Хабр Курсы для всех
РЕКЛАМА
Практикум, Хекслет, SkyPro, авторские курсы — собрали всех и попросили скидки. Осталось выбрать!
Хабр доступен 24/7 благодаря поддержке друзей
Комментарии 32
Ещё в начале статьи я сразу подумал про Trimble Thunderbolt, а потом увидел его в качестве источника PPS.
Как я понимаю в бытовых приёмниках, в т.ч. uBlox, PPS выдаётся по дискретам опорной чатоты и, соответственно, имеет примерно тот же джиттер. Например в Сёрфе опорник 16.369 MHz, значит 1 PPS гуляет в пределах 0-61.09 nsec.
Thunderbolt интересен тем, что в печке стоит генератор, который выдаёт частоту для приёмника и по нему выдаются наружу метки PPS и частота 10 MHz. При этом частота постоянно подстраивается фильтром Калмана, чтобы PPS был синхронизирован с GPS-временем. На мой взгляд это идеальное сочетание, тут уже должен быть минимальный джиттер. Ну и т.к. вы используете с него PPS — я пытаюсь понять, зачем. Возможно это прелюдия к использованию более дешёвых uBlox… В общем очень интересно.
Сама идея замечательна — использовать дешёвые GPS-приёмники т.к. они имеют хорошую стабильнсть на длинном промежутке времени и качественный генератор, имеющий стабильные характеристики на коротком промежутке времени.
Как я понимаю в бытовых приёмниках, в т.ч. uBlox, PPS выдаётся по дискретам опорной чатоты и, соответственно, имеет примерно тот же джиттер. Например в Сёрфе опорник 16.369 MHz, значит 1 PPS гуляет в пределах 0-61.09 nsec.
Thunderbolt интересен тем, что в печке стоит генератор, который выдаёт частоту для приёмника и по нему выдаются наружу метки PPS и частота 10 MHz. При этом частота постоянно подстраивается фильтром Калмана, чтобы PPS был синхронизирован с GPS-временем. На мой взгляд это идеальное сочетание, тут уже должен быть минимальный джиттер. Ну и т.к. вы используете с него PPS — я пытаюсь понять, зачем. Возможно это прелюдия к использованию более дешёвых uBlox… В общем очень интересно.
Сама идея замечательна — использовать дешёвые GPS-приёмники т.к. они имеют хорошую стабильнсть на длинном промежутке времени и качественный генератор, имеющий стабильные характеристики на коротком промежутке времени.
Совершенно верно, мы используем точный и надежный Trimble Thunderbolt для того, чтобы убедиться, что наша разработанная система точного времени и синхронизации работает.
Использование меньших по размеру, стоимости и точности GPS-приемников является одной из наших главных задач на текущий момент. Ранее мы уже разработали плату с ublox’овым модулем ZED-F9P, но для несколько другого направления, связанного с получением RTK данных. Сейчас мы создаём плату на базе обновлённого чипа ZED-F9T, в котором заявлена высокая точность получения сигнала 1PPS.
Одним из достоинств нашей платы, помимо минимальных фазовых смещений выходной частоты и сигнала 1PPS, является многообразие непосредственного значения этой частоты. В GPS-приемниках Trimble Thunderbolt прекрасно реализована, как Вы верно заметили, подстройка частоты и синхронизация с GPS-временем, но, к сожалению, выходная частота жестко привязана к значению 10МГц.
Чип AD9545 как раз и решает эту проблему. Мы получаем:
а) точно синхронизированные с 1PPS частоты от 1Гц до 500МГц;
б) до 9 таких различных частот под независимые цели, и всё это на одном чипе.
При желании можно каждую из этих частот развести еще на несколько получателей с помощью клоковых буферов, как было реализовано на одной из наших плат.
Так, Trimble Thunderbolt является отличным решением для узкого спектра задач. А чип AD9545 и наше решение на его основе берет многофункциональностью и охватом практически любых вопросов точного времени.
Использование меньших по размеру, стоимости и точности GPS-приемников является одной из наших главных задач на текущий момент. Ранее мы уже разработали плату с ublox’овым модулем ZED-F9P, но для несколько другого направления, связанного с получением RTK данных. Сейчас мы создаём плату на базе обновлённого чипа ZED-F9T, в котором заявлена высокая точность получения сигнала 1PPS.
Одним из достоинств нашей платы, помимо минимальных фазовых смещений выходной частоты и сигнала 1PPS, является многообразие непосредственного значения этой частоты. В GPS-приемниках Trimble Thunderbolt прекрасно реализована, как Вы верно заметили, подстройка частоты и синхронизация с GPS-временем, но, к сожалению, выходная частота жестко привязана к значению 10МГц.
Чип AD9545 как раз и решает эту проблему. Мы получаем:
а) точно синхронизированные с 1PPS частоты от 1Гц до 500МГц;
б) до 9 таких различных частот под независимые цели, и всё это на одном чипе.
При желании можно каждую из этих частот развести еще на несколько получателей с помощью клоковых буферов, как было реализовано на одной из наших плат.
Так, Trimble Thunderbolt является отличным решением для узкого спектра задач. А чип AD9545 и наше решение на его основе берет многофункциональностью и охватом практически любых вопросов точного времени.
Спасибо за пояснения. Перечитал статью ещё раз, хотя большинство терминов мне неизвестны…
Это то, о чём я думаю и это используется в вашей плате? 10e-4 Hz даёт нам фильтр с дительностью ~3 часа, итого если на входе имеем PPS с шумом 60нс, то даже с фильтром 10 минут он сгладится до 0.1-0.2 нсек отклонения от GPS-времени. Возможно фильтр должен быть короче, чтобы угнаться за дрейфом платы по другим параметрам.
