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Oszillator- und GPS-Systemhersteller

Die enge Kooperation ist entscheidend

IQD
Die 1-PPS-Ausgangssignale des IQCM-200 mit der neuen Firmware im Vergleich zur Original-Firmware und IQDs GPS-Empfänger über einen Zeitraum von mehr als zehn Stunden.
© IQD

Um komplexe Designs im Bereich disziplinierter OCXOs durchführen zu können, ist es wichtig, dass die Hersteller diese Produkte eng mit den Herstellern der Endsysteme zusammenarbeiten, wie IQD an einem Beispiel zeigt.

Viele Technologien werden immer komplizierter und erschweren es einzelnen Personen oder Unternehmen, das Design und die Entwicklung eines neuen Produkts alleine durchzuführen. Um ein neues Produkt erfolgreich zu entwickeln, wenden sie sich deshalb gerne an externe Designer und Ingenieure, um gemeinsam Lösungen zu erarbeiten.

Ein Beispiel dafür: GMV ist ein multinationales Unternehmen, das die Raumfahrtindustrie mit Systemen und Anwendungen wie Simulatoren, Navigations- und Kontrollsystemen oder On-Board Software versorgt. Zu den Anwendungen gehören unter anderem Beiträge zum Galileo-System und anderen Missionen der European Space Agency (ESA).

Anpassung der Produktfirmware

Im vergangenen Jahr begab sich GMV auf die Suche nach einem Disciplined OCXO für ihr neuestes Produkt. Aufgrund der hohen Holdover-Stabilität und der guten Rauschunterdrückung entschied sich GMV für den IQCM-200 und das zugehörige IQCM-Evaluierungs-Board von IQD.

Nach einem mehrtägigen Test stellte GMV fest, dass die Produktfirmware nicht den Anforderungen für spezielle Anwendung bei geostationären Satelliten entsprach: Ihr System erfordert eine äußerst präzise und genaue Zeitbasis, um den Synchronisationsfehler zwischen den Bodenstationen zu verringern. Eine Verwendung der original mitgelieferten Firmware hätte Auswirkungen auf die Berechnung der Positionierung dieser geostationären Satelliten nach sich gezogen. Wichtig dabei: Der IQCM-200 ist dafür ausgelegt, sowohl 1 PPS (Puls pro Sekunde) als auch 10-MHz-Ausgangssignale mit einer Holdover-Stabilität von ±1,5 μs über einen Zeitraum von 24 Stunden zu liefern. Damit ist das IQCM-200-Modul in der Lage, die Anforderungen von Telekommunikationsstandards für Anwendungen wie beispielsweise LTE-TDD zu erfüllen. GMV erhoffte sich allerdings, den IQCM-200 als eine Art Filter zu verwenden, um die vom GPS-Empfänger erzeugten Störungen im 1-PPS-Signal zu entfernen. Um diese abweichende Verwendung unterstützen zu können, mussten IQD und GMV eng zusammenarbeiten und Lösungsansätze prüfen.

Wie weit kann man für eine optimale Synchronisierung gehen?

Nach sorgfältigen Untersuchungen im IQD-Labor zeigte das 1-PPS-Signal des IQCM-200, während es sich im Lock-Status befand, über einen kurzen Zeitraum von einigen Minuten weniger elektronisches Rauschen als der GPS-Empfänger selbst. Im Lock-Status bedeutet, dass das 1-PPS-Signal der Synchronisationsquelle – in diesem Fall der GPS-Empfänger – weiterhin vorhanden ist und sich somit das 1-PPS-Ausgangssignal des IQCM-200 ständig damit synchronisiert. Bei Betrachtung über einen längeren Zeitraum von Stunden zeigten sich jedoch starke Schwankungen im 1-PPS-Ausgangssignal des IQCM-200. Weil die Hauptfunktion des IQCM-200 allerdings die Leistung während des Holdovers ist, stand die Optimierung der Leistung im Lock-Status in der Vergangenheit nie im Mittelpunkt.

Nach einigen Monaten des Entwickelns und Testens fand IQD schließlich eine Lösung für GMV. Die Firmware wurde angepasst, indem die Frequenz und die Phase-Lock-Zeit in der Firmware geändert wurden, um die Leistung mit Rauschunterdrückung zu optimieren. Durch die Rauschunterdrückung erhält GMV jetzt ein wesentlich besseres, präziseres Signal für seine Anwendung.

Bild 1 zeigt die von IQD aufgenommenen Phasendaten des GPS-Empfängers (blaue Linie) und die Phasendaten des IQCM-200, wenn er mit diesem GPS-Empfänger verbunden ist (Lock-Status). Die Messung zeigt, dass die alte IQCM-200-Firmware (graue Linie) eine Reihe erheblicher Sprünge in der Phasenabweichung aufweist. Die neue Firmware des IQCM-200 (rote Linie) hingegen erweist sich sowohl im Vergleich zum GPS-Empfänger als auch zur ursprünglichen IQCM-200-Firmware als wesentlich stabiler, und das über die gesamte Dauer der Messung. Das IQCM-200 wirkt deshalb jetzt als eine Art Rauschfilter für das Eingangssignal.

Die Anpassung der Firmware des IQCM-200 hat es GMV ermöglicht, die Zeitangaben an den Bodenstationen genau zu erfassen. Darüber hinaus ist das Datenprotokoll nun beständig, was eine genaue Synchronisierung zwischen den Bodenstationen ermöglicht und die Position der geostationären Satelliten sicherstellt.

Raúl Nieto Freire, Mitglied des GMV-Produktionsteams, sagt dazu: »Der letzte Anwendungsfall für unseren Timing-Empfänger, den WANtime Rx, ist die Integration in eine passive Entfernungsmessungsarchitektur für geostationäre Satelliten, bei der die Genauigkeitsgrenzen für die Orbitbestimmung bewertet werden müssen. In diesem System fungiert unser Zeitempfänger als Zeitbasis zwischen zwei nachführenden Bodenstationen. Hier ist die Genauigkeit und Präzision der Zeitstempelquelle entscheidend für die Kreuzkorrelation der an den beiden Stationen empfangenen Daten.

Das unbearbeitete 1-PPS-Signal des GNSS-Empfängers von GMV wies aufgrund der begrenzten Geschwindigkeit seines internen Oszillators einen digitalen Jitter von ±4 ns auf. Dies kann im schlimmsten Fall zu einem Synchronisationsfehler von 8 ns zwischen zwei Ortungsstationen führen. Durch den Einsatz des IQCM-200 wird dieser digitale Jitter herausgefiltert, was zu einer besseren Synchronisation zwischen den Stationen führt.« 

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