#STM32F303

[ttrftech]

CentSDRでFMラジオが受信できるようになりました

CentSDRでFM放送を受信することができるようになりました。コーデックを192kHzで動作させることにより、150kHz程度の帯域幅のあるFM放送をカバーし、復調できています。この写真は82.5MHzの放送を受信している様子です。広がった放送波のスペクトラムがカバーされているのがわかります。

FM放送は150kHz程度の帯域幅があるので、もともとfs=48kHzで動作させているCentSDRでは、FM放送は当初は対象外と考えていました。

一方、TLV320AIC3204のチップそのものは192kHz動作をサポートしており、いつかは実験してみたいと思っていました。そのときの想定ではADCは192kHzで動作させて広い帯域幅を利用し、他方オーディオの再生では高いサンプリング周波数は無駄なので、DACは48kHzで動作させることを考えていました。すなわち信号処理において復調処理の過程でダウンサンプリングも行う、すなわちマルチレート処理とするのが、まっとうなプランと考えていました。そのためには若干回路側に改良が必要で、次の版で実験する想定でした。

ところが、いろいろと実験をしていると、HF帯域の中に、邪魔な幅広いノイズが散見されます。その原因がFM放送でした。というのもアナログスイッチをミキサーとして使用している原理上、奇数倍の周波数に��度を持ちます。たとえば、82.5MHzの放送であれば、その1/3である27.5MHzにチューニングすることで信号が入ります。FMモードの復調は実装済みだったので、チューニングしてみると、ほとんどノイズですが、たまに音声がわかるという感じでした。

このノイズだらけの音を聞いていたら、マルチレートの実装にしなくても、全体をえいやっと192kHzで動作させてしまえばイケるかも、と思いついてしばらく試行錯誤してみました。

その過程でわかったのは、TLV320AIC3204はADCを192kHz動作させたとしても、チップの想定する仕様では、デシメーションフィルタの特性で帯域が制限されてしまうということでした。デシメーションフィルタはA,B,Cの3種類用意されており、192Hz動作ではCを選択することが想定されているようです。Cのフィルタは下記のように0.2 x fsの通過帯域しかなく、192kHzで動作させたとしても帯域は±38kHzが上限となってしまいます。

音声アプリケーションであればこれは望ましい特性かもしれませんが、SDRとしてはせっかく192kHzで動作させている意味がありません。

こちらは48kHz、96kHzのときに選べるタイプA、タイプBのフィルタ特性です。理論いっぱいの0.5 x fsまで応答があるのがわかります。

これがわかって、FM放送受信は半ばあきらめかけたのですが、往生際悪くしばらく、オーバーサンプリングの分周比や、DAC側のデシメーションの負荷を下げるための設定パターンなど、いろいろと試行錯誤してみたところ、なんと192kHz動作で広帯域の応答が得られる設定を見つけることができました。使えるフィルタはBタイプです。

これで動かしてみたところ、ちゃんとFM放送がそれなりに受信することができるようになりました。下の動画ではちゃんと音になっているのがわかります。(まだデエンファシスは入っていないため高音がかなり強調された状態です)

192kHzサンプリング動くようになった pic.twitter.com/NYS5LZ1HV3

— TT@北海道 (@edy555)

2018年1月29日

その後、実装の調整をいろいろしており、かなり改善できたと思います。スペクトラムの表示は30fps近く出ており、音楽に合わせてダイナミックにスペクトラムが飛び跳ねるのは、飽きずいくらでも眺めていられます。

ステレオの再生にもチャレンジしています。実装はLPC-Link2でやったFM受信機からの流用です。すこし調整が必要でしたが、パイロット信号のPLLを動作させることができ、一応ステレオにはなりました。が、ノイズが著しく増えてしまいます。原因ですが、おそらく受信帯域の特性がフラットではなく、両側が丸くなだらかに下がっていることがわかっており。このあたりに含まれる副搬送波38kHz付近の成分が劣化しているのだと予想しています。この肩の減衰を補償する処理を追加することを考えています。なんとか、まともなステレオ再生を実現したいと思っています。

もう一つ問題があります。動作中にサンプリングレートを切り替えると、I2SとDMAの関係か、どこかでデータがずれるらしく、IQがひっくり返ったり(症状としては、逆サイドが対称に出たり左右逆になったりする)、バイトがずれるのか全く音にならなくなったりします。何度か切り替えると正常になったりします。これもうまい制御がないか、方法をさぐっているのですが、まだ解が見つかっていません。

もうひとつ本質的な限界は、0Hzの穴です。受信帯域の中央に十数Hz幅の穴が空いており、これがノイズや歪みの原因になります。なので決して高音質にはなりませんので、あくまで実験としてご理解ください。

ところで本日は関西ハムフェスティバルが開催されたそうで、今回キットにチャレンジしていただいたPUPさん、北神電子サービスさん、JL1VNQさんがCentSDRを展示してくださったとのことです。来場者の方で興味を持ってくださった方がいらっしゃったとのことで、ありがたい限りです。貴重な機会をCentSDRに割いていただいたことに御礼申し上げます。

リンク

TLV320AIC3204 Application Reference Guide - Texas Instruments http://www.ti.com/lit/ml/slaa557/slaa557.pdf

Interface 2015年7月号 オール・ソフトウェア無線http://www.kumikomi.net/interface/contents/201507.php

CentSDR関連記事 http://ttrftech.tumblr.com/tagged/CentSDR

CentSDR頒布ページ http://ttrftech.tumblr.com/kit/centsdr

CentSDRキット組み立てレポートまとめ https://togetter.com/li/1191867

関西ハムシンポジウム　２０１８

PUPさんのレポート http://pup.doorblog.jp/archives/51496704.html

JL1VNQさんのレポート http://jl1vnq.blogspot.jp/2018/02/2018_5.html

北神電子サービスさんのレポート http://blog.goo.ne.jp/shin749r/e/58b7c41669a7050ade79ca29800e51d1

