การบันทึกสัญญาณ UWB 802.15.4 ย่านความถี่กว้างพิเศษบนอุปกรณ์ที่เกือบจะได้รับการอนุมัติ

เมื่อเร็ว ๆ นี้ โลกสองใบที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงมารวมกันในห้องปฏิบัติการของเรา: โลกของเครื่องรับส่งสัญญาณวิทยุราคาไม่แพง และโลกของระบบบันทึกสัญญาณวิทยุบรอดแบนด์ราคาแพง

ประการแรก เพื่อนที่ดีของเรามาหาเราเพื่อสร้างซอฟต์แวร์สำหรับบันทึกสัญญาณด้วยย่านความถี่ 500 MHz แน่นอนว่าเราไม่อาจปฏิเสธได้ ท้ายที่สุดจำเป็นต้องทำสิ่งนี้บนกระดานจาก บริษัท "Instrumental Systems" ซึ่งฉันรู้จักมานานแล้ว ในช่วงเริ่มต้นอาชีพวิศวกร ฉันต้องทำงานกับฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ของพวกเขา

แล้วเพื่อนรักของฉันก็มา มิกกะบ ของ โดรนโชว์ และขอให้จัดทำระบบระบุตำแหน่งโดรนที่ไม่มี GPS เขากล่าวว่าจำเป็นต้องเปิดตัวการแสดงในอาคาร และบนท้องถนนทุกวันนี้ คุณคงไม่อยากส่งเงินหลายล้านเหรียญขึ้นไปบนท้องฟ้าด้วย GPS ที่ไม่น่าเชื่อถือ การรบกวนการนำทางวันเสาร์และการปลอมแปลง กำลังเจริญรุ่งเรือง.

สำหรับการระบุตำแหน่งโดยไม่มีดาวเทียมที่มีความแม่นยำมากกว่า 1000 เซนติเมตรในโซนไม่เกิน 802.15.4 กิโลเมตร ฉันไม่พบสิ่งอื่นใดนอกจากเทคโนโลยี UWB DecaWave เข้าสู่ตลาดมาเป็นเวลานานโดยผลิตชิป DW2011 และโมดูลตามนั้น ชิปนี้เป็นตัวรับส่งสัญญาณ UWB ของมาตรฐาน IEEE XNUMX-XNUMX อย่างไรก็ตามสิ่งนี้มีเอกลักษณ์เฉพาะด้วยก้นสองหรือสามเท่า ฉันหวังว่าเราจะสามารถเจาะลึกลงไปได้ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าและเขียนเกี่ยวกับเรื่องนี้ คุณจะไม่สามารถทำได้ก่อนหน้านี้อย่างแน่นอน

แต่วันนี้เราไม่ได้พูดถึงการวางตำแหน่ง เราจะพูดถึงเรื่องนั้นในซีรีส์หน้า

วันนี้เราจะมาบันทึกสัญญาณ DW1000 กัน และแบนด์วิดท์ของสัญญาณนี้ไม่มากหรือน้อย แต่เป็น 1000 หรือ 500 MHz ซึ่งกำหนดโดยหมายเลขช่องสัญญาณ “บังเอิญโดยสิ้นเชิง” มีคอมพิวเตอร์พร้อมแผงวงจรอยู่บนโต๊ะถัดไป เอฟเอ็มซี126พี จาก "ระบบเครื่องมือ" พร้อมชั้นลอย FMC AD9208-3000EBZ จากอุปกรณ์อนาล็อก

ควรสังเกตไว้ที่นี่ “สำหรับอัยการ” ว่า AD9208 ADC เป็นเทคโนโลยีที่ได้รับการอนุมัติในปัจจุบัน คุณไม่สามารถซื้อมันในรัสเซียได้อย่างถูกกฎหมายแม้ว่าบางครั้งคุณก็ต้องการจริงๆ แต่โมดูลนี้ซื้อมาเมื่อนานมาแล้ว ซึ่งยังไม่มีมาตรการคว่ำบาตร เขาบริสุทธิ์เหมือนวิญญาณของทารก หวังว่าคำรับสารภาพนี้จะถูกฟ้องในคดีนี้และจะยกเครดิตให้กับจำเลย

เราจะไม่ลงรายละเอียดเกี่ยวกับการพัฒนาซอฟต์แวร์สำหรับบันทึกข้อมูลการอ่านลงในหน่วยความจำคอมพิวเตอร์ในตอนนี้ เนื่องจากขณะนี้เรายังไม่สามารถเผยแพร่ซอร์สโค้ดของแอปพลิเคชันได้ Linuxแต่เราหวังว่าจะได้รับอนุญาตในครั้งต่อไป ต้องบอกว่ามันไม่ใช่เรื่องง่ายเลย แม้จะมีซอฟต์แวร์ที่พัฒนาโดย Instrumented Systems แล้วก็ตาม ตัว ADC เองและระบบการกำหนดเวลาและการส่งออกตัวอย่างโดยใช้เทคโนโลยี JESD204B นั้นค่อนข้างซับซ้อน และโมดูล AD ก็ต้องการการแก้ไขฮาร์ดแวร์ด้วย สัญญาณ REFCLK นั้นจำเป็นสำหรับระบบอินพุต แต่ในโมดูลนั้น มันเชื่อมต่อกับขาที่ไม่ถูกต้องของขั้วต่อ FMC และด้วยเหตุนี้จึงไม่ไปถึงขาที่ถูกต้องของ FPGA จึงต้องมีการแก้ไข ซึ่งคุณสามารถเห็นได้ในภาพด้านล่าง—สายสีแดงสองเส้น แน่นอนว่ามีข้อสงสัยว่ามันจะใช้งานได้หรือไม่ ความถี่ของสัญญาณนาฬิกาสูงถึง 375 MHz—และการแก้ไขก็แย่มาก แต่ระบบก็สามารถทำงานได้สำเร็จ

