완벽한 단일 클럭은 없습니다. 어떤 오실레이터는 탁월한 장기 안정성을 자랑하고, 어떤 오실레이터는 마이크로초 단위의 시간 단위에서 위상 잡음이 거의 없어 단기적으로 뛰어난 성능을 발휘합니다. 정밀 측정부터 고속 통신에 이르기까지 모든 분야에서 성능은 적절한 안정성에 달려 있으며, 단일 솔루션으로는 모든 것을 완벽하게 제공할 수 없습니다. 모쿠:델타 여러 기준 발진기의 장점을 결합한 클록 블렌딩 아키텍처를 통해 이 문제를 해결합니다. 세심하게 설계된 중첩 PLL 시스템은 각 클록에 가장 적합한 기능을 할당합니다. 협대역 루프는 고품질 기준 발진기의 탁월한 장기 안정성을 확보하고, 광대역 루프는 VCXO의 탁월한 단기 성능을 활용합니다. 그 결과, 광범위한 시간 스케일에서 낮은 지터와 ±1ppb의 온보드 클록 안정성을 제공합니다. 더 넓은 타이밍 시스템과의 통합이 필요한 애플리케이션을 위해 Moku:Delta의 클록 블렌딩 기능은 10/100MHz 외부 기준 입력, 1pps 입력, 그리고 탈착식 GNSS 수신기를 통합하도록 확장되었습니다.
기존 지터 및 위상 잡음 제어
클록 신호 성능은 일반적으로 클록의 측정 주기와 이상적인 주기의 차이인 시간 지터로 특징지어집니다. 주파수 영역에서 이 지터는 발진기의 무작위 주파수 변동을 나타내는 위상 잡음으로 변환됩니다. 발진기 출력의 위상 잡음을 줄이기 위해 위상 고정 루프(PLL)를 구현하여 원치 않는 변동을 보정합니다. 전압 제어 수정 발진기(VCXO)는 일반적으로 출력 주파수를 생성하는 데 사용됩니다.
그림 1: 일반적인 PLL.
그림 1은 입력에 기준 발진기가 있는 일반적인 PLL 구조를 보여줍니다. VCXO 출력은 위상 검출기(PD)로 피드백되기 전에 N으로 나누어지며, 이를 통해 PLL은 출력에서 기준 주파수를 N으로 곱합니다. 이러한 유형의 PLL은 루프 대역폭 내에서 "더 깨끗한" 기준 발진기의 저주파 변동을 추적하기 때문에 "지터 클리너"라고 합니다. 루프 대역폭은 PLL이 기준 발진기와 제어 발진기 사이의 위상 또는 주파수 오차에 반응하고 이를 보정하는 주파수 범위입니다. 루프 대역폭이 좁으면 PLL은 느린 변동만 보정할 수 있고, 루프 대역폭이 넓으면 빠른 변화를 추적할 수 있습니다. 그림 3과 4에 나타낸 루프 대역 다이어그램은 위상 잡음을 유발하는 주파수 대역을 보여줍니다. 루프 대역폭 아래에서는 PLL이 기준 발진기를 따라가면서 낮은 오프셋 잡음을 출력으로 전달하고 VCXO 잡음을 억제합니다. 루프 대역폭 위에서는 기준 발진기의 잡음이 감쇠되고 VCXO 잡음이 출력에서 지배적인 역할을 합니다. 즉, 루프 필터는 기준 잡음에 대해서는 저역 통과 필터 역할을 하고, VCXO 잡음에 대해서는 고역 통과 필터 역할을 합니다. 이로 인해 출력에서 어떤 잡음원이 지배적인지 절충해야 합니다. 루프 대역폭이 좁으면 VCXO의 저잡음이 높은 오프셋 주파수에서 더 많이 지배적이 되어 지터 성능이 향상되지만, PLL은 장기적인 기준 주파수 드리프트를 추적하는 속도가 느려집니다. 반면, 루프 대역폭이 넓으면 PLL은 기준 주파수를 더 빠르게 추적하고 VCXO 잡음을 더 멀리까지 억제할 수 있지만, 기준 주파수의 고주파 잡음이 출력으로 더 많이 전달됩니다. 설계 목표는 기준 발진기와 VCXO의 위상 잡음과 PLL의 원하는 추적 속도 사이에서 균형을 맞추는 것입니다.
Moku:Delta 중첩 PLL 설계(클럭 블렌딩)
Moku:Delta는 모든 시간 범위에서 최적의 클럭 안정성을 위해 다중 PLL 아키텍처를 사용합니다. 12.5GHz VCO는 출력을 생성하는 데 사용되며, 122.8MHz 오븐 제어 크리스털 발진기(OCXO) 기준 주파수에 고정된 10MHz VCXO로 구동됩니다. 장기 안정성을 향상시키기 위해 외부 발진기에 고정된 추가 PLL(주파수 기준 PLL)을 사용하여 VCXO PLL(주)을 조정할 수 있습니다. 보조 기준 발진기의 단기 안정성이 잡음이 더 크더라도 루프 대역폭을 넘어서면 낮은 VCXO 잡음이 여전히 지배적이기 때문에 전체 단기 성능에는 영향을 미치지 않습니다. 이는 해당 주파수 대역에서 위상 잡음이 가장 적은 소스에 루프 대역폭을 할당하는 하이브리드 기준 발진기로 볼 수 있습니다.