У Thunderbolt немного иные задачи, поэтому такая массивная печка и могут использовать длинный фильтр. Он был задуман для генерации меток времени, стабильных после пропадания сигнала GPS вплоть до 8-10 часов с точностью до миллисекунд (добавлено: вижу в другом комментарии вы уже упомянули режим holdover). Отсюда печка, отсюда Калман, отслеживающий влияние питания, температуры, и старения кварца. У вас не стоит такая задача, значит можно удешевить с одной стороны и улучшить параметры с другой. В общем очень круто.
PS остальным хабровчанам: для более полного понимания статьи — в качестве пролога — могу посоветовать поискать инфу про GPS-Disciplined Clock и области их применения.
Так как на вход PLL мы подаем сигнал 1PPS с GPS-приёмника, то мы рассчитываем на их синфазность на нескольких несвязанных физически AD9545.Об этом я как раз упомянул в первом комментарии — единичные пульсы на разных приёмниках GPS не синфазны, они привязаны к разным опорным генераторам. По идее надо усреднять отклонение от GPS-времени за некоторый период и делать подстройку/компенсацию. И тут я вижу в даташит следующую строку:
Programmable digital loop filter bandwidth: 10e-4 to 1850 Hz
Это то, о чём я думаю и это используется в вашей плате? 10e-4 Hz даёт нам фильтр с дительностью ~3 часа, итого если на входе имеем PPS с шумом 60нс, то даже с фильтром 10 минут он сгладится до 0.1-0.2 нсек отклонения от GPS-времени. Возможно фильтр должен быть короче, чтобы угнаться за дрейфом платы по другим параметрам.
У Thunderbolt немного иные задачи, поэтому такая массивная печка и могут использовать длинный фильтр. Он был задуман для генерации меток времени, стабильных после пропадания сигнала GPS вплоть до 8-10 часов с точностью до миллисекунд (добавлено: вижу в другом комментарии вы уже упомянули режим holdover). Отсюда печка, отсюда Калман, отслеживающий влияние питания, температуры, и старения кварца. У вас не стоит такая задача, значит можно удешевить с одной стороны и улучшить параметры с другой. В общем очень круто.
PS остальным хабровчанам: для более полного понимания статьи — в качестве пролога — могу посоветовать поискать инфу про GPS-Disciplined Clock и области их применения.
Вы правы, без использования поправок на разных GPS-приемниках между сигналами 1PPS будут наблюдаться фазовые смещения. Поэтому мы и нацелены на разработку платы-приемника на базе чипа F9T с заявленной точностью получения секундного сигналы и величины джиттера в несколько наносекунд.
Да, мы используем ширину полосы цифрового фильтра порядка нескольких десятков мГц. На значениях ниже процесс подстройки продолжался дольше. Возможно, не хватало точности опорного генератора. Но и при используемых значениях фазовый захват до ~1нс происходил примерно за 10 минут.
Мы обязательно проведем тесты с использованием собственной платы GPS-приемника и, вероятно, сможем изменить параметры фильтра в лучшую сторону.
Так что спасибо Вам за интересный комментарий и надеемся на грядущий успех будущей, полностью собственной разработки, системы приема GPS-сигнала и получения точного времени!
Да, мы используем ширину полосы цифрового фильтра порядка нескольких десятков мГц. На значениях ниже процесс подстройки продолжался дольше. Возможно, не хватало точности опорного генератора. Но и при используемых значениях фазовый захват до ~1нс происходил примерно за 10 минут.
Мы обязательно проведем тесты с использованием собственной платы GPS-приемника и, вероятно, сможем изменить параметры фильтра в лучшую сторону.
Так что спасибо Вам за интересный комментарий и надеемся на грядущий успех будущей, полностью собственной разработки, системы приема GPS-сигнала и получения точного времени!
Наверное мы сейчас говорим о разном.
Точность координат влияет на точность времени (вернее на точность определения расхождения часов dT, а также дрейфа частоты). Допустим у нас приёмник в режиме Fixed-RTK и точностью 3 см по одной из координатных осей, т.е. потенциально у нас точность измерения dT 0.1 nsec, если учесть задержки в кабелях и схемах, то потенциально можно добиться такой же синхронизации с GPS-временем и UTC. Вы наверное написали об этом.
Я же пишу о другом — откуда берётся PPS на выход. У внешнего приёмника свой тактовый генератор, допустим 25 MHz. Даже посчитав с огромной точностью до 0.1 nsec, что следующий PPS надо выдать через 25,000,000.12345 тактов он физически не может этого сделать — вынужден округлить до целых. Эта дробная часть будет постоянно меняться, как результат каждый полследующий PPS будет иметь ошибки от -20 до +20 nsec (дрейфовать в этом диапазоне). Вот я и подумал — цифровой фильтр в AD9545 и Jitter Filter в названии не есть ли решение именно этой проблемы, т.е. фильтрация нестабильности опорного PPS.
PS: у Thunderbolt другая история — он подстраивает свой опорный генератор… Будет интересно, если ваша плата тоже сможет давать опорную частоту для внешнего GPS-чипа, обратная связь может дать дополнительные бонусы.
Точность координат влияет на точность времени (вернее на точность определения расхождения часов dT, а также дрейфа частоты). Допустим у нас приёмник в режиме Fixed-RTK и точностью 3 см по одной из координатных осей, т.е. потенциально у нас точность измерения dT 0.1 nsec, если учесть задержки в кабелях и схемах, то потенциально можно добиться такой же синхронизации с GPS-временем и UTC. Вы наверное написали об этом.
