Recentemente, dois mundos completamente diferentes se encontraram em nosso laboratório: o mundo dos rádios transceptores baratos e o mundo dos caras sistemas caros de gravação de sinais de rádio de largura de banda.
Primeiro, nossos bons amigos nos procuraram para desenvolver um software para gravação de um sinal com uma largura de banda de 500 MHz. Claro, não conseguimos recusar. Afinal, precisávamos fazer isso na placa da empresa "Instrumental Systems", de quem eu conheço há muito tempo. No início da minha carreira como engenheiro, trabalhei com seu hardware e software.
E então um caro amigo chegou, do e pediu para desenvolver um sistema de posicionamento para drones sem GPS. Ele disse que era necessário realizar um show em ambientes fechados. E mesmo ao ar livre, nos dias de hoje não é muito seguro lançar ao céu vários milhões de dinheiro com um GPS não confiável. Interferências e spoofing de navegação por satélite .
Para posicionamento sem satélites com precisão melhor que dez centímetros em uma área de até um quilômetro, eu não encontrei nada além da tecnologia UWB. Há muito tempo no mercado existe a empresa DecaWave, que produz o chip DW1000 e módulos baseados nele. O chip é um transceptor UWB do padrão IEEE 802.15.4-2011. A propósito, é uma coisa única, com fundo duplo ou até triplo. Espero que possamos explorar suas profundezas nos próximos anos e escrever sobre isso. Antes disso, certamente não teremos tempo.
Mas o tópico de hoje não é sobre posicionamento, isso ficará para os próximos episódios.
Hoje estamos fazendo a gravação do sinal do DW1000. E a largura de banda desse sinal é, nem mais nem menos, 1000 ou 500 MHz, dependendo do número do canal. "Por acaso", havia um computador na mesa ao lado com a placa da "Instrumental Systems" com um mezzanino FMC da Analog Devices.
Aqui, cabe ressaltar para o "promotor" que o ADC AD9208 é, hoje, um equipamento sancionado. Não é legal comprá-lo na Rússia, mesmo que às vezes a gente realmente queira. Mas este módulo específico foi comprado há muito tempo, quando ainda não havia sanções. Ele é tão limpo quanto a alma de um recém-nascido. Espero que esta confissão seja arquivada e conte a favor do réu.
Não vamos entrar em detalhes sobre o desenvolvimento de software para registrar o fluxo de amostras na memória do computador. Infelizmente, ainda não podemos publicar o código-fonte do aplicativo para Linux. Mas esperamos conseguir autorização para isso na próxima vez. Vale ressaltar que não foi uma tarefa fácil, mesmo considerando os recursos de software fornecidos pela Instrumental Systems. O próprio ADC e o sistema de sincronização e saída de amostras, baseado na tecnologia JESD204B, são bastante complexos de compreender, e ainda assim, no módulo da AD foram necessários patches de hardware. O sinal REFCLK é absolutamente necessário para o sistema de entrada, mas ele não entra nos pinos corretos do conector FMC e, consequentemente, não chega nos pinos apropriados da FPGA. Foi necessário aplicar um patch, que pode ser visto na foto abaixo — dois fios vermelhos. Claro, havia dúvidas se isso funcionaria. A frequência do sinal de clock é alta — 375 MHz, e o patch é horrível. Mas o sistema se resolveu.
Toda a operação parece assim.
Aqui podemos ver um computador com um bom sistema de entrada e saída, a placa FMC126P, o mezzanine AD9208-3000EBZ. Entre os geradores, temos um gerador de 3000 MHz para a sincronização do ADC e um gerador de 770 MHz para o REFCLK. Os cabos com conectores SMA conectam os geradores e fornecem o sinal de entrada.
A taxa de dados bruta na saída do ADC, sem entrar em detalhes, é de 12 GB/s em dois canais. De acordo com medições e a declaração do fabricante da placa FMC126P, a velocidade máxima de entrada é de 5 GB/s. Portanto, no ADC usamos apenas um canal e passamos por um conversor digital de baixo, DDC (Digital Down Converter) embutido no AD9208, com decimação de quatro. Dessa forma, a taxa de dados foi de 3 GB/s (frequência de amostragem de 750 MHz, sinal complexo de 16 bits).
A verificação de que o sistema está conseguindo registrar as amostras é bem simples: basta monitorar os bits de status FIFO da FPGA. Se durante a noite não ocorrer nenhum evento de overflow FIFO, o bit não será ativado. E nós podemos constatá-lo felizmente, sem perda de amostras. Antes, claro, verificamos se a fixação dos bits de status está funcionando. Também analisamos a forma do sinal a partir do arquivo, para garantir que a qualidade da captura do sinal do ADC atende à documentação.
Mas que sinal realmente merece um sistema de entrada como este? Certamente um UWB da mesa ao lado!
Felizmente, para o sistema de posicionamento dos drones, escolhemos a frequência de canal de 4 GHz. Isso corresponde aos canais 4 e 2 na terminologia DW1000 (Figura 13 do datasheet). Criamos uma antena integrada à placa para essa frequência, ou melhor dizendo, para esse intervalo. Ajustá-la em uma faixa tão larga não foi fácil. Mas a peça ficou incrível! Alguns dizem que se parece com um símbolo... com orelhas.
O sinal de 4 GHz com largura de banda de 500 MHz entra na terceira banda de Nyquist e possui intervalos de proteção suficientes para evitar sobreposição espectral. Portanto, simplesmente conectamos o sinal DW1000 diretamente à entrada do ADC AD9208.
Recebemos dois arquivos: um com frequência PRF de 64 MHz e o outro com 16 MHz. A taxa de transmissão foi configurada para o mínimo para o DW1000 — 110 kbps.
Isso é arquivo, isso . Cuidado, os arquivos são enormes!
No primeiro arquivo, vemos pacotes com duração de cerca de 750 amostras ou 1000 nanossegundos.
No segundo arquivo, os pacotes são quatro vezes mais curtos.
E isso está bem de acordo com o padrão IEEE 802.15.4-2011 em termos de camada física UWB:
A modulação dentro do pacote se assemelha à fase, o que também está conforme o especificado no padrão BPSK. Você poderá encontrar o próprio padrão na Internet, procure por 'IEEE 802.15.4-2011'.
Se ampliarmos um pouco a janela de observação, também podemos ver irregularidades na sequência dos pacotes, o que corresponde à descrição da modulação híbrida IEEE 802.15.4-2011 UWB — modulação posicional-fásica (BPM-BPSK).
No geral, acho o chip DW1000 e a modulação desse PHY UWB incrível, seja lá o que isso signifique, algo no nível do JTIDS militar. É meu novo interesse. Continua!
De um lado, vamos explorar o DW1000, do outro, vamos entender o padrão IEEE 802.15.4.
Fonte: habr.com
