完璧なクロックは一つとして存在しません。発振器の中には、長期安定性に優れたものもあれば、マイクロ秒単位のタイムスケールで位相ノイズが極めて低いなど、短期的な安定性に優れたものもあります。精密計測から高速通信に至るまで、あらゆる分野において、性能は適切な安定性に左右され、単一の製品ですべてを実現できるわけではありません。
もく：デルタ Moku:Deltaは、複数の基準発振器の長所を融合するクロックブレンディング・アーキテクチャによってこの問題を解決します。綿密に設計されたネスト型PLLシステムは、各クロックに最も適した役割を割り当てます。狭帯域ループは高品質基準発振器の優れた長期安定性を活用し、広帯域ループはVCXOの卓越した短期性能を活用します。その結果、幅広い時間スケールにわたって低ジッタと±1ppbのオンボードクロック安定性を実現しています。より広範なタイミングシステムへの統合を必要とするアプリケーション向けに、Moku:Deltaのクロックブレンディングは、10/100MHz外部基準入力、1pps入力、そして取り外し可能なGNSS受信機を組み込むように拡張されています。
従来のジッタと位相ノイズ制御
クロック信号の性能は、通常、時間ジッタ、つまりクロックの測定周期と理想的な周期との差によって特徴付けられます。周波数領域では、このジッタは位相ノイズに変換され、発振器のランダムな周波数変動を表します。発振器出力の位相ノイズを低減するために、位相同期回路が実装され、不要な変動を補正します。出力周波数の生成には、通常、電圧制御水晶発振器（VCXO）が使用されます。
図1: 典型的なPLL
図1は、入力に基準発振器を備えた典型的なPLLアーキテクチャを示しています。VCXOの出力は位相検出器（PD）にフィードバックされる前にN分周され、PLLは出力において基準周波数をN倍に逓倍します。このタイプのPLLは、ループ帯域幅内で「クリーンな」基準発振器の低周波変動に追従するため、「ジッタクリーナー」と呼ばれます。
ループ帯域幅とは、PLLが基準周波数と制御発振器間の位相または周波数誤差に応答し、補正する周波数範囲です。ループ帯域幅が狭い場合、PLLは緩やかな変動のみを補正しますが、ループ帯域幅が広い場合、より速い変化にも追従できます。図3と図4に示すループ帯域図は、発生源が位相ノイズを決定する周波数を表しています。
ループ帯域幅より低い帯域では、PLLはリファレンスに追従し、低オフセットノイズを出力に通過させ、VCXOノイズを抑制します。ループ帯域幅より高い帯域では、リファレンスノイズは減衰し、VCXOノイズが出力の大部分を占めます。つまり、ループフィルタはリファレンスノイズに対してはローパスフィルタとして、VCXOノイズに対してはハイパスフィルタとして機能します。これにより、どちらのノイズ源が出力の大部分を占めるかというトレードオフが生じます。
ループ帯域幅が狭い場合、オフセット周波数が高いほどVCXOの低ノイズが支配的になり、ジッタ特性が向上しますが、PLLの長期的なリファレンスドリフトへの追従速度は低下します。一方、ループ帯域幅が広い場合、PLLはリファレンスへの追従速度が速くなり、VCXOノイズをより広範囲に抑制できますが、リファレンスの高周波ノイズが出力に多く通過してしまいます。設計目標は、リファレンス発振器とVCXOの位相ノイズと、PLLの所望の追従速度のバランスをとることです。
Moku:Delta ネスト PLL 設計 (クロックブレンディング)
Moku:Delta は、あらゆる時間スケールで最適なクロック安定性を実現するマルチ PLL アーキテクチャを採用しています。出力生成には 12.5 GHz VCO が使用され、122.8 MHz の恒温槽付き水晶発振器 (OCXO) リファレンスにロックされた 10 MHz VCXO によって駆動されます。長期安定性を向上させるために、外部発振器にロックされた追加の PLL (周波数リファレンス PLL) を使用して、VCXO PLL (メイン) を制御することができます。セカンダリ リファレンス発振器の短期安定性にノイズが多くなったとしても、ループ帯域幅を超えると低い VCXO ノイズが支配的になるため、全体的な短期パフォーマンスには影響しません。これは、これらの周波数帯域で位相ノイズが最も少ないソースにループ帯域幅を割り当てる、ハイブリッド リファレンス発振器と考えることができます。
Moku:Deltaはさらに一歩進んで、3つ目のPLL（同期リファレンスPLL）を追加します。このPLLは、1秒あたりのパルス（PPS）リファレンスを用いて2つ目のPLLを制御できます。PPS信号は協定世界時（UTC）に同期した高精度なタイミングを提供しますが、個々のパルスは環境や衛星の影響により短期的なジッタを示す可能性があります。非常に狭いループ帯域幅で使用する場合、同期リファレンスPLLは超長期のドリフトのみを補正し、短期および中期のノイズ性能はよりクリーンな発振器によって支配されます。