Я же пишу о другом — откуда берётся PPS на выход. У внешнего приёмника свой тактовый генератор, допустим 25 MHz. Даже посчитав с огромной точностью до 0.1 nsec, что следующий PPS надо выдать через 25,000,000.12345 тактов он физически не может этого сделать — вынужден округлить до целых. Эта дробная часть будет постоянно меняться, как результат каждый полследующий PPS будет иметь ошибки от -20 до +20 nsec (дрейфовать в этом диапазоне). Вот я и подумал — цифровой фильтр в AD9545 и Jitter Filter в названии не есть ли решение именно этой проблемы, т.е. фильтрация нестабильности опорного PPS.
PS: у Thunderbolt другая история — он подстраивает свой опорный генератор… Будет интересно, если ваша плата тоже сможет давать опорную частоту для внешнего GPS-чипа, обратная связь может дать дополнительные бонусы.
Вероятно, вышло недопонимание с разделением gnss и timing модулей, соответственно F9P и F9T, с которыми мы работаем (помимо Thunderbolt). Разработанная система точного времени используется, конкретно в нашем проекте, для решения задачи позиционирования, поэтому говоря о сантиметрах подразумеваются наносекунды и наоборот.
Я понял Вашу мысль и склонен согласиться, что AD9545 как раз по такому принципу и работает. Процесс подстройки позволяет уменьшить исходный дрейф входного PPS и добиться наносекундных и даже субнаносекундных результатов стабильности. Видимо, настолько хорош этот чип и до такой степени нагружен цифровыми блоками с фильтрами, что рвет все шаблоны о скорости частотнофазового захвата и получаемых характеристик стабильности. Дай ему только опорник поточнее :)
Вы имеете в виду подстраивать опорный генератор аналогично Thunderbolt, но вместо печки и Калмана использовать чип AD9545? Или поставить 2 GPS-чипа: один выдает PPS на AD9545, тот его обрабатывает и выдает стабильную опорную частоту для второго, выходной PPS которого и будет использоваться для задач точного времени?
А если сделать несколько таких каскадов и усреднять получаемые метки времени — тогда вообще отлично получится?
Звучит мощно интригующе.
Я понял Вашу мысль и склонен согласиться, что AD9545 как раз по такому принципу и работает. Процесс подстройки позволяет уменьшить исходный дрейф входного PPS и добиться наносекундных и даже субнаносекундных результатов стабильности. Видимо, настолько хорош этот чип и до такой степени нагружен цифровыми блоками с фильтрами, что рвет все шаблоны о скорости частотнофазового захвата и получаемых характеристик стабильности. Дай ему только опорник поточнее :)
Вы имеете в виду подстраивать опорный генератор аналогично Thunderbolt, но вместо печки и Калмана использовать чип AD9545? Или поставить 2 GPS-чипа: один выдает PPS на AD9545, тот его обрабатывает и выдает стабильную опорную частоту для второго, выходной PPS которого и будет использоваться для задач точного времени?
А если сделать несколько таких каскадов и усреднять получаемые метки времени — тогда вообще отлично получится?
Звучит мощно интригующе.
chnav скорее говорит про другие бонусы. Если GNSS-приемник знает точную частоту и время, он может повысить чувствительность входа в синхронизм.
Я сегодня много думал, как можно сделать обратную связь с вашей платы на внешний GPS-приёмник, чтобы получить полную замену Trimble Thunderbolt в смысле точности частоты и синфазности с GPS-временем. Но как только нахожу достоинства — сразу вылазят побочные эффекты. В качестве примеров буду использовать знакомый мне SiRFstar III.
Для начала попытаемся минимизировать джиттер PPS. Это можно сделать стабилизировав опорный генератор GPS-приёмника таким образом, чтобы между отметками GPS-времени всегда попадало одинаковое _целое_ число тактов.
Можно анализировать опорную частоту внешнего приёмника GPS по его бинарным данным в поле Clock Drift (MID 7). Для Сёрфа номинальное значение составляет 96.250 kHz относительно GPS L1 1542.75 MHz. Т.е. спутник, имеющий нулевую радиальную скорость, покажет номинальный доплер 96.25 kHz. Это by design и присутствует, наверное, во всех приёмниках (у Тримблов точно).
В документации к сёрфам есть формула пересчёта — как перевести Clock Drift в частоту опорного генератора.
Clock Frequency = (GPS L1 Frequency + Clock Drift) * Crystal Factor / 1540
Для Sirf3
16.369 MHz = (1575.42 MHz + 96.25 kHz * 0.001) * 16 / 1540
Clock Drift — это результат математического рассчёта (фильтра Калмана) общего решения PVT, т.е. напрямую зависит от точности позиционирования и, соответственно, частота генератора измерена имея референцом сам GPS-сигнал!!!
И вот тут начинаются НО…
В Сёрфе большинство значений выдаются в целочисленных значениях с тем или иным коэффициентом, и только некоторые исключительные (MID 28) в виде double. MID 7 не повезло, Clock Drift рапортуется с дискретностью 1 Hz (округляется до целого). Следуя формулами пересчёта мы можем вычислять частоту опорного генератора с дискретностью 16/1540 = 0.01 Hz. Прямо скажем — негусто, опять джиттер… Зато эта частота измерена относительно референсного источника (GPS) без каких-либо ухищрений.
Можно ли как-то использовать эти измерения, если подать опорный сигнал со своей платы и подстраивая к целочисленным значениям… теперь уже и не знаю, даст ли это какой-то эффект, или наоборот только растянет джиттер на более длительный период, при этом сильно ухудшив синфазность с GPS-временем.
Протокол UBX пока не смотрел, может там дела обстоят лучше.
Для начала попытаемся минимизировать джиттер PPS. Это можно сделать стабилизировав опорный генератор GPS-приёмника таким образом, чтобы между отметками GPS-времени всегда попадало одинаковое _целое_ число тактов.