Moku:Delta는 한 걸음 더 나아가 초당 펄스(PPS) 레퍼런스를 사용하여 두 번째 PLL을 제어하는 세 번째 PLL(동기화 기준 PLL)을 추가합니다. PPS 신호는 협정 세계시(UTC)에 맞춰 매우 정확한 타이밍을 제공하지만, 개별 펄스는 환경 및 위성 영향으로 인해 단기 지터를 나타낼 수 있습니다. 매우 좁은 루프 대역폭과 함께 사용할 경우, 동기 기준 PLL은 초장기 드리프트만 보정하여 단기 및 중기 잡음 성능은 더 깨끗한 발진기에 의해 좌우됩니다.
그림 2: Moku:Delta 클록 블렌딩 회로도. VCO 출력을 구동하는 메인 PLL(Main)은 외부 기준 발진기에 고정된 두 번째 PLL(주파수 기준 PLL)에 의해 조정됩니다. 두 번째 PLL은 1PPS(초당 펄스) 기준 발진기에 고정된 세 번째 PLL(동기화 기준 PLL)에 의해 조정됩니다.
그림 2는 Moku:Delta 클럭 시스템에 사용되는 중첩 PLL의 개략도를 보여줍니다. 메인 PLL(Main)은 그 아래에 있는 두 번째 PLL(주파수 기준 PLL)에 의해 제어됩니다. 두 번째 PLL은 외부 10MHz 또는 100MHz 기준 발진기에 동기화됩니다. 이 기준 발진기를 사용하면 VCXO 및 OCXO 발진기로 인한 드리프트가 제거되어 여러 장치를 서로 동기화하거나 원자 시계와 같은 더 안정적인 발진기에 동기화하는 데 유용합니다. 두 번째 PLL은 세 번째 PLL(동기화 기준 PLL)에 의해 제어됩니다. 동기화 기준 PLL은 초당 1펄스(PPS) 기준 신호에 동기화되며, 이 신호는 SMA 포트를 통해 외부에서 입력받거나 Moku:Delta 글로벌 항법 위성 시스템(GNSS) 모듈에서 직접 입력받을 수 있습니다. 피드백은 VCO에서 출력되는 1Hz 신호를 분주한 것으로, 위상 조정에 사용됩니다. 이를 통해 동기화 기준은 주파수를 안정화할 뿐만 아니라 절대 위상 기준을 제공하여 모든 출력 클록 에지를 협정 세계시(UTC) 마커와 정렬합니다. UTC는 전 세계 시계 및 통신 시스템에서 사용되는 국제 표준 시간입니다. GNSS는 위성의 원자 시계와 동기화하여 정밀한 타이밍 신호를 제공합니다. Moku:Delta GNSS 모듈은 장기적인 시간 안정성을 위해 5ns 미만의 정확도로 1 PPS 신호를 생성합니다. GNSS 기준은 UTC에 맞춰 정렬된 절대 타임스탬프도 제공합니다. 또는 외부 1 PPS 기준에 GNSS 모듈을 사용하지 않을 수도 있습니다. 외부 GPS 동기화 발진기 또는 원자 시계에서 생성된 1 PPS 신호를 사용하여 장기적인 안정성을 확보할 수 있지만, GNSS 신호의 절대 타임스탬프는 제공하지 않습니다.
그림 3: 혼합형 클록 루프 밴드.
그림 3은 Moku:Delta에서 세 개의 PLL을 모두 사용할 때의 루프 대역을 보여줍니다. 40Hz(단기 안정도) 이상의 주파수 오프셋에서는 VCXO의 위상 잡음이 지배적입니다. 2Hz에서 40Hz(중기 안정도) 사이에서는 OCXO가 지배적입니다. 20mHz에서 2Hz(장기 안정도) 사이에서는 외부 레퍼런스가 지배적이며, 1mHz보다 느린 주파수에서는 20PPS 소스가 지배적입니다(초장기 안정도).
클록 블렌딩 아키텍처를 구성하는 데에는 어떤 옵션이 있나요?
Moku:Delta에서는 VCXO와 OCXO가 항상 클록 생성 신호에 사용됩니다. 외부 기준 발진기와 1 PPS 발진기는 선택 사항이며, 메인 메뉴의 "클록 블렌딩 구성" 설정에서 활성화/비활성화할 수 있습니다(그림 4 참조). 그림 5는 다양한 클록 소스 구성에 따라 루프 대역이 어떻게 조정되는지 보여줍니다. 대역 주파수는 각 발진기의 위상 잡음이 지배적인 주파수를 나타냅니다. 사용자는 시스템의 타이밍 요구 사항에 따라 클록 구성을 선택해야 합니다. OCXO의 위상 잡음이 타이밍 요구 사항을 충족하지 못하는 경우, 지터가 낮은 외부 기준 발진기를 사용할 수 있다면 10MHz 또는 100MHz 외부 기준 발진기를 사용해야 합니다. 여러 날 또는 몇 주에 걸친 측정과 같이 매우 정밀한 초장기 타이밍이 필요한 경우, 외부 1 PPS 또는 GNSS 1 PPS를 활성화해야 합니다. 특히 절대 타임스탬프가 필요한 경우 GNSS 1 PPS를 사용해야 합니다.
그림 4: 클록 블렌딩 구성 인터페이스
그림 5: Moku:Delta의 다양한 클록 블렌딩 구성
제품 개요
Moku:Delta의 클럭 블렌딩 아키텍처는 다양한 시간 단위에 최적화된 여러 개의 레퍼런스 오실레이터를 활용하여 테스트 및 측정에 매우 정밀한 타이밍을 제공합니다. 사용자는 타이밍 요구 사항에 따라 활성화할 레퍼런스 소스를 선택하여 애플리케이션에 맞게 클럭 구성을 조정할 수 있습니다. 이러한 유연한 접근 방식은 모든 시간 단위에서 위상 잡음을 최소화하여 고속 및 장시간 측정 모두에서 안정적인 타이밍을 제공합니다.