[creationsgreys]

Mbed nucleo f401re

#MBED NUCLEO F401RE HOW TO#

#MBED NUCLEO F401RE HOW TO#

The instruction card mentions the specifications of the controller, its pinouts, and on the backside, we have some information on how to get started and available toolchain options. As you can see the complete package only consists of our development board and an instruction card. Let's begin by unboxing our Development Board. STM32 Nucleo 64 Development Board Hardware Explanation Similarly, there are many other versions of Nucleo 64 boards like the STM32F103, STM32F303, etc, but once you learn about one board all the others are quite similar. The name STM32 represents that we have a 32-bit Microcontroller on our development board, and the name Nucleo-64 represents that the microcontroller has 64 pins. Now there are many versions of STM32 boards available and this particular one in my hand is called the STM32F401 Nucleo-64. So in this article, let’s take a complete look at this STM32 Nucleo-64 Development boards and learn how to use them. Also getting familiar with an STM32 Microcontrollers will help you to easily explore other development modules from ST like the SensorTile.Box which we reviewed earlier. This process can be made a lot easier with this STM32 development board as it can support all Arduino shields to help you on the hardware side and also has many built-in libraries and functions to help you on the software side. But, like as well all can agree, your Arduino could take you only so far and someday you have to move to a native microcontroller platform. For most people out there, the first embedded development board that they would have worked on would most probably be an Arduino Board.

[tkaia]

STM32F301C8T6TR Buy ST semiconductor Product

The STM32L151 series has been designed for use in low-power devices such as wearable sensors, smartwatches, and fitness trackers. The STM32L100 series is used in IoT (Internet of Things) products, while the STM32F303 and STM32F307 families are used in industrial and automotive applications.

The STM32L151 series offers a low-power, high-performance MCU (microcontroller unit) with integrated peripherals. The STM32L152 series has a similar architecture, but includes additional peripherals such as USB 2.0 OTG (On-The-Go), CAN, and I2S audio interfaces. The STM32F303 series is designed for use in industrial automation, medical devices, wireless sensor networks, and other embedded systems. The STM32H103 series is a highly configurable device with a wide range of peripheral options.

The STM32L151 series offers high performance at a low cost. The STM32L150 series has been designed for use in portable devices such as mobile phones and tablets. The STM32F103 family provides a complete solution for microcontroller-based products. The STM32H743x series is a highly integrated system-on-chip (SoC) device featuring a dual-core processor, which is suitable for industrial control systems.

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[thevrzone]

Usmile 32bit Brushed F3 EVO Flight Control Board with Built-in SBUS 8CH Frsky Compatible Receiver for Mini Micro Nano quad fpv racing

Usmile 32bit Brushed F3 EVO Flight Control Board with Built-in SBUS 8CH Frsky Compatible Receiver for Mini Micro Nano quad fpv racing

Size: 33mm*20mm*4mmWeight: 2gProcessor: STM32F303 72MhzGyro Accelerometer: MPU6500Working Voltage: 3.3v-4.2v(1S Lipo)Firmware: SP RACING F3 EVO 1.13.0Built-in Frsky Compatible 8CH SBUS ReceiverCompatible Transmitter: FRSKY X9D/X9D PLUS(D8 Mode) XJT,DJT,DFT,DHTDefault Receiver Channel Map: TAER1234Default Unlock Channel: AUX1(Channel 5) Support Cleanflight / Betaflight.Support Rate Mode and Angle…

[jo7ozw]

SDR-YAGI Ver.3のHard評価→GND引き回しに改善の余地あり

SDR-YAGIのVer.3基板と一緒に発注していたドータボード達が届きました。いつも通りなんちゃってリフローで部品を載せて、一発OKで動いてくれました。自分で設計しているので、回路図見なくてもどの部品をどこに載せるか把握できているので楽です（笑）

写真は今回、段数を増やして、かつ小型化したクリスタルフィルタの測定の様子です。測定にはいつもお世話になっているAPB3のネットアナ機能を使っています。負荷容量は設計値からだいぶずらす必要がありましたが、所望の特性に追い込めました。

クリスタルフィルタの特性を測定中

測定系外見

また、前回バージョンの評価時に測定した結果から、クリスタルフィルタの入出力インピーダンスは計算値とぴったり合うことが確認できているので、今回は測定を省こうかとも思いましたが、念のため測定して設計値通りになることを確認しました。下の写真は測定に用いた自作のインピーダンスブリッジです。これとAPB3の組み合わせで測定を実施しました。

自作インピーダンスブリッジ

これらの測定でクリスタルフィルタの特性が把握できたので、プログラムを書き込んでいつも通りラジオを受信してみました。フィルタの切れ味が良くなっていることが音でも実感できました。ちゃんと機能しているようです。

前回の投稿で紹介した、RF Front End基板も一緒に届きました。写真を載せます。まだ何も評価してません（笑）今週末にJA7YAAのOB会があり、宮城に帰る予定なので、それに合わせてこのFront Endボードも組み上げて、大きなアンテナで受信を試したいなぁという希望があります（笑）実はまだラジオ以外は受信したことがないのです���なぜなら．．．アンテナがないから！！

マンションはアンテナ設置には何かと苦労しそうです。実家のアンテナのありがたみを感じます。

RF Front End基板とRFユニバーサル基板

どうでもいいことですが、今回の投稿から、撮影するカメラをスマホからミラーレス一眼に変更しました。パンケーキレンズで撮ってますが、やはりスマホとは段違いに良く撮れますね！

[GNDの分割方式について(メモ)]