Можно анализировать опорную частоту внешнего приёмника GPS по его бинарным данным в поле Clock Drift (MID 7). Для Сёрфа номинальное значение составляет 96.250 kHz относительно GPS L1 1542.75 MHz. Т.е. спутник, имеющий нулевую радиальную скорость, покажет номинальный доплер 96.25 kHz. Это by design и присутствует, наверное, во всех приёмниках (у Тримблов точно).
В документации к сёрфам есть формула пересчёта — как перевести Clock Drift в частоту опорного генератора.
Clock Frequency = (GPS L1 Frequency + Clock Drift) * Crystal Factor / 1540
Для Sirf3
16.369 MHz = (1575.42 MHz + 96.25 kHz * 0.001) * 16 / 1540
Clock Drift — это результат математического рассчёта (фильтра Калмана) общего решения PVT, т.е. напрямую зависит от точности позиционирования и, соответственно, частота генератора измерена имея референцом сам GPS-сигнал!!!
И вот тут начинаются НО…
В Сёрфе большинство значений выдаются в целочисленных значениях с тем или иным коэффициентом, и только некоторые исключительные (MID 28) в виде double. MID 7 не повезло, Clock Drift рапортуется с дискретностью 1 Hz (округляется до целого). Следуя формулами пересчёта мы можем вычислять частоту опорного генератора с дискретностью 16/1540 = 0.01 Hz. Прямо скажем — негусто, опять джиттер… Зато эта частота измерена относительно референсного источника (GPS) без каких-либо ухищрений.
Можно ли как-то использовать эти измерения, если подать опорный сигнал со своей платы и подстраивая к целочисленным значениям… теперь уже и не знаю, даст ли это какой-то эффект, или наоборот только растянет джиттер на более длительный период, при этом сильно ухудшив синфазность с GPS-временем.
Протокол UBX пока не смотрел, может там дела обстоят лучше.
А если взглянуть на это иначе…
Подав в GPS-приёмник свой опорный сигнал номинальной частоты (или любой удобной, близкой к ней) можно использовать GPS-чип в качестве частотомера с точностью 0.6 ppb относительно атомных часов GPS (те самые 1 Hz / 1575.42 MHz). Нет зависимости от параметров пульса PPS, какие у него фронты и пр. Значения приходят в цифровом виде по бинарному протоколу.
Таким образом можно синфазно генерировать несколько разных частот, одна из которых будет заходить в чип GPS (Clock Frequency). На выходе с него получаем по бинарному протоколу отклонение частоты от номинала. Пройтись по отклонениям низкочастотным фильтром — достаточно длинным, чтобы поспевал фильтр Калмана в приёмнике GPS — и получается обратная связь для PLL.
Таким образом можно добиться стабильной, относительно GPS, частоты, а далее надо думать, как добиться синфазности… Опять приходим к PPS (((
Подав в GPS-приёмник свой опорный сигнал номинальной частоты (или любой удобной, близкой к ней) можно использовать GPS-чип в качестве частотомера с точностью 0.6 ppb относительно атомных часов GPS (те самые 1 Hz / 1575.42 MHz). Нет зависимости от параметров пульса PPS, какие у него фронты и пр. Значения приходят в цифровом виде по бинарному протоколу.
Таким образом можно синфазно генерировать несколько разных частот, одна из которых будет заходить в чип GPS (Clock Frequency). На выходе с него получаем по бинарному протоколу отклонение частоты от номинала. Пройтись по отклонениям низкочастотным фильтром — достаточно длинным, чтобы поспевал фильтр Калмана в приёмнике GPS — и получается обратная связь для PLL.
Таким образом можно добиться стабильной, относительно GPS, частоты, а далее надо думать, как добиться синфазности… Опять приходим к PPS (((
а не пробовали играться с LEA-M8F?
у него есть возможность управлять внешним источников частоты соответственно сразу получая синхронный PPS относительно этого источника.
Очень странно в что ZED поколении этого не сделали.
у него есть возможность управлять внешним источников частоты соответственно сразу получая синхронный PPS относительно этого источника.
Очень странно в что ZED поколении этого не сделали.
Спасибо за развернутые комментарии по теме и идеи для дальнейшего использования разработанной платы из статьи!
Насколько я понял из Ваших рассуждений и из комментария ниже, обсуждаются 3 модуля:
— gps-приемники на чипсете SiRFstar III;
— LEA-M8F;
— ZED-F9T.
Я ознакомился с Вашими выкладками по протоколу SiRFstar III. Собственно, придя к выводу, что у модулей этого семейства не хватает точности для генерации небольшого джиттера, можно заключить, что они устарели. Возможно, подойдут их современные потомки SIRFSTARV 5E. Но, опять же, надо разбираться с деталями протокола и их возможностями.
Идея получения стабильной частоты, подавая внешний опорный сигнал на GPS-чип, мне понравилась. Поэтому можно перейти к анализу следующего модуля — LEA-M8F.
Он так же, как и gps-приемники на чипсете SiRFstar III уже довольно устаревший и немного уступает по базовых функциям современному ZED-F9T. Тем не менее, как правильно заметил juramehanik, в нем реализована возможность измерения и управления внешним сигналом от TCXO/OCXO.
Такая функция позволяет реализовать систему, в которой на вход AD9545 будет идти сигнал 1PPS с LEA-M8F, а выход AD9545 с какой-то частотой будет приходить на LEA-M8F в качестве внешнего сигнала для измерения частотнофазовых отклонений.
Таким образом на каждой итерации AD9545 будет чистить джиттер приходящего 1PPS и выдавать более точный опорный сигнал для LEA-M8F, который в свою очередь будет генерировать лучший 1PPS. И, возможно, такая зацикленная системавечного двигателя сможет добиться достаточной точности. Хотя, конечно, возможности AD9545 и, тем более, LEA-M8F не безграничны. Можно будет еще над этим поразмыслить и, может, попробовать реализовать.
