GPS-DO 의 제작 및 테스트(1)

GPS-DO 란  GPS Disciplined Oscillator 의 약자로서 직역하자면 "GPS 훈련(규율, 징계) 발진기" 이다. 

의역하자면 "GPS 동기 발진기" 또는"GPS 로 추적 조정되는 발진기" 라고 말할 수 있다.

 

GPS 의 클럭은 세슘 원자시계에 동기화되므로 이 신호에 클럭(오실레이터)을 동기화 시키면 매우 정밀한 기준 신호를 얻을 수 있다.  (참고  https://en.wikipedia.org/wiki/GPS_disciplined_oscillator)

GPS disciplined oscillator - Wikipedia

 

이 방식은 셀룰러 기지국 등에서 레퍼런스 클럭으로 대표적으로 사용되며 기준 신호의 정확도를 원자시계 수준으로 유지하기 위한 방법 중 가장 효율적인 방법 이라고 할 수 있다.  

 

물론 시중에 반도체 메이커의 전용 모듈(부품),  전문 업체가 만든 전용 장비(루비듐 발진기를 장착한 장비는 상당한 고가임),  개별 부품을 사용하여 조립된 키트 또는 부분 키트(OCXO 사용, 비교적 저렴함) 등이 판매 되고 있다. 
따라서 정밀한 표준 클럭이 당장 필요한 경우라면 굳이 만들지 않아도 다양한 가격대의 제품 중에 선택할 수 있다. 
※ 저렴한 제품은 중고 부품(특히 발진기에 사용되는 OCXO) 을 사용하므로 성능(안정성 및 정확성) 은 운에 따른다.

 

GPS DO 의 작동원리는 비교적 간단하다. 

 

GPS 수신기가 발생시키는 GPS 동기화 1초 신호(1 PPS)는  단기적으로는 편차가 존재하지만 장기적으로는 정확하다. 즉 신호와 신호 간격에는 +- 오차가 있지만 1분에 정확하게  60개, 하루에 정확하게 60X60X24 개의 신호를 발생시킨다. 

각각의 신호에 포함된 타이밍 오류(Jitter)는 불규칙한 값이므로 긴 시간동안 1PPS 누적하여 평균을 내면 누적 갯수만큼 오차를 줄일 수 있다. 대체로 100~1000초 범위를 사용하며 이 경우 오차는 1/100 ~ 1/1000 로 줄어들게 된다.

 

일반적인 GPS 수신기의 1 PPS 편차는 +- 20ns 이내,  신호 수신 상태가 안좋을 때 일시적으로 +- 100ns 이상 까지도 벌어질 수 있다고 알려져 있다.  시간상수가 100 초 일 때 오차 1/100 을 주파수로 환산하면 1GHz 에서 +- 0.2Hz  이다. (최악의 경우 +- 1Hz 이상) . 참고로 이 용도로 사용되는 타이밍 신호 생성 전용의 GPS 수신기가 별도로 존재한다.(일반 수신기와 다르게 위치를 측정할 필요가 없으므로 가장 가까운 위성으로(머리 위) 부터 타이밍 신호를 수신한다.)

전술한대로 GPS-DO 의 원리상  타이밍 간격 측정 하려면 별도의 기준 클럭이 필요함을 알 수 있다. 이 신호는 정확할 필요는 없지만 누적 측정 기간 동안 안정적이여 한다.(측정 타이밍이 변하면 누적 측정의 의미가 없어지므로)  
따라서 주파수 변동이 거의 없는 매우 안정적인 발진기(오실레이터)가 필요하고 사실상 이것이 GPS-DO 의 최종 성능을 결정한다고 봐도 무방하다. (※ GPS 수신기 내부에도 타이밍을 측정하기 위한 발진기가 내장되어 있으며, 일부 신형 GPS(ublox 7 이상) 에는 48MHz 를 분주하여 클럭을 출력하는 기능을 갖추고 있음, 안정적이지는 않지만 실용 가능한 수준이다) 

 

GPS-DO 에 사용되는 각 오실레이터의 종류별 주파수 안정성을 순서대로 적어보자면 아래와 같다.