表題のGNDの引き回しについてですが、いろいろと測定やらパターンカットやら試していて細かくは説明しきれないのです。結論としては、今回の回路に関しては「各機能ブロックごとにGNDプレーンを分割して、戻り電流のルートを明確にする」ことが最善と判断しました。今まではアナログGNDとデジタルGNDの二系統構成でしたが、この構成ではLO信号によってGNDが揺れていることが観測されました。この辺のGND処理方法は基板や回路ごとに対応する必要があり、なかなか予想しにくい領域ですね。これがソフトな時代に生きるハード屋さんの存在価値でもあると思います。

あとは、このLOノイズを退治すれば、目的信号のみのクリーンな送信信号が得られます。もっとも、現時点でもRF Front End基板に載せる送信LPFで十分退治可能なレベルにはなっていますが。オンエアも近づいてきてますね！

早くUI実装しよっと。いつも後回しになっちゃう（笑）

[ttrftech]

ワンボードSDR CentSDRを試作中です

昨年旧フリスクケースサイズの超小型SDR受信機FriskSDRを試作しました。少々無謀なプランでしたが、当初の目論見通り無事に動作させることができました。ただ、さすがに小さすぎで、製作していただいたりするにはハードルが高過ぎでした。もうすこし常識的なサイズの設計も欲しいと思っていたので、今回あらたに基板を作ってみることにしました。Nanoより大きいので、CentSDR(仮称)としています。

受信機としての基本的なアーキテクチャはFriskSDRとまったく同じです。ローカル発振器としてSi5351aを使い、ジョンソンカウンタで2相信号を作成、アナログマルチプレクサをミキサとして使います。

もともと53x27mmの基板サイズに詰め込んでいたものを、大きな基板(といっても58x88mm)にゆったりと再配置した感じです。使っている主要な部品はSMDの同じものです。

ディスプレイはカラーグラフィックLCDを採用することにしました。LPC-Link2やNanoVNAで使っ��SPI LCD(ILI9431)が実績があるので、またこれを使ってみることにします。操作はロータリーエンコーダのワンノブスタイルです。

MCUは、FriskSDRと同じくSTM32F303の予定です。実時間処理しながらグラフィック描画をするにはMCUが非力ですが、全く不可能というわけではないはずです。

FriskSDRではCodec TLV320AIC3204のADCの前段にあるVGAのみをアンプとして使っていました。シンプルな構成で、たしかに受信機として動作させることはできていたのですが、正直ゲイン不足であることは否めませんでした。そこで今回は、ゲインブロックを追加で一段置いてみることにしました。さらに、RF入力部にはプラグインモジュールを挿せるようにしておいて、アンプを入れたり、フィルタやミキサを置いたりなど、いろいろ実験できることを目論んでいます。

基板の裏面にはシルクでブロック図を描いてみました。表側には対応する部品が載っています。絵に描いたような実装で、眺めるだけで原理がわかると良いなと思っています(ただ、図として見ると、信号の流れが右→左と少し違和感があります)。実験をしやすいよう各信号にアクセスするパッドを各所に設けてみました。パッドとブロック図がちゃんと対応しています。

ソフトウェアはこれからですが、まずは実績のあるChibiOSベースのものを移植することになると思います。

基板はすでに発注して、製造は完了したようです。試作が進んだらまたご報告したいと思います。

実は明日からのMakerFaireTokyoに出展予定です。今回のプロジェクトも展示したいと思っていたのですが、残念ながら輸送が間に合いませんでした。なので今回は新作の実物は展示が無いのですが、資料や、これまで作ったFriskSDRやNanoVNAご覧いただけます。もしお時間ありましたら、是非、東京ビッグサイトへ。ブースの場所はE08-06です。

参考

MakerFaireTokyo 2017 http://makezine.jp/event/mft2017/

[ttrftech]

CentSDRを組み立ててみました

オーダーしていたCentSDRの基板が到着しました。いつものようにElecrowに発注し、7/24発注、29日出荷で8/7に到着しました。さっそく組み立てて見ました。

今回の基板には、裏面にシルクでブロック図を描いてみました。ブロックを結ぶ各信号線に合わせて、その信号にアクセスするためのスルーホールランドを設けてあります。基板裏面を見るだけで構成が理解でき、信号をオシロを当てて実際に観測したり、実験のために信号を注入したりできることを狙っています。

I/Q信号はそれぞれ差動信号なので2本づつ。Loも2相信号なので2箇所あります。Loは50MHz以下。4xLoは〜200MHz。MCLKは8MHzの固定です。そのほかVCTCXOの制御電圧(Vadj)や、I2S, I2Cの信号です。SPIは、LCDのコネクタでアクセスできますので、ランドは設けていません。

組み立ては、段階を踏んで、以下の順序で行います。

USBコネクタ 電源供給用のUSBコネクタを取り付け、VBUS=5Vが来ることを確認します。

電源周り LiPoバッテリ用の制御回路を用意しているのですがそれは後回しにして、先にレギューレータとMOS FET、電源スイッチを付けて、3.3Vの電圧が正常に出ることを確認します。

MCUとその周辺 電源がOKであればMCUとしてSTM32F303CBT6を付けてしまいます。書き込みにはST-Link2を使います。(DFUは外付けクリスタルが必要なので、今回の構成では最初の書き込みには使えません) LEDがあるのでまずはLチカを確認するのがオススメです。今回はFriskSDRとほとんど同じ構成なので、そのファームをそのまま使って動作確認をしました。 ファームウェアはCDC (USB Serial)に対応しているので、正常ならばUSB経由での接続と、コマンド操作が行えるようになります。

VCTCXOを付けて26MHzの出力をオシロで確認。Si5351aを付けて、ファームからの制御でMCLK 8MHzの出力が出ることを確認。そして4xLoの信号が出て、周波数チューニングができることを確認。

