Chaubet, M.

Gillet, D.

Giordano, V.

Lardet-Vieudrin, F.

Salzenstein, P.

Vernier, D.

Pour un oscillateur en bande X délivrant un signal de haute stabilité à sigmay =2.10-14 sur t de l'ordre de10s, niveau actuellement atteint au laboratoire avec les oscillateurs cryogéniques à base de saphir , le signal ramené à 100MHz donnera un niveau de bruit de –120 dBc/Hz à 1Hz de la porteuse avec une pente en 1/f3. La chaîne restituera le niveau de bruit du signal ramené à 100MHz pour les fréquences de Fourier inférieures à quelque Hertz. Au delà, le bruit du Mélangeur à Echantillonage utilisé dans la chaîne de synthèse est principalement l'élément limitant. La boucle d'asservissement du DDS provoque par ailleurs une remontée du bruit peu avant la dizaine de kiloHertz. Au delà, le plancher de bruit de la chaîne dépend des multiplicateurs par deux et des mélangeurs utilisés

Lardet-Vieudrin, Franck

Salzenstein, Patrice

Vernier, David

Gillet, Daniel

Chaubet, Michel

Giordano, Vincent

HAL - Université de Franche-Comté

Conception et re´alisation d’une chaˆıne de synthe`se100MHz a` partir d’un signal de re´fe´rence en bande XFranck Lardet-Vieudrin, Patrice Salzenstein, David Vernier, Daniel Gillet,Michel Chaubet, Vincent GiordanoTo cite this version:Franck Lardet-Vieudrin, Patrice Salzenstein, David Vernier, Daniel Gillet, Michel Chaubet, etal.. Conception et re´alisation d’une chaˆıne de synthe`se 100MHz a` partir d’un signal de re´fe´renceen bande X. 2003, IEMN, 2003. <hal-00022904>HAL Id: hal-00022904https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00022904Submitted on 14 Apr 2006HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestine´e au de´poˆt et a` la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publie´s ou non,e´manant des e´tablissements d’enseignement et derecherche franc¸ais ou e´trangers, des laboratoirespublics ou prive´s.4C213émes Journées Nationales Microondes, 21-22-23 mai 2003 – LILLE CONCEPTION ET REALISATION D’UNE CHAINE DE SYNTHESE100MHz A PARTIR D’UN SIGNAL DE REFERENCE EN BANDE XF. LARDET-VIEUDRIN, P. SALZENSTEIN, D. VERNIER, D. GILLET,M. CHAUBET* ET V. GIORDANOLPMO – CNRS UPR3203 associée à l’Université de Franche-Comté, 32 avenue de l’Observatoire, 25044Besançon Cedex, Francee-mail : patrice.salzenstein@lpmo.edu* CNES, 18 avenue E. Belin, 33055 Toulouse Cedex, FranceI. IntroductionLe laboratoire dispose d’un signal de haute stabilité de fréquence grâce à l’oscillateur saphir cryogéniquedeveloppé en bande X. Cependant, et dans le cadre d’un contrat avec le CNES [1], afin de disposer d’un signal à100MHz pour des comparaisons ultérieures, il est nécessaire de mettre en oeuvre une chaîne de synthèse, garantissant letransfert de la stabilité de fréquence. Le principe est d’asservir un oscillateur VCXO à 100MHz sur le signal del’oscillateur cryogénique à l’aide d’une chaîne comportant un mélangeur à échantillonage (sampling mixer) et unsynthétiseur numérique DDS.II. Schéma de principeFigure 1: Schéma de principe de la chaîne de synthèseA l’aide d’un multiplicateur par deux, l’oscillateur VCXO fournit un signal à 200MHz qui, d’une part sertd’horloge au synthétiseur numérique DDS délivrant un signal à 35MHz, et constitue d’autre part le signal d’excitationdu Mélangeur à échantillonage sur sa voie LO. Le mélange du signal de référence à 11,5GHz avec la 58emeharmonique du 200MHz donne un signal à 35MHz. Ces deux signaux permettent après mélange d’asservir le VCXO.III. Evaluation des principaux éléments de la chaîne de synthèseEtage de multiplicationLe VCXO est multiplié par 2 pour