※ 오실레이터에서 가장 크게 문제가 되는 것은 주변 온도 변화에 대한 주파수 변동이며 성능은 대부분 온도에 따른 주파수 변동을 얼마나 억제할 수 있느냐에 의해 판가름 된다.(안정성 이외에 위상잡음 등의 평가 척도가 따로 있지만 대체로 안정성이 좋으면 위상잡음도 낮다)

1. 루비듐(Rb) 발진기.
2. DOCXO (이중 오븐 크리스털 발진기) 
3. OCXO (오븐 크리스털 발진기)
4. TCXO(온도 보상 크리스털 발진기, 실제로는 주파수 전압 제어가 가능한 VTCXO 를 사용해야 한다) 
5. XO (일반 크리스털 발진기) 또는 XO 와 조합된 PLL (Si5351 등)

 

※ 개별 부품을 구할 때는 신중해야 한다.
수명이 다 된 Rb 보다 신품 OCXO 가 더 나을 수 있고, 주파수가 오락가락 하는 구형 OCXO 보다 신품 TCXO 가 더 나을 수 있다. 중고로 나온 오실레이터(특히 오래된)는 상태를 알 수 없는 경우가 대부분이므로 이것은 어디까지나 "정상적인" 경우에만 적용된다. 제조기술의 발달로 점점 더 저렴하고 안정적인 오실레이터가 생산되고 있으므로 구매 전에 사양을 잘 확인 하도록 한다.

 

※ 주파수 안정성에 대한 표기로는 1Hz 를 기준으로 표기한다. 
따라서 주파수가 10,000,000 Hz (10MHz) 이고 +-1Hz 변동을 한다면 주파수 안정성은 +-  1 곱하기 10 의 -7   이다.
+- 1 * 10^-7   약식 표기로는 +- 1E-7   또는 +- 10E-6 이다.
이러한 안정성 이라는 개념에는 그 안정성을 유지하는 기간(시간)또는 조건도 명시되어야 하므로 1초, 한시간, 1일, 1년 등 상온 25도, 또는 30도 등,  각 회사에 따라 나름대로의 평가기준을 가지고 데이터를 제공한다. 

또한 모든 오실레이터가 사용 시간 또는 보관 기간에 따라 서서히 Aging(노화, 열화, 경년변화) 되므로  그 변화량 역시 명시하고 있다. 이러한 안정성의 평가 척도로 가장 널리 사용되는 것은 ADEV 라고 하는 앨런 편차(Allan Deviation)로서 그래프를 통해 시간에 따른 편차를 한번에 볼 수 있으므로 오실레이터의 안정성 평가에 거의 빠지지 않고 등장한다.

 

아래는 참고적인 수치이다. 

 

1. Stanford Research Systems 의 PRS-10 루비듐 오실레이터   
  100초 안정성  2E-12 이하(작을 수록 좋음)     1GHz 에서 +- 0.002Hz
  1달 경년변화  5E-11 이하(작을 수록 좋음)
  https://www.thinksrs.com/downloads/pdfs/catalog/PRS10c.pdf

2. ISOTEMP 사 OCXO 131 시리즈
주파수 안정성 +-5E-9 에서 +- 50E-9 까지 (사용 온도범위 및 안정성은 선택 사양)
1GHz 에서 +- 5Hz(최상 옵션 선택시) 
1일 경년변화 +-0.5E-9  (따라서 한달은 이것의 30 배 부근으로 추정 가능하며, 1달은 데이터 시트에 명시되지 않았다.)