TLV320AIC3204、そしてスピーカ用ミニジャック、周辺のコンデンサを付けます。

74LVC74を付けて、分周動作と2相信号が生成されていることをオシロで確認。

アナログスイッチTS5A23157、そしてRCフィルタを付ける。ファームウェアが正常に動いていれば、スピーカを付けて、ミキサの入力端に適当にアンテナ線を繋げばAM放送を聞くことができます。

RFアンプとSMAコネクタを付ける。

ファームウェアを流用できたこともあり、ここまではスムースに動作確認をすることができました。

最後にLCDとロータリエンコーダを取り付けます。

FriskSDRと新旧比較してみます。LCDを除けば同じアーキテクチャ、同じ部品で、基板サイズがかなり大きくなりましたのでレイアウトはスカスカです。FriskSDRは、よくあのサイズに入っていたなと我ながら驚きます。

ファームウェアですが、LCD描画のために、コードを修正していかねばなりません。NanoVNAでSPI LCDのコードがあるのと、雑誌でやったLPC-Link2受信機の画面描画のコードがあるので、これらの合わせ技で作っていきます。とはいえMCUが多少違うので調整が必要です。詳細は省きますが、I2C(DMA)との干渉で半日ハマりましたが、無事に動かすことができました。I2Sの全二重動作(DMA)と、LCDのSPI(DMA)もうまく動いています。あとは、ロータリエンコーダがスムーズに動かせるよう外部割り込みで動作するよう作り直して、各種操作ができるようコードを手直ししています。作業にはお盆の二日間を要しました。

基本的な画面構成と操作体系は、LPC-Link2で作った受信機とほとんど同じです。あちらはマルチコア、こちらはシングルコアですが、動作を見てみると、FFTの画面更新レートは結構な速さが得られているようです。音声に合わせて躍動する感じが良いです。負荷を見てみると、DSP処理には15%程度しか要しておらず、残りはFFTと描画処理に使っています。

いろいろと動作確認をしてみました。

上限の周波数は52MHz程度まで受信できるようです。この限界は74LVC74の動作速度のようで、分周動作の上限が200MHz程度(データシート上は225MHz)であることによります。

無入力でもぴょこっと0Hzの飛び出しが見えます。ADCのDCオフセットがあるようで、リジェクトするようコードを入れたいところです。

IQバランスは比較的良いようですが、チューニング周波数を上げていくと少し逆サイドの漏れが出てきます。こちらも係数補償でキャンセルできるはずです。

スプリアス。Si5351aのチューニングをダイアルでスキャンしてみると、ところどころにSpurが出てきます。スペクトラムが見えてしまうと、どうしても気になります。

クロックの妨害。アンテナを基板に近づけると24MHz, 48MHz付近で、スペクトラムが広がったノイズが観測できます。MCUからクロックの放射があるようです。一方、アンテナ無しでは微弱で済んでいるので、基板内の分離は良いようです。

USB CDCを接続状態にすると、中波帯に広くノイズが出る。配線の引き回しが長いので影響が出やすいようだ。

動画です。

操作もできるようになった pic.twitter.com/mHNs6XoTyl

— TT@北海道 (@edy555)

2017年8月15日

コードは、もう少し整理して公開したいと思っています。できればmbedあたりにしたいと思っていたのですが、既存のコードがあると、どうしてもそちらに流れてしまいます。

それからキット化も検討中です。基板が余っている分くらいは用意するつもりです。

[120stillwell]

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[craytechblog]

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[ttrftech]

FriskSDRが動き始めました

FriskSDRプロジェクトはオシレータSi5351Aが動作するようになったところで中断していましたが、ようやく時間が取れるようになったので作業再開しています。I2Sが全二重で動作するようになったので、音が出るようになりました。アンテナを繋げばちゃんとAM放送が聞こえてきます。

今回のプロジェクトではChibiOSを使ってみています。STM32のチップのサポートが充実、USB対応、シェルがある、ペリフェラルの抽象化が適度、等々が魅力です。

ところで、STM32F303でUSBを使うためにはクロックを供給する必須です(HSI:内部RCクロックでは動作しない)。通常はクリスタルを付けるのですが、今回はSi5351Aを載せたので、MCUのクロックとして8MHzをSi5351Aから生成し、MCUに供給するという構成にしています。ところがSi5351Aを初期化するためにI2CでMCUからコマンドを送る必要があります。

このため、起動シーケンスとして、リセット直後RCオシレータ(HSI)で動作している間に、I2Cの初期化とコマンド送信し、クロックが起動したら外部クロック(HSE)に切り替えるという動作をしています。ChibiOSが起動する前に行う必要がありますので、この初期化はレジスタを直接操作して自前でおこないます。一方、起動後はI2Cの制御はChibiOS経由で行います。

F303でUSBを使うため、USBのDPをプルアップ必要があるのですが、基板に入れ忘れた(F072では不要だった)のでリワーク。これでUSBが使えるようになるはずだったのですが、なぜか動作させることができませんでした。果たしてChibiOSのUSBがF303で動作するのか確信が持てなかったので、原因究明のためSTM32F3-Discoveryボードで試してみることにしました。Discoveryボードの良いところは、MCUに直結したUSBコネクタが用意されているので、ハードウェアのミスに悩まなくて済むことと、ChibiOSにDiscoveryボード用の基本的なサンプルがあることです。このサンプルにUSBとCDCを追加して動作確認したところこちらはあっさり動作OKでした。

F303での実績ができたので、もう一度FriskSDRに戻って、いろいろ確認していると、プローブでチェックを繰り返した際に押しつぶされたハンダが延びてQFPの足の間でショートしているのを発見、これを直し、そしてChibiOSを最新にしてみたところ動作OKになりました。

