refactor: GPSDO

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-Im vorigen Kapitel haben wir gesehen, dass es verschiedene Oszillatortypen mit unterschiedlicher Stabilität gibt. Die beste Stabilität erreicht der OCXO: Moderne Funkgeräte erreichen damit einen Wert von $\qty{\pm0,5}{\ppm}$, das bedeutet bei einer gewünschten Frequenz von $\qty{10}{\mega\hertz}$ liegt die tatsächliche Frequenz im Bereich von $\qtyrange{9,999995}{10,000005}{\mega\hertz}$, also $\qty{\pm5}{\hertz}$ um die tatsächliche Frequenz. Dieser Wert ist schon ganz gut und für die Kurzwelle mehr als ausreichend. Wenn wir jedoch nicht bei $\qty{10}{\mega\hertz}$ sondern bei $\qty{10}{\giga\hertz}$ arbeiten wollen, erhöht sich der Fehler auf $\qty{\pm5000}{\hertz}$. Das ist schon so groß, dass ein SSB-Signal weit außerhalb der Filtergrenzen liegt und eine Funkverbindung auf einer verabredeten Frequenz nicht zustande kommt. Darum werden dafür noch bessere Oszillatoren benötigt.
+Im vorigen Kapitel haben wir gesehen, dass es verschiedene Oszillatortypen mit unterschiedlicher Frequenzstabilität und -genauigkeit gibt. Eine besonders hohe Stabilität erreichen Quarzoszillatoren in Form eines TCXO und insbesondere eines OCXO. Moderne Funkgeräte erreichen beispielsweise mit einem TCXO eine Frequenzgenauigkeit von $\pm\qty{0,5}{\ppm}$. Bei einer gewünschten Frequenz von $\qty{10}{\mega\hertz}$ liegt die tatsächliche Frequenz damit im Bereich von $\qtyrange{9,999995}{10,000005}{\mega\hertz}$, also höchstens $\pm\qty{5}{\hertz}$ neben der Sollfrequenz. Diese Abweichung ist gering und für den Betrieb auf Kurzwelle in der Regel mehr als ausreichend.
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+Arbeiten wir jedoch nicht bei $\qty{10}{\mega\hertz}$, sondern bei $\qty{10}{\giga\hertz}$, erhöht sich die mögliche Abweichung auf $\pm\qty{5000}{\hertz}$. Sie kann damit bereits größer als die Bandbreite eines üblichen SSB-Filters sein. Bei einer Funkverbindung auf einer fest vereinbarten Frequenz kann das Signal deshalb außerhalb des Empfangsbereichs liegen. Für solche Anwendungen, z. B. beim geostationären SAT QO-100 welcher auf $\qty{10}{\giga\hertz}$ sendet, werden daher noch genauere Frequenzreferenzen benötigt. 
 
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 [picture:1081:a_gpsdo:GPS-Disciplined Oscillator (GPSDO) im Kontext einer QO-100 Station]
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-Man könnte viel Aufwand in die weitere Stabilisierung eines OCXO stecken, oder andere Oszillatortypen verwenden, wie Rubidiumnormale, die noch stabiler als Quarzoszillatoren sind. Solche Oszillatoren haben aber auch Nachteile wie eine höhere Stromaufnahme, größere Abmessungen und nicht zuletzt einen sehr hohen Preis, da wir uns damit schon im Bereich von professioneller Ausrüstung bewegen. Glücklicherweise gibt es eine andere Alternative: Satellitennavigationssysteme (englisch Global Navigation Satellite Systems, GNSS) wie GPS oder Galileo benötigen ebenfalls sehr stabile Uhren, weil die Ortung über eine Laufzeitmessung der Signale vom Empfänger zu mehreren Satelliten geschieht. Da eine Uhr nichts anderes als ein Oszillator ist, können wir uns das zunutze machen und unseren OCXO mit den Oszillatoren der Satelliten synchronisieren. Damit haben wir einen GPS-synchronisierten Oszillator, oder englisch GPS-Disciplined Oscillator (GPSDO). Wie das technisch funktioniert, sehen wir in einem späteren Kapitel.
+Man könnte einen hohen Aufwand betreiben, um einen OCXO weiter zu stabilisieren, oder andere Oszillatortypen wie Rubidium-Frequenznormale verwenden, die insbesondere über längere Zeiträume eine höhere Stabilität als Quarzoszillatoren erreichen. Solche Frequenznormale haben jedoch häufig Nachteile wie eine höhere Stromaufnahme, größere Abmessungen und einen höheren Preis, da sie vor allem für professionelle Anwendungen entwickelt werden.
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+Glücklicherweise gibt es eine weitere Möglichkeit: Satellitennavigationssysteme, englisch Global Navigation Satellite Systems (GNSS), wie GPS oder Galileo benötigen sehr genaue Zeitreferenzen. Die Position des Empfängers wird anhand der Laufzeiten von Signalen bestimmt, die von mehreren Satelliten zum Empfänger übertragen werden. Da jede präzise Uhr einen stabilen Oszillator als Zeitbasis benötigt, können wir die aus den Satellitensignalen gewonnene Zeitreferenz zur Stabilisierung unseres eigenen TCXO oder OCXO verwenden. Ein solcher Oszillator wird als GPS-synchronisierter Oszillator oder englisch als GPS-Disciplined Oscillator (GPSDO) bezeichnet. Wie diese Regelung technisch funktioniert, betrachten wir in einem späteren Kapitel zu Phasenregelschleifen (PLLs). In Abbildung [ref:a_gpsdo] ist ein GPSDO im Kontext einer QO-100 Station dargestellt, welches das Software Defined Radio (SDR) mit einer stabilen Referenzfrequenz versorgt. Ein selbst gebautes Modul ist in Abbildung [ref:a_gpsdo_homebrew] zu sehen.
 