fournir un signal à 200MHz servant à la fois d’horloge au DDS et de signald’excitation du Mélangeur à échantillonage sur sa voie LO. Le signal en sortie du multiplicateur par deux donne unréjection supérieure à 65dBc entre le signal à 200MHz et les harmoniques à 100, 300 et 400MHz. Le résultat de lamesure de bruit de phase d’une paire de multiplicateurs identiques mesurée à 200MHz avec une sensibilité de 376mV/rad est présenté sur le Tableau 1 et figure 3.Synthétiseur numérique DDSLe DDS utilisé est un modèle commercial AD9852 de la société Analog Device possédant un accumulateur dephase sur 48 bits, un convertisseur de sortie sur 14 bits et une fréquence de travail pouvant aller jusque à 300MHz. Cemodèle a été conçu pour des applications de télécommunications numériques. Parmi tous les modes disponibles, lemode fondamental dit single-tone suffit pour notre application. Il permet de générer un signal sinusoïdal par scrutationd’une table d’onde et conversion digitale analogique. La fréquence du signal délivré par le DDS est donné par (1) :Fsignal=(p/248).Fref     (1)où p est le pas d’incrémentation de l’accumulateur de phase défini comme entier non signé sur 48 bits.4C213émes Journées Nationales Microondes, 21-22-23 mai 2003 – LILLE Sachant que 248 est de l’ordre de 1014.5, on dispose ainsi d’une résolution de l’ordre du microHertz à 100MHz.Nous avons developpé une carte DDS composée d’un élément de pilotage à base d’EPLD (Electrical ProgramableLogic Device) chargé de la gestion de l’interface parallèle du PC de commande. Elle permet entre autre laprogrammation des registres du DDS. Nous avons été amené à drainer la chaleur dissipée à l’aide d’un pont thermiqueen cuivre dont le capot est visible à gauche sur la figure 2 à cause de la consommation des DDS. En raison de la faiblepuissance RF disponible en sortie du DDS, il a été necessaire également de fabriquer une carte amplificatrice dotée d’unfiltre anti-repliement placée en sortie du DDS. Nous avons vérifié la réponse de cet étage de filtrage-amplification avecune réjection supérieure à 40dBc sur les harmoniques du signal IF de sortie du DDS.Figure 2: Photographie de la carte DDSMélangeur à échantillonageCes composants relativement fragiles sont protégés par un radiateur leur permettant de fonctionnner à l’ambianteavec une température de 36°C pour un signal hyperfréquence d’attaque de 0 dBm. Le bruit de phase des mélangeursutilisés a été mesuré en réjectant le signal hyperfréquence délivré par un synthétiseur sur les deux entrées desMélangeurs, le signal de pompe sur la voie LO à 200MHz étant constitué pour chacun d’eux de la multiplication du100MHz délivré par le VCXO.-180-170-160-150-140-130-120-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20-1001 10 100 1000 10000 100000Sampling Phase Detectors @ 11.565GDDSMultiplicateurs par 2Figure 3: Densité spectrale de bruit de phase Sf (en dB.rad²/Hz) en fonction des fréquences de Fourier (en Hz)respectivement de haut en bas pour les Mélangeurs à échantillonage, les DDS, les Multiplicateurs par deux4C213émes Journées Nationales Microondes, 21-22-23 mai 2003 – LILLE IV. Performances en bruitLes spécifications en terme de bruit de phase de l’oscillateur accordable en tension VCXO ont été vérifiées sur unepaire d’oscillateurs identiques. Le bruit de phase d’une paire de multiplicateur par deux a été mesuré à 200MHz. Demême les performances du DDS et du mélangeur à échantillonage ont été mesurées en terme de bruit de phase.Sur le tableau 1 nous présentons chacun des principaux éléments de la chaîne de synthèse.Bruit