12-2015

Grundlagen Bild 3:

Grundlagen Bild 3: Phasenrauschen eines 10-MHz-OCXOs Bild 4: Vibrations-Profile (PSD als Funktion von f vib ) Density (PSD) von 0,06 g 2 /Hz hervorgerufene Phasenmodulation, im englischen auch „Vibration Induced Phase Noise“ (VIPN) genannt. Im deutschen wird gerne der Begriff „Phasenrauschen unter Vibration“ benutzt. Beide Begriffe sind missverständlich, da die Art der Phasenmodulation vom anregenden Signal abhängt und nur dann rauschähnlich ist, wenn eine rauschähnliche Vibration auf das Objekt einwirkt. Es kann aber genauso gut eine diskrete (Vibrations-)Frequenz oder ein Spektrum aus diskreten (Vibrations-)Frequenzen sein. Erschwerend kommt hinzu, dass bei vielen Applikationen die oftmals relativ niedrige Frequenz des Quarzoszillators von 5 MHz bis 20 MHz mittels einer PLL plus VCO auf hohe Sendefrequenzen von 800 MHz bis 1,8 GHz oder bei Radaranwendungen noch höher hochmultipliziert wird. Durch diese Multiplizierung kommt es auch zu einer entsprechenden Vergrößerung des Modulationsindexes der störenden Seitenbänder, d.h. diese erhöhen sich relativ zum Träger entsprechend. Dies führt z.B. zu einer erhöhten Bitfehlerrate bei der Datenübertragung oder zu unerwünschten Mischprodukten mit Nachbarkanälen. Eine typische Anwendung bei der dieser Punkt zum Tragen kommt, ist die mobile Mobilfunk-Basisstation, z.B. in Zügen. Aber auch für fest installierte Basisstationen an Gebäuden oder an Masten, die Erschütterungen durch vorbeifahrende Züge oder LKWs ausgesetzt sind, ist die dynamische G-Sensitivity eine wichtige Charakteristik. Durch die zum Teil sehr hohen Vibrationseinflüsse durch Turbinen oder Rotoren können beispielsweise auch kritische Anwendungen in Hubschraubern oder Flugzeugen betroffen sein, und in besonders starkem Maße trifft dies auch auf die außerordentlich hohe Vibrationsbelastung durch Strahltriebwerke bei Weltraumanwendungen zu. Durch die Vielzahl der verschiedenen Einsatzbereiche werden die auftretenden Vibrationen oder Erschütterungen klassifiziert. Erschütterungen durch Straßenverkehr oder Schienenfahrzeuge erzeugen ein kontinuierliches Spektrum vor allem tiefer Frequenzen. Strahltriebwerke haben auch einen spektralen Anteil höherer Frequenzen und Motoren oder Generatoren sorgen für ein diskretes Spektrum von Einzelfrequenzen. Weiterhin gibt es auch kurzzeitige Stoßbelastungen wie sie durch Hagelkörner auf Systeme im Außenbereich auftreten oder durch Schlagwerkzeuge beim Einsatz in Bergwerken oder der Schwerindustrie. Wenn man die Auswirkungen der Vibrationen vorhersagen möchte, muss man zum einen die Beschleunigungsempfindlichkeit des Quarzoszillators in Abhängigkeit von der Vibrationsfrequenz kennen, als auch das anregende Vibrationsspektrum. Bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt oder auch militärischen Applikationen sind die Vibrationsspektren in der Regel bekannt und werden teilweise auch explizit in den Oszillatorspezifikationen festgelegt oder auf die entsprechenden MIL-STDs (z.B. 810, Method 514) verwiesen. Mittlerweile sind aber für mehrere Anwendungen, z.B. in der Messtechnik, die traditionell das beste Phasenrauschen benötigen, die Anforderungen an das Phasenrauschen von OCXOs derart hoch, dass selbst die vom Gerät selbst erzeugten Vibrationen – z.B. eingebaute Lüfter – oder der normale Körperschall im Labor oder Büro bereits ausreichen, dass das originär sehr gute Phasenrauschen des Quarzoszillators nicht genutzt werden kann, da es vom VIPN überlagert wird. Die G-Sensitivity von Standardquarzen bzw. Quarzoszillatoren liegt typisch bei einigen parts per billion pro g (ppb/g) bis zu einigen zig ppb/g (10 -8 /g). G-Sensitivity-optimierte Oszillatoren kommen auf Werte kleiner als 1ppb/g für alle drei Achsen. Bild 6 zeigt den Zusammenhang zwischen Geräuschpegel (PSD), der auf den Oszillator einwirkt, und dem daraus resultierenden Phasenrauschen (VIPN). Bei einer angenommenen G-Sensitivity des Oszillators von 1ppb/g was wie gesagt ein guter Wert ist – reicht bereits ein kleinstes Bild 5: Phasenrauschen und Vibration Induced Phase Noise 56 hf-praxis 12/2015