Ну и последний вариант, который был немного освещен в статье — просто использовать наиболее современный GPS-приемник ZED-F9T в качестве референса платы с AD9545. И ждать качественных результатов на выходе.
Насколько я понял из Ваших рассуждений и из комментария ниже, обсуждаются 3 модуля:
— gps-приемники на чипсете SiRFstar III;
— LEA-M8F;
— ZED-F9T.
Я ознакомился с Вашими выкладками по протоколу SiRFstar III. Собственно, придя к выводу, что у модулей этого семейства не хватает точности для генерации небольшого джиттера, можно заключить, что они устарели. Возможно, подойдут их современные потомки SIRFSTARV 5E. Но, опять же, надо разбираться с деталями протокола и их возможностями.
Идея получения стабильной частоты, подавая внешний опорный сигнал на GPS-чип, мне понравилась. Поэтому можно перейти к анализу следующего модуля — LEA-M8F.
Он так же, как и gps-приемники на чипсете SiRFstar III уже довольно устаревший и немного уступает по базовых функциям современному ZED-F9T. Тем не менее, как правильно заметил juramehanik, в нем реализована возможность измерения и управления внешним сигналом от TCXO/OCXO.
Такая функция позволяет реализовать систему, в которой на вход AD9545 будет идти сигнал 1PPS с LEA-M8F, а выход AD9545 с какой-то частотой будет приходить на LEA-M8F в качестве внешнего сигнала для измерения частотнофазовых отклонений.
Таким образом на каждой итерации AD9545 будет чистить джиттер приходящего 1PPS и выдавать более точный опорный сигнал для LEA-M8F, который в свою очередь будет генерировать лучший 1PPS. И, возможно, такая зацикленная система
Ну и последний вариант, который был немного освещен в статье — просто использовать наиболее современный GPS-приемник ZED-F9T в качестве референса платы с AD9545. И ждать качественных результатов на выходе.
просто использовать наиболее современный GPS-приемник ZED-F9T в качестве референса платы с AD9545. И ждать качественных результатов на выходе.Ну в общем — да… Если цена ZED-F9T устраивает то лучше отдать на аутсорс.
Про сёрфы я писал для примера т.к. все одночастотные приёмники работают похоже. И, возможно, кому-то пригодятся идеи для DIY проектов.
Отсюда печка, отсюда Калман, отслеживающий влияние питания, температуры, и старения кварца
а есть в сети что почитать по этому поводу?
В том плане насколько это может улучшит результат holdower-а по сравнению с обычным пи регулятором + фильтром.
Ни чего не понял, но очень интересно))).
Спасибо за статью!, как раз в поиске решений для DPLL на zed приемнике.
У меня правда другая задача — выдавать точную метку времени боле менее привязанную к некому стабильному генератору как в режиме синхронизации, так и при ее потери определенное время, то есть необходимо использование генератора управляемого напряжением. Тут вопрос по AD9545, какая временная точность узла TDC, а то я явно не нахожу этого параметра.
Дело в том, что ранее разработанное мною решение DPLL на обычном stm32f103 работает на внутренней частоте в 50мгц (клок от VCOCXO 10мгц на входе МК) соответственно я фазу между клоком генератора и PPS могу измерять с точностью 20нс. Для модуля zed этого уже недостаточно. думаю уже нужно думать о субнаносекундном измерении.
Как такое реализовать?
Находил варианты TDC здесь же на плис и в принципе это оптимальный вариант, поскольку все равно надо будет делать много синхронной логики, которой в обычном МК уже будет недостаточно. Но меня смущает вариант необходимости калибровки. Есть ли смысл смотреть на решение типа AD9545 и схожих, если все равно в системе будет плис?
У меня правда другая задача — выдавать точную метку времени боле менее привязанную к некому стабильному генератору как в режиме синхронизации, так и при ее потери определенное время, то есть необходимо использование генератора управляемого напряжением. Тут вопрос по AD9545, какая временная точность узла TDC, а то я явно не нахожу этого параметра.
Дело в том, что ранее разработанное мною решение DPLL на обычном stm32f103 работает на внутренней частоте в 50мгц (клок от VCOCXO 10мгц на входе МК) соответственно я фазу между клоком генератора и PPS могу измерять с точностью 20нс. Для модуля zed этого уже недостаточно. думаю уже нужно думать о субнаносекундном измерении.
Как такое реализовать?
Находил варианты TDC здесь же на плис и в принципе это оптимальный вариант, поскольку все равно надо будет делать много синхронной логики, которой в обычном МК уже будет недостаточно. Но меня смущает вариант необходимости калибровки. Есть ли смысл смотреть на решение типа AD9545 и схожих, если все равно в системе будет плис?
Спасибо за комментарий!
Вы описываете разработку DPLL на нижнем уровне (с использованием stm32/ПЛИС), с деталями которой, честно говоря, я не сильно знаком. Поэтому могу лишь дать несколько советов по использованию AD9545 в рамках Вашей задачи.
В статье об этом явно не написано, но, вероятно, стоило упомянуть о способности рассматриваемых PLL переходить в режим Holdover при потере референсного сигнала. При этом стабильность выходного сигнала напрямую зависит от стабильности системного клока. Поэтому при потере сигнала от Вашего генератора можно ожидать удерживания сигнала метки времени с соответствующей точностью.
Помимо этого, всегда можно настроить несколько профилей DPLL, чтобы переключаться на другой референс и снизить вероятность полной потери опорного сигнала.
Отвечая на Ваш вопрос о точности TDC на AD9545, могу сказать, что она так же напрямую зависит от точности подаваемых референсных сигналов (см. раздел о компенсации системного клока). А период AuxTDC (регистры 0x2A01-0x2A07) задается в аттосекундах (10^[-18]), что говорит о потенциально строгом исчислении времени.