en dBc/Hzen fonction desFréquences deFourier1Hz 10Hz 100Hz 1kHz 10kHz 100kHzOscillateur11,5GHz* ramenéà 100MHz-117 -147 -177 <-177 <-177 <-177VCXO100MHz -75 -106 -135 -161 -176 -177Multiplicateur2x100MHz -153 -163 -172 -175 -176 -176DDS35MHz -110,3 -120,3 -130,3 -140,3 -149 -154,1SamplingMixer -85 -102 -113 -120 -121 -121,5*Estimation pour sy=2.10-14 à t=1s.Tableau 1: Niveau de bruit des différents éléments de la chaîneV. Bruit du signal synthétisé par la chaîneLes contributions en bruit des divers éléments de la chaîne permettent d’estimer le niveau de bruit du signaldélivré à l’utilisateur pour la sortie 100MHz. Il est possible d’exprimer la densité spectrale de bruit de phase SjC à l’aidede (2), en considérant une constante t dépendante des caractéristiques de la chaîne:( )SMDDSreflC SSSnfSffS jjjtpjtptpj ++÷øöçèæ++÷øöçèæ+= .²1.²²²411.²²²41²²²4      (2)t étant la constante de temps de l’asservissement.Figure 4: Photographie des deux chaînesréalisées Figure 5: Banc de mesure de bruit de phase4C213émes Journées Nationales Microondes, 21-22-23 mai 2003 – LILLE Deux chaînes identiques ont été réalisées. Elles ont été testées en terme de bruit en réjectant le signalhyperfréquence en bande X délivré par un un synthétiseur de marque Agilent Technologies. Nous avons opéré pourdivers fréquences comprises entre 9 et 12,5GHz. Les résultats sont présentés pour un signal à 11,5GHz, la mesure étanteffectuée sur le mélange des deux signaux utiles délivrés par chacune des chaînes de synthèse à 100MHz.-180-170-160-150-140-130-120-110-100-90-80-70-600.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000Bruit @100MHz des deux chaînes de synthèse pour une RF @11,565GHzFigure 6: Performances en densité spectrale de bruit de phase Sf (en dB.rad²/Hz) en fonction des fréquences de Fourier(en Hz) du signal synthétisé à 100MHzVI. DiscussionLes deux chaînes réalisées étant identiques, le niveau de bruit résiduel du signal délivré par la chaîne à 100MHzest donné dans le tableau suivant :Fréquence de Fourier 0,01Hz 0,1Hz 1Hz 10Hz 100Hz 1kHz 10kHz 100kHzBruit d’une chaîneen dBc/Hz -101 -116 -131 -141 -153 -160 -169 -172Tableau 2: Niveau de bruit des différents éléments de la chaînePour un oscillateur en bande X délivrant un signal de haute stabilité à sy =2.10-14 sur t de l’ordre de10s, niveauactuellement atteint au laboratoire avec les oscillateurs cryogéniques à base de saphir [2], le signal ramené à 100MHzdonnera un niveau de bruit de –120 dBc/Hz à 1Hz de la porteuse avec une pente en 1/f3.  La chaîne restituera le niveaude bruit du signal ramené à 100MHz pour les fréquences de Fourier inférieures à quelque Hertz. Au delà, le bruit duMélangeur à Echantillonage utilisé dans la chaîne de synthèse est principalement l’élément limitant. La boucled’asservissement du DDS provoque par ailleurs une remontée du bruit peu avant la dizaine de kiloHertz. Au delà, leplancher de bruit de la chaîne dépend des multiplicateurs par deux et des mélangeurs utilisés.Références[1] Contrat CNES 714/01/CNES/8955/00.[2] P.Y. Bourgeois,  Y. Kersalé, N. Bazin, M. Chaubet and V. Giordano, "Cryogenic opened cavity sapphire resonatorfor ultra stable oscillator", soumis pour publication dans la revue Electronics Letters : Papier numéro ELL 38056

Conception et réalisation d'une chaîne de synthèse 100MHz à partir d'un signal de référence en bande X

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Conception et réalisation d'une chaîne de synthèse 100MHz à partir d'un signal de référence en bande X.

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