Oggi diventa sempre più importante, con l'uso delle tecnologie digitali, avere dei generatori di clock che presentino bassissimi valori di Jitter. Il Jitter è responsabile degli errori di campionamento ( sampling ) analogico-digitale. Tali errori diventano ancora più importanti quando si sottocampiona. Da prove sperimentali di laboratorio, si è verificato come all'aumentare del Jitter in vari generatori di clock , aumenti dopo la conversione il rumore di fondo digitale SNR ( Signal to Noise Ratio ) , e molto meno l'SFDR ( Spurious-Free Dinamic Range ) .
Sotto sono riportati i grafici della conversione AD di un tono ( 10 MHz. ) campionato con la stessa frequenza di clock generata da due basi dei tempi con Jitter diverso. Si vede come l' SNR del secondo grafico sia migliore di 5 Db rispetto al primo, pur essendo i due generatori di clock, strumenti di alta classe.
Per la misura del Jitter vengono utilizzati alcuni sistemi. I più importanti sono la misura del Phase Noise con appositi Analyzer ( es. Agilent-Keysight E5052B o Symmetricom 5120A ) o la misura del TIE ( Time Interval Error ) tramite oscilloscopi High End con larghezze di banda sui 20 GHz. e tempi di campionamento dell'ordine dei 50 GS/s ( es. Tektronix MSO72004 ) . Oggi disponibile LeCroy LabMaster 10 Zi con 65 GHz di Banda in Real Time.
Studi di LeCroy affermano che la misura con questa ultima tecnica è in grado di verificare in modo più preciso le diverse cause di Jitter sia a breve che a lungo termine, potendo inoltre misurare il Jitter totale Tj ( Period - Width - Delay ).
Siamo riusciti a realizzare un prototipo di generatore di Clock al Quarzo con caratteristiche interessanti in termini di Jitter. Con la misura ad istogrammi abbiamo confrontato il ns. generatore a 10 MHz. con il segnale ad alta stabilità ( < 5E-10 ) prodotto dal calibratore inserito in uno strumento Analizzatore Agilent-Keysight atto alla misura di segnali a modulazione digitale. Tale strumento che esegue anche misure di BER presenta all'interno una base dei tempi ad alta stabilità con oscillatore termostabilizzato a doppia camera ( dual oven ) a quarzo. Gli oscillatori a quarzo sono caratterizzati da valori di phase noise tra i migliori in assoluto specialmente se confrontati ai PLL . Un oscillatore Wenzel Ultra Low Phase Noise può arrivare ad avere -176 dBc/Hz ad 1KHz. di offset dalla portante , che corrisponde ad un Jitter estremamente basso.
Un cenno particolare va agli oscillatori a quarzo Dual Oven Agilent - HP 10811A/B per la loro elevatissima stabilità in frequenza , emersa in diverse misure effettuate su più oscillatori di questo tipo .
Va però precisato che la stabilità in frequenza ( stabilità a lungo termine ) di un generatore di clock non sempre corrisponde di conseguenza ad un Jitter basso. Nel campo delle comunicazioni Digitali è il Jitter in Short Term ( < 1 Secondo ) il più importante da tenere in considerazione in quanto è la maggior causa di errori nelle trasmissioni digitali.
Gli ultimi generatori di clock in tecnologia pMEMS con oscillatore piezoelettrico che vantano Jitter di 0.12 picoSec. non sono di fatto confrontabili con gli oscillatori di cui stiamo trattando in quanto le misure di phase noise per questi oscillatori vengono effettuate ad una distanza minima di 1 KHz. dalla portante. Proprio riferendoci ad un oscillatore Wenzel che presenta ad 1 KHz. dalla portante -176 dbc/Hz, un oscillatore pMEMS ad 1 KHz. dalla portante presenta invece -105 dbc/Hz. ( i -158 dbc/Hz. si raggiungono a ben 10 MHz. dalla portante ) . Le nostre misure di Jitter vengono effettuate a pochi Hz. dalla portante dove il phase noise è molto elevato e di conseguenza anche il Jitter. Le caratteristiche tra questi super oscillatori e gli pMEMS in termini di Jitter non sono assolutamente confrontabili. Ciò detto si precisa poichè si potrebbe cadere nell' errore valutando il Jitter misurato con la tecnica ad istogrammi del nostro oscillatore quando lo stesso venisse paragonato a questi oscillatori microminiaturizzati di ultima tecnologia.
foto 1 - Jitter prodotto dal ns. generatore di Clock a 10MHz.
foto 2 - Jitter prodotto dal calibratore dell' Analizzatore digitale Agilent.
