GPSDO вводный курс

Получение эталонов частот ранее было почти недоступно любителям, поскольку требовалось очень специфичное физическое оборудование, входящее в состав атомных эталонов. Ну согласитесь, мало у кого найдутся колбы, наполненные парами изотопа рубидия. Помимо этого, даже сделав стандарт на парах рубидия, его все равно пришлось бы нести в ЦСМ и сверять его частоты с гос. эталонами. А покупка б/у рубидиевых атомных часов наподобие FEI FE-5680 не дает никаких гарантий того, что частота стандарта со временем не ушла.

Мало кто догадывается, что у нас над головами летают сотни точнейших цезиевых атомных часов, часть из них установлена на каждом спутнике систем GPS и Глонасс , причем точность хода этих атомных часов регулярно корректируется из ЦУП. Там они применяются для решения навигационной задачи и для распространения временной метки.


Временная метка приемниками сигналов GPS декодируется и разделяется на две составляющие: время UTC и сигнал 1PPS – Pulse Per Second(один импульс в секунду), который подается на один из контактов модуля.

Конкретно нас с вами сейчас интересует сигнал 1PPS. У него есть одна замечательная особенность – если приемник залочил (настроился) достаточное количество спутников, то точность времени подачи фронта сигнала может приближаться к значению до 20 нс. Причем этот сигнал не имеет накопительных погрешностей, поскольку прямо связан с временной меткой цезиевых атомных часов.
Ошибка +-20 нс от каждой секунды позволяет сразу получить размерность времени с точностью 1с/20нс=+-2^10-8.

Идея простейших устройств GPSDO состоит в следующем:
Термостатированный кварцевый генератор с хорошей кратковременной стабильностью подстраивается по импульсам 1PPS системы GPS.
Математика: Если нам надо получить частоту 10 МГц с высокой точностью, мы измеряем количество импульсов с кварцевого генератора на протяжении от одного нарастающего фронта сигнала 1PPS до другого. Поскольку знаем, что нарастающие фронты следуют раз в секунду и их старт отличается на +-20 нс от эталона времени.
Скажем, получилось 10 000 300 импульсов за интервал, это означает, что наш кварц тикает быстрее, чем часы эталонного времени на спутнике, и нам надо частоту нашего генератора понизить на 10 000 300 — 10 000 000 = 300 Гц, чтобы бы наш генератор выровнять с эталонной единицей времени.

Но точность такой подстройки ограничивается в лучшем случае ошибкой +-2^10-8, то есть мы не получим частоту точнее чем 10 МГц +-0.2 Гц.
Эта проблема тоже решаема! Т.к. сигнал 1PPS не имеет накопительной погрешности, применяя методы мат. статистики можно повысить точность суммируя и вычисляя среднее из накопленного количества импульсов нашего генератора, деля на количество периодов 1PPS.
Скажем, если мы собрали данные со спутника и нашего кварца на протяжении 2000 секунд, то теоретическая точность стабилизации может достичь 1^10-11

Это в теории, но на практике – большой диапазон времени накопления требует все более и более стабильных кварцев, что является одной из проблем таких систем. К примеру, профессиональный стандарт частоты HP Z3801A работает на базе искусственно состаренного кварца с двойной системой термостатов, где одна стабилизирует температуру другой. Даже несмотря на это, точность частоты там редко превышает 1^10-12 за период накопления данных 1 сутки. Поэтому, бесконечно повышать точность передачи эталона частоты нельзя.

К счастью любителей, вычислительный метод прост, а GPS приемники широко распространены. Наши предприимчивые узкоглазые братья давно уже клепают самодельные системы GPSDO.

Одной из популярнейших на рынке поднебесной является GPSDO автора BG7TBL. На протяжении длительного времени он работал над удешевлением и упрощением, и сейчас на али появились эти модули за вполне сносные 88$.

 

Конечно, за такую цену в них экономически нельзя поставить новый термостатированный кварц, по этому брат китаец ставит туда б/у термостатированные кварцы.

Я ради интереса купил одну такую коробочку и протестировал на частотомере Keysight 53220A с опцией U-OCXO.
Получившиеся результаты, конечно, очень далеки от коммерческих GPSDO, но для начинающего любителя в принципе сгодятся:
Опорная частота: 10МГц
Время до выдачи опорной частоты с низкой точностью: 30-40 мин.
Время до выдачи опорной частоты с максимальной точностью: 10-12ч.
Предельная точность(аппроксимация): +-0.1 ppb. (1^10-10) (10 МГц +-0.001Гц)
Шум от пика до пика: +-0.5 ppb. (5^10-10) (10 МГц +-0.005Гц)

Дрейф частоты за 11 часов:

Девиация Аллана в сравнении с рубидиевым эталоном:

Дрейф частоты в сравнении с рубидием:

У не слишком искушенного радиолюбителя наверняка возникнет вопрос: к чему такая точность?
Отвечаю: такая точность обычно нужна при любительской передаче сообщений слабыми сигналами WSPR (Weak Signal Propagation Reporter), настройка частотомеров Ч3-63 и подобных, крайне полезна для определения параметров кварцев и создания самодельных термостатированных модулей, настройка трансиверов с высокостабильными опорами для работы цифровыми видами связи на частотах 1.2 ГГц и выше, и много где еще.

Некоторые меня спрашивают, а почему просто не взять очень точный и очень стабильный кварц, зачем все эти заморочки с GPS?
Отвечаю: таких не бывает! со временем любой кристалл деградирует и его частота резонанса меняется. Уже не говоря о том, что кварцы при производстве типично имеют погрешность частоты резонанса на уровне 100-100000 ppb. Плюс технологии GPSDO в том, что всегда, когда есть небо над головой и 12-24ч на прогрев, мы имеем доступ к частоте с заведомо высокой точностью. Даже рубидиевые атомные часы со временем дадут дрейф, значительно превышающий погрешность систем GPSDO.