Запись сверх-широкополосных сигналов стандарта 802.15.4 UWB на почти санкционной технике

    image


    Недавно два совершенно разных мира сошлись в нашей лаборатории: мир недорогих радио-трансиверов и мир дорогущих систем записи широкополосных радио-сигналов.


    Сначала к нам обратились наши хорошие друзья, чтобы сделать софт для записи сигнала полосой 500 МГц. Мы, конечно, не смогли отказать. Ведь нужно было сделать это на плате компании "Инструментальные Системы", которых я знаю давно. На заре инженерной деятельности мне пришлось работать с их железом и софтом.


    А потом пришел дорогой товарищ mikkab из Шоу Дронов и попросил сделать систему позиционирования для дронов без GPS. Нужно, говорит, запускать шоу в помещениях. Да и на улице в наше время запускать в небо несколько миллионов денег на ненадежной GPS не очень хочется. Помехи и спуффинг спутниковой навигации процветают.


    Для позиционирования без спутников с точностью лучше десяти сантиметров в зоне до километра я не нашел ничего, кроме технологии UWB. Уже давно на рынке есть компания DecaWave, которая выпускает микросхему DW1000 и модули на ее базе. Микросхема — СШП-трансивер стандарта IEEE 802.15.4-2011. К слову, штука уникальная, с двойным или даже тройным дном. Я надеюсь, мы сможем освоить ее глубины в следующие несколько лет и написать об этом. Раньше точно не успеть.


    Но речь сегодня не о позиционировании, об этом в следующих сериях.


    Сегодня мы делаем запись сигнала DW1000. А полоса этого сигнала ни много, ни мало, а 1000 или 500 МГц, что устанавливается номером канала. "Совершенно случайно" на соседнем столе стоял компьютер с платой FMC126P от "Инструментальных Систем" с FMC-мезанином AD9208-3000EBZ от Analog Devices.


    Здесь следует отметить "для прокурора", что АЦП AD9208 является сегодня санкционной техникой. Легально купить его в Россию нельзя, хоть иногда и очень хочется. Но данный конкретный модуль был куплен очень давно, когда санкций еще не было. Он чист, как душа младенца. Надеюсь, это признание будет подшито к делу и зачтется подсудимому.


    Не будем сейчас вдаваться в подробности разработки софта для записи потока отсчетов в память компьютера. Пока, к сожалению, мы не можем опубликовать исходный код приложения для Linux. Но надеемся добиться разрешения на это для следующего раза. Стоит только отметить, что это было непросто, даже с учетом предоставленных программных наработок Инструментальных Систем. Сам АЦП и система его тактирования и вывода отсчетов по технологиии JESD204B довольно сложны для понимания, так еще и в модуле от AD оказались необходимы аппаратные патчи. Сигнал REFCLK системе ввода нужен обязательно, а он на модуле заходит не на те ноги разъема FMС и, соответственно, не попадает на нужные ноги ПЛИС. Пришлось наложить патч, который можно увидеть на фото ниже — два красных провода. Были, конечно, сомнения в том, что это будет работать. Частота тактового сигнала высокая — 375 МГц, а патч ужасен. Но система справилась.


    image


    Вся кухня выглядит так.


    image


    Здесь можно заметить компьютер с хорошей системой ввода-вывода, плату FMC126P, мезанин AD9208-3000EBZ. Из генераторов: генератор 3000 МГц для тактирования АЦП, генератор 770 МГц для REFCLK. Кабели с разъемами SMA соединяют генераторы и подают входной сигнал.


    Сырая скорость данных с выхода АЦП, если не мелочиться, составляет 12 ГБайт/с с двух каналов. По измерениям и по декларации производителя платы FMC126P максимальная скорость ввода составляется 5 ГБайт/с. Поэтому в АЦП мы использовали только один канал и пропускали его через встроенный в AD9208 DDC (Digital Down Converter) с децимацией на четыре. Таким образом, поток данных составил 3 ГБайт/с (частота дискретизации 750 МГц, 16 разрядный комплексный сигнал).