3. 일반적인 상용 GPS-DO 의 1일 안정성 
1E-12 부터 5E-14 사이 (세슘 원자시계와 동일, 아래 기술 논문 참고)
※ 단, 안정화 된 이후(양호한 위성 신호를 지속적으로 수신 한다는 가정)

 

GPS DO 에 대한 더 세부적인 정보(세슘, 루비듐 및 GPS DO 장치간 성능 평가 등)는 아래 기술 논문을 참고한다.
Michael A. Lombardi,  September 1, 2008 
The Use of GPS Disciplined Oscillators as Primary Frequency Standards for Calibration and Metrology Laboratories
https://www.nist.gov/publications/use-gps-disciplined-oscillators-primary-frequency-standards-calibration-and-metrology

 

여기까지 GPS-DO 에 대한 기본 배경 설명을 마치고 제작에 대한 내용을 시작한다. (자세한 정보는 각 제작사 또는 부품 공급사의 자료를 참고한다)

상기 설명에서와 같이 기본적인 작동은 1초 신호를 누적 측정하고 여기에 클럭을 동기화 시키면 되는 것으로써  원리적으로는 단순하다.  상용 제품을 제외하고(내부 구현에 대해 밝히지 않음)  아마추어 레벨에서는 여러 사람에 의해 GPS-DO 가 시험 제작되고 테스트 되었다.

GPS-DO 방식은 크게 FLL (주파수 고정 루프) 와 PLL (위상 고정 루프) 방식으로 나뉠 수 있다.
어느 방식이든 핵심적인 부분은 GPS 의 PPS 시간을 정밀하게 측정하는 방법이다, 즉  TIC (Time Interval Counter) 를 얼마나 높은 분해능으로 구현하느냐에 따라 기본적인 성능이 결정된다.

 

FLL 은 100% 주파수 카운터에 의존한다. 디지털 로직 레벨 수준(또는 소프트웨어)에서 모든 것을 처리하므로 기술적(수학적)으로는 간단하다.  따라서 구현 초기에 다양하게 시도된 것으로 보인다.  다만 TIC 의 높은 분해능(타이밍 해상도)을 얻기 위해서는 게이트 타임(누적시간) 또는 오실레이터의 주파수가 높아져야 하므로 근본적인 한계가 있다(이러면 역으로 오실레이터 자체의 주파수 안정성이 문제가 된다) . 예컨데  일반적인 10MHz 오실레이터를 사용하면 1초 분해능은 1E-7  에 불과,  TIC 간격을 늘려서 100 초를 측정해도 1E-9 에 불과하게 된다. 따라서 FLL 방식에서 1E-10 이상을 달성하기 위해 최대 1000 초 이상의 게이트 타임을 사용하는 것은 일반적인 수준이다.

 

장점 : 명확한 신호처리(100% 디지털),  신뢰 할 수 있는 간단한 구조.

단점 : 오실레이터에 드리프트가 존재하더라도 빠른 대응이 어려움. 

PLL 은 1 PPS 와 오실레이터 클록 간의 위상차로 인해 발생하는 전압을 측정하여 TIC 를 구현한다.  이론상 오실레이터의 주파수는 문제가 되지 않는다. 구현은 디지털 + 아나로그가  혼합된 회로이다. 이러면 보통 상당한 규모의 복잡한 회로이지만 몇개의 부품으로 설계한 Lars GPS-DO 의 출현 이후로 아마추어 레벨에서의 GPS-DO 구현에는 이 방식이 대세가 되는 추세이다.  설명을 인용하자면, 이 회로의 1PPS 분해능은 1ns 이다.   즉 1초에 1E-9,  이론상 100초를 누적하면 1E-11, 1000 초면 1E-12 에 해당한다. 

 

단점 : 복잡한 신호처리 계통, 아나로그 + 디지털 혼합이므로 전원 특성(노이즈),  주변 온도변화 등에 FLL 보다 더 민감하므로 설계 단계에서 적절한 대응을 하지 않으면 신뢰성이 저하된다. 

장점 : 오실레이터가 빠른 드리프트를 하더라도 보정이 가능(이론상 최소 1초)

 

※  PLL 이든 FLL 이든 안정적인 GPS 신호와 안정적인 오실레이터가 갖춰지면 실용상 문제가 되지 않는다.

