Niedawno w naszym laboratorium zderzyły się dwa zupełnie różne światy: świat niedrogich nadajników radiowych i świat drogich systemów rejestracji szerokopasmowych sygnałów radiowych.
Na początku zwrócili się do nas nasi dobrzy przyjaciele, aby stworzyć oprogramowanie do rejestracji sygnału o szerokości 500 MHz. Oczywiście nie mogliśmy odmówić. Musieliśmy to zrobić na płytce firmy „Systemy Instrumentalne”, którą znam od lat. Na początku mojej kariery inżynierskiej musiałem pracować z ich sprzętem i oprogramowaniem.
A potem przyszedł drogi towarzysz z i poprosił o stworzenie systemu pozycjonowania dla dronów bez GPS. Mówi, należy organizować pokazy w pomieszczeniach. A na zewnątrz w dzisiejszych czasach nie ma sensu wypuszczać w niebo milionów na niewiarygodnym GPS. Zakłócenia i spoofing nawigacji satelitarnej .
Aby pozycjonować bez satelitów z dokładnością lepszą niż dziesięć centymetrów w promieniu do kilometra, nie znalazłem nic lepszego niż technologia UWB. Od dawna na rynku działa firma DecaWave, która produkuje układ DW1000 i moduły oparte na jego bazie. Układ ten jest transceiverem UWB zgodnym z standardem IEEE 802.15.4-2011. Swoją drogą, to wyjątkowa rzecz, z podwójnym lub nawet potrójnym dnem. Mam nadzieję, że przez następne kilka lat będziemy mogli zgłębić jej tajemnice i napisać o tym. Na pewno na to nie zdążymy wcześniej.
Ale dzisiaj nie mówimy o pozycjonowaniu, o tym w następnych odcinkach.
Dzisiaj rejestrujemy sygnał DW1000. A szerokość tego sygnału wynosi nie mniej, nie więcej, a 1000 lub 500 MHz, co ustala numer kanału. „Przypadkowo” na sąsiednim stole stał komputer z płytką od „Systemów Instrumentalnych” z mezzaninem FMC od Analog Devices.
Należy zauważyć „dla prokuratora”, że przetwornik AD9208 jest obecnie sprzętem objętym sankcjami. Nie można go legalnie kupić w Rosji, choć czasami bardzo się tego pragnie. Ale ten konkretny moduł został kupiony bardzo dawno temu, zanim pojawiły się sankcje. Jest czysty jak dusza niemowlęcia. Mam nadzieję, że to wyznanie zostanie dołączone do sprawy i zostanie uwzględnione w rozrachunku.
Nie będziemy teraz wdawać się w szczegóły dotyczące opracowania oprogramowania do zapisywania strumienia pomiarów w pamięci komputera. Niestety, na obecnym etapie nie możemy opublikować kodu źródłowego aplikacji na system Linux. Mamy jednak nadzieję na uzyskanie zgody na to przy następnym podejściu. Warto zauważyć, że nie było to proste, nawet biorąc pod uwagę dostarczone oprogramowanie od Instrument Systems. Sam przetwornik ADC oraz system jego taktowania i wyjścia sygnałów zgodnie z technologią JESD204B są dość skomplikowane, a w module od AD okazały się konieczne poprawki sprzętowe. Sygnał REFCLK dla systemu wejściowego jest niezbędny, jednak w module jest podłączony do nieodpowiednich pinów złącza FMC, w związku z czym nie trafia na właściwe piny FPGA. Trzeba było nałożyć łatę, którą widać na poniższym zdjęciu — dwa czerwone przewody. Oczywiście były wątpliwości, czy to będzie działać. Częstotliwość sygnału taktującego jest wysoka — 375 MHz, a łata wyglądała słabo. Ale system poradził sobie.
Cała kuchnia wygląda tak.
