10MHz Oszillator mit extrem(?) geringem Phasenrauschen, PLL-diszipliniert von Rb-Frequenzsstandard

[Sascha W. (arno_nyhm)]

Hallo,

ich brüte gerade über den Aufbau einer Zeitsteuerung für ein Experiment 
das ein sehr präzises Timing erfordert, hauptsächlichs Augenmerk liegt 
auf der Minimierung des Jitters.

Die Idee ist einen Oszillator mit sehr geringem Phasenrauschen per PLL 
mit einem vorhandenem Rubidium-Frequenzsstandard zu disziplinieren - die 
5MHz von Rb-Standard (Efratom FRS-C) können leider nicht direkt benutzt 
werden, da das Phasenrauschen viel zu übel ist.

Ich habe allerdings noch nie einen solchen Aufbau realisiert. 
Normalerweise steuert der 'bessere' Oszillator per PLL-Baustein ja einen 
'schlechteren' Oszillator; und innerhalb der Bandbreite der 
Regelschleife wird das Phasenrauschen des Ausgangssignals ja ohnehin vom 
Steueroszillator bestimmt.


Mein Ziel wäre nun also ein sehr träge Regelschleife einzusetzen, mit 
etwa 0.1Hz Bandbreite, welche dann einen, ja ohnehin trägen, OCXO 
steuert.
Als PLL-IC denke ich an den ADF4193 oder ADF4002 - ersterer wird als 
'low phase-noise' PLL-Controller angepriesen und liegt von den 
Datenblättern her auch über denen des ADF4002 (und anderer in Frage 
kommender PLL-ICs) - wobei der mir der Grad der Einflussnahme des ICs 
auf das Phasenrauschen noch nicht ganz klar ist.
Der gesteuerte Oszillator soll übrigens auf 10MHz laufen.
Der Rb-Frequenzstandard gibt ein 5MHz Sinus-Signal aus mit einem 
Phasenrauschen von...
 -70dBc/Hz @    1Hz
-110dBc/Hz @  100Hz
-130dBc/Hz @ 1000Hz

Nun, was es zu erzielen gilt kann ich in Phasenrauschen schlecht 
angeben, es ist ein Jitter von 0.5ps.

Nun kommt der zweite Teil des Problems - der Oszillator selbst. Wie 
erziele ich ein so verdammt gerindes Phasenrauschen?!
Folgende Komponenten die in Frage kommen habe ich gefunden:

- 'AOCJY4-B-10.000MHz-SW' von Abracon
 Offset  :  Max.
     1Hz :  -90dBc
    10Hz : -120dBc
   100Hz : -140dBc
  1000Hz : -145dBc
 10000Hz : -150dBc

- 'AXION10HP'/'AXION30HP' von Axtal
 Offset  :  Max.   :  Typ.
     1Hz : -100dBc : -105dBc
    10Hz : -130dBc : -135dBc
   100Hz : -145dBc : -150dBc
  1000Hz : -150dBc : -157dBc
 10000Hz : -150dBc : -160dBc
100000Hz : -150dBc : -160dBc

...wenn man diese Daten in Jitter umrechnet, kommt ein Wert von ~0,5ps 
(AOCJY4) und ~0,3ps (AXION10HP/AXION30HP) heraus - der erste also gerade 
noch im gefordertem Bereich, der zweite besser, aber auch schwierig 
aufzutreiben - habe bisher noch keine Quelle gefunden (den AOCJY4 gibt 
es hingegen bei Mouser und Digikey).
Das gilt natürlich nur, wenn der PLL-Controller das Phasenrauschen nicht 
verschlechtert - was anzustreben ist.