※ 신호나 오실레이터가 불안정한 경우에는 빠르게 반응하는 PLL 이 유리하다. (예컨데 PPS 타이밍에 크게 문제가 발생할 경우 PLL 은 거의 즉각 알 수 있지만, FLL 은 감지할 때 까지 시간이 걸릴 수 있음)

 

아래는 GPS-DO 를 실제로 구현한 프로젝트들의 목록이다. 

 

1. 현재 Lars Walenius 는 고인이 되었으므로  EEVBLOG 에 남아있는 것이 유일한 자료(소스, 회로, 기술문서 포함)

PLL 방식, 개인적으로 GPS-DO 를 만드는 다수가 이 프로젝트로 시작하고 있다.
https://www.eevblog.com/forum/projects/lars-diy-gpsdo-with-arduino-and-1ns-resolution-tic/

2. ZL1BPU 의 Lars GPS-DO 를 기반의 개량(LCD 탑재) 버전
 여기에는 GPS-DO 에 대한 일반적인 자료도 있다.
https://www.qsl.net/zl1bpu/PROJ/NGPSDO/New%20GPSDO.htm

Lars DIY GPSDO with Arduino and 1ns resolution TIC - Page 1

New GPSDO

 

3. Lars GPS-DO 의 개량 및 실험  Paul's DIY electronics blog

 

Lars  GPS-DO 의 초기부터 EEVblog 에서 지속적인 실험 및 회로 개량, SW 변경 등을 실험 중.

 

Paul's DIY electronics blog

https://www.paulvdiyblogs.net/2020/07/a-high-precision-10mhz-gps-disciplined.html

 

※ 이외에 Lars GPS-DO 의 회로 변경 및 SW 를 개량한 다양한 변종이 있음.

 

아래 부터는  Lars GPS-DO 와 관련 없지만 다른 GPS-DO 들의 회로이다. (더 있을 수 있음)

1.  F2DC 의  SI5351 PLL 기반의 GPS-DO 
장점. GPS 에 동기화된 임의 주파수 생성 가능.
단점. 높은 위상잡음.
http://roland.cordesses.free.fr/GPS_Si2cor.html


2. erikkaashoek 의 SI5351 PLL 기반 GPS-DO 
기본적으로 F2DC 의 GPS-DO 를 계승함
그러나 최종적으로 Lars GPS-DO  위상 검출 회로가 추가 되었다.
https://github.com/erikkaashoek/Arduino_SI5351_GPSDO

GitHub - erikkaashoek/Arduino_SI5351_GPSDO: Very simple Arduino nano and SI5351 GPSDO using the PPS from a GPS receiver

 

3.  GPSDO YT, Disciplined Oscillator 10Mhz Reference Frequency. Low Cost. Accurate.

 

FLL 기반, ATMega328 사용(아두이노 C 가 아님, 어셈블리 소스) 

https://www.instructables.com/GPSDO-YT-10-Mhz-Lcd-2x16-With-LED/

GPSDO YT 10 Mhz Lcd 2x16 With LED, UTC Time and GPS Localisation.

https://github.com/YannickTurcotte/GPSDO-YT

소스 코드(공개됨)

GitHub - YannickTurcotte/GPSDO-YT

 

4. MIS42N  의 저예산 PIC 기반 GPS-DO (키트 판매용)
FLL 기반,  PIC 어셈블리로 작성됨.

소스를 찾을 수 없으나(공개되지 않았거나 찾을 수 없음) 문서와 회로는 공개됨
https://www.eevblog.com/forum/projects/budget-gpsdo-a-work-in-progress/

Budget GPSDO - a work in progress - Page 1

 

5.  GPSDO with ADC and programmable frequency output

 

PIC 카운터로 알려진 DL4YHF 가 제작중인 GPS-DO 

완료가 되지 않았으며 참고사항임.

https://www.qsl.net/dl4yhf/gpsdo/html/gpsdo_pic.htm

GPS disciplined oscillator with ADC and programmable frequency output

 

나의 경우 최종적으로는 Lars GPS-DO 의 원본 버전을 제작하기로 결정 되었다.

 

다음 글에 이어진다.