コマンドを追加できるようになれば、試行錯誤が容易になります。まずは、Si5351Aの周波数を設定するコマンドを追加してみます。周波数から分周器の係数を求めるところはちょっと悩みましたが、できてしまえば簡単です。波形をオシロで確認して自在に周波数を設定できていることが確認できました。続いてTLV320AIC3204コーデックを初期化するコードを、mbedでやっていたIQDDSからコピーしてきてクロック設定のみの修正して入れてみたところ、あっさりI2Sの波形が出てくるようになりました。あとはChibiOSのI2Sを調べて、コードで正弦波を発生させてI2Sで送るようにしてみたところ、ちゃんとトーンが出てきました。ここまでは作業が速かったです。自作のボードから最初に音が出るとやはり感動です。

さて、SDRとして動作させるためには、ミキサした信号を取り込みつつ、音を再生する必要がありますから、I2Sを全二重で動作させる必要があります。全二重動作は、STM32F401ではIQDDSで実績があったのですが、あちらはmbedで、しかもSTM32のHALを直接操作して実現していました。

ところがChibiOSを調べてみたところ、残念ながらI2SのFull Duplexには対応していないようなのです。シンボルは定義されているのですが、それを指定するとエラーになるようわざわざプリプロセッサ指定がしてあります。ここで困って、少し方針を考えたのですが、STM32のHALのコードを参考に、ChibiOSを全二重対応させてみることにしました。STM32のI2S Full Duplexはちょっと変なので、できればこのレイヤのコードは触りたくないのですが、仕方ありません。なるべく変更が少なくて済むよう、なんとかコードを追加しました。ちょっと重複が出てしまいましたが、動作させることが最優先にして目を瞑ります。少しデバッグして、無事Full Duplexが動作するようにできました。

まずはループバックのテストとして、キャプチャバッファと再生バッファを共有する構成にして、ADCでキャプチャしたデータを、そのままDACに送り返されるようにします。そうしてスマホ用のマイクを接続して、音が通ることを確認します。

これが確認できたら、ADCのルーティングを変更して、QSDミキサの出力を取り込むようにします。アンテナ代わりにリード線を接続して、Si5351Aの周波数をAM放送の周波数の4倍に設定(ジョンソンカウンタで分周されるため。NHK第一567kHzなら2268kHzに設定する)してみると、これだけであっさりと放送が聞こえてきます。AMの復調をしているわけではないので、音は少しおかしい(周波数シフトしているだけなので、Loの周波数のわずかなずれで、両サイドの側波帯から再生される音が上下逆方向にずれる)のですが、聞き取ることは十分可能です。

Si5351Aの周波数には、ずれがわずかにあります。30ppm程度で十分許容範囲といえばそうなのですが、クリスタルの負荷Cの設定で合わせられるかなと試したところ、6pFの設定だと20ppmほど高い。8pFの設定だと30ppm強低いと、どっちもどっちでした。結局する設定する周波数に係数を乗じて合わせるようにしました。調整量は-20750ppb(part per billion)としました。

PGAのゲイン設定や再生音量の設定コマンドを追加していろいろ試しています。screen /dev/cu.usbmodem401でシリアルターミナルを開くとChibiOSのプロンプトが現れます。helpで追加したコマンドも表示されます。引数を付けてコマンドにいろいろ試せます。強いて不満があるとすると、コマンドヒストリが欲しいところです。

動画です。画面に見えているのはST-Link2ですが、USBも接続されています。コネクタで接続されたスピーカで音が再生されています。

今のところ判明した課題は、

TLC320AIC3204にはDCオフセットがあるようで、QSDミキサとの間にカップリングコンデンサを省略したのは拙かった。PGAのゲインを上げるとオフセットが飽和してしまう。DCを通しくてCを略してみたのだが、さすがに無理だったようだ。

全体のゲインは少し不足を感じる。AM放送なら大丈夫だが、他は少し厳しいかも。

アンテナ端子に僅かにLoが漏れる。この意味でもRFアンプは欲しいところ。

消費電流は70mAと多め。100mAのLiPoだと1時間ちょいで空になってしまう。

ミスもいくつかありましたので、改めて修正した基板を作る必要があると考えています。

引き続き、

I2C LCDディスプレイの追加

レバースイッチの追加

USB複合デバイスとしてUSB Audioを追加し、キャプチャデータを取り込んでSDRソフトウェアから使えるようにする

同じくUSB複合デバイスとしてUSB HIDを追加し、HIDで��御可能とする

電源管理(消費電流削減とオフ状態の実装)。クロックを下げる、スリープを入れてみるなど。

等々を進めたいと思います。

実はプロジェクト名はNanoSDRにしてあるのですが、FriskSDRという名称も含めて再検討中です。

リファレンス

I2S FullDuplex対応を追加したChibiOS https://github.com/edy555/ChibiOS/tree/I2SFULLDUPLEX

作業中のリポジトリnanosdr  (githubに載せる予定)

[ttrftech]

Si5351Aを使った超小型SDR: FriskSDR

FriskSDRは、主要なパーツに汎用MCUのSTM32F303、コーデックにTLV320AIC3204、ローカル発振器にSi5351Aを使った0-50MHz程度までカバーするダイレクトコンバージョンな広帯域受信機です。復調はソフトウェアにより信号処理。ミキサにアナログスイッチを使っているので歪みも少な��という特徴があります。

ぼちぼちと製作してきましたが、おおむね動作するようになってきています。AM、SSB(LSB/USB)の復調とAGCが動作しています。アマチュア無線を受信するにはちょっとゲイン不足を感じますが、外部のアンプを使わず、アナログスイッチによるミキサとコーデック、そしてMPUだけで受信機が構成できているのはなんだか新鮮です。

