Suite du précédent article (http://xv4y NULL.radioclub NULL.asia/2011/08/24/si570-ou-dds-le-dilemne-de-g0upl/) sur une comparaison entre DDS et Si570.

Performances : Pureté spectrale (spurs)

Le Si570 est un oscillateur avec boucle à verrouillage de phase numérique (DPLL) qui produit un signal de sortie rectangulaire. Comme tous les signaux rectangulaires, il est composé d’une fondamentale plus un “peigne” très riche formé par ses nombreuses harmoniques impaires. Si une forme d’onde sinusoïdale est nécessaire et que la plage d’opération est étroite, les composantes indésirables (spurs) peuvent être éliminées par filtrage, et elles seront bien entendu à une distance raisonnable de la fréquence centrale (i.e. à 3, 5, 7… fois la fréquence de la fondamentale). Il y a aussi un peu de puissance présente aux harmoniques paires car la sortie n’est pas garantie pour être une forme d’onde carrée parfaite avec un rapport cyclique de 50%. Les autres composantes indésirables sont très faibles pour le Si570 et ne sont normalement pas considérées comme problématiques.

Les puces DDS ont une mauvaise réputation pour les composantes indésirables! Ceci parce que la forme d’onde en sortie est obtenue par approximation à partir d’une série de niveaux discrets, qui sont ensuite filtrés extérieurement au circuit par votre filtre passe-bas. Le process est de manière inhérente une approximation de la sinusoïde idéale , ce qui génère une réponse impure. Les composantes indésirables sont nombreuses et de différentes amplitudes, elles peuvent aussi se présenter très proche de la porteuse, donc vous ne pourrez pas totalement les éliminer par filtrage.

Certains des DDS Analog Device les plus modernes incluent une technologie “SpurKiller”, comme sur le AD9912 avec deux canaux SpurKiller. Ceci sont en fait deux coeurs DDS en parallèle, dont les fréquences, amplitudes de sortie et phases peuvent être réglées de telle manière que si votre application peut prédire ou mesurer la localisation des impuretés, vous pouvez choisir les deux plus gênantes et les éliminer par annulation. Je pense que la gamme de possibilités pour lesquelles ceci sera réellement utile est quelque peu limitée. La datasheet mentionne que cette fonctionnalité agit de manière optimale avec une légère différence entre chaque circuit, ce qui limiterait son efficacité dans beaucoup d’applications pratiques.

L’importance des problèmes de pureté spectrale dépend principalement de deux facteurs : la résolution du CNA (DAC) et la proportion de la fréquence de sortie relativement à la fréquence de l’oscillateur de référence. Les CNA vont typiquement de 10 bits dans les composants plus anciens jusqu’à 14 bits dans un circuit haut de gamme comme le AD9912. Un CNA de meilleure résolution produira moins de composantes indésirables. De la même manière, si la fréquence de l’oscillateur de référence est très haute vis-à-vis de celle de sortie, les impuretés sont réduites. Le AD9912 peut fonctionner avec une référence montant jusqu’à 1 GHz. Pour une sortie dans la gamme HF de 0 à 30MHz, les impuretés sont très minimes. Pour les VHF ou UHF, elles peuvent être plus gênantes bien sûr. Pour un usage radioamateur, même sur un DDS bas de gamme, les composantes indésirables ont peu de chance d’être un problème dans un usage en émission seule, parce qu’elles sont de niveaux inférieurs aux seuils réglementaires pour les équipements radioamateurs. Dans des applications de réception, les impuretés vont se manifester sous forme de birdies (porteuses fantômes) dans le récepteur et sont un problème plus sérieux. Toutefois, pour un récepteur HF et si vous utilisez un DDS moderne comme l’AD9912 avec une horloge de référence à 1 GHz, alors les composantes indésirables seront très faibles et il est peu probable qu’elles soient audibles dans la plupart des cas.