Поэтому я определенно вижу вариант использования DPLL или отдельных AuxTDCs AD9545 для получения и хранения метки точного времени.
Не могли бы Вы подробнее рассказать о синхронной логике, которая будет реализована на Вашей ПЛИС и ZED-приемнике? Было бы интересно разобраться, как можно внедрить AD9545 в ПЛИС и какие плюсы можно было бы из этого извлечь.
Вы описываете разработку DPLL на нижнем уровне (с использованием stm32/ПЛИС), с деталями которой, честно говоря, я не сильно знаком. Поэтому могу лишь дать несколько советов по использованию AD9545 в рамках Вашей задачи.
В статье об этом явно не написано, но, вероятно, стоило упомянуть о способности рассматриваемых PLL переходить в режим Holdover при потере референсного сигнала. При этом стабильность выходного сигнала напрямую зависит от стабильности системного клока. Поэтому при потере сигнала от Вашего генератора можно ожидать удерживания сигнала метки времени с соответствующей точностью.
Помимо этого, всегда можно настроить несколько профилей DPLL, чтобы переключаться на другой референс и снизить вероятность полной потери опорного сигнала.
Отвечая на Ваш вопрос о точности TDC на AD9545, могу сказать, что она так же напрямую зависит от точности подаваемых референсных сигналов (см. раздел о компенсации системного клока). А период AuxTDC (регистры 0x2A01-0x2A07) задается в аттосекундах (10^[-18]), что говорит о потенциально строгом исчислении времени.
Поэтому я определенно вижу вариант использования DPLL или отдельных AuxTDCs AD9545 для получения и хранения метки точного времени.
Не могли бы Вы подробнее рассказать о синхронной логике, которая будет реализована на Вашей ПЛИС и ZED-приемнике? Было бы интересно разобраться, как можно внедрить AD9545 в ПЛИС и какие плюсы можно было бы из этого извлечь.
Спасибо за информацию!
Сама архитектура довольно дубовая, взята из опенсорсных GPSDO есть таймер который тактируется от опорного генератора, мы им измеряем расстояние между двумя метками времени и через ПИ регулятор управляем напряжением опорного генератора, концептуально принципе все.
Ну мне на выходе кроме метки времени и частоты нужны всякие таймкоды типа IRIG
Микроконтроллером они конечно генерятся, но там есть масса неудобств и при повышении точности до уровня самого приемника zed в пару наносекунд оно уже не подходит.
Как минимум из-за того что внутренние 50МГц я не могу по фазе засинхронизировать от PPS
выливается это в том, что выходной PPS из МК по фазе рандомно располагается относительно клока 50Мгц после каждой синхронизации. Плюс у PPL МК весьма нехилый собственный джиттер где-то до 2нс.
Причем в целом «чистота» выходного частотного сигнала не сильно важна, важднее что таймкоды и генерируемый PPS были максимально достоверны, ну и holdower максимально возможный для конкретного типа стабильного генератора.
Я про аттосекунды прочитал в даташине, просто не представляю как это физически возможно =), я так понимаю там аналоговый TDC, то есть можно ожидать точность сравнения на уровне пикосекундного джиттера уже исходных сигналов?
Еще крайне странно, что минимум референсного клока это 16Мгц
Подавляющее большинство стабильных генераторов от DOOCXO До рубидиевых и других атомных это 10Мгц, или имеется ввиду что в моем варианте опорный генератор надо на reference input сажать а не на system clock?
Сама архитектура довольно дубовая, взята из опенсорсных GPSDO есть таймер который тактируется от опорного генератора, мы им измеряем расстояние между двумя метками времени и через ПИ регулятор управляем напряжением опорного генератора, концептуально принципе все.
Ну мне на выходе кроме метки времени и частоты нужны всякие таймкоды типа IRIG
Микроконтроллером они конечно генерятся, но там есть масса неудобств и при повышении точности до уровня самого приемника zed в пару наносекунд оно уже не подходит.
Как минимум из-за того что внутренние 50МГц я не могу по фазе засинхронизировать от PPS
выливается это в том, что выходной PPS из МК по фазе рандомно располагается относительно клока 50Мгц после каждой синхронизации. Плюс у PPL МК весьма нехилый собственный джиттер где-то до 2нс.
Причем в целом «чистота» выходного частотного сигнала не сильно важна, важднее что таймкоды и генерируемый PPS были максимально достоверны, ну и holdower максимально возможный для конкретного типа стабильного генератора.
Я про аттосекунды прочитал в даташине, просто не представляю как это физически возможно =), я так понимаю там аналоговый TDC, то есть можно ожидать точность сравнения на уровне пикосекундного джиттера уже исходных сигналов?
Еще крайне странно, что минимум референсного клока это 16Мгц
Подавляющее большинство стабильных генераторов от DOOCXO До рубидиевых и других атомных это 10Мгц, или имеется ввиду что в моем варианте опорный генератор надо на reference input сажать а не на system clock?
Спасибо, теперь стало яснее.
В процессе работы мы использовали только статусные регистры и вглубь процесса подстройки PLL не залезали. Просмотрел маппинг регистров – не вижу, что вообще есть возможность извлекать данные для того, чтобы генерировать таймкоды типа IRIG.
Не уверен, что VCXO в принципе подойдет в качестве опорника для AD9545, в даташите в основном советуют использовать TCXO, OCXO. Но можно попробовать использовать PLL AD9545 в режиме External Zero Delay, чтобы сохранить Вашу текущую конфигурацию с измерением расстояния между двумя временными метками.
В любом случае, AD9545 должен справиться лучше с синхронизацией сигналов нежели стандартный микроконтроллер. По крайней мере мы получили хорошие результаты и по части эффективности чипа можно не сомневаться, остается только выбрать верную конфигурацию.