前回も書きましたが、修正が必要だった大きなポイントはCを追加したことです。ミキサからコーデックのADCに差動で入力する箇所にCを入れず直結としていたのですが、ここの入力にはオフセットが少なからずあるようです。ADC手前に入っている入力アンプのゲインを下げた状態では信号を取り込むことができていたものの、アンテナからの微小な信号を取り込むべく入力ゲインを上げるとすぐに飽和してしまいました。そのため、仕方なくコーデックの入力にCを入れる(差動を2チャネル分なので4つ)ことで解決しました。基板にスペースが無いので1005サイズのC(100nF)を、配線をカットした上に無理やり詰め込んでいます。こうして見ると、1005に比べると1608がとても大きく見えます(赤枠が追加した1005)。

Cを入れたことが理由で問題となるのが、入力信号にDC成分が取り込めなくなってしまうことです。IとQの2相信号として取り込んでいますので、本来ですと48kHzサンプリングならチューニングした周波数から-24kHz〜+24kHzと正負両方の帯域をフルに取り込めるはずなのです。ところがDC=0Hz付近が入らなくなったことにより、そのど真ん中に穴が空いてしまうのです。100nFとコーデックの入力インピーダンスで決まる帯域分が欠けることになります。SSBを受信しようとする場合は、キャリア成分が無いので問題にならないのですが、AM放送の受信では影響があります。取り込んだ信号はキャリア分が不足することになるため正常なAM復調ができなくなること、具体的には放送周波数とわずかに周波数がずれますので、そのずれた分が耳障りなビブラートのようなビートになってしまうのです。

そのため、AMの復調では特別な工夫が必要です。SSBをWeaver方式で復調際に周波数シフトをしましたが、それをAM復調でも行うことにしました。AM放送の帯域幅9kHzをカバーするよう10kHzずらしてチューニングを行います。これならキャリアが失われてしまう心配はありません。そしてずらした分をもとに戻すよう周波数シフトを行います。帯域外信号を削除するようLPFを通してから、各サンプルから瞬時振幅をsqrt(I^2+Q^2)で計算して復調信号を得るようにします。LPFは次のSSB復調と同じくIIRを使ったフィルタです。

SSBの復調は、インターフェース誌で紹介したLPC4370のSDR受信機と同じくWeaver方式です。サンプリング周波数が8kHz→48kHzですので、IIRフィルタを再設計しています。それ以外はほとんど同じです。MPUはLPC4370とSTM32F303で違っていますが、Cortex-M4Fという点は同じですのでコードも同じです。雑誌ではDDCでのチューニング周波数をずらしていましたが、FriskSDRでは0Hz付近の穴に嵌らないよう信号処理で周波数シフトを行います。周波数シフトは、LPFの手前と後の2回、同じ周波数幅で逆方向に行うことになります。

AMとSSBが実装できたことになりますが、あとはFMを実装したいところですが、狭帯域FMはAM放送と同様の帯域の穴にさえ気をつければ実装できるはずです。FM放送もチャレンジしてみたいところなのですが、帯域が広すぎて48kHzのサンプリング周波数ではカバーできません。問題の帯域の穴については、FM変調という条件(例えば振幅が一定である等)を付加すると補正できるような気がするのですが、ちょっとやり方が思いつきません。

その他、もう一つ問題になりそうなのが、RF入力への信号漏れです。測定してみると-60dBmくらい漏れています。H-mode Mixerは高い直線性を確保できるとのことなので、それを確認したくて入力にはアクティブ素子を入れずトランスだけにしていました。トランスを介してミキサに直結しているだけですので予想はしてはいたのですが、案の定です。改善の方法ですが、漏れてくる信号の周波数は受信する周波数とほぼ同じになりますので、フィルタでは阻止できません。プリアンプを入れるのが定石ではあるのですが、せっかくの直線性を台無しにはしたくないところです。一方、トランスよりもアンプのほうがコスト的にはメリットがあります。現時点で達成できている性能を確認してから、次の構成を検討したいと思っています。

ジョンソンカウンタに使った74AHC74ですが、これもトラブルになりました。Si5351で発生する周波数を上げていくと、突然スペクトラムが乱れます。受信機のチューニング周波数で34MHz付近、Si5351Aはその4倍の132MHz付近での現象です。当初はSi5351Aの設定可能範囲を外れておかしくなっているのかと考え、Si5351Aのトラブルシュートに数日費やしたのち、よくよく動作を見てみると74AHC74の動作が追いついていなかったのでした。データシートを見てみると3.3V動作では Fmax=125MHzとなっていました。対策としてはロジックICのシリーズをAHCに代えて74LVC74にしますとtyp値でFmax=250MHzとなり、こちらは十分な速度があるようです。AHCは充分速いという先入観がありましたが、5Vに対応したシリーズを3.3Vで使う場合はそう速くはないようです。一方LVCは上限が3.3Vですが、低電圧での性能が充分に確保されているようです。標準ロジックICに、数多くのシリーズが用意されている理由が理解できました。実際のところは実験で確認する必要があります。

74AHC74の動作速度

74LVC74の動作速度

それから受信機に必須のAGCですが、TLV320AIC3204のADC側に付属しているAGCがかなり有効に機能することがわかりました。もともとはマイクゲインの自動調整用なのですが、マイクの代わりにミキサ出力がつながっていてもそれなりに動作します。アナログで47.5dB、デジタルで20dBあわせて68dBもの調整幅があります。AM放送ならこれで十分なようです。SSBでは信号処理でフィルタを掛けますが、コーデックのAGCだけでは隣接チャネルの抑圧が生じるのでもう少し工夫が必要かもしれません。実験ならそれなりに使えています。AGCは、OFF/Slow/Mid/Fastを選択できるようにしてみましたが、コーデックのパラメータの調整で済ませています。AGC OFFの場合はマニュアルゲイン調整をできるようにしてみました。

