Conception et réalisation d’une horloge de référence à oscillateurs multiples

Design and realization of multiple oscillator reference clock

• Auteur / Autrice : Cédric Plantard
• Direction : François Vernotte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Franche-Comté. UFR des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Servomécanismes

Oscillateurs

Résumé

Cette thèse présente un projet consistant à réaliser une horloge composite combinant la stabilité à long terme du césium, la stabilité à moyen terme du maser à hydrogène, et la stabilité à court terme du VCO. Dans ce projet trois étapes sont nécessaires. La première consiste à obtenir les informations fournies par les horloges de référence. Nous utilisons une architecture basée sur le Dual Mixer Time Difference (DMTD) comprenant des ZCD. L’élément principal de cette étape est la fréquence des battements générés par les mélangeurs. La seconde étape est le traitement numérique pour le contrôle du VCO. Un FPGA et un PC sont utilisés pour mesurer la fréquence des battements, pour appliquer un estimateur afin de diminuer l’effet du bruit blanc, et pour contrôler le Convertisseur Numérique Analogique (CNA) utilisé dans la dernière partie. Cette dernière étape permet le contrôle du VCO, en transformant le signal numérique en signal analogique. C’est un point critique parce que le CNA doit avoir une grande résolution, sans laquelle, un pas du CNA dégraderait la stabilité du système. Grâce au procédé de sur-échantillonnage nous pouvons atteindre cette stabilité et l’améliorer si nécessaire. Chaque étape peut avoir des approches différentes avec des problèmes différents et le but consiste à obtenir la meilleur stabilité possible sur l’ensemble de ces 3 étapes. L’instabilité relative de fréquence du système doit-être inférieur à 1 10􀀀13 @1 s et d’environ 10􀀀15 sur le long terme pour la sortie à 100 MHz. Le système doit permettre de conserver la stabilité des horloges quand celles-ci sont libres.

This thesis presents the project of creating a composite clock combining the long-term stability of the cesium clock, the mid-term stability of the hydrogen maser clock and short-term stability of the VCO. In this projet, three steps are necessary. The first one consists in the obtaining the information provided by the different reference clocks. We used an architecture based on the Dual-Mixer Time-Difference (DMTD) including ZCD. In this step the main element is the frequency of the beats generated by the mixer. The second step is the digital processing to control the VCO. In this part, a FPGA and a PC are used to measure the frequency of beat frequencies, to apply an estimator in order to decrease the white noise effect and to control the Digital to Analog converter (DAC) needed for the last step. This last step ensures the control of the VCO by converting the digital signal into a analog signal. It is a critical point because the DAC needs a high resolution. Without this resolution, one DAC’s step would decrease the system stability. Thanks to the oversampling process we obtain the needed stability and we can improve it, if necessary. Each stage can have different approaches with differents critical points and the goal is to obtain the best possible stability on the totality of the stages. The relative frequency instability of the system must be less than 1103@ 1 s and of about 10􀀀15 on the long term for the output at 100MHz. The system must ensure to keep the stability of the clocks when they are free.