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4-2023

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Bild 6.1: Eine Masterclock mit hohem Jitter führt zu einer unregelmäßigen Abtastung des Audiosignals, was zu einer Verschlechterung der Klangqualität führt Geschwindigkeitsbestimmung gibt. Je geringer das Phasenrauschen der Frequenzquelle ist, desto besser kann eine Frequenzauflösung, und somit eine Geschwindigkeitsbestimmung, durchgeführt werden. Bei einer Radarquelle mit einer Trägerfrequenz von 1 GHz ergibt sich beispielsweise eine Doppplerverschiebung von etwa 1,9 Hz bei einer Geschwindigkeit des sich bewegenden Objekts von 1 km/h. Anwendungsfeld Audioverarbeitung Die Verarbeitung und Wiedergabe von Audiosignalen sind allgegenwärtig im täglichen Leben. Allgemein ist ein Geräusch ein zeitabhängiges, analoges Gemisch aus Tönen verschiedener Frequenz. Die analoge Verarbeitung von Audiosignalen geht immer mit einer Verschlechterung des Signals durch Rauscheinflüsse (z.B. in Kabeln oder analogen Verstärkern) einher. Eine digitale Verarbeitung von Audiosignalen kann diese Probleme überwinden. Hierzu muss zunächst das analoge Signale in einem ADC umgewandelt werden, bevor es digital verarbeitet und vor seiner Ausgabe z.B. über einen Lautsprecher in einem DAC wieder zurückgewandelt wird. Die Umwandlung hin zum digitalen Audiosignal im ADC erfolgt mit einer gewissen digitalen Taktrate, der sog. Sample- Frequenz f S , welche üblicherweise 44,1 oder 48 kHz beträgt. Diese Frequenzen sind gemäß dem Nyquist-Theorem geeignet, um analoge Signale bis zu 22,05 bzw. 24 kHz zu digitalisieren. Die Sample-Frequenz wird in der Regel durch einen internen Oszillator, der Masterclock, zur Verfügung gestellt, welcher üblicherweise mit einem Vielfachen der Sample-Frequenz schwingt. In der Tabelle sind übliche Frequenzen für die Masterclock aufgeführt. Die große Herausforderung bei der Digitalisierung und vor allem bei der Wiedergabe von Audio signalen ist eine möglichst exakte Masterclock, die ein möglichst geringen Phasenrauschen besitzt. In diesem Fall ist die Betrachtung des Phasenrauschen als Jitter nützlich, da diese Darstellungsform die Position der Signalflanken eines Taktsignals beschreibt. In Bild 6.1 wird das Problem einer verrauschten Masterclock dargestellt: Bei der Digitalisierung sorgt diese für eine exakt äquidistante Abtastung des analogen Signals im ADC. Bei der Wiedergabe wird die ausgegebene Wellenform dadurch verzerrt, dass das Taktsignal einen hohen Jitter besitzt und dadurch eine unregelmäßige Rückkonvertierung im DAC stattfindet. Hierdurch wird das wiedergegebene Audiosignal verzerrt und die Klangqualität beeinträchtigt. Besonders in Consumer-Produkten werden häufig günstige Oszillatoren als Masterclock eingesetzt, welche einen großen Jitter aufweisen. In professionellen Wiedergabegeräten für digital aufgezeichnete Musik, sog. Audio-Streamern, werden deshalb Quarzoszillatoren mit extrem geringen Phasenrauschen eingesetzt, um das Klangerlebnis in Verbindung mit hochwertigen Verstärkern und Lautsprechersystemen zu perfektionieren. Zusammenfassung Die Notwendigkeit von Quarzoszillatoren mit extrem geringem Rauschen ist für die moderne Technik unbestritten. Ob Messtechnik, Datenübertragung, Navigation oder Audioanwendungen – in vielen Bereichen gibt es Anwendungen mit höchsten Ansprüchen an die Referenzquellen. In der Telekommunikation spielt der maximale Jitter die Hauptrolle, da hieraus abgeleitet werden kann, wie hoch die Bitfehlerrate bei der Übertragung von diskreten Informationen ist. In der Messtechnik hingegen erfolgt oft eine Charakterisierung des Oszillators über eine Phasenrauschkurve, wobei die Phasenrauschwerte bei unterschiedlichen Abständen zum Trägersignal spezifiziert werden, je nachdem, ob trägernahes oder trägerfernes Phasenrauschen für die spezifische Anwendung relevant ist. Ein schlechtes Phasenrauschen kann hierbei ein schlechtes spektrales Auflösungsvermögen oder einen absoluten Messfehler verursachen. Navigationsanwendungen profitieren auf der Endgeräteseite stark von extrem stabilen Referenzuhren. Gibt es am GNSS-Empfänger unkontrollierte Abweichungen in der Zeitreferenz, so nimmt die Genauigkeit der Positionsbestimmung stark ab, welche sich hierdurch Faktor 10...100 verschlechtern kann. Übersicht über gebräuchliche Sample-Frequenzen und der dazugehörigen Frequenzen der Masterclock Diese Beispiele zeigen, wie stark eine moderne Welt in den verschiedensten Bereichen auf die Qualität von hochstabilen Oszillatoren angewiesen ist. ◄ 26 hf-praxis 4/2023

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