さて、いつもケースには入れず作りっぱなしで、実験して満足して終わってしまうのですが、FriskSDRというからにはFriskに入れないわけにはいきません。ようやくFriskケースを加工して入れてみました。加工はドリルとリュータを使いました。余計な仕切りを削り取って、コネクタの穴、そしてレバースイッチ用の切り欠き、LCD用の窓を開けました。

LiPo用コネクタの差し込み側が出っ張るのがミスしましたが、ぎりぎり納めることができました。次回修正版を作成する際にレイアウトを修正検討したいと思います。

液晶ディスプレイはケースの裏側になってしまいました。角穴のサイズもミスってしまいました。シールを貼ってこちらを表にして、アラを隠すようにしたいと思います。

どうせならスピーカも内蔵させれば良かったかもしれません。aitendoで見つけたマイクロスピーカが丁度入れられそうです。ミニジャックが切り替え型ではないので、このままでは付けられないのですが。

失敗したのは、電源スイッチを省略してしまったことです。格好を付けて、OFFの代わりにスリープ状態として、ボタンプッシュでの復帰を考えていたのですが、現在のレバースイッチの接続ではこれができないのです。スリープ状態からの復帰にはPA0-WakeUpをHにする必要があります。これも次回の課題です。

それから短波はともかくとして、AM放送ですら外部アンテナが必要なのは残念な点です。

LiPoを付けてみたものの、消費電流は現在70mA程度でLiPoは現実的ではありません。低消費電流な新しいデバイスSTM32L433CCT6の入手を画策中です。それまではUSBによる外部電源供給タイプとして使うのが現実的かと思います。

USBはデバックに使っています。PCからはCDCとしてシリアルのように使えますので、コマンドを入れたり状態を確認することができます。できればUSB Audioデバイスとして見えるようにしたいと考えているのですが、力尽きて今のところ及ばずです。USBスピーカとしては動作するようにはできたのですが、なかなか安定しません。もう少しもがく必要がありそうです。

リファレンス

これまでの記事: FriskSDRにUIを実装してみました http://ttrftech.tumblr.com/post/145152124586/

FriskSDRが動き始めました http://ttrftech.tumblr.com/post/143563100751/

FriskSDR組み立て開始しました http://ttrftech.tumblr.com/post/141717924271/

74AHC74 http://www.nxp.com/ja/products/discretes-and-logic/logic/so/dual-d-type-flip-flop-with-set-and-reset-positive-edge-trigger-based-on-pip-74ahc-ahct74:74AHC_T_74

74LVC74 http://www.nxp.com/products/discretes-and-logic/logic/lvc/dual-d-type-flip-flop-with-set-and-reset-positive-edge-trigger:74LVC74APW?lang_cd=en

フリスクラジオの先人PUPさんの作品 http://pup.doorblog.jp/archives/45053029.html

[ttrftech]

NanoVNA(仮称)を製作予定です

先日クロックジェネレータチップSi5351Aを試していましたが、ふとこれを使ってVNA (ベクトルネットワークアナライザ)を作れるんじゃね、と思いついてしまいました。以前試したVNWAのクローンではDDSチップを二つ使っていましたが、Si5351Aなら個別に周波数を設定できる出力が3つもあります。

以前よりスタンドアロンなVNAを作りたいと考えていました。最近いろいろやっていたので、MCUやLCDなどの必要な要素がほぼ揃ってきています。えいやっと回路を引いたら、うまくまとまりそうなので勢いでレイアウト、基板を発注したらあっという間にできてきてしまいました。下の写真がその基板です(部品を仮置きしています)。

3年程前になりますがAD9859 DDSを使ったVNAを試作していました。VNWAとして販売されている製品の原理を、QEXに掲載されていた情報を元に追試しました。その際にいろいろと課題がわかりましたので、その後改良版を作るつもりいたのですが、そのまま放置になっていました。

信号源としてSi5351Aを使うと部品がかなり減らせます。違いとしては、DDSだと出力は正弦波ですが、Si5351Aはクロックジェネレータなので方形波です。VWNAではDDSのエイリアスを使うことでGHz前後の上の帯域をカバーしていました。ここがVNWAのすごいところだったのですが、方形波でも倍音成分を使うことで同様なことができるのではないかと期待しています。ここは実験次第です。

ところで、最近の工作で、オーディオコーデックとしてTLV320AIC3204をよく使っていますが、実はこのチップを選定した理由の一つが、VNWAのスタンドアロン版を作ることを想定していたからなのでした。VNWAでは、観測すべき信号が三つ、これをステレオサウンド入力の2チャネルで観測するためにアナログスイッチで信号を切り替えていました。一方、TLV320AIC3204は入力が3つあり、これをチップの設定で切り替えることが可能です。しかも差動入力で使えるので、ギルバートセルミキサSA612の出力をそのまま入れることができます。さらにPGAが入っているのでアンプも不要で、とてもシンプルな構成とすることができます。

スタンドアロン化のため、LCDディスプレイと、レバースイッチとプッシュボタンを用意しました。レバースイッチにもボタンが付いていますが、それとは別にボタンを追加したのは、スキャン開始の操作をしやすくするためです。LCDはLPC4370 SDRで実績のあるILI9431で、基板に直接実装するタイプの部品が入手可能なのでこれを使います。おまけとしてこのLCDには抵抗膜タイプのタッチパネルが装備されています。これを基板の裏に直接載せて、フレキケーブルをハンダ付けして実装する予定です。全体で10mm以下と、自作品にしては薄く仕上げられる予定です。

