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le 03/09/2010

    Objectif de cette page

   Suite à une discussion sur le forum ATV , un radioamateur affirmait que les PLL n'etaient pas utilisables comme OL pour travailler un signal OFDM pour la bande 3cms, soit 10GHz.

J'ai effectué quelques mesures et comparaison afin de montrer et comparer les performances des quelques modules PLL que je possède....

Je ne vais pas trop rentrer dans les details techniques car sinon il me faudrait une semaine pour écrire cette page. Je ne vais pas rentrer dans les considérations techniques des PLL, cela m'amenerait trop loin.
 

    Specification technique

    Tout d'abord, afin de savoir de quoi il est question, il convient de connaitre les performances necessaires au besoin. En general, cela est specifié dans un papier appelé specification technique. Il ne s'agit nullement d'avancer qu'un appareil est beau pour être performant, il faut que techniquement cet appareil reponde à la specification technique.

   A l'heure où j'ecris ces quelques lignes, je n'ai pas toutes ces specifications que je souhaitais entre mes mains. Les recherches que j'ai rapidement effectué cette aprés midi ont donnés peu de resultats. J'attend aussi reponses aux appels que j'ai lancé auprès de mes collègues .

Je dois bien avouer que lors de mes experimentation DATV, je n'ai pas encore abordé la modulation OFDM, mais si quelqu'un veu m'aider à coder un bloc FFT inverse en VHDL, je suis preneur !  :-)))

En fait, j'ai trouvé une information technique à propos du role du bruit de phase dans un document sur internet, que je vais considerer comme relativement fiable pour l'instant car ayant été ecrit par des gens qui semblent bien connaitre le problème (car issu d'entreprise comme Thales, TDF etc...).
 
 
 

Ci contre, en rouge , le document stipule que, pour une conversion de frequence (transverter),  le bruit de phase doit etre meilleur que -70dBc/Hz à 1KHz de la porteuse. Cela fixe les idées et va me servir d'élément de comparaison lors de mes mesures et essais.

    Essais avec un module PLL sortie 10.301GHz home made

    Ci dessous le module mesuré.

    Il est composé de deux cartes:
- celle de gauche est equipé d'un TCXO et d'un ampli car le niveau du TCXO est insuffisant. C'est la référence de la PLL, frequence 45MHz. Je n'avais que ça à l'époque....
- sur la carte de droite se trouve le circuit PLL (CMS carré en haut sur la photo de droite). C'est une PLL avec un VCO 3,3GHz integré. Alim 3,3V, regulateur CMS en haut à droite. Ce circuit a été concu en 2002 par ST Microelectronics. IL est suivit de 3 MMIC afin d'amplifier le signal et de le multiplier par 3 afin d'obtenir quelque chose sur 10GHz. On voit sur la photo de gauche le filtre (capuchon de plomberie) qui permet de nettoyer un peu le signal à 10GHz.
On apercoit à coté du bouchon de plomberie un PIC qui sert à programmer la PLL sur la fréquence désirée et si la PLL est verrouillé allume une led.

L'objectif de cette expérimentation était de pouvoir générer un signal stable sur 10GHz à partir d'un TCXO et servir éventuellement de balise en point haut. Je ne suis pas allé au bout du projet car j'ai rencontré des difficultés à l'époque pour sortir un peu de puissance.
 

    Mesure de bruit et spectre

    L'appareil utilisé pour cette mesure est le E5052 de Agilent, specialisé pour la mesure de bruit de phase.
 
 

Ci contre, le resultat de la mesure de bruit de phase. On voit que le module delivre un signal sur une frequence de 10.301304GHz avec un bruit de phase de -68dBc à 1KHz. Donc si je me refere à ce qu'indique le document trouvé sur internet, cette PLL, qui n'est qu'une experimentation de ma part , présente un résultat pas loin du compte.