    Проверка того, что система успевает записывать отсчеты очень простая: нужно просто контролировать залипающие биты статуса FIFO ПЛИС. Если за ночь не было ни одного события FIFO Overflow, то бит не будет взведен. И мы радостно констатируем, что потерь отсчетов не было. Предварительно мы, конечно, проверяем, что фиксация битов статуса работает. Форму сигнала также просматриваем из файла, чтобы убедиться, что качество снятия сигнала АЦП соответствует документации.


    Но какой же сигнал будет достоин такой системы ввода? Конечно UWB с соседнего стола!


    К счастью, для системы позиционирования дронов мы выбрали частоту канала 4 ГГц. Это соответствует каналам 4 и 2 в терминологии DW1000 (Figure 13 даташита). Мы сделали встроенную в плату антенну на эту частоту, или, лучше сказать, на этот диапазон. Согласовать ее в такой широкой полосе было непросто. Но штука получилась эротичная! Некоторые говорят, что похожа на символ… с ушками.


    image


    Сигнал 4 ГГц с полосой 500 МГц попадает в третью полосу Найквиста и имеет достаточные защитные интервалы, чтобы избежать наложения спектра. Поэтому мы просто подали сигнал DW1000 на вход АЦП AD9208 напрямую.


    Мы получили два файла: один с частотой PRF равной 64 МГц, другой — 16 МГц. Скорость передачи была установлена минимальная для DW1000 — 110 кбит/с.


    Это первый файл, это второй. Осторожно, файлы огромные!


    В первом файле мы видим пакеты, длительностью около 750 отсчетов или 1000 наносекунд.


    image


    Во втором файле пакеты в четыре раза короче.


    image


    И это вполне соответствует стандарту IEEE 802.15.4-2011 в части физического уровня UWB:


    image


    Модуляция внутри пакета похожа на фазовую, что тоже соответствует указанной в стандарте BPSK. Сам стандарт вы сможете найти в Интернете, ищите "IEEE 802.15.4-2011".


    Если немного расширить временное окно наблюдения, то видны и неравномерности следования пакетов, что соответствует описанию гибридной модуляции IEEE 802.15.4-2011 UWB — позиционно-фазовой (BPM-BPSK).


    image


    image


    Вообще, я нахожу чип DW1000 и модуляцию этого UWB PHY бомбической, что бы это ни значило, штукой, на уровне военной JTIDS. Это мое новое увлечение. Продолжение следует!


    С одной стороны, будем копать DW1000, с другой, будем разбираться со стандартом IEEE 802.15.4.

    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 44

      +2
      А отсутствие fifo overflow точно гарантирует, что очередной пакет с данными не был профукан стеком протоколов на пару уровней выше? И куда можно писать поток 5ГБ/с в течении всей ночи (это 200ТБ примерно)?
        +1
        Мы сначала проверили, что бит срабатывает.

        Поток можно писать в циклический буфер меньшего размера. Пару ТБ подойдет.
        0
        del
          +1
          Простите, я не в теме, Вы пишете о прокурорах и санкциях, наложенных на точные АЦП. Поясните пожалуйста, а санкции на уникальную технику «свои» наложили? Или о каком прокуроре идет речь?
            +2
            О штатовском
              –4
              Я тоже думаю, что пора начать и иностранные АЦП бульдозером давить наравне с сыром, чтобы помочь отечетсвенному производителю.
                +1
                Не тот случай, бесполезно. Здесь мы безнадежно отстали. Навсегда.
                  –2
                  Ага, то есть с сыром, вы полагаете, не навсегда?
                    +6
                    Вы действительно думаете, что АЦП на гигагерцы изготовить так же легко, как сыр? Его даже скопировать невозможно — слишком тонкие технологии. В СНГ нет ни специалистов, ни ПО, ни оборудования, позволяющих изготовить такой чип.
                      0
                      Можно скопировать, можно изготовить с нуля, такой-же или даже лучше.
                      Вопрос в другом — кто за это платить будет, и сколько. Потому-что денег пока хватает только на бульдозер.
                      0
                      С сыром попроще. Я вот недавно слышал по радио историю, что одна тетя на кухне сделала сыр, который получил признание международной комиссии, и теперь у нее бизнес.
                    +3
                    Не знаю, что Вы там едите, но с момента введения санкций на сыр, в магазинах ничего кроме пальмового масла с надписью «сыр» нет. Раньше хоть немецкий/испанский сыр был, ещё был Camambert в герметичной упаковке. А что сейчас? Китайские и африканские полуфабрикаты, смешанные с загустителями и вкусовыми добавками. У нашего производителя даже ТТЛ ПЛИС нет. (да, они тоже нужны. да, на 20 МГц. да, на 16 ячеек, эквивалентных LUT+DFF. да, по техпроцессу 3 мкм. и да, их можно производить даже на достаточно старом оборудовании). Уже не говоря о чём то бОльшем.
                      +1

                      Где вы живете?
                      У нас среди "пальмового изобилия" можно встретить и нормальный сыр.