Soviel zu OCXOs als Komponenten - nun habe ich aber bei meiner Recherche 
auch folgendes gefunden:
http://martein.home.xs4all.nl/pa3ake/hmode/dds_ad9910_pmnoise.html
Man beachte etwas unterhalb der Mitte dieser Seite den Graphen 'AD9910 
evaluation board at 14.319MHz' und den lilanen Plot des von ihm selbst 
gebauten 14.319-VCXO (Bild dessen direkt obendrüber).
Was zur Hölle ist da los?! Das Phasenrauschen dieses Oszillators ist ja 
eine ganze Größenordnung niedriger! Ist das real? Oder ein 
Messfehler/Missdeutung?
Sollten solche Werte real erzielbar sein, würde ich einen solche 
Oszillator aufbauen anstatt oben genannten Komponenten zu nutzen.
Könnt Ihr mir sagen wie/ob diese Werte erzielbar sind und wenn ja, wie 
(welche Oszillatortopologie, ...)?
Eine Mail an den Autor der Webseite folgt noch.

Ich würde mich sehr über Tipps, Hinweise und Erfahrungsberichte freuen, 
was den PLL-Aufbau und Oszillator angeht!

Grüße
Sascha

[Heinz Wäscher (Gast)]

Eine hilfreiche  Übersicht zu dem Thema findet sich dem Artikel von 
Ulricht Bangert:

"Über die Stabilität von Frequenznormalen"
http://ulrich-bangert.de/AMSAT-Journal.pdf

Gruß

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

Ja, Bangert wollte ich auch gerade empfehlen. Der will bei einer 
Marsmission den Eintrittspunkt in die Marsumlaufbahn genau feststellen, 
mit Amateurmitteln schon eine sehr sportliche Herausforderung.
Sein Spott über manche Amateurveröffentlichungen zu "disziplinierten" 
Oszillatoren ist etwas unfein, aber sicher gerechtfertigt.

[B e r n d W. (smiley46)]

Wie wärs mit einem nachgeschalteten, schmalbandigen Quarzfilter?

[Ralph B. (rberres)]

Die Idee eine Regelschleife mit großer Zeitkonstante aufzubauen ist 
garnicht mal so schlecht.

Jedoch würde ich die Regelung digital lösen.

Der 'AXION30HP' von Axtal wäre schon die richtige Wahl.

Ich habe mal mit einen ähnlichen Oszillator eine DCF77 Regelschleife 
aufgebaut.

Regelzeitkonstante etwas über eine Stunde. In deinen Falle soll der 
Rubidium ja auch nur die Langzeitkonstanz ( über Monate ) sicherstellen.

Aber solch ein Konstrukt wird Tag und Nacht durchlaufen müssen, weil auf 
Grund der langen Regelzeitkonstante eine Einlaufzeit von mehreren 
Stunden benötigt wird, bis die Frequenz stabil steht.

Ralph Berres

[sven (Gast)]

Leicht OT: Ist der Preis eines Axiom 10HP oder 30HP jemandem hier 
bekannt?

73 Sven

[Heinz Wäscher (Gast)]

Diesen russischen Doppelofen hier gibts für unter  20 Euro in der Bucht.

Datenblatt: http://www.morion.com.ru/catalog_pdf/MV89-OCXO.pdf

Gruß

[Thomas S. (df1po)]

Ich hab angefangen einen Axiom-75 ULN zu verwenden. Dieser hat bei 10kHz 
Abstand <-165dBc. Sowas kostet ca. 400 Euro. Gekauft werden können diese 
direkt bei Axtal. Ansonsten sind die Oszillatoren von Crystek recht gut 
(aber sehr viel schlechter als der Axtal) und preiswerter. Einen der 
besten kurzzeitstabilen Öfen gibt es als gebrauchten HP10811. Alt aber 
immer noch top. Die Artikel von Ulrich Bangert sind sehr lesenswert und 
informativ. Welche Anforderungen an die Frequenzgenauigkeit hast du ? 
ggf. über GPS synchronisieren?. Den Jitter muss eh ein anderer 
Oszillator machen. Auch ein Rb Normal hat normalerweise einen 
Quarzoszillator für die Ausgangsfrequenz. Ein LPRO 101 kommt bei 1kHz 
auch in den Bereich von -150dBc und ist gebraucht für ca. 200 Euro zu 
haben.