    Ci dessous , quelques observations faites avec un analyseur de spectre:
 
 

Ci contre, la mesure de spectre du module PLL avec un span de 2MHz. Tout semble correct. Frequence  : 10.301GHz Niveau RF : +2dBm
Ci contre, on regarde avec un span de 200KHz. Là, problème! Le signal est affecté d'un jitter important;  On peut penser que le signal OFDM aura du mal à resister à un tel traitement.  La PLL serait elle en cause, insuffisante pour l'application ?
Ci contre, la mesure du module PLL aprés changement de la reference TCXO Philips par un générateur extérieur. On voit que la porteuse est précise sans aucun rapport avec la mesure précédente. Donc, ce n'est pas la PLL qui est en cause mais la référence de fréquence de cette PLL. On peut donc en conclure que la qualité d'un signal en sortie dépend bien sur de l'ensemble de la chaine, PLL mais aussi référence, c'est assez logique. Pourquoi n'ai je rien vu dans la premiere mesure du bruit de phase ? Parceque la borne de départ était de 100Hz et que ce bruit qui agite la porteuse est inférieur à cette borne. Il s'agit de la pente 1/F ou 1/F² du à la technologie de l'oscillateur de référence, ici le TCXO qui n'est pas suffisant.
Pour finir, la même PLL observée avec un span de 2kHz , toujours avec le générateur comme référence !  A 10GHz, c'est quand même pas mal.... On voit apparaitre deux bosses au pied de la porteuse qui sont les raies dues au réseau électrique. Par expérience, il est tres difficile de s'en séparer.

    Donc ma conclusion rapide de ces quelques essais est que le budget total de la chaine est à prendre en compte. Cela signifie d'abord qu'il faut choisir une bonne PLL. Les vieilles PLL du type SP5055 ne sont pas utilisables car leur conception et leurs technologies sont trop anciennes. voir
Mais il faut aussi une reference de frequence suffisamment performante, car la performance finale depend aussi et surtout de la reference. Et il faut bien avoir à l'esprit que le problème est identique dans le cas de l'utilisation d'une PLL comme dans le cas d'un oscillateur suivit de multiplicateurs (classiquement utilisé dans les transverter 10GHz SSB).
 

    A partir de circuits ANALOG DEVICE et MAXIM

    Dans le module mesuré précédemment, j'ai utilisé une PLL particulière qui ne se trouve pas dans le commerce, c'est un proto qui n'a jamais été commercialisé.
Vous allez dire que c'est quelque chose de non reproductible. Sans doute ! Mais on peut trouver l'equivalent aujourd'hui dans les catalogues Analog Device ou Maxim. Voici par exemple une mesure effectuée sur mon emetteur DATV home made en position 13cms.
 
 

On voit que le bruit de phase est de -80dBc à 1KHz pour un signal à 2482MHz

La PLL est un LMX2330 et le VCO est un MAX2753. Ce dernier étant difficile à trouver, il pourrait etre remplacé par un oscillateur à transistor avec une ligne à fort facteur de qualité et une varicap. Le signal 10GHz pourrait etre obtenu aprés passage du signal 2.5GHz dans un multiplieur no-tune decrit par F6BVA. J'avais évalué l'addition de bruit de phase de ce module, c'etait parfaitement utilisable. L'ajout de bruit de phase est conforme à la theorie, c'est àz dire 12dB pour une mutiplication par 4. Ceci donnerait en théorie un bruit de phase à -67dBc/Hz à 1 KHz.
 

    D'autres solutions ?

Si -70dBc/Hz n'est pas suffisant, on peut modifier des parametres (courant, frequence, division)  pour descendre un peu le niveau de bruit. On peut aussi changer de technologie. La PLL mesurée ci dessus est une PLL de type integer. Si je la remplaçais par une PLL de type FracN, je pourrais gagner environ 10dB sur le niveau de bruit. (integer = PLL type division entiere - FracN = PLL type fractionnaire ) . La PLL fractionnaire la plus connue dans le monde amateur est le Synfox qui a été distribué recemment. Je n'ai pas de courbe à presenter dans cette page.
On doit pouvoir trouver egalement des circuits FracN dans les catalogues constructeurs....
 

    Conclusion provisoire

Cette page a seulement pour but de montrer qu'une PLL est envisageable, sous certaines conditions. L'avantage est la souplesse pour regler la frequence finale, l'inconvenient est la mise en place de composants de derniere technologie. Bien sur , une solution oscillateur à quartz suivit de multiplicateurs semble la solution imbattable à condition de maitriser la construction de l'oscillateur de reference ainsi que le filtrage des spurious generés par les multiplicateurs.
 
 

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