ห้องครัวทั้งหมดก็จะประมาณนี้ครับ

ที่นี่คุณจะเห็นคอมพิวเตอร์ที่มีระบบ I/O ที่ดี บอร์ด FMC126P และชั้นลอย AD9208-3000EBZ ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า: เครื่องกำเนิด 3000 MHz สำหรับการตอกบัตร ADC, เครื่องกำเนิด 770 MHz สำหรับ REFCLK สายเคเบิลที่มีขั้วต่อ SMA จะเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและจ่ายสัญญาณอินพุต

ความเร็วข้อมูลดิบจากเอาต์พุต ADC หากคุณไม่ลงรายละเอียด จะอยู่ที่ 12 GB/s จากสองช่องสัญญาณ ตามการวัดและตามประกาศของผู้ผลิตบอร์ด FMC126P ความเร็วอินพุตสูงสุดคือ 5 GB/s ดังนั้นเราจึงใช้เพียงช่องเดียวใน ADC และส่งต่อผ่าน DDC (Digital Down Converter) ที่สร้างใน AD9208 ด้วยการลดทอนสี่ ดังนั้น กระแสข้อมูลจึงอยู่ที่ 3 GB/s (ความถี่การสุ่มตัวอย่าง 750 MHz, สัญญาณที่ซับซ้อน 16 บิต)

การตรวจสอบว่าระบบมีเวลาในการบันทึกตัวอย่างนั้นง่ายมาก: คุณเพียงแค่ต้องตรวจสอบ Sticky Bits ของสถานะ FPGA FIFO หากไม่มีเหตุการณ์ FIFO Overflow ข้ามคืน บิตจะไม่ถูกตั้งค่า และเรายินดีกล่าวว่าไม่มีการสูญเสียการอ่าน ก่อนอื่นเราตรวจสอบก่อนว่าบิตสถานะการล็อคกำลังทำงานอยู่ นอกจากนี้เรายังดูรูปร่างสัญญาณจากไฟล์เพื่อให้แน่ใจว่าคุณภาพของสัญญาณ ADC ที่จับได้นั้นสอดคล้องกับเอกสารประกอบ

แต่สัญญาณชนิดใดที่จะคุ้มค่ากับระบบอินพุตดังกล่าว? แน่นอน UWB จากตารางถัดไป!

โชคดีที่เราเลือกความถี่ช่องสัญญาณ 4 GHz สำหรับระบบกำหนดตำแหน่งโดรน ซึ่งสอดคล้องกับช่อง 4 และ 2 ในคำศัพท์เฉพาะของ DW1000 (รูปที่ 13 ของแผ่นข้อมูล) เราสร้างเสาอากาศที่ติดตั้งไว้ในบอร์ดสำหรับความถี่นี้ หรือที่พูดได้ดีกว่าสำหรับช่วงนี้ มันไม่ง่ายเลยที่จะประสานมันเข้าด้วยกันเป็นวงกว้างขนาดนี้ แต่เรื่องกลับกลายเป็นเรื่องอีโรติก! บางคนว่าดูเหมือนสัญลักษณ์...มีหู

สัญญาณ 4 GHz ที่มีแบนด์วิดท์ 500 MHz จะอยู่ในช่วง Nyquist วงที่สามและมีช่วงการป้องกันที่เพียงพอเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดนามแฝง ดังนั้นเราจึงเพียงเชื่อมต่อสัญญาณ DW1000 เข้ากับอินพุต AD9208 ADC โดยตรง

เราได้รับสองไฟล์: ไฟล์หนึ่งมีความถี่ PRF 64 MHz และอีกไฟล์ - 16 MHz ความเร็วในการส่งข้อมูลถูกตั้งไว้ที่ขั้นต่ำสำหรับ DW1000 - 110 kbit/s

มัน แรก ไฟล์นี้ ที่สอง. ระวังไฟล์มันใหญ่มาก!

ในไฟล์แรก เราเห็นแพ็กเก็ตที่มีความยาวประมาณ 750 ตัวอย่างหรือ 1000 นาโนวินาที

ในไฟล์ที่สอง แพ็กเก็ตจะสั้นกว่าสี่เท่า

และสิ่งนี้สอดคล้องกับมาตรฐาน IEEE 802.15.4-2011 อย่างสมบูรณ์ในแง่ของเลเยอร์ฟิสิคัล UWB:

การมอดูเลตภายในแพ็กเก็ตจะคล้ายกับการมอดูเลตเฟส ซึ่งสอดคล้องกับที่ระบุในมาตรฐาน BPSK คุณสามารถค้นหามาตรฐานได้บนอินเทอร์เน็ต โดยมองหา “IEEE 802.15.4-2011”

หากคุณขยายกรอบเวลาการสังเกตเล็กน้อย คุณยังสามารถเห็นความไม่สม่ำเสมอของแพ็กเก็ต ซึ่งสอดคล้องกับคำอธิบายของการมอดูเลตแบบไฮบริด IEEE 802.15.4-2011 UWB - เฟสตำแหน่ง (BPM-BPSK)

โดยทั่วไปแล้ว ฉันพบว่าชิป DW1000 และการมอดูเลตของ UWB PHY นี้จะเป็นระเบิด ไม่ว่าจะหมายถึงอะไรก็ตาม ในระดับ JTIDS ทางทหาร นี่คืองานอดิเรกใหม่ของฉัน ยังมีต่อ!

ในอีกด้านหนึ่งเราจะขุด DW1000 ในทางกลับกันเราจะจัดการกับมาตรฐาน IEEE 802.15.4

ที่มา: will.com