Inspelning av superbredbandsignaler enligt standarden 802.15.4 UWB på nästan sanktionerad utrustning

Nyligen sammanstrålade två helt olika världar i vårt laboratorium: världen av billiga radio-transceivrar och världen av dyra inspelningssystem för bredbandsradiosignaler.

Först kontaktade våra goda vänner oss för att skapa mjukvara för att spela in en signal med bandbredd på 500 MHz. Självklart kunde vi inte tacka nej. Vi behövde göra detta på en krets från företaget "Instrumental Systems", som jag har känt länge. I början av min ingenjörskarriär arbetade jag med deras hårdvara och mjukvara.

Sedan kom en dyr vän mikkab från Droneshow och bad oss att skapa ett positionssystem för drönare utan GPS. Det behövs, säger han, för att köra en show inomhus. Och även utomhus känns det inte bra att skjuta upp flera miljoner i himlen på en osäker GPS nu för tiden. Störningar och spoofing av satellitnavigering blomstrar.

För positionsbestämning utan satelliter med noggrannhet bättre än tio centimeter inom en kilometer har jag inte hittat något annat än UWB-teknologi. Det finns länge på marknaden ett företag, DecaWave, som tillverkar chipet DW1000 och moduler baserade på det. Chipet är en UWB-transceiver enligt standarden IEEE 802.15.4-2011. För övrigt är det en unik sak, med dubbel eller till och med trippel botten. Jag hoppas att vi kan förstå dess djup under de kommande åren och skriva om det. Tidigare kommer vi inte att hinna.

Men idag handlar det inte om positionsbestämning, det kommer vi att ta upp i nästa avsnitt.

Idag spelar vi in DW1000-signalen. Och bandbredden för denna signal är inte mycket mer och inte mycket mindre än 1000 eller 500 MHz, vilket bestäms av kanalnumret. "Av en helt slump" stod det en dator på grannbordet med kortet FMC126P från "Instrumental Systems" med FMC-mezzaninen AD9208-3000EBZ från Analog Devices.

Här är det värt att notera "för åklagaren" att ADC AD9208 idag är sanktionerad teknik. Det är inte lagligt att köpa den i Ryssland, även om man ibland verkligen vill. Men just denna modul köptes för länge sedan, när det inte fanns några sanktioner. Den är ren, som själen hos ett spädbarn. Jag hoppas att detta erkännande kommer att bifogas till ärendet och komma till godo för den åtalade.

Vi ska inte gå in på detaljerna kring mjukvaruutvecklingen för att registrera strömmar av mätvärden i datorns minne. Tyvärr kan vi för tillfället inte publicera koden för Linux-applikationen. Men vi hoppas få tillstånd att göra det nästa gång. Det måste nämnas att det har varit en utmaning, även med den programvara som Instrumental Systems har tillhandahållit. Själva ADC:n och dess taktsystem och avläsningsutgångar enligt JESD204B-teknologin är ganska svåra att förstå, och i modulen från AD krävdes dessutom hårdvarupatchar. REFCLK-signalen är avgörande för inmatningssystemet, och den går tyvärr in på fel pinnar i FMC-kontakten, vilket innebär att den inte når rätt pinnar på FPGA:n. Vi var tvungna att applicera en patch, som syns på bilden nedan – två röda kablar. Det fanns tvekan om detta skulle fungera. Klockfrekvensen är hög – 375 MHz, och patchen ser förfärlig ut. Men systemet klarade det.

Hela köket ser ut så här.

Här kan man se en dator med ett bra in- och utmatningssystem, FMC126P-kortet och mezzaninen AD9208-3000EBZ. Från generatorerna: en 3000 MHz-generator för klockning av ADC:n och en 770 MHz-generator för REFCLK. Kablar med SMA-kontakter kopplar ihop generatorerna och levererar ingångssignalen.

Den råa datatakten från ADC:ns utgång, om man inte vill vara petig, är 12 GB/s från två kanaler. Enligt mätningar och tillverkarens deklaration av FMC126P-kortet är den maximala inmatningstakten 5 GB/s. Därför använde vi bara en kanal i ADC:n och förde den genom den inbyggda DDC:n (Digital Down Converter) i AD9208 med en decimering på fyra. Således blev datatakten 3 GB/s (samplingsfrekvens 750 MHz, 16-bitars komplex signal).

Att kontrollera att systemet hinner registrera avläsningarna är väldigt enkelt: man behöver bara övervaka FIFO-statusbitarna i FPGA:n. Om det inte har inträffat några FIFO Overflow-händelser över natten, kommer statusbiten inte att sättas. Och vi kan glädjande konstatera att inga avläsningar har gått förlorade. Först kontrollerar vi givetvis att statusbitarna fungerar. Vi inspekterar även signalformen från filen för att säkerställa att kvaliteten på ADC-signalen uppfyller dokumentationen.

Men vilken signal är värdig ett sådant inmatningssystem? Självklart UWB från bordet bredvid!

Lyckligtvis valde vi en frekvens på 4 GHz för dronernas positionssystem. Detta motsvarar kanalerna 4 och 2 i DW1000-terminologin (figur 13 i databladet). Vi har gjort en inbyggd antenn för detta frekvensområde. Att stämma av den över så bred ett spektrum var inte enkelt. Men den blev riktigt tilltalande! Vissa säger att den liknar en symbol… med öron.

Signal över 4 GHz med ett spektrum på 500 MHz faller inom den tredje Nyquist-banden och har tillräckliga skyddsintervall för att undvika spektral överlappning. Därför anslöt vi helt enkelt DW1000-signalen direkt till AD9208 ADC-ingången.

Vi fick två filer: en med PRF-frekvens på 64 MHz och en annan med 16 MHz. Överföringshastigheten ställdes in till minimum för DW1000 – 110 kbps.

Detta första filen, detta andra. Var försiktig, filerna är enorma!

I den första filen ser vi paket som varar i cirka 750 steg eller 1000 nanosekunder.

I den andra filen är paketen fyra gånger kortare.

Och detta stämmer väl överens med IEEE 802.15.4-2011-standarden vad gäller den fysiska nivån för UWB:

Moduleringen inom paketet liknar fasmodulering, vilket också motsvarar den angivna BPSK-standarden. Du kan hitta standarden på nätet, sök efter "IEEE 802.15.4-2011".

Om man utvidgar observationsfönstret något så syns även oregelbundenheter i paketföljden, vilket motsvarar beskrivningen av hybridmoduleringen i IEEE 802.15.4-2011 UWB – positions-fasmodulering (BPM-BPSK).

Överlag anser jag att DW1000-chipet och moduleringen för denna UWB PHY är fantastisk, vad det nu innebär, på en militär JTIDS-nivå. Det är min nya hobby. Fortsättning följer!

Å ena sidan kommer vi att gräva i DW1000, å andra sidan kommer vi att ta reda på om IEEE 802.15.4-standarden.

Källa: habr.com