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-Jetzt könnte man sich fragen, warum wir nicht das GPS-Signal direkt als Oszillatorsignal verwenden. Das Signal von den Satelliten kommt bei uns auf der Erde nur schwach an und auf dem Weg durch die Ionosphäre wird es zusätzlich verändert. Dadurch hat das daraus abgeleitete Oszillatorsignal eine schlechte Kurzzeitstabilität. Wir kennen ähnliche Effekte bereits von der Ausbreitung von Sprachsignalen auf Kurzwelle: Dort kann es vorkommen, dass sich das Signal, zum Beispiel durch Fading, über die Zeit verändert und anders klingt, wir unseren Gesprächspartner aber trotzdem verstehen. So ähnlich ist es mit den Satellitensignalen: Kurzzeitig (unter einer Sekunde) kann das Signal durch Rauschen und andere Einflüsse verfälscht sein, aber wenn wir länger hinschauen, liegt das Signal im Mittel sehr genau bei der gewünschten Frequenz. Da wir vom vorigen Kapitel wissen, dass zum Beispiel OCXOs eine sehr gute Kurzzeitstabilität haben, ergänzen sich diese Effekte und wir erreichen mit einem GPSDO eine sehr gute Kurzzeitstabilität durch den OCXO und eine sehr gute Langzeitstabilität und Frequenzgenauigkeit durch die Synchronisation mit dem GPS-Signal.
+Nun könnte man sich fragen, warum wir die von GPS bereitgestellte Zeitreferenz nicht direkt als Oszillatorsignal verwenden. Der GPS-Empfänger gewinnt aus den schwachen und modulierten Satellitensignalen üblicherweise ein präzises Zeitsignal, beispielsweise einen Impuls pro Sekunde. Der genaue Zeitpunkt dieses Impulses kann kurzfristig jedoch durch Rauschen, Mehrwegeausbreitung, atmosphärische Einflüsse und Verzögerungen im Empfänger schwanken. Über längere Zeiträume betrachtet ist die daraus abgeleitete Frequenz dagegen sehr genau.
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+Ein TCXO oder OCXO besitzt wiederum eine gute beziehungsweise sehr gute Kurzzeitstabilität, kann jedoch langfristig durch verbleibende Temperatureinflüsse und die Alterung seiner Bauelemente langsam von der Sollfrequenz abweichen. In einem GPSDO werden deshalb beide Eigenschaften miteinander kombiniert: Der lokale TCXO oder OCXO liefert ein kurzzeitig stabiles und rauscharmes Ausgangssignal, während eine langsame Regelschleife seine langfristige Abweichung mithilfe der GPS-Zeitreferenz korrigiert. Auf diese Weise erreicht ein GPSDO sowohl eine sehr gute Kurzzeitstabilität als auch eine hohe Langzeitstabilität und Frequenzgenauigkeit.
 
 [question:AD606]
 
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-[photo:335:a_gpsdo_homebrew:Selbstgebautes GPSDO]
+[photo:335:a_gpsdo_homebrew:Selbstgebautes GPSDO mit TCXO]
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