Tutaj można zobaczyć komputer z dobrą systemem wejścia-wyjścia, płytę FMC126P oraz mezanin AD9208-3000EBZ. Z generatorów: generator 3000 MHz do taktowania ADC, generator 770 MHz do REFCLK. Kable z wtykami SMA łączą generatory i przesyłają sygnał wejściowy.
Surowa prędkość danych z wyjścia ADC, jeśli nie zbytnio się rozdrabniać, wynosi 12 GB/s z dwóch kanałów. Według pomiarów i deklaracji producenta płyty FMC126P maksymalna prędkość wejściowa wynosi 5 GB/s. Dlatego w ADC wykorzystaliśmy tylko jeden kanał i przepuściliśmy go przez wbudowany w AD9208 DDC (Digital Down Converter) z dekompozycją czterokrotną. W ten sposób strumień danych wyniósł 3 GB/s (częstotliwość próbkowania 750 MHz, 16-bitowy sygnał zespolony).
Sprawdzenie, czy system jest w stanie zapisać pomiary, jest bardzo proste: wystarczy monitorować zacięte bity stanu FIFO FPGA. Jeśli przez noc nie wystąpiło żadne zdarzenie FIFO Overflow, bit nie zostanie ustawiony. I z radością stwierdzamy, że nie było utraty pomiarów. Oczywiście wcześniej sprawdzamy, czy rejestracja bitów stanu działa. Również analizujemy kształt sygnału z pliku, aby upewnić się, że jakość pobrania sygnału z ADC odpowiada dokumentacji.
Ale jaki sygnał zasługuje na taki system wejściowy? Oczywiście UWB z sąsiedniego stolu!
Na szczęście dla systemu pozycjonowania dronów wybraliśmy częstotliwość kanału 4 GHz. Odpowiada to kanałom 4 i 2 w terminologii DW1000 (rys. 13 w karcie katalogowej). Zbudowaliśmy wbudowaną na tę częstotliwość antenę, a właściwie mówiąc, na ten zakres. Zestrojenie jej w tak szerokim paśmie było wyzwaniem. Ale efekt jest świetny! Niektórzy mówią, że przypomina symbol… z uszkami.
Sygnał 4 GHz z pasmem 500 MHz wchodzi w trzecią strefę Nyquista i ma wystarczające przerwy ochronne, aby uniknąć nałożenia spektrum. Dlatego po prostu podaliśmy sygnał DW1000 bezpośrednio do wejścia ADC AD9208.
Otrzymaliśmy dwa pliki: jeden z częstotliwością PRF równą 64 MHz, drugi – 16 MHz. Prędkość transmisji została ustawiona na minimalną dla DW1000 – 110 kbit/s.
To plik to . Uwaga, pliki są ogromne!
W pierwszym pliku widzimy pakiety trwające około 750 próbek lub 1000 nanosekund.
W drugim pliku pakiety są cztery razy krótsze.
I to całkowicie odpowiada standardowi IEEE 802.15.4-2011 w zakresie warstwy fizycznej UWB:
Modulacja wewnątrz pakietu jest podobna do fazowej, co również odpowiada wskazanej w standardzie BPSK. Sam standard można znaleźć w Internecie, szukaj „IEEE 802.15.4-2011”.
Jeśli nieco rozszerzymy czas obserwacji, będą widoczne również nierównomierności w sekwencji pakietów, co odpowiada opisowi hybrydowej modulacji IEEE 802.15.4-2011 UWB – modulacji pozycyjno-fazowej (BPM-BPSK).
Ogólnie rzecz biorąc, uważam układ DW1000 i modulację tego UWB PHY za niesamowitą, cokolwiek to znaczy, na poziomie wojskowego JTIDS. To moje nowe hobby. Ciąg dalszy nastąpi!
Z jednej strony będziemy zgłębiać DW1000, z drugiej, będziemy rozwiązywać kwestie związane ze standardem IEEE 802.15.4.
Źródło: habr.com
