Aufzeichnung von UWB-Super-Breitband-Signalen des Standards 802.15.4 auf nahezu sanktionierten Geräten

Kürzlich sind zwei völlig unterschiedliche Welten in unserem Labor aufeinandergetroffen: die Welt der günstigen Radio-Transceiver und die Welt der teuren Systeme zur Aufzeichnung von Breitbandsignalen.

Zuerst kamen unsere guten Freunde zu uns, um Software zur Aufzeichnung eines Signals mit einem Frequenzband von 500 MHz zu entwickeln. Natürlich konnten wir nicht ablehnen. Es musste auf der Platine des Unternehmens „Instrumentelle Systeme“ geschehen, die ich schon lange kenne. In den Anfängen meiner ingenieurtechnischen Tätigkeit musste ich mit ihrer Hardware und Software arbeiten.

Und dann kam ein geschätzter Freund mikkab aus Drohnen-Show und bat um ein Positionsbestimmungssystem für Drohnen ohne GPS. Er sagt, man müsse die Shows in Innenräumen starten. Und auch draußen möchte man heutzutage nicht mehrere Millionen für ein weniger zuverlässiges GPS ausgeben. Störungen und Spoofing bei der Satellitennavigation wuchern..

Für die Positionsbestimmung ohne Satelliten mit einer Genauigkeit von besser als zehn Zentimetern in einem Bereich von bis zu einem Kilometer habe ich nichts anderes als die UWB-Technologie gefunden. Es gibt schon lange ein Unternehmen namens DecaWave auf dem Markt, das den Chip DW1000 und Module auf seiner Basis produziert. Der Chip ist ein UWB-Transceiver des Standards IEEE 802.15.4-2011. Übrigens ist das ein einzigartiges Teil, mit doppeltem oder sogar dreifachem Boden. Ich hoffe, wir werden in den nächsten Jahren die Tiefen davon erforschen und darüber schreiben können. Früher wird es sicher nicht klappen.

Aber heute geht es nicht um die Positionsbestimmung, darüber wird in den nächsten Episoden gesprochen.

Heute nehmen wir das Signal des DW1000 auf. Und die Bandbreite dieses Signals beträgt nicht mehr und nicht weniger als 1000 oder 500 MHz, was durch die Kanalnummer festgelegt wird. „Zufälligerweise“ stand auf dem Nachbartisch ein Computer mit der Platine FMC126P von „Instrumentellen Systemen“ mit einerm FMC-Mesanin AD9208-3000EBZ von Analog Devices.

Hier sei „für den Staatsanwalt“ angemerkt, dass der ADC AD9208 heute Sanktionstechnik ist. Man kann ihn legal nicht nach Russland kaufen, auch wenn man manchmal sehr gerne möchte. Aber dieses spezielle Modul wurde vor sehr langer Zeit gekauft, als es noch keine Sanktionen gab. Es ist rein wie die Seele eines Kindes. Ich hoffe, dieses Geständnis wird dem Fall beigestellt und dem Angeklagten angerechnet.

Lass uns nicht im Detail auf die Entwicklung der Software zur Speicherung der Messdaten im Arbeitsspeicher des Computers eingehen. Leider können wir den Quellcode der Anwendung für Linux derzeit nicht veröffentlichen. Wir hoffen jedoch, beim nächsten Mal die Genehmigung dafür zu erhalten. Es sei nur erwähnt, dass es nicht einfach war, selbst bei den zur Verfügung gestellten Softwarekomponenten von Instrumental Systems. Der ADC selbst und das System seiner Taktung und Datenausgabe nach der JESD204B-Technologie sind ziemlich komplex zu verstehen, und zusätzlich waren im Modul von AD notwendige Hardware-Patches erforderlich. Das Signal REFCLK wird von dem Eingabesystem unbedingt benötigt, kommt aber im Modul nicht an den richtigen Beinen des FMC-Anschlusses an, und entsprechend gelangt es nicht zu den erforderlichen Pins des FPGA. Es musste ein Patch angebracht werden, den man auf dem Foto unten sehen kann - zwei rote Drähte. Natürlich gab es Bedenken, dass dies funktionieren würde. Die Taktrate ist hoch - 375 MHz, und der Patch sieht schrecklich aus. Aber das System hat es geschafft.

