Oszillatoren

Definition einiger Oszillatortypen:

XO: Crystal Oscillator
TCXO: Temperature Compensaterd Crystal Oscillator
OCXO: Oven Controlled Crystal Oscillator
GPSDO: GPS Disciplined Oscillator

Typische Frequenzgenauigkiet der Oszillatoren (es gibt jeweils bessere und schlechtere Qualitäten):

XO: ±1 × 10−4 bis 1 x 10−5
TCXO: ±1 × 10−6
OCXO: 5 × 10−7 bis 2 × 10-8
GPSDO: ±1 × 10−11

Wobei grundsätzlich die Alterung, die Langzeitstabilität, die Kurzzeitstabilität und der Frequenzjtter betrachtet werden müssen.

Alterung:
Im Laufe der Einsatzdauer ändert sich schleichend die Frequenz des Oszillators. Sie liegt bei dem Oszillator im QO100 inzwischen um ca. 210 Hz daneben.

Langzeitstabilität:
Vereinfacht ausgedrückt: Es wird die mittlere Frequenz über einen längeren Zeitraum betrachtet

Kurzzeitstabilität:
Vereinfacht ausgedrückt: Es wird die mittlere Frequenz über einen kurzen Zeitraum betrachtet

Jitter:
Betrachtet die zeitliche Abweichung der Nulldurchgänge zueinander.

Frequenzabweichung QO100:Die Frequenz der Mittelbake von QO100 hat sich im Laufe der Zeit bisher kontinuierlich um inzwischen ca. 210 Hz nach unten verschoben. Aus der geplanten Frequenz von 10489750000 Hz sind nach meiner Abschätzung inzwischen ~10489749790 Hz geworden. Das entspricht einer Abweichung von -2,1 * 10−9. Damit ist die Abweichung geringer, als bei einem "marktüblichem" OCXO bei Zimmertemperatur zu erwarten ist. Ich finde das beachtlich konstant unter den Bedingungen im Weltraum.

Frequenzgenauigkeit

Gehen wir zunächst von einem SSB-QSO aus. Eine Frequenzabweichung zwischen RX und TX von 100 Hz kann schon stören. Ist die Abweichung großer als 300 Hz wird das Signal schwer verständlich. Zumindest für mich.

Wenn wir bei QO100 also eine Frequenzgenauigkeit von 100 Hz erreichen wollen, dann müssen wir bei 10489750000 Hz eine Genauigkeit von unserem Empfänger und Sender von wenigstens 1*10-9 erreichen und nach Möglichkeit über die Zeit des QSOs beibehalten. Ohne in einen GPSDO zu investieren wird das nicht so ohne weiteres klappen.

Bei den kleineren Bandbreiten bei CW-Signalen wird eine Abweichung, oder besser eine Drift, der Frequenz entsprechend größere Auswirkungen haben. Das CW-Signal läuft während des QSOs aus dem Empfansgsfílter heraus.

Ich habe daher bei mir in einen GPSDO von Leo Bodnar investiert und der verrichtet gute Dienste.

Im Abschnitt "Howto RX" und "Howto TX" werde ich noch darauf zurück kommen.

Konzept GPSDO

Die GPS-Satelliten sind mit Atomuhren ausgestattet. Die Atomuhren werden durch die Bodenstationen synchronisiert. Denn durch die hohen Geschwindigkeiten der Satelliten treten relativistische Effekte auf, Albert Einstein lässt grüßen. Die Uhren in den Satelliten gehen etwas langsamer, als die Uhren bei uns auf der Erdoberfläche.

Diese synchronisierte Uhrzeit wird von den GPS-Satelliten als Referenz mit übertragen. Aus den Lauzeitunterschieden zwischen den Signalen verschiedener Satelliten wird die Position berechnet. Da sich die Funkwellen mit (nahezu) Lichtgeschwindigkeit durch die Atmosphäre bewegen, können GPS Empfänger aus den bekannten Satellitenpositionen, der Uhrzeit beim Absenden der Daten im Satelliten und der Ankunft auf der Erde, den eigenen Standort berechnen.

Die Informationen von den Satelliten können auch zur Bestimmung der genauen Uhrzeit verwendet werden. Die üblichen GPS-Empfänger geben einen (nahezu) Atomuhr-genauen Sekundenimpuls aus. Dieser Sekundenimpuls wird als Referenzfrequenz in GPSDOs herangezogen. Die Referenzfrequenz eines solchen GPSDOs beträgt also 1 Hz.

Wer sich genauer damit beschäftigen möchte, hier ein Absprungpunkt:
https://de.wikipedia.org/wiki/GPS-synchronisierter_Oszillator


Jitter

Ein Jitter bei einem digitalen Oszillator kann durch Recheneffekte im Frequenzteiler und durch Schwankungen (bzw. Rauschen) der Versorgungsspannung entstehen.


Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Jitter

Konzept eines digitaler Oszillators (einer PLL):
Es werden zwei Frequenzen miteinander verglichen. Bei Abweichungen der Frequenzen wird gegengeregelt.