У AD9545 на каждой PLL стоят 2 цифровых TDC – на референс и фидбек путях, по таймстемпам которых высчитывается фазовое смещение. Поэтому результаты получаются точнее, а фазовый шум и величина джиттера компенсируются использованием кварца, как источника системного клока.
Да, опорный генератор подключается на референсный клок и компенсирует точность всей системы через 2ой или 3ий компенсационный метод с задействованием одной из PLL.
В общем, задача у Вас интересная и сложная. Возможно, мы до неё тоже когда-нибудь дойдём)
В процессе работы мы использовали только статусные регистры и вглубь процесса подстройки PLL не залезали. Просмотрел маппинг регистров – не вижу, что вообще есть возможность извлекать данные для того, чтобы генерировать таймкоды типа IRIG.
Не уверен, что VCXO в принципе подойдет в качестве опорника для AD9545, в даташите в основном советуют использовать TCXO, OCXO. Но можно попробовать использовать PLL AD9545 в режиме External Zero Delay, чтобы сохранить Вашу текущую конфигурацию с измерением расстояния между двумя временными метками.
В любом случае, AD9545 должен справиться лучше с синхронизацией сигналов нежели стандартный микроконтроллер. По крайней мере мы получили хорошие результаты и по части эффективности чипа можно не сомневаться, остается только выбрать верную конфигурацию.
У AD9545 на каждой PLL стоят 2 цифровых TDC – на референс и фидбек путях, по таймстемпам которых высчитывается фазовое смещение. Поэтому результаты получаются точнее, а фазовый шум и величина джиттера компенсируются использованием кварца, как источника системного клока.
Да, опорный генератор подключается на референсный клок и компенсирует точность всей системы через 2ой или 3ий компенсационный метод с задействованием одной из PLL.
В общем, задача у Вас интересная и сложная. Возможно, мы до неё тоже когда-нибудь дойдём)
Из видео можно заметить – фазовые колебания выходных сигналов не превышают 1нс!
С такой точностью можно решать множество навигационных и связных задач, в которых требуется подстройка частоты под сигнал 1PPS.
А мы точно таким образом можем увидеть и видим “фазовые колебания выходных сигналов”?
Тут неплохо бы пояснить что за два сигнала мы видим на осциллографе?
Особенно первый, который повешен на синхронизацию.
И как по другому должен выглядеть спад меандра с кварца на цифровом осциллографе с полосой пропускания 200 МГц.
Для понимания успеха явно не хватает продолжения этого видео при отключенной секунде с навигационного приемника.
Желтый сигнал — это 10МГц на выходе Thunderbolt, сигнал 1PPS которого мы подаем на референс AD9545. Эти сигналы синфазны друг с другом исходя из схемы GPS-приемника.
Зеленый сигнал — это 10МГц на выходе AD9545 после частотного+фазового захвата PLL.
Соответственно, фазовые смещения этих двух сигналов друг относительно друга дают нам понять, насколько частота на выходе AD9545 подстроилась ко входу сигнала 1PPS. При этом желтый сигнал повешен на триггер, т.е. он не движется на осциллографе.
Спад зеленого сигнала нас мало интересовал, особенно на разрешении 2нс/клетка. Важно было оценить горизонтальную нестабильность относительно референсного сигнала.
Вы правы, проверка поведения системы синхронизации при потере референсной секунды крайне важна. Мы пробовали переводить AD9545 в режим Holdover и прекращать подачу сигнала 1PPS на вход платы. В результате наблюдалось накапливающееся со временем фазовое смещение выходного сигнала. Это можно объяснить использованием недостаточно точного опорного генератора.
В будущем мы планируем использование нескольких источников сигналов секундной метки (не только от GNSS-спутников), чтобы можно было переключаться между ними в случае потери или глушения/спуффинга GPS-сигнала. В таком случае полная потеря всех эталонных сигналов крайне маловероятно и будет обеспечена стабильность всех выходных сигналов.
Зеленый сигнал — это 10МГц на выходе AD9545 после частотного+фазового захвата PLL.
Соответственно, фазовые смещения этих двух сигналов друг относительно друга дают нам понять, насколько частота на выходе AD9545 подстроилась ко входу сигнала 1PPS. При этом желтый сигнал повешен на триггер, т.е. он не движется на осциллографе.
Спад зеленого сигнала нас мало интересовал, особенно на разрешении 2нс/клетка. Важно было оценить горизонтальную нестабильность относительно референсного сигнала.
Вы правы, проверка поведения системы синхронизации при потере референсной секунды крайне важна. Мы пробовали переводить AD9545 в режим Holdover и прекращать подачу сигнала 1PPS на вход платы. В результате наблюдалось накапливающееся со временем фазовое смещение выходного сигнала. Это можно объяснить использованием недостаточно точного опорного генератора.
В будущем мы планируем использование нескольких источников сигналов секундной метки (не только от GNSS-спутников), чтобы можно было переключаться между ними в случае потери или глушения/спуффинга GPS-сигнала. В таком случае полная потеря всех эталонных сигналов крайне маловероятно и будет обеспечена стабильность всех выходных сигналов.
Мы пробовали переводить AD9545 в режим Holdover и прекращать подачу сигнала 1PPS на вход платы. В результате наблюдалось накапливающееся со временем фазовое смещение выходного сигнала. Это можно объяснить использованием недостаточно точного опорного генератора.
А не надо переводить микросхему в другой режим. Просто отключаем секунду и эти сигналы должны поплыть один относительно другого.
Подключаем — сигналы встали, значит фапирование (по вашему PLL) работает.
А вот нестабильность фаз, конечно в первом приближении можно глянуть на осциллографе, только желательно аналоговый, а не цифровой осциллограф и полосу пропускание побольше. Но по делу их надо мерять хорошим частотомером между секундой приемника и выходами ваших clock.