Die gesamte Küche sieht so aus.

Hier kann man einen Computer mit einem guten Ein- und Ausgabesystem, das Board FMC126P und das Mezzanin AD9208-3000EBZ bemerken. Von den Generatoren: ein 3000 MHz Generator für die Taktung des ADC, ein 770 MHz Generator für REFCLK. SMA-Kabel verbinden die Generatoren und liefern das Eingangssignal.

Die Rohdatenrate vom Ausgang des ADC beträgt, wenn man es nicht zu genau nimmt, 12 GB/s über zwei Kanäle. Laut Messungen und den Angaben des Herstellers des FMC126P-Boards beträgt die maximale Eingabegeschwindigkeit 5 GB/s. Daher haben wir im ADC nur einen Kanal verwendet und diesen durch den im AD9208 integrierten DDC (Digital Down Converter) mit einer Dezimation von vier geleitet. Dadurch betrug die Datenrate 3 GB/s (Abtastrate 750 MHz, 16-Bit komplexes Signal).

Die Überprüfung, ob das System in der Lage ist, die Messwerte aufzuzeichnen, ist ganz einfach: Es muss nur die hängen gebliebenen Statusbits des FIFO des FPGAs überwacht werden. Wenn es über Nacht kein einziges FIFO Overflow-Ereignis gab, wird das Bit nicht gesetzt. Und wir können erfreut feststellen, dass es keine Datenverluste gab. Vorab prüfen wir natürlich, ob die Erfassung der Statusbits funktioniert. Auch die Form des Signals wird aus der Datei überprüft, um sicherzustellen, dass die Qualität des ADC-Signals der Dokumentation entspricht.

Aber welches Signal wird denn ein solches Eingabesystem verdienen? Natürlich UWB von dem benachbarten Tisch!

Glücklicherweise haben wir für das Positionierungssystem der Drohnen eine Kanalfrequenz von 4 GHz gewählt. Dies entspricht den Kanälen 4 und 2 in der Terminologie des DW1000 (Abbildung 13 des Datenblatts). Wir haben eine integrierte Antenne auf diese Frequenz, oder besser gesagt, auf dieses Frequenzband, entworfen. Es war nicht einfach, sie in einem so breiten Spektrum abzustimmen. Aber das Ergebnis sieht erotisch aus! Einige sagen, es ähnelt einem Symbol… mit Ohren.

Das Signal von 4 GHz mit einer Bandbreite von 500 MHz fällt in das dritte Nyquist-Band und hat ausreichende Schutzintervalle, um Spektralüberlappungen zu vermeiden. Deshalb haben wir das DW1000-Signal einfach direkt an den Eingang des AD9208-ADC angelegt.

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 DW1000 eingestellt – 110 kbit/s.

Das ist der erste Datei, das ist der zweite. Vorsicht, die Dateien sind riesig!

In der ersten Datei sehen wir Pakete mit einer Dauer von etwa 750 Abtastungen oder 1000 Nanosekunden.

In der zweiten Datei sind die Pakete viermal kürzer.

Und das entspricht durchaus dem IEEE 802.15.4-2011 Standard im Hinblick auf die physikalische Ebene UWB:

Die Modulation innerhalb des Pakets ähnelt einer Phasenmodulation, was ebenfalls dem im Standard angegebenen BPSK entspricht. Den Standard finden Sie im Internet, suchen Sie nach „IEEE 802.15.4-2011“.

Wenn wir das Beobachtungsfenster etwas erweitern, sind auch Ungleichmäßigkeiten im Paketfolge sichtbar, was der Beschreibung der hybriden Modulation beim IEEE 802.15.4-2011 UWB entspricht – positionell-phasisch (BPM-BPSK).

Ich finde den DW1000-Chip und die Modulation dieses UWB PHY bombastisch, was auch immer das bedeuten mag, auf dem Niveau von militärischem JTIDS. Das ist mein neues Hobby. Fortsetzung folgt!

Einerseits werden wir den DW1000 untersuchen, andererseits werden wir uns mit dem Standard IEEE 802.15.4 auseinandersetzen.

Quelle: habr.com