Un DDS haut de gamme avec une conception soignée ne présentera pas de réponses indésirables dans un cadre limité de circonstances (c-a-d en HF). Le Si570 gagne cette fois car lui il n’a aucun problème de pureté spectrale du tout.

Performances : Bruit de phase

Le bruit de phase peut être vu comme un élargissement de la ligne verticale parfaite que vous devriez voir avec un analyseur de spectre si vous regardez le signal de sortie d’un oscillateur. Une raison pour laquelle c’est si important dans récepteur, c’est qu’il se mélange avec les signaux forts quelques kHz plus loin que le signal désiré pour produire un bruit de fond (plancher de bruit) élevé, qui peut alors facilement cacher un signal faible que vous voudriez écouter. Pour un récepteur de haute performance, il est primordial d’avoir un oscillateur au bruit de phase le plus faible possible.

Les performances des DSS en terme de bruit de phase sont généralement vraiment bonnes. Il y a un peu de jigue (jitter) ajoutée par les imperfections inhérente à l’approximation numérique de la forme d’onde et un peu de bruit de phase ajouté dans des proportions limitées par les imperfections du circuit numérique. Par ailleurs, le bruit de phase d’un DDS ne peut être qu’aussi bon (en réalité un brin moins bon) que celui de l’horloge de référence. Typiquement ce serait un oscillateur à quartz, et les quartz, ayant un Q très élevé, ont de très bonnes performances en terme de bruit de phase. Donc en général, le DDS est considéré comme une technologie à faible bruit de phase.

Beaucoup de puces DDS intégrent un multiplicateur à PLL pour l’horloge de référence. Ce dernier peut être utilisé pour fournir une référence interne à très haute fréquence, jusqu’à la limite donnée pour le composant (c-à-d 1GHz pour l’AD9910), à partir d’une horloge en entrée bien plus faible. Rappelez-vous qu’une horloge de fréquence élevée est meilleure pour une meilleure pureté spectrale, donc le multiplicateur peut être utile dans ce but. Cela peut simplifier grandement votre architecture, mais au prix d’un bruit de phase additionnel dans le processus interne de multiplication par la PLL. Une multiplication de fréquence dans chaque cas comporte un minimum théorique de 6dB par octave (ou 20dB/decade) de pénalité en terme de bruit de phase, mais si vous utilisez la PLL interne vous serez au dessus de ça. En conclusion pour de meilleures performances en bruit de pahse, laissez la PLL en dehors de cette affaire et construisez votre propre oscillateur externe de référence à haute fréquence.

Le Si570 est construit sur une technologie à PLL, qui en principe a un bruit de phase bien plus élevé. Toutefois, dans le Si570, ils minimisent le bruit de phase grace à un design soigné et en utilisant une boucle à bande très étroite. C’est la raison de la présence du long délai (10ms) de sélection de la fréquence. En conséquence le bruit de phase du Si570 est plutôt respectable est sera adéquat pour beaucoup d’usages.

Que dire d’une comparaison entre DDS et Si570 ? Les informations sur les performances en terme de bruit de phase dans certaines des datasheets de DDS sont plutôt limitées. Souvent ils montre le “bruit de phase résiduel”, ce qui veut dire le bruit de phase additionnel qui est ajouté à celui du à l’horloge de référence par le fonctionnement du DDS lui-même. Ce n’est pas le même que le bruit de phase réel que vous observerez sur le signal de sortie – pour cela vous devez aussi ajouter le bruit de phase de l’oscillateur de référence – et donc ce n’est pas directement comparable au bruit de phase d’un Si570. Néanmoins, certaines datasheet de composants DDS donnent un graphique de bruit de phase absolu, et un exemple de ceci est l’AD9912 qui montrent le bruit de phase en sortie pour différentes fréquences de sortie en assumant l’utilisation d’un oscillateur haute performance de Wenzel (http://www NULL.wenzel NULL.com/) à 1 GHz. La datasheet du Si570 a une table de bruit de phase pour trois fréquences de sortie (120 MHz, 156,25 MHz, 622,08 MHz).

