich um einen XCO, der einen doppelten Ofen hat. Stabiler geht es fast nicht mehr.

Das bedeutet aber auch, wenn ich schon ein super stabiles Signal vom GNSS-System habe und mein Oszillator mega stabil ist, dann muss auch die Regelung dieses erfüllen.

Das geht mit bedrahteten Bauteilen nicht mehr. Um die Signalwege kurz zu halten, braucht es SMD. Je kürzer der Signalweg, desto geringer der Glitch.

Zwar war ich kein Freund von SMD, die Bauteile sind wirklich fummelig, sie haben aber auch große Vorteile: Weniger Platzbedarf und sehr kurze Signalwege. Eine weitere Frage ist die Regelkonstante und der Teilerfaktor für die PLL.

Eine gute Resource für Informationen rund umd das Design einer PLL findet man hier:

http://www.ti.com/lit/an/swra029/swra029.pdf

Ich habe mich für einen Teilerfaktor von 100 entschieden. Zum einen komme ich damit mit nur einem 74HC390 aus, zum anderen ist mein Phasenrauschen damit kleiner als wenn ich 10 kHz verwenden würde. Gerne hätte ich die laut Datenblatt generierbaren 10 MHz des NEO-M8N genutzt, aber alles oberhalb 1 MHz ist bei diesem Modul nicht wirklich verwendbar. Um ein brauchbaren Signal mit diesem Modul zu generieren, muss man, je nach Frequenz, den Duty-Cycle dauerhaft verändern. Das mach wirklich keinen Sinn. Bei 100 kHz ist noch alles in Ordnung, 500 kHz werden langsam kritisch, werden aber auch gesondert betrachtet. Das ergäbe eine PLL mit dem Faktor 20, statt 100.

Ein eingelaufener, gealterter dOXCO hat eine Frequenzvarianz von 5 x 10 E-9 / Jahr. Also weniger als +- 0.5 Hz / Jahr. Die Genauigkeit des D-GNSS beträgt 1 µHz. Der Genauigkeitsunterschied, oder einfach die Varianz beträgt damit 500.000. Deswegen auch mein Wunsch nach 500 kHz.

Das bringt einen in die Zwickmühle. Zum einen sind beide Werte so stabil, dass man die Regelkonstante recht klein wählen kann, was allerdings wiederum das Phasenrauschen erhöht, oder man wähle eine elendig lange Regelkonstante, was das Phasenrauschen fast komplett eliminiert, aber das Einschwingen der PLL in den Bereich der Monate verlagert. Beides irgendwie nicht sinnvoll. Der Weg, einen kleinen Schalter zu verwenden, um die Regelkonstante nach ein- bis zwei Tagen umzuschalten macht auch keinen Sinn, denn dann habe ich wieder lange Signalwege und damit parasitäre Kapazitäten…

Man dreht sich also im Kreis….  Und da ich mich nicht gerne im Kreis drehe, sondern ein Problem gelöst haben möchte, habe ich mich einfach entschieden, mich für die folgende Variante zu entscheiden:

60k Ohm in Reihe mit 100 µF gegen Masse. Das ist schon in vorher gehenden Projekten mit einer 10 kHz-Referenz passend gewesen. Hier spielt halt auch die Eingangs-Impedanz des dOXCO mit.

Damit schwingt die PLL nach ca. 15 Minuten ein. 15 Minuten nachdem GPS, GLONASS, XARA und WAAS/EGNOS als sicheres Signal vorhanden sind.  Alle Satelliten, die weniger als 15 Grad Elevation haben, werden ignoriert. Hier sind die Doppler-Effekte zu groß um die Referenz sicher zu halten.

Das die Antenne damit wirklich freie Sicht haben muss, sollte sich von selbst verstehen. Das ist kein Projekt mit einer Antenne im Lichtschacht, oder in einer Plattenbau-Siedlung. Die Sicht ist hier wirklich der Schlüssel zum Erfolg.

Der Prototyp wartet jetzt noch auf ein schickes Gehäuse. Diesmal werde ich keine Schaltpläne veröffentlichen. Hier war einfach etwas mehr Hirnschmalz nötig, als das ich alles einfach verschenke. Tipps gab es wohl mehr als genug.

Sobald mit ein GPIB-Interface für meinen Racal Dana 1999 über den Weg läuft, werde ich versuchen, mich mit der Allan-Varianz, auch einfach ADEV zu beschäftigen. Bis dahin müssen manuelle Messreihen per Hand reichen.

vy73 de Wilm,

 DL4OCH

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