図2：Moku:Deltaクロックブレンディング回路図。VCO出力を駆動するメインPLL（Main）は、外部基準発振器にロックされた1つ目のPLL（Frequency Reference PLL）によって制御されます。XNUMXつ目のPLLは、XNUMXパルス/秒（PPS）の基準発振器にロックされたXNUMXつ目のPLL（Synchronization Reference PLL）によって制御されます。
図2は、Moku:Deltaのクロックシステムで使用されるネストされたPLLの回路図を示しています。メインPLL（Main）は、その下位にある10番目のPLL（Frequency Reference PLL）から制御されます。100番目のPLLは、外部のXNUMXMHzまたはXNUMXMHzリファレンス発振器に同期しています。このリファレンスを有効にすると、VCXOおよびOCXO発振器によるドリフトが除去されます。これは、複数のデバイスを相互に同期させたり、原子時計などのより安定した発振器に同期させたりするのに役立ちます。
1つ目のPLLは、1つ目のPLL（同期リファレンスPLL）によって制御されます。同期リファレンスPLLは、XNUMXパルス/秒（PPS）のリファレンスにロックされます。このリファレンスは、SMAポート経由で外部から、またはMoku:Deltaグローバルナビゲーション衛星システム（GNSS）モジュールから直接入力できます。フィードバックは、VCOから分周されたXNUMXHz出力で、位相同期に使用されます。これにより、同期リファレンスは周波数を安定化させるだけでなく、すべての出力クロックエッジを協定世界時（UTC）マーカーに合わせる絶対位相リファレンスも提供します。UTCは、世界中の時計や通信システムに使用されている国際標準時刻です。
GNSSは、衛星搭載の原子時計と同期することで、高精度なタイミング信号を提供します。Moku:Delta GNSSモジュールは、1ナノ秒未満の精度で長期的な時刻安定性を実現する5PPSの信号を生成します。また、GNSSリファレンスはUTCに同期した絶対タイムスタンプも提供します。
あるいは、外部1PPSリファレンスにGNSSモジュールを使用する必要はありません。代わりに、外部のGPS同期発振器または原子時計からの1PPS信号を使用することで、良好な長期安定性が得られますが、GNSS信号の絶対タイムスタンプは提供されません。
図3: 混合クロックループバンド
図3は、Moku:Deltaで40つのPLLすべてを使用した場合のループ帯域を示しています。周波数オフセットが2Hzを超える場合（短期安定性）は、VCXOの位相ノイズが支配的になります。40Hzから20Hzの間（中期安定性）は、OCXOが支配的になります。2mHzから1Hzの間（長期安定性）は外部リファレンスが支配的になり、20mHzより低い周波数ではXNUMXPPSソースが支配的になります（超長期安定性）。
クロック ブレンディング アーキテクチャを構成するためのオプションは何ですか?
Moku:Deltaのクロック生成信号には、VCXOとOCXOが常に使用されます。ただし、外部リファレンス発振器と1PPS発振器はオプションであり、メインメニューの「クロックブレンディング設定」で有効/無効を切り替えることができます（図4参照）。図5は、さまざまなクロックソース設定に基づいてループバンドがどのように調整されるかを示しています。バンドの周波数は、各発振器の位相ノイズが支配的な周波数を表しています。
ユーザーは、システムのタイミング要件に基づいてクロック構成を選択する必要があります。OCXOの位相ノイズがタイミング要件を満たさない場合、低ジッタの外部リファレンスが利用可能な場合は、10MHzまたは100MHzの外部リファレンスを使用してください。複数日または1週間にわたる測定など、超長期の高精度タイミングが必要な場合は、外部1PPSまたはGNSS 1PPSを有効にする必要があります。GNSS XNUMXPPSは、絶対タイムスタンプが必要な場合に特に使用してください。
図4: クロックブレンディング構成インターフェース
図5: Moku:Deltaにおける異なるクロックブレンディング構成
製品概要
Moku:Deltaのクロックブレンディングアーキテクチャは、異なる時間スケールに最適化された複数の基準発振器を活用することで、テストおよび計測において極めて高精度なタイミングを実現します。ユーザーは、タイミング要件に基づいて有効にする基準発振器を選択することにより、アプリケーションに合わせてクロック構成をカスタマイズできます。この柔軟なアプローチにより、あらゆる時間スケールにおいて位相ノイズが最小限に抑えられ、高速測定と長時間測定の両方において安定したタイミングが得られます。