Il est important de se rappeler que quand une fréquence est divisée, le bruit de phase lui aussi diminue de 6dB par octave (ou 20dB par décade). Alors dans n’importe quelle comparaison, nous devons prendre ceci en compte si les fréquences mesurées ne sont pas les mêmes. Dans notre exemple de comparaison, j’ai choisi de mettre en regard les données du Si570 à 156,25 MHz avec un graphique de la datasheet de l’AD9912 à 171 MHz. Pour être rigoureux, je devrait faire un ajustement pour cette différence en fréquence (i.e. 156,25 MHz et 171 MHz) en faisant quelques calculs pour les 6 dB/octave. Cela dit, elles sont suffisament proches pour que cela ne fasse qu’environ 1 dB de différence, ce qui dans tous les cas reste dans les marges d’erreur de la précision que je peux avoir en lisant les valeurs depuis le graphique de la datasheet de l’AD9912. En conséquence je vais ignorer cette compensation. Cette petite imprécision pourrait pencher en faveur du Si570 qui a ici la fréquence la plus basse.

Voilà donc une table des valeurs pour 156,25 MHz issues de la datasheet du Si570, et les valeurs correspondantes lues depuis le graphique de la datasheet de l’AD9912. Ces résultats peuvent être considérés comme étant reproductibles avec les deux composants à d’autres fréquences, une fois proprement mis à l’échelle avec 6 dB par octave (20 dB par décade). Les unités du bruit de phase sont en dBc/Hz.

Ici, les mêmes résultats, présentés sur un graphique :

Ici, la conclusion est qu’un DDS de haut de gamme avec un oscillateur de référence de haute qualité et un bon design (AD9912 avec horloge à 1 GHz), peut dépasser les performances du Si570 de 20 dBc/Hz. Toutefois, je dirais que pour la majorité des applications les performances de bruit de phase du Si570 seront suffisantes, et probablement meilleures que celles de beaucoup de transceiver commerciaux “boîte noire” proposés sur le marché.

Finalement, grace aux excellentes performances de la technologie DDS, je déclare le DDS vainqueur pour cette épreuve.

La suite dans la partie 3. Pour les plus impatients vous pouvez lire la version originale en anglais (http://hanssummers NULL.com/ddssi570 NULL.html), sinon il faudra attendre la semaine prochaine…

Je vous propose ici une petite traduction d’un article original écrit par Hans Summers de G0UPL (http://www NULL.hanssummers NULL.com/ddssi570 NULL.html). J’ai bien aimé cet article dont le contenu est instructif et j’en ai surtout apprécié le ton décontracté. Lorsque je lui ai demandé son autorisation, Hans a souhaité me préciser qu’il s’agissait plus d’un genre de pied de nez plutôt qu’un article sérieux et théorique. Le débat semble passionner certains et même si ses arguments sont justifiés il ne tient pas à établir son choix personnel comme un dogme. Je laisse la parole à Hans…

Le Si570 est un circuit relativement récent fait par Silicon Labs. C’est un composant très petit contenant un oscillateur de référence à quartz, une boucle à vérouillage de phase (PLL), et une interface I2C afin qu’il puisse être programmé pour n’importe quelle fréquence entre 10MHz et 945MHz (fréquences au choix jusque 1.4GHz). Les circuits à synthèse digitale directe (DDS), comme ceux du leader du marché Analog Devices, sont dans la place depuis plus longtemps. Ils représente un type très différent de composant, même si les deux sont des oscillateurs. En conséquence le meilleur choix dépend grandement de l’application. Voici mon avis à propos des avantages et inconvénients relatifs qui peuvent être des facteurs importants de décision.

