Comparatore di fase con moltiplicazione per 100

Cercando in rete informazioni sul comparatore di fase della Rohde & Schwarz XSRM-Z3 mi sono imbattuto in un interessante post sul blog di Radiorama pubblicato da I1RFQ Claudio Re, uno dei fortunati possessori di questo apparato. 

R&S fabbricava un sistema di generazione di frequenza campione basato sull'oscillatore al Rubidio XSRM la cui regolazione era effettuata mediante misurazione di fase con il segnale campione ricevuto dal ricevitore radio XKE2 (c'era anche un convertitore di frequenza XSRM-Z2); il comparatore XSRM-Z3 era caratterizzato dall'avere una caratteristica monotona su 3600° gradi, capace quindi di misurare uno scorrimento di fase fino a 10 cicli dei segnali in esame.

Il problema della misurazione della stabilità di un oscillatore si riconduce alla comparazione di fase fra due oscillatori uno dei quali di caratteristiche certe e con una deviazione molto più piccola di quello in esame; infatti anche l'oscillatore di riferimento avrà una sua deviazione dal valore nominale nel tempo e ciò che potremo misurare sarà soltanto la deviazione relativa fra i due. 

Consideriamo un oscillatore a quarzo termostatato (OCXO), con deviazione tipica di 1E-8 (1 parte su 10^8), possiamo confrontarlo con un Rubidio che ha una deviazione dell'ordine di 1E-11 cioè mille volte più stabile. 

Se il quarzo ha una frequenza di 10 MHz (1E7 Hz) nel confronto di fase dovremo aspettare almeno 10 secondi per poter osservare la rotazione di fase pari ad un Hz, se si tratta di un oscillatore moderno, che può arrivare anche a 1E-9 i secondi che dovremo attendere saranno almeno 100. In pratica i tempi di osservazione saranno più lunghi poichè per una misura accurata dovremo osservare alcune rotazioni complete.

Dovessimo caratterizzare un Rubidio a 10 MHz potremmo confrontarlo con un Cesio, i  tempi diventano 1/(1E-11 * 1E7) = 1E4 = 10000 s ovvero quasi tre ore per poter misurare una singola rotazione di fase.

L'idea della moltiplicazione va nel verso di accelerare i tempi di misura nonchè avere fase e tempo di osservazione in un singolo diagramma per computare semplicemente la deviazione relativa dei due oscillatori.

I due segnali a 10 MHz pilotano ognuno un generatore di armoniche realizzato con una porta XOR CMOS ad alta velocità in grado di ottenere l'armonica di ordine 100 ancora con una discreta potenza, nel mio caso ho circa -45 dBm. 

I due segnali ad 1 GHz contengono l'informazione di fase intatta (e arricchita dal rumore di fase della moltiplicazione) ma con una frequenza che consente tempi di osservazione cento volte più brevi. 

Se poi sommiamo i due segnali e li visualizziamo su un analizzatore di spettro sintonizzato ad 1 GHz esatto e Span 0 Hz (modalità ricevitore selettivo) avremo un diagramma del battimento fra i due oscillatori con dei nulli profondi in corrispondenza  di una rotazione di fase di 360°.

Ecco la realizzazione del mio esemplare con la consueta tecnica Manhattan su vetronite da 1.6mm.

I connettori sono fissati mediante un profilato quadro di ottone da 10mm opportunamente forato e filettato, è una tecnica molto affidabile e robusta che utilizzo per realizzare i lanciatori coassiale-microstrip.

Il funzionamento della porta che genera gli impulsi stretti e ricchi di armoniche è regolato dalla costante di tempo della rete di ritardo RC; contrariamente alla realizzazione di Claudio ho preferito usare come elemento di regolazione il condensatore che ha il vantaggio di essere  collegato a massa.

La curva spettrale che ho misurato sul mio esemplare consente di ottenere -45 dBm ad 1 GHz. (c'è un attenuatore esterno da 8 dB).

I compensatori andranno regolati accuratamente, alimentando un ramo alla volta, per avere esattamente la medesima ampiezza dell'armonica a 1 GHz in modo che, nella condizione di opposizione di fase, si ottenga un nullo profondo; l'intervallo intercorrente fra due nulli corrisponde ad una rotazione di fase di 360°. 

Nella figura seguente il confronto fra un GPSDO economico ed un Rubidio:

A partire dal tempo di spazzolamento T e dal numero di nulli N, l'equazione che consente di calcolare la deviazione reciproca è:

dev = (N-1)/T  * 1E-9

nel caso specifico osserviamo 6.5 nulli in 5 secondi di periodo di osservazione da cui deriva una deviazione reciproca di 1.1E-9, poco più di 1 Hz per GHz, ovvero di 0.011 Hz a 10 MHz che è la frequenza dei segnali in ingresso.

Riferimenti

https://air-radiorama.blogspot.com/2021/02/how-to-improve-by-factor-of-100.html

https://air-radiorama.blogspot.com/2016/11/oscillatori-disciplinati-da-gps-gpsdo.html

AND8408/D - Pulse Generation and Signal Conditioning Circuits (On Semiconductor)

http://www.amarketplaceofideas.com/wp-content/uploads/2015/05/AND8408-D1.pdf

QEX Sept/Oct 2009, Bob Miller KE6F, Atomic Frequency Reference for Your Shack (esempio di comparatore di fase con mixer bilanciato e tempi biblici)