И возможно, если секунду подавать с обычного приемника, а не с приемника, имеющего в названии DISCIPLINED CLOCK, результат может неприятно удивить.
А не надо переводить микросхему в другой режим. Просто отключаем секунду и эти сигналы должны поплыть один относительно другого.
Подключаем — сигналы встали, значит фапирование (по вашему PLL) работает.
Так оно сейчас и получается. После повторного подключения секунды положение сигналов друг относительно друга возвращается к стабильному состоянию.
Неприятно и непонятно лишь то, почему OCXO точностью 20ppb не держит достаточное фазовое смещение при потере входного PPS. Наверное, я хочу всего и сразу, а надо либо ставить еще более стабильный генератор, либо реализовывать систему страховочных референсных сигналов.
А вот нестабильность фаз, конечно в первом приближении можно глянуть на осциллографе, только желательно аналоговый, а не цифровой осциллограф и полосу пропускание побольше. Но по делу их надо мерять хорошим частотомером между секундой приемника и выходами ваших clock.
Согласен. Для точных измерений частотнофазовых отклонений входного PPS и выходных сигналов требовалось бы провести больше экспериментов на более надежных приборах. Но нас обрадовало, и в принципе устроило, то, что мы увидели на осциллографе в первые несколько наблюдений. Для полноты метрологических изысканий следовало бы проделать все необходимые операции по измерению точности разработанной системы, добиться результата в конкретном проекте и сделать строгие выводы. Но мы решили поскорее поделиться с народом интересным продуктом инжереной мысли. А все оставшиеся, максимально полные, выкладки можно будет привести в следующей статье по этой теме.
Неприятно и непонятно лишь то, почему OCXO точностью 20ppb не держит достаточное фазовое смещение при потере входного PPS. Наверное, я хочу всего и сразу, а надо либо ставить еще более стабильный генератор, либо реализовывать систему страховочных референсных сигналов.
Ничего удивительного — один генератор (OCXO) бежит относительно другого (Trimble), они всегда так делают.
Есть конечно некоторая вероятность, что причина этого в разработанной вами схеме/программе, но изначально два генератора с формально одинаковой частотой бегут друг относительно друга на неформальную разницу в частотах.
Так что замена генератора может не помочь, дело не в нестабильности, а в разнице частот. Какова она — посмотрите на частотомере, на вход один генератор, в качестве опоры другой.
А лучше взять «третьейского судью» и измерять частоты обоих генераторов, подав в качестве опоры сигнал со стандарта частоты.
У вас ведь есть что-то под руками, если вы делаете такие выводы:
Точность получаемого сигнала PPS была около 20ns
чтобы можно было переключаться между ними в случае потери или глушения/спуффинга GPS-сигнала
Мы в таких случаях используем sevensols.com/white-rabbit-technology
Да, я слышал об этой технологии, но, к сожалению, лично на практике пока с ней не встречался.
Возможно, наше текущее решение окажется несколько грубее и вместе с тем проще, чем технология White Rabbit.
Думаю, мы еще воспользуемся ей (или частично её идеями) в будущем для решения подобных задач. Все-таки нельзя обходить стороной такую популярную технологию с субнаносекундными результатами по точности.
Возможно, наше текущее решение окажется несколько грубее и вместе с тем проще, чем технология White Rabbit.
Думаю, мы еще воспользуемся ей (или частично её идеями) в будущем для решения подобных задач. Все-таки нельзя обходить стороной такую популярную технологию с субнаносекундными результатами по точности.
Подскажите по продаваемым модулям GPS типа Betian BS-357B, если в курсе: у них выход 1PPS на самом деле 1PPS и им можно пользоваться?
Иногда продаются б/ушные модули типа FE-5680A, они еще в принципе сохраняют работоспособность с рубидием?
Иногда продаются б/ушные модули типа FE-5680A, они еще в принципе сохраняют работоспособность с рубидием?
Вот если бы этот чип ещё умел внешний перестраиваемый кварцевый генератор на 5/10 МГц подстраивать по сигналу 1 Гц…
Существующие системы позиционирования, в частности, спутниковые (GPS, ГЛОНАСС) используют настолько хорошие источники частоты и времени, что в число факторов, ограничивающих стандартную точность позиционирования они не входят.На самом деле 2.5наносекугнд — это просто рекламная сказка. Реально эталоны UTC расходятся на 10 нс, время спутниковых систем гуляет в тех же пределах. В итоге на GALILEO есть такая штука — GGTO, расхождение времени между GALILEO и GPS. Точность этого GGTO нормируется на 20 нс в течение 80% времени. Это вот реально гарантируемый уровень точности.
А нам для решения нужна точность 0.3 нс. Тогда было бы можно не определять расхождение шкал самостоятельно, что эквивалентно добавлению одного спутника в решение.
Так что увы, нынешние источники частоты стандартную точность ограничивают. То есть все приемники сами считают расхождение шкал.
А уж уходы часов спутника… GALIELEO точнее GPS прежде всего из-за лучшей точности генераторов на спутнике…
Так что в общем ещё бы пару порядков улучшить. Стабильность частоты. И ровно к этому мы и идём.
«Глонасс» — 5⋅10**−13
«Глонасс-М» 1⋅10**−13
«Глонасс-К1» — 5⋅10**−14-1⋅10**-13
«Глонасс-К2» — 5⋅10**−15-5⋅10**−14
точность лучше 2.5 наносекунд (одна сигма). За такое время свет не успевает пролететь и одного метра.
Небольшая неточность:
При скорости света 300 тыс. км/сек, 1 метр свет проходит за 0,3 наносекунды,
соответственно за 2,5 наносекунд- примерно 8,3 метра.
Зарегистрируйтесь на Хабре, чтобы оставить комментарий
О маленьком хранителе точного времени