Projets

(http://www NULL.hanssummers NULL.com/dds NULL.html)	(http://www NULL.hanssummers NULL.com/qrss570 NULL.html)

Données de référence (bibliographie)

Analog Devices DDS page (http://www NULL.analog NULL.com/en/rfif-components/direct-digital-synthesis-dds/products/index NULL.html)

Analog Devices AD9910 DDS datasheet (http://www NULL.analog NULL.com/static/imported-files/data_sheets/AD9910 NULL.pdf)

Analog Devices AD9912 DDS datasheet (http://www NULL.analog NULL.com/static/imported-files/data_sheets/AD9912 NULL.pdf)

Silicon Labs (http://www NULL.silabs NULL.com/)

Si570 datasheet (http://www NULL.silabs NULL.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/si570 NULL.pdf)

Facilité de construction

Comparaison du format des circuits (les photos ne sont pas à l’échelle).

Le Si570 est gagnant ici. Il a 8 broches, et bien que ce soit une composant à montage en surface de petite taille, vous pouvez le souder de manière raisonnablement facile même sans circuit imprimé. D’un autre côté, tous les circuits DDS modernes sont en format CMS seulement, par exemple ce DDS AD9910 de 100 broches. Souder celui-ci pattes en l’air serait un vrai défit. Même les générations précédentes de DDS avec des CMS à 28 broches n’étaient pas si faciles que ça à manipuler.

Allure du signal de sortie

Le Si570 a un signal de sortie rectangulaire. Souvent ça convient, par exemple, si vous voulez alimenter un mélangeur : beaucoup de mélangeur opère dans de meilleures conditions si le VFO a un signal rectangulaire. Si vous voulez une belle sinusoïde, il vous faudra alors beaucoup de filtrage passe-bas pour éliminer toute la suite de riches harmoniques.

Les circuits DDS ont une sortie sinusoïdale : elle est générée en sortie par une succession rapide de tension analogiques grâce à un Convertisseur Numérique-Analogique (CNA ou DAC en anglais), qui simule une sinusoïde. Beaucoup de circuits DDS ont un comparateur intégré qui peut être facilement utilisé pour changer la sinusoïde en signal carré si c’est ce dont vous avez besoin. Gardez toutefois à l’esprit que vous aurez d’un filtre passe-bas d’anti-crénelage (ou anti-aliasing) sur la sortie du DDS pour produire un signal propre.

Déclarer le gagnant… dépend de votre application. Si vous voulez une forme d’onde de sortie rectangulaire, le Si570 est parfait. Le DDS convient aussi (s’il est équipé d’un comparateur), pour cette raison mon gagnant c’est le DDS.

Gamme de fréquence

Un DDS descendra jusqu’au courant continu ou presque. La limite haute pratique d’un DDS étant normalement considérée à 40% de son horloge de référence à quartz. C’est une limitation de la synthèse numérique de la forme d’onde, qui est un processus d’échantillonage (voir théorème de Shannon-Nyquist). Les fréquences plus hautes que 40% de l’horloge de référence sont aussi possible en sortie du DAC qui n’est pas filtré, et un signal peut en être extrait avec un filtrage passe-bande adéquat au lieu d’un filtrage passe-bas traditionnel. Les sorties comme celle-ci demande un design plus soigné et les performances ne sont jamais aussi bonnes.

A l’opposé, le Si570 autorise n’importe quelle fréquence entre 10MHz et 945MHz, et une sélection plus limitée de fréquences jusqu’à 1,4GHz. J’ai entendu dire que l’utilisation en dessous des 10 MHz donnés par le constructeur est possible, mais je ne l’ai pas confirmé moi-même.

Ici je dirais que le DDS pourrait gagner si vous voulez être libre de descendre jusqu’à des fréquences très basses, mais le Si570 gagnerait si votre utilisation demande des fréquences très hautes, ou une plage de fréquences continue jusqu’au delà des UHF. Cela dit, parce que le Si570 a une gamme si large et pratique, je le déclare vainqueur.

Stabilité en fréquence

Un DDS a besoin d’une horloge de référence, qui lui est normalement fournie au travers d’un oscillateur à quartz à haute stabilité. C’est à vous de prévoir l’oscillateur de référence. Vous pouvez le faire aussi stable que vous le voulez. L’asservir à un GPS, à un étalon au Rubidium, le mettre dans un four à température constante… comme vous le souhaitez.

