Kürzlich trafen in unserem Labor zwei völlig verschiedene Welten aufeinander: die Welt der kostengünstigen Funktransceiver und die Welt der teuren Breitbandfunksysteme zur Signalaufzeichnung.
Zunächst wandten sich unsere guten Freunde an uns, um eine Software zur Aufzeichnung von Signalen mit einer Bandbreite von 500 MHz zu entwickeln. Natürlich konnten wir nicht ablehnen. Schließlich sollte dies auf einer Platine des Unternehmens „Instrumentensysteme“ geschehen, das ich schon lange kenne. In meinen Anfangszeiten als Ingenieur musste ich oft mit ihrer Hardware und Software arbeiten.
Dann kam ein lieber Freund von und bat darum, ein Positionssystem für Drohnen ohne GPS zu entwickeln. Es sei nötig, sagte er, eine Show in Innenräumen abzuhalten. Und auch draußen möchte man heutzutage nicht einfach Millionen in den Himmel mit einem unsicheren GPS investieren. Störungen und Spoofing von Satellitennavigation .
Für die satellitenfreie Positionierung mit einer Genauigkeit von weniger als zehn Zentimetern in einem Bereich von bis zu einem Kilometer habe ich nichts gefunden außer der UWB-Technologie. Seit langem ist das Unternehmen DecaWave auf dem Markt, das den Chip DW1000 und entsprechende Module anbietet. Dieser Chip ist ein IEEE 802.15.4-2011 standardisierte UWB-Transceiver. Übrigens ist er einzigartig und hat sogar eine doppelte oder dreifache Bauweise. Ich hoffe, dass wir in den nächsten Jahren seine Tiefen ergründen und darüber schreiben können. Früher werden wir wohl nicht dazu kommen.
Aber heute geht es nicht um die Positionierung, darüber wird es in den nächsten Folgen gehen.
Heute nehmen wir das Signal des DW1000 auf. Und die Bandbreite dieses Signals beträgt 1000 oder 500 MHz, was durch die Kanalnummer festgelegt wird. "Zufälligerweise" stand am benachbarten Tisch ein Computer mit der Karte von "Instrumentensystemen" mit einem FMC-Mechanismus von Analog Devices.
Hier sollte angemerkt werden, dass der ADC AD9208 heute als sanktionierte Technik gilt. Es ist illegal, ihn nach Russland zu kaufen, auch wenn man manchmal sehr gerne möchte. Dieser spezielle Modul wurde jedoch schon vor langer Zeit gekauft, als es noch keine Sanktionen gab. Er ist rein wie die Seele eines Neugeborenen. Ich hoffe, dieses Eingeständnis wird dem Fall beigefügt und wird dem Angeklagten angerechnet.
Wir wollen jetzt nicht ins Detail gehen über die Entwicklung von Software zur Speicherung von Messwertströmen im Computerspeicher. Leider können wir im Moment den Quellcode der Anwendung für Linux nicht veröffentlichen. Wir hoffen jedoch, dass wir das für das nächste Mal erreichen können. Es ist nur anzumerken, dass es nicht einfach war, selbst unter Berücksichtigung der bereitgestellten Softwareentwicklungen von Instrument Systems. Der ADC selbst sowie das System seiner Taktung und Ausgabe nach der JESD204B-Technologie sind ziemlich komplex zu verstehen, und es waren auch erforderliche Hardware-Patches im AD-Modul nötig. Das REFCLK-Signal ist für das Eingabesystem unerlässlich, und es kommt am Modul nicht an die richtigen Pins des FMC-Anschlusses, und entsprechend gelangt es nicht an die benötigten Pins des FPGA. Wir mussten einen Patch anbringen, der auf dem Foto unten zu sehen ist – zwei rote Drähte. Natürlich gab es Bedenken, dass das funktionieren würde. Die Taktrate ist hoch – 375 MHz, und der Patch ist schrecklich. Aber das System hat es geschafft.
Die ganze Küche sieht so aus.