                        +1
                        Швейцарские сыры не под санкциями, а они самые вкусные и без всякого пальмового масла. Если не видите в магазине, можно через озон заказать.
                    +1
                    Знатная штука. Не так много у нас занимаются СШП. Тем приятнее, что дело еще и в родном Питере. Антена действительно красивой получилась. Вот только провода к плате подходящие… Это ж питание (и, видимо, управление)? Как-то не вяжутся они с 500МГц-1ГГц.

                    Ну и вопрос будущего применения. Есть коммерческая составляющая в этих работах или сугубо академическая? Особенно в свете проблем с чипами, да и с связьнадзором скорее всего не очень гладко выйдет.
                      +1
                      Ага, как только излучать надумаете. Хотя, это же СШП, сигнал ещё засечь надо.

                      Ушки действительно эротичные, но скорее зайки из «Ну, погоди!», а те, другие — заострённые. Так даже лучше, одной потенциальной претензией меньше.
                        0
                        Там, где гигагерцы, проводов нет. Провода висят на низкочастотных цепях, не страшно.

                        Проблем с чипами DW1000 вроде нет. Я даже видел перевод стандарта IEEE 802.14.5, принятый как российский стандарт. Есть проблема с AD9208, но это другая история.

                        DW1000 будем применять. AD9208 — не будем, Госдеп же запрещает)

                        Про связьнадзор я не понял, простите.
                          +1
                          Вопрос не в переводе на русский 802.15.4.

                          Вопрос в том, есть ли конкретное решение ГКРЧ, позволяющее вам работать в том частотном диапазоне, с теми параметрами модуляции и с теми целями использования устройств, с которыми вы работаете.

                          Если нет — ну, для начала при коммерческой продаже этого стороннему клиенту вам придётся вопрос с сертификатом ​ТР ТС 020/2011 «Электромагнитная совместимость технических средств» как-то заминать, потому что честно вы его не получите.
                            0
                            Я не спец в правовых вопросах. Вот это нужное решение ГКРЧ или нет?
                              +2
                              Почти. Вам нужен не текст, а приложение к нему.

                              В таблице в нём указаны допустимые параметры излучения, если вы в них попадаете — всё ок, если нет — ваши устройства легально использовать нельзя.

                                +1
                                Большое спасибо!

                                Получается, что законно в выбранном диапазоне на улице можно только -76 дБм. Чертовски мало.
                                  +2
                                  -76 дБм/МГц.

                                  Это 12,5 мВт интегральной выходной мощности же?
                                    +1
                                    -76 на мегагерц это -46 на гигагерц, а это -15 дБ к микроватту. 15 дБ это примерно 30 раз. Получается около 30 нановатт.
                                      0
                                      Да, верно.

                                      Ну, крохи. Надо уходить в другой диапазон.
                                        +1
                                        Да, вот вариант 6000-7250 с -47 дБм соответствует каналу 7 dw1000.
                              +1
                              Вопрос в том, есть ли конкретное решение ГКРЧ, позволяющее вам работать в том частотном диапазоне, с теми параметрами модуляции и с теми целями использования устройств, с которыми вы работаете.

                              Будем ждать первопроходцев из Apple. Товарищи исследователи из Techinsights пишут, что во всех iPhone с 2019 года есть встроенный UWB для взаимного позиционирования. Работает на частотах 6.24 ГГц и 8.2368 Ггц.

                              Сейчас, наверняка, этот чип программно отключен в смартфонах на территории России. Но работает в других странах. И это повод надеятся, что решения ГКРЧ по этому поводу не за горами.