Le Si570 a son propre oscillateur à quartz intégré. La différence c’est que vous n’avez pas beaucoup de contrôle sur celui-ci. Vous ne pouvez pas l’ajuster pour être pile sur la fréquence, vous ne pouvez pas l’asservir à une référence GPS (http://www NULL.hanssummers NULL.com/gpsref NULL.html). (Il dispose tout de même d’un petit ajustement de fréquence via l’entrée ADC, mais c’est à vous de mesurer la fréquence réelle, la comparer à un standard et estimer une tension de correction – ce n’est donc pas une vraie solution sauf avec un effort important). Dans ma balise QRSS contrôle par Si570 (http://www NULL.hanssummers NULL.com/qrss570 NULL.html) j’ai trouvé que le Si570 était déjà plutôt précis et stable. Quelques Hertz à côté de la fréquence à 10.140MHz et il ne semblait pas dériver de manière perceptible avec les variations de la température ambiance de la pièce, je n’ai toutefois pas fait de mesures rigoureuses.

A mon avis, si vous avez besoin de stabilité et précision, le DDS gagne ici, parce que vous pouvez le rendre aussi stable et précis que vous le voulez.

Agilité en fréquence

La fréquence d’un DDS peut-être fixée quasi instantanément (tout du moins, aussi vite que vous pouvez la transmettre au circuit intégré)! La plupart des DDS ont une résolution de syntonisation sur 32 bits, et certains même sur 48 bits (comme l’AD 9912) ce qui vous donne une résolution proche de quelques micro-Hz, si vous en avez un jour besoin!

Le Si570 peut aussi être syntonisé par pas très petits mais la fréquence ne change pas instantanément. Quand vous faites un changement de fréquence, il y a un délai qui peut aller jusqu’à 10ms (0,01s) pendant que la PLL interne se vérouille sur la nouvelle fréquence. Cela peut produire un petit clic ou piaillement dans la BF, par exemple, si vous utilisez le Si570 comme un VFO pour votre récepteur. Le Si570 peut aussi être syntonisé beaucoup plus rapidement (100 fois plus vite) pour de petits pas compris dans les  3 500 parties par million (ppm) de la fréquence centrale (NDT : Soit 49KHz à 14 MHz). Dans cas, le temps de verrouillage est inférieur à  0,1ms (100µs).

Ce réglage retardé du Si570 peut le rendre impropre à certaines applications comme les modes de communication numériques où la fréquence doit être changée très vite, ou l’opération en mode “SPLIT”, ou même la télégraphie QSK avec un décalage entre émission et réception (bien que ceci a peu de chances de dépasser les 3 500 ppm).

En conséquence pour l’agilité en fréquence c’est le DDS qui gagne largement si votre usage le demande : changement de fréquence parfait en un clin d’oeil!

Interface de programmation

Les circuits DSS ont une interface de programmation série, et la programmation est aisée. Certains supportent aussi une interface de commande parallèle (un octet à la fois). J’ai construit un générateur DDS qui peut se faire sans micro-contrôleur du tout (voir ici (http://www NULL.hanssummers NULL.com/dds NULL.html)) mais en principe vous utiliserez un micro-contrôleur.

Le Si570 a une interface I2C, et programmer la fréquence est un peu plus délicat, mettant en oeuvre certains calculs de différentes valeurs de diviseur/multiplicateur et la fréquence de l’oscillateur interne contrôlé numériquement. C’est un peu plus complexe que l’envoi d’un simple mot octal pour programmer le DDS, qui est juste une fraction de la fréquence de l’horloge de référence.

Le Si570 n’est quoi qu’il en soit pas un problème si vous êtes raisonnablement compétent pour programmer des micro-contrôleurs, mais un DDS est plus simple et je pense qu’il prend la tête ici.

La suite dans la partie 2. Pour les plus impatients vous pouvez lire la version originale en anglais, sinon il faudra attendre la semaine prochaine…