Beispiel zur Veranschaulichung des Problems:
Referenzfrequenz = 10 MHz
Ausgangsfrequenz = 25 MHz

Hierbei wird die Ausgangsfrequenz im einfachsten Fall durch 2,5 geteilt, um die 10MHz der Referenz zu erreichen: 25 Mhz / 2,5 = 10 MHz. Die 10 MHz der Referenz (typischerweise ein Quarzoszillator) werden mit der durch 2,5 heruntergeleierten Sollfrequenz verglichen. Bei Abweichungen wird gegengeregelt. Im Prinzip recht einfach und seit Jahrzehnten bekannt.

Nur leider ist ein Teilen durch 2,5 nicht so einfach. Teilen durch 2 ist einfach, es wird einfach nur jeder zweite Impuls weitergegeben. Teilen durch 4 ist auch einfach, es wird einfach jeder vierte Impuls weitergegeben. Bei dem benötigten Teilfaktor von 2,5 geht das leider nicht so einfach. Um einen Teiler von 2,5 zu erreichen könnte rhythmisch zwischen 2 und 4 wechselweise geteilt werden, um als Mittelwert einen Teiler von 2,5 zu erreichen. Es wird also mal nur jeder vierte und mal jeder zweite Impuls weggelassen.

Das führt jedoch dazu, das zwei Frequenzen entstehen: 25/2 = 12,5 MHz und 25/4 = 6MHz.

Als einfache Lösung würde hier besser eine Referenzfrequenz (also ein Quarzoszillator) mit 25, 50 oder 100 MHz gewählt werden. Damit würden sich gerade Teilverhältnisse ergeben.

Eine Frequenz mit einem Jitter spielt bei z.B. Frequenzzählern eine untergeordnete Rolle. Bei einem CW- oder SSB-Signal führt ein Jitter der Frequenz jedoch zu einer andauernden sprunghaften Änderung der Empfangs- oder Sendefrequenz und damit zu einer Änderung der Tonhöhe. Vorsichtig ausgedrückt, macht das Funken dann keinen Spaß mehr. Die Signale hören sich grauenhaft an.

Neben dem Jitter durch "Recheneffekte" im Oszillator können weitere Faktoren auftreten, die die Freqenz des Ausgangssignals beeinträchtigen können:

  1. Signalverarbeitung: Die GPS-Signale, die von den Satelliten empfangen werden, müssen von einem Empfänger verarbeitet werden, um genaue Zeit- und Frequenzinformationen zu liefern. Der Prozess der Signalverarbeitung im GPS-Empfänger kann zu kleinen zeitlichen Variationen führen, die als Jitter wahrgenommen werden können.

  2. Schwankungen im GPS-Signal: Obwohl das GPS-Signal im Allgemeinen äußerst präzise ist, können atmosphärische Bedingungen und andere Faktoren zu kleinen Schwankungen in den empfangenen Signalen führen. Diese Schwankungen können zu Jitter im Ausgangssignal des GPSDO führen.

  3. Rauschen im Oszillator: Selbst wenn der interne Oszillator eines GPSDO durch das GPS-Signal diszipliniert wird, kann er dennoch internes Rauschen aufweisen, das zu Jitter führt. Dies kann durch elektronisches Rauschen, thermisches Rauschen oder andere Faktoren verursacht werden.

  4. Temperatur- und Umgebungseinflüsse: Temperaturschwankungen und andere Umgebungseinflüsse können die Stabilität des internen Oszillators beeinträchtigen und zu Jitter führen. Obwohl hochwertige GPSDOs Mechanismen zur Temperaturkompensation enthalten, können extreme Bedingungen dennoch zu Jitter führen.

  5. Elektrische Störungen und Interferenzen: Externe elektrische Störungen und Interferenzen können die Signalqualität beeinträchtigen und zu Jitter führen, insbesondere in Umgebungen mit vielen elektronischen Geräten oder in der Nähe von Störquellen wie Hochspannungsleitungen.

Um Jitter zu minimieren, verwenden hochwertige GPSDOs oft spezielle Filter, Stabilisierungsschaltungen und Temperaturkompensationsmechanismen. Dennoch ist es wichtig zu verstehen, dass Jitter nie vollständig eliminiert werden kann, aber durch sorgfältiges Design und hochwertige Komponenten minimiert werden kann, um die Genauigkeit und Stabilität des Ausgangssignals zu maximieren.

Fazit

Betrieb über den QO100 ist Grundsätzlich auch mit üblichen Quarzoszillatoren möglich, solange sich die Temperatur des Quarzes (bzw. der beteiligten Quarze) nicht zu sehr ändert. Da über QO100 im Prinzip im Vollduplex gearbeitet wird, hört man sich selbst mit einer gewissen Zeitverzögerung zurück und kann die eigene Frequenz korrigieren.

Die eigene Empfangsanlage lässt sich über die symmetrisch modulierte mittlere PSK-Bake des Satelliten mit passender Software automatisch nachregeln, z.B. mit der "SDR-Console" von OM Simon Brown, G4LRI. Es muss dann lediglich die eigene Sendefrequenz manuell nachgestellt werden, dies ist aber durchaus möglich und der QSO-Betrieb wird von vielen Stationen auch so durchgeführt.

Mit einem ordentlichem GPSDO ist es aber deutlich entspannter, und die Ausgangsfrequenz (die ZF) vom LNB läst sich für verschiedene Empfängskonzepte anpassen.