Grundlagen Bild 6: Vibration Induced Phase Noise 10 MHz Oszillator mit PSD als Parameter Bild 8: G-Sensitivity als Funktion der Offset-Frequenz für einen sehr guten 100-MHz-OCXO Geräusch mit einer PSD von nur 1x 10 -8 g 2 /Hz um das originäre Phasenrauschen eines guten 10-MHz-OCXOs bei Offsetfrequenzen von 10 Hz (-140 dBc/Hz) und 100 Hz (-160 dBc/Hz) zu beeinflussen. Größere PSDs führen zu einer dominanten Überlagerung des originären Phasenrauschens durch die daraus resultierende Phasenmodulation. Um bei einem 100-MHz- Signal ein Phasenrauschen von -160 dBc/Hz bei 1000 Hz Trägerabstand messen bzw. nutzen zu können, muss das Umgebungsgeräusch deutlich kleiner als 1x 10 -8 g 2 /Hz sein, was bei einer Bandbreite von 20 Hz bis 2 kHz nur ca. 0,004 g rms entspricht. Unter Verwendung von Quarzen, die auf minimale G-Sensitivity optimiert sind, lassen sich heute Quarzoszillatoren (OCXOs) bauen, deren Empfindlichkeit deutlich unter 1ppb/g liegt. Mit selektierten Quarzen lassen sich Werte unter 0,2ppb/g realisieren. Erläuterung einiger Missverständnisse 1. Das sogenannte „Phasenrauschen unter Vibration“ ist in Wirklichkeit eine Frequenzoder Phasenmodulation, die absolut nichts mit dem echten Phasenrauschen eines Oszillators zu tun hat. Hohe Anforderungen an das Phasenrauschen verbessern nicht das „Vibration Induced Phase Noise“. 2. Das durch Vibration erzeugte „Phasenrauschen“ kann daher auch nicht mit dem echten Phasenrauschen verrechnet werden. Es findet Bild 7: Vibration Induced Phase Noise 100 MHz Oszillator mit PSD als Parameter vielmehr eine voneinander unabhängige Leistungsaddition statt, d.h. ein geringes Phasenrauschen nutzt nichts, wenn es in gestörter Umgebung durch eine vibrations-induzierte Phasenmodulation überlagert wird. Ein Phasenrauschen von -160 dBc/Hz bei 1 kHz Trägerabstand plus ein VIPN von -50 dBc/Hz ergeben in der Summe keine -110 dBc/Hz, sondern nur -50 dBc/Hz – ganz egal wie gut oder schlecht das originäre Phasenrauschen ist. 3. Geringes Phasenrauschen bedeutet nicht auch geringe G-Sensitivity; ganz im Gegenteil kann ein Oszillator mit einem schlechteren Phasenrauschen durchaus eine geringere G-Sensitivity aufweisen und umgekehrt. Fazit Um das geringe Phasenrauschen eines guten Oszillators in nicht idealer Umgebung nutzen zu können, muss auch die Vibrationsempfindlichkeit (G-Sensitivity) des Oszillators entsprechend gut sein. Das beste Phasen rauschen nutzt nichts, wenn es durch störende Umwelteinflüsse wie Schockund Vibration-generierte Phasenmodulation überlagert wird. Deshalb ist es wichtig, darauf zu achten, dass die Anforderungen an das Phasenrauschen eines Oszillators einhergehen mit entsprechenden Anforderungen an die Vibrationsempfindlichkeit (G-Sensitivity). ◄ Literaturverzeichnis [1] John R. Vig, „Quartz Crystal Resonators and Oscillators For Frequency Control and Timing Applications - A Tutorial“ US Army Communications-Electronics Research, Development & Engineering Center Fort Monmouth, NJ, USA, February 2005. [3] Raymond L. Filler, „The Acceleration Sensitivity of Quartz Crystal Oscillators: A Review“, IEEE Transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, vol. 35, NO. 3, MAY 1988. [4] Raymond L. Filler , John A. Kosinski and John R. Vig, “Further studies on the acceleration sensitivity of quartz resonators”, US Army Electronics Technology & Devices Laboratory (ERADCOM), Fort Monmouth, New Jersey 07703 Der vollständige Artikel mit den ausführlichen theoretischen Grundlagen steht im Internet unter www.beamverlag.de/HF-Praxis/Fachartikel/Phasenrauschen und Vibrationsempfindlichkeit zur Verfügung. hf-praxis 12/2015 57