                              Хотя, если сравнить данные из доташита DW1000 (Figure 12-17) и судя по табличке выше, на своих частотах Apple может и получил уже разрешение на использование в России. В США ограничение в диапазоне 3,1-10,6 ГГц для мобильного UWB (пункт 67): -41,3 EIRP in dBm
                                0
                                Вот этот бы сигнал записать, пока все железо стоит на столе!
                                Надо только заспуффить ему навигацию)
                                  +1
                                  В России сейчас точно не работает. iPhone определяет страну по геолокации через GPS/ГЛОНАСС. То есть сам UWB чип можно активировать, если сбить с толку навигационный чип))
                                  Вот список стран где UWB разрешён
                                    0
                                    Сбить с толку навигацию? Это же легко — habr.com/ru/post/320206.

                                    Вот только центральные частоты у iPhone другие, чем у нас в опыте. Запись будет некорректной. Будут наложения спектра. Хотя что-то мы все же увидим.
                                      +1
                                      Это же легко
                                      Но это не точно.
                                      Выводы: Не все приемники подвержены влиянию имитационной помехи. Некоторые имеют защиту.
                                      Да и по идентификаторам БС легко определить подлог.
                                        0
                                        Со всем согласен. Надо пробовать в каждом конкретном случае.
                                          0
                                          Можно подробней про защиту??? Ну там пруфы и так далее…
                                +1
                                Хм. Я просто весьма далек от практики RF, но стараюсь быть более или менее в курсе дел. А можно хоть каких-то подробностей о судьбе российской имплементации IEEE 802.15.4?

                                Вроде как до поры там все накрывалось тем, что выходная мощность менее 100мВт и частотный диапазон из нелицензируемых. Но это про Low-Rate и про 2.4ГГц. С частотами до гига было совсем непонятно, и верхний диапазон был под большим вопросом. В таком виде нам было не интересно. Я довольно давно не смотрел как те стандарты живут и есть ли у них жизнь в России.
                                  0
                                  Я сомневаюсь, что это имплементация — files.stroyinf.ru/Data2/1/4293738/4293738915.pdf.
                                  Вроде просто перевод IEEE 802.15.4-2011.
                                    0
                                    Спасибо. Стоит пожалуй покопать свежую нормативную базу. Вдруг что серьезно поменялось, а мы и не знаем.
                              +1
                              А точно 802.14.5?
                              Может IEEE 802.15.4 UWB или 802.15.4a?
                              upd: вижу что пофиксили))
                                0
                                Вот черт, старческая дисграфия пришла…
                                Конечно, 15.4. Большое спасибо! Все поправил.
                                +1
                                А какой материал печатной платы? FR4?
                                  0
                                  Да, цена имеет значение.
                                    +1
                                    Повторяемость антенн ок?
                                      +1
                                      При вычислительном моделировании антенны я проверял влияние диэлектрической проницаемости и толщины материала на антенные параметры. Оно незначительное.

                                      В физическом макете мне это не проверить. Нет прибора, чтобы подключиться к симметричному порту антенны. Можно было бы сделать специальную плату на том же стеке с симметрирующим трансформатором, чтобы измерить параметры и разброс, но все заработало в принципе и как-то уже нет надобности. Если это решение надо будет запускать в серию, я это обязательно сделаю.
                                  +1

                                  Если интересно, вот так выглядит осцилограмма UWB сигнала чипа DW1000 в режиме continuous frame, 2 канал: https://habrastorage.org/webt/b7/sh/qs/b7shqshujzgepg5zwzwthzkqeia.jpeg

                                    0
                                    Интересно, как в даташите описано. Спасибо!
                                      0

                                      Снимали осциллограмму эту в Питере, в 2015 году если память не изменяет. А изучать Decawave начали еще в 2014. Приобрели демо комплект EVK1000, и всякие эксперименты проводили по точности измерения расстояния (далеко не всегда 10см получалось, чаще всего точность приближалась к плюс минус 20-30см).
                                      Потом еще по импульсному отклику (CIR) определяли расстояние до движущегося человека в коридоре, и даже сквозь стену смотрели)) Еще по теме UWB работает контора Nowelda (xethru.com) — выпускает тоже собственные чипы и электронику на их основе. На них сделаны российские системы бесконтактного определения толщины льда и в МЧС они вроде используются для нахождения людей под завалами при чс (или хотели использовать, тут точной информацией не обладаю).

                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                  Самое читаемое