Hier sehen Sie einen Computer mit einem leistungsstarken Ein- und Ausgangssystem, das FMC126P-Board und das Mezzanin AD9208-3000EBZ. Unter den Generatoren befindet sich ein 3000 MHz-Taktsignalgenerator für den ADC und ein 770 MHz-Generator für REFCLK. SMA-Verkabelungen verbinden die Generatoren und liefern das Eingangssignal.
Die Rohdatenrate vom Ausgang des ADC beträgt, wenn man es nicht übertreibt, 12 GB/s von zwei Kanälen. Laut Messungen und der Angabe des Herstellers des FMC126P-Boards liegt die maximale Eingabegeschwindigkeit bei 5 GB/s. Daher haben wir im ADC nur einen Kanal verwendet und ihn durch den im AD9208 integrierten DDC (Digital Down Converter) mit einer Dekimation von vier geleitet. So ergab sich ein Datenstrom von 3 GB/s (Abtastrate 750 MHz, 16-Bit komplexes Signal).
Die Überprüfung, ob das System in der Lage ist, die Zählerwerte aufzuzeichnen, ist sehr einfach: Man muss lediglich die klemmenden FIFO-Statusbits der FPGA überwachen. Wenn über Nacht kein einziges FIFO-Overflow-Ereignis aufgetreten ist, wird das Bit nicht gesetzt. Und freuen uns, dass es keine Zählerverluste gab. Zuvor überprüfen wir natürlich, ob die Statusbit-Erfassung funktioniert. Auch das Signalprofil wird aus der Datei eingesehen, um sicherzustellen, dass die Qualität des ADC-Signals der Dokumentation entspricht.
Aber welches Signal wäre würdig für so ein Eingabesystem? Natürlich das UWB vom Nachbartisch!
Glücklicherweise haben wir für das Drohnen-Positionierungssystem eine Kanalfrequenz von 4 GHz gewählt. Dies entspricht den Kanälen 4 und 2 in der Terminologie von DW1000 (Abbildung 13 des Datenblatts). Wir haben eine auf dieser Frequenz integrierte Antenne auf die Platine entwickelt, oder besser gesagt, auf diesen Frequenzbereich. Es war nicht einfach, sie in einem so breiten Band abzustimmen. Aber das Ergebnis ist einfach verführerisch! Einige sagen, sie ähnelt einem Symbol... mit Ohren.
Das 4-GHz-Signal mit einer Bandbreite von 500 MHz fällt in das dritte Nyquist-Band und besitzt ausreichende Schutzintervalle, um ein Überlappen des Spektrums zu vermeiden. Daher haben wir das Signal vom DW1000 direkt auf den Eingang des ADC AD9208 geleitet.
Wir haben zwei Dateien erhalten: eine mit einer PRF-Frequenz von 64 MHz, die andere mit 16 MHz. Die Übertragungsrate wurde auf das Minimum für den DW1000 eingestellt – 110 kbit/s.
Das Datei, das ist . Vorsicht, die Dateien sind riesig!
In der ersten Datei sehen wir Pakete mit einer Dauer von etwa 750 Abtastwerten oder 1000 Nanosekunden.
In der zweiten Datei sind die Pakete viermal kürzer.
Und das entspricht vollkommen dem Standard IEEE 802.15.4-2011 hinsichtlich der physikalischen Ebene UWB:
Die Modulation innerhalb des Pakets ähnelt einer Phasenmodulation, was ebenfalls dem im Standard angegebenen BPSK entspricht. Den Standard können Sie im Internet finden, suchen Sie nach „IEEE 802.15.4-2011“.
Wenn man das Beobachtungszeitfenster etwas erweitert, sind auch Ungleichmäßigkeiten im Paketfluss sichtbar, was der Beschreibung der hybriden Modulation im IEEE 802.15.4-2011 UWB entspricht – positionsphasenmoduliert (BPM-BPSK).
Insgesamt finde ich den DW1000 Chip und die Modulation dieses UWB PHY erstklassig, egal was das bedeutet, auf dem Niveau des militärischen JTIDS. Das ist mein neues Hobby. Fortsetzung folgt!
Einerseits werden wir uns mit dem DW1000 beschäftigen, andererseits werden wir den Standard IEEE 802.15.4 analysieren.
Quelle: habr.com