Pur avendo valori di Jitter piuttosto simili, i due clock, presentano invece in sostanza dei valori molto diversi, in quanto mentre nel primo caso la frequenza di oscillazione è 10 MHz. nel secondo è di 300 MHz. , ben 30 volte maggiore. Questo valore di frequenza più alto , presenta nella misura ad istogrammi, un errore sistemico di misura più basso per via del propabile minor tempo di salita. E' stato molto interessante valutare che il ns. generatore di clock a 10 MHz. , situazione di misura più svantaggiata , con Jitter residuo strumentale più elevato, non presenta , anche dopo una acquisizione di 10.000 campioni, alcun aumento del Jitter rispetto ai primi campioni. Ciò farebbe pensare che la maggior causa di Jitter misurato sia quella residua prodotta dallo strumento di misura.
foto 3 - Generatore di riferimento a 10 MHz. dell' Analizzatore Marconi
Questa foto mostra in modo molto evidente la differenza tra i vari clock. La foto-3 si riferisce ad un clock di 10 MHZ. , quindi alla stessa frequenza del ns. clock. Tale frequenza è generata dall' oscillatore di riferimento di un Analizzatore di Spettro Marconi ad alte prestazioni , che presenta una Phase Noise strumentale molto bassa ( permette misure con risoluzione RBW 3 Hz. e VBW 1 Hz. span 10Hz./Div ). Tra i due clock a 10 Mhz. ( foto 1 e foto 3 ) si può verificare l' enorme differenza di Jitter , a tutto vantaggio del nostro generatore.
Con l' inserimento di una linea di ritardo , per ottenere una misura più vicina all' evento di trigger , le prestazioni sono state decisamente migliori. Il Jitter del generatore del Marconi si è attestato a circa 13 pS. mentre il nostro clock ha prodotto un Jitter misurato di 800 fS. che , come accennato coincide con il Jitter proprio dello strumento di misura. ( foto sotto )
Generatore Marconi ( misura con linea di ritardo )
Ns. Clock ( misura con linea di ritardo )
Si tenga presente che per le misure si è scelta l' acquisizione a lungo termine, con molti campioni , in quanto a ns. giudizio più significativa per la verifica del Jitter.
Nella tecnica di misura ad istogrammi più è elevata la frequenza di misura, più è basso il tempo di salita e più alto il livello del segnale da misurare , più il residuo del Jitter sistemico di misura è basso.
Cosa molto importante da tenere in considerazione, il ns. generatore non è termostatato ma ben isolato termicamente nelle parti sensibili con materiali a bassa conduzione termica, per cui la bontà delle prestazioni ( in termini di Jitter ) dipende esclusivamente dalla tipologia circuitale.
Il ns. clock presenta inoltre un tempo di salita molto più basso , che nella tecnica di misura ad istogrammi ne avvantaggia le prestazioni ( verificare il time/div di 10 ps. nella misura sul ns. clock contro i 150 ps. nella misura sul Marconi a pari frequenza di 10 MHz. ).
Per il nostro strumento Agilent il miglior risultato di misura strumentale, dichiarato dal Costruttore , è di 600 fs. a circa 2.5 GHz, e banda fino a 20 GHz. ( strumento non troppo moderno ).
Nota - Per quanto riguarda i clock prodotti dai calibratori dell' Agilent e del Marconi, si deve tener conto che i livelli sono quelli propri dei due generatori (-20 dbm e -10 dbm). Aumentando il livello dei due clock le misure di Jitter sui due calibratori sarebbero state decisamente migliori.
Lo studio eseguito sul ns. generatore di clock ci ha permesso di analizzare quali siano i fattori che incidono maggiormente sulla generazione del Jitter negli oscillatori a quarzo ( tipologia circuitale, temperatura , alimentazione, vibrazione ecc. ecc. ) valutando i quali, siamo riusciti a realizzare un Generatore di Clock dalle caratteristiche molto elevate.
Un cenno particolare va al nostro filtro Attivo in DC ( che fa parte integrante del generatore di Clock ), che applicato dopo l 'alimentatore elimina qualsiasi spuria e ripple , rendendo la tensione di alimentazione al generatore di Clock simile alla continua.
Le misure di Allan e Root Allan Variance nonchè la misura di Phase noise e Jitter eseguite con il nostro Time Inteval Agilent / HP 5372A con opzione 40 FFT hanno confermato le prestazioni già misurate con altri sistemi.
Confrontate con un oscillatore Atomico al Rubidio Efratom le prestazioni del ns. oscillatore di clock sono superiori, dimostrando che per variazioni in Short Term, presenta quindi pertubazioni più basse dovute a White noise , Random , Flicker o ad altre cause .
Il nostro Clock tra le altre cose è facilmente miniaturizzabile.
Sopra il risultato delle Varianze di Allan del ns. Generatore di Clock misurata con il ns. HP 5372A con opzione 40 FFT .
Sopra il risultato delle Varianze di Allan di un Generatore di Clock al Rubidio Efratom misurata con il ns. HP 5372A con opzione 40 FFT.
Sopra il risultato del Phase Noise del ns. Generatore di Clock a -133,18 dbc/Hz misurata con il ns. HP 5372A con opzione 40 FFT.
Sopra il risultato della Phase noise del generatore di Clock al Rubidio Efratom che come si vede è più alta della linea di riferimento relativa alla misura sul nostro clock e inoltre contiene le portanti di più frequenze di disturbo.
Altra importante considerazione da fare , il nostro HP 5372A con opt FFT e clock interno termostatato in doppia camera , se pilotato esternamente con il ns. clock , migliora il risultato delle misure su vari clock analizzati. Questo dimostra che il nostro clock, avendo migliori caratteristiche , fa diminuire il Jitter residuo strumentale.
Sopra è riportato il grafico con i valori di Phase Noise di alcuni Generatori di Frequenza. Fonte Agilent.
Si può verificare come un oscillatore di riferimento a quarzo possieda le migliori caratteristiche.
