Digital instrumentation for the measurement of high spectral purity signals

par Andrea Cardenas Olaya

Thèse de doctorat en Sciences pour l'Ingénieur

Sous la direction de Enrico Rubiola, Claudio Calosso et de Jean-Michel Friedt.

Soutenue le 06-07-2018

à Bourgogne Franche-Comté en cotutelle avec Politecnico di Torino , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (laboratoire) , Université de Franche-Comté (Etablissement de préparation) , Politecnico di Torino (Etablissement de préparation) et de Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST (laboratoire) .

Le président du jury était François Vernotte.

Le jury était composé de Enrico Rubiola, Claudio Calosso, Jean-Michel Friedt, François Vernotte, Pietro Andreani, Giovanni Chiorboli.

Les rapporteurs étaient Pietro Andreani, Giovanni Chiorboli.

  • Titre traduit

    Instrumentation numérique pour la mesure de signaux de haute pureté spectrale


  • Résumé

    Les progrès sur la technologie électronique pendant les dernières années avaient permis l’utilisation des techniques numériques dans la métrologie de temps et fréquence où bas bruit et haute précision sont nécessaires. Ces techniques génèrent systèmes plus flexibles pour l’implémentation et pour la configuration. De cette façon, c’est possible d’obtenir systèmes de mesure avec capacités étendues, fonctionnalités ajoutées et plus facile ad utiliser.Les convertisseurs analogique-numérique (ADCs) et numérique-analogique (DACs), considérée comme l’interface avec le monde analogique, représentent la limite de la performance du système en termes de bruit. De plus, en général, les plateformes commerciales basées sur FPGA sont cadencées par un oscillateur à quartz dont précision et stabilité de fréquence ne sont pas adapté pour plupart des applications de temps e fréquence. Dans ce cas, c’est possible d’utiliser le Phase Locked Loop (PLL) intégré dans la FPGA pour générer l’horloge du système à partir d’une référence de fréquence externe. Cependant, en considérant que le bruit de phase du PLL pourrait dégrader la stabilité de la référence et ainsi limiter la performance d’entier système, le PLL devient un composant critique pour l’instrumentation numérique. L’information disponible actuellement dans la littérature décrit en détail les spécifications de ces composants a offset de fréquence loin de la porteuse. Cependant, l’information proche à la porteuse est une préoccupation plus importante pour les applications de temps et fréquence.Dans ce cadre, ma thèse de doctorat est concentrée sur l’étude des limitations des composants critiques de l’instrumentation numérique pour la métrologie de temps et fréquence. L’objectif est de caractériser le bruit introduit par ces composants et ainsi obtenir un modèle que permettra de prédire leurs effets sur une application spécifique. On propose une méthode pour extraire les paramètres des modelés lequel est testé et validé sur la plateforme commercial Red Pitaya. Cette plateforme est une open source embedded system dont résolution et vitesse (14 bit, 125 MSps) sont raisonnablement proche de l’état de l’art des ADCs et DACs (16 bit, 350 MSps or 14 bit, 1 GSps/3GSPs) et c’est potentiellement suffisant pour l’implémentation de un instrument complet. Les résultats de la caractérisation conduisent aux limitations de la plateforme et donnent une directrice pour le design de l’instrument.Basé sur les résultats obtenus de la caractérisation du bruit, l’implémentation de un instrument numérique pour le transfert de fréquence par fibre optique est été réalisée sur la plateforme Red Pitaya. Dans ce projet, une implémentation numérique pour la détection et compensation du bruit de phase induit par la fibre est proposé. Sur la base des résultats de la caractérisation, il était prévu une limitation de la mesure du bruit de phase donnée par le PLL. Les premières mesures de cette implémentation ont été réalisées sur un lien de fibre de 150 km + 150 km placées dans les mêmes câbles entre l'INRiM (Turin) et le Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) à la frontière Italie-France. A partir de ces résultats, le bruit introduit par le système numérique a été vérifié en accord avec les résultats de la caractérisation. Additionnel tests et améliorations seront effectués pour avoir un système capable d’être utilisé sur le lien italien pour la fréquence et le temps de Turin à Florence qui est longue de 642 km et à son extension dans le reste de l'Italie prévue dans le prochain avenir.Actuellement, une plateforme plus performante est en cours d'évaluation, à travers les techniques et concepts développés au cours de la thèse. Ce projet a pour but l’implémentation d'un phasemètre à l’état de l’art de la technologie dont l'architecture est basée sur le DAC. La caractérisation du DAC est en cours de développement et les mesures préliminaires sont également rapportées ici.


  • Résumé

    Improvements on electronic technology in recent years have allowed the application of digital techniques in time and frequency metrology where low noise and high accuracy are required, yielding flexibility in systems implementation and setup. This results in measurement systems with extended capabilities, additional functionalities and ease of use.The Analog to Digital Converters (ADCs) and Digital to Analog Converters (DACs), as the system front-end, set the ultimate performance of the system in terms of noise. Moreover, most commercial platforms based on FPGA are clocked by quartz oscillators whose accuracy and frequency stability are not suitable for many time and frequency applications. In this case, it is possible to take advantage of the internal Phase Locked Loop (PLL) for generating the internal clock from an external frequency reference. However, the PLL phase noise could degrade the oscillator stability thereby limiting the entire system performance becoming a critical component for digital instrumentation. The information available currently in literature, describes in depth the features of these devices at frequency offsets far from the carrier. However, the information close to the carrier is a more important concern for time and frequency applications.In this frame, my PhD work is focused on understanding the limitations of the critical blocks of digital instrumentation for time and frequency metrology. The aim is to characterize the noise introduced by these blocks and in this manner to be able to predict their effects on a specific application. This is done by modeling the noise introduced by each component and by describing them in terms of general and technical parameters. The parameters of the models are identified and extracted through the corresponding method proposed accordingly to the component operation. This work was validated by characterizing a commercially available platform, Red Pitaya. This platform is an open source embedded system whose resolution and speed (14 bit, 125 MSps) are reasonably close to the state of the art of ADCs and DACs (16 bit, 350 MSps or 14 bit, 1 GSps/3GSPs) and it is potentially sufficient for the implementation of a complete instrument. The characterization results lead to the noise limitations of the platform and give a guideline for instrumentation design techniques.Based on the results obtained from the noise characterization, the implementation of a digital instrument for frequency transfer using fiber link was performed on the Red Pitaya platform. In this project, a digital implementation for the detection and compensation of the phase noise induced by the fiber is proposed. The beat note, representing the fiber length variations, is acquired directly with a high speed ADC followed by a fully digital phase detector. Based on the characterization results, it was expected a limitation in the phase noise measurement given by the PLL. First measurements of this implementation were performed using the 150 km-long buried fibers, placed in the same cables between INRiM and the Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) on the Italy-France border. The two fibers are joined together at LSM to obtain a 300 km loop with both ends at INRiM. From these results the noise introduced by the digital system was verified in agreement with characterization results. Further test and improvements will be performed for having a finished system which is intended to be used on the Italian Link for Frequency and Time from Turin to Florence that is 642-km long and to its extension in the rest of Italy that is foreseen in the next future.Currently, a higher performance platform is under assessment by applying the tools and concepts developed along the PhD. The purpose of this project is the implementation of a state of the art phasemeter whose architecture is based on the DAC. The DAC characterization is under development and preliminary measurements are reported here.


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Informations

  • Sous le titre : Digital instrumentation for the measurement of high spectral purity signals
  • Détails : 1 vol. (p.122)
  • Notes : Thèse soutenue en co-tutelle.
  • Annexes : Bibliogr.113-122
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