domenica 27 novembre 2016

Oscillatori Disciplinati da GPS (GPSDO) - Miti e realta' - Tutto quello che avreste voluto sapere , ma non avete mai osato chiedere ....3a puntata

Faccio seguito alla pubblicazione delle due precedenti puntate ai collegamenti :

https://air-radiorama.blogspot.it/2016/11/oscillatori-disciplinati-da-gps-gpsdo.html

http://air-radiorama.blogspot.it/2016/11/oscillatori-disciplinati-da-gps-gpsdo_23.html

per continuare il discorso .

Dopo il grafico che riporto nuovamente che descrive l'andamento della fase di due GPSDO , di cui uno ben disciplinato (in rosso ) ed uno non ben disciplinato (in blu )



Ci eravamo lasciati con la seguente domanda :


Ci si potrebbe domandare , ma come si fa a dire che l'instabilita' della curva rossa non e' dovuta all' instabilita' dell' oscillatore al Rubidio ?

La risposta e' verificando che la differenza di fase tra due oscillatori al Rubidio non presenti le stesse instabilita' .

Cosa che e' stata in effetti verificata ed e' visibile nel grafico seguente :


Si puo' notare che la fase varia linearmente .

Ricordando che la frequenza di un segnale periodico e' la velocita' con cui varia la fase , cio' vuol dire che tra i due oscillatori al rubidio c'e' una piccole differenza di frequenza che puo' anche essere corretta calibrandoli con un po' di pazienza in modo che la fase rimanga il piu' possibile costante e quindi ottenere un diagramma orizzontale .

Ma la cosa importante e' notare come la traccia sia molto netta e con pendenza decisemente costante .

Il che vuol dire che il jitter ( instabilita' a breve termine ) di fase degli oscillatori al Rubidio e' trascurabile rispetto al jitter misurato su un GPSDO .
Quindi il jitter visibile nella prima figura e' da imputarsi ai limiti intrinseci dei GPSDO che correggono la frequenza di oscillatori al quarzo anche doppiamente termostatati .
Ci sono quindi dei limiti alla precisione .

Come abbiamo gia' detto e' perche' se si corregge ( disciplina ) qualcosa , la correzione non potra' mai essere effettuata perfettamente .

In questo caso per due principali motivi :

1) I limiti di tempo tra una correzione e l'altra in cui l'oscillatore imperfetto da correggere deriva in frequenza dopo l'ultima correzione 
2) Il fatto che il clock ( 1PPS) derivato dalla ricezione GPS ha un suo jitter intrinseco . Il suo valore medio tende a zero su lungo termine , ma il clock non e' stabile a tempi brevi .

Cerchiamo di chiarire con un esempio "maccheronico " .

Supponiamo di avere una persona che abbia bevuto qualche bicchiere di troppo e che quindi camminando in un corridoio tenda a barcollare a destra ed a sinistra .

E' chiaro che, tanto piu' il corridoio e' ampio , tanto piu' la persona avra' possibilita' di barcollare invece di andare dritta .
Ma se riduciamo la larghezza del corridoio ,in modo che la persona ci passi appena , non potra' piu' barcollare .
Pero' c'e' un problema .
Per uno strano effetto , il pavimento del corridoio e' stabile , ma le mura del corridoio vibrano continuamente , per cui di fatto la persona , se stretta tra le pareti , vibra assieme ad esse .

Credo che sia spontanea l'analogia tra : 

Persona - Oscillatore da disciplinare
Stato di ubriachezza della persona - Instabilita' dell' Oscillatore da disciplinare
Larghezza del corridoio - Tempo di correzione dell' Oscillatore da disciplinare
Vibrazione delle pareti - Jitter ( instabilita' a breve termine ) del clock del GPS ( 1PPS) 

Ne consegue che tanto piu' la persona e' ubriaca , tanto piu' conviene intrappolarla tra le pareti , accettando che poi vibri assieme alle pareti e viceversa .
Tanto meno la persona e' ubriaca , tanto piu' conviene correggerla solo ogni tanto per riportarla in "carreggiata" .
In tutti e due i casi si avra' pero' sempre un errore di percorso , con oscillazioni a breve medio o lungo termine , a seconda dei criteri adottati .

Chi opera corretti algoritmi per disciplinare gli oscillatori opera con tali criteri .
Non e' banale sia adottare i corretti algoritmi , sia misurare correttamente i risultati per ottimizzarli .
Cio' spiega le notevoli differenze tra gli oggetti misurati e comunque i limiti invalicabili a certi costi .

La domanda che sorge' spontanea e' sicuramente ora : 

Per misurare una stabilita' di frequenza e' meglio usare un oscillatore libero al rubidio od un GPSDO a quarzo ?

La risposta e' insita nei due grafici della pubblicazione , tenendo conto che la misura in rosso della prima figura e' relativa al migliore GPSDO tra quelli misurati .

La risposta e' la seguente :

Con tempi di misura brevi o medi ( diciamo fino ad un giorno od una settimana , a seconda della bonta' di calibrazione dell'oscillatore al Rubidio ) l'oscillatore al Rubidio e' decisamente migliore .

Cerco di esemplificare .

L'oscillatore al Rubidio calibrato e' come una persona che vogliamo fare arrivare in un certo posto indicandogli una volta sola la direzione da prendere per arrivare in un punto ad una certa distanza .
La persona ha un tasso alcolemico quasi uguale a zero , per cui una volta indicatagli  la direzione tramite una bussola precisissima che abbiamo per determinare al giusta direzione , cammina molto bene seguendo una linea quasi perfettamente retta .
Non ha pero' punti di riferimento con cui guidarsi per correggere l'errore nel tempo .
L'errore che commettera' arrivando vicino alla destinazione sara' tanto maggiore quanto maggiore sara' il tempo che impieghera' per arrivare ( e quindi la distanza ) .
Seguira' quindi un percorso che si definisce di tipo "balistico" .

L'oscillatore al Quarzo disciplinato da GPS e' come una persona che vogliamo fare arrivare in un certo posto .Ha un tasso alcolemico abbastanza elevato , per cui procede barcollando ed a volte perdendo la direzione .Pero' ogni tanto , nel posto di arrivo si accende un faro . La persona lo vede e corregge la direzione per poi deviare nuovamente abbastanza facilmente fino alla successiva accensione del faro che gli consente di correggere la rotta .
Alla fine arriva sempre alla meta , qualche che sia la distanza od il tempo ,continuando ad avere lo stesso errore perche' anche arrivato alla meta continua a barcollare .....

Nella prossima puntata vedremo i risultati pratici di quanto esemplificato a parole  e che comunque gia' ben si vede nei due grafici di questa pubblicazione .

Continua ....

2 commenti:

ik1wvq ha detto...

Claudio,
fantastici i tuoi esempi "maccheronici" .. te li rubo (citando ovviamente la fonte) per i miei corsi ai futuri OM ...
ciaooo

Mauro Bernardetto IK1WVQ

Claudio Re Claudio ha detto...

Ben volentieri .Serviti di tutto quello che ti necessita. Oltre ovviamente a segnalarmi se ci sono svarioni ( che sono fisiologici ) o migliorie . Grazie . reclaudio@alma.it

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