LCDは320x240とピクセル数は多くはありませんがピクセルが細かいおかげで案外と綺麗な表示ができることがわかっています。ここに美しいスミスチャートを描きたいと思っています。色数が多いので、階調表現による滑らかな曲線を描くことができるはずです。UIと合わせてソフトウェアの工夫のしどころです。

操作はレバースイッチとボタンで行う前提にしておいて、タッチパネルはもしうまく使えそうなら試そうと優先度は下げて考えています。

スタンドアロンでの動作を最終的な目標にしますが、もちろんPCからUSBで接続して制御して使うことも想定しています。おそらく最初はPC前提に開発することになると思います。

電源はUSBですが、LiPoも試してみようと用意しています。アナログ部分のSA612の電源が5Vなのですが、LiPoの場合取れる電圧が3.6V程度でミキサの仕様外になってしまうので、果たしてうまく動作するかは不明です。

ブロック図を示します。

MCUにはSTM32F072を使うつもりです。信号処理とは言っても、SDRと違ってリアルタイムではないので、Cortex-M0で充分ではないかと考えています。小さなメモリでどこまで作り込めるかです。もし入らなかったらF303に変更します。

原発振には26MHzのTCXOを使います。TCXOは振幅の小さいClipped sine waveを出力するタイプのモジュールが多いですが、これがSi5351Aで使えることは実験で確認済みです。さらに周波数を微調整できるVCTCXOタイプを使ってMCUのDACで調整できるようにします。本当なら外部から10MHzを入れられると良いのですが、残念ながらSi5351Aだと無理です(実はSi5351Cなら可能なのです。代わりにピン数が増えてしまいますが)。

ブロック図には書き忘れましたが、余力があればSDカードに測定値をタッチストーン形式で記録することを検討しています。写真にあるソケットがそれです(基板から出っ張りますが面積的に仕方ありませんでした)。microSDではなくSDにしたのにはもちろん理由があります。これに関して、ちょっと面白いことができると良いなと思っています。

と、妄想はいろいろ膨らんでいますが、まだFriskSDRの作業が終わっていないので、VNAの実験と製作に取りかかるのはもうちょっと先になりそうです。果たしてうまくいくかどうかもわかりませんが、作業に取りかかるまで構想を練っておきたいと思います。

そういえば、CQ社RFワールド誌の次号(No.35)でVNAの製作記事が特集されると予告されていました。Windowsで制御するようですが、こちらも楽しみです。

リファレンス

VNWA http://sdr-kits.net/VNWA3_Description.html (そういえばトラ技で開発者による解説の翻訳が連載されていました)

以前VNWAのクローンを試作したレポート「DDS AD9859とGNURadioでVNAを作ってみる(1.動作原理解説)」 http://ttrftech.tumblr.com/post/42922407294/

「DDS AD9859とGNURadioでVNAを作ってみる(2.設計と実装)」http://ttrftech.tumblr.com/post/43539176274/

「DDS AD9859とGNURadioでVNAを作ってみる(3.信号処理とプロット)」http://ttrftech.tumblr.com/post/44220192957/

「Si5351Aクロックジェネレータを試用してみる」http://ttrftech.tumblr.com/post/138286883286/

ILI9431で作ったSDRのディスプレイ http://ttrftech.tumblr.com/post/143480274651/

[ttrftech]

FriskSDRにUIを実装してみました

製作していたFriskSDRですが、当初の予定通りLCDとレバースイッチを付けて操作できるようにしてみました。

LCDはI2C接続の8x2液晶で裏面に付けるようにしました。ぼぼガラス基板のみの厚さなので、薄く作ることができます。

部品面は一番高いのがコネクタで6mm、全体では9mm程の厚さになります。RF入力のBPF以外は、すべて実装した状態になりました。黄色い線は、書込みとデバッグにST-Link2を使っているのですが、その接続にコネクタを使わずワイヤを直接、電源と合わせて4本を接続してあります。

レバースイッチは、上下とプッシュ操作が可能です。プッシュでモード切り替え、上下で数値や選択の変更の操作となります。最初の画面は、チャネル切り替え、ワンプッシュで、周波数を直接変更するモードに変わります。ボタンの長押しで桁を選択するモードになり、周波数を1Hz単位で変更できるようにしています。

さらにプッシュで、音量調節。

もうワンプッシュで、復調モード切り替え。でも中身はまだ実装していません。

さらにプッシュでRFゲインの調整です。このRFゲインは、I2SコーデックTLV320AIC3204のADCの手前に設けられたPGA(Programmable Gain Amplifier)のゲイン設定です。0��47.5dBと比較的広い範囲で調整できます。

操作の様子の動画です。

I/F誌のSDRではロータリーエンコーダを使ったワンノブインターフェースを実装してみましたが、ほぼそれと同じ操作感をFriskSDRでも作れたと思います。

判明していたADCのDCオフセットについてです。QSDミキサをDC的に直結していたのですが、この接続だとオフセットが生じて、AD変換した結果にDC分が出てしまいます。悪いことにPGAのゲインを上げるとADCが飽和してしまい信号を取り込めなくなっていました。結局、入力にCを追加してAC結合とすることでオフセットが出なくなるようにしました。基板上のスペースに余裕が無いので、小さい1005サイズの100nFを4つ、配線をカットして載せています。

消費電流の件は、現在のSTM32F303を使う限りあまり減らせなさそうです。Cortex-M4Fで高性能なのですが、現状72MHz動作で70mAを越えています。クロックを下げれば、比例して下がりますが、それでも桁は減らせません。Cortex-M0なSTM32F072でも動作させられそうですが、それでも1/3程度です。

実はSTM32にはLというローパワーのシリーズがあります。その中でも新しいラインアップであるSTM32L4x3は、同じCortex-M4Fなのに、消費電流が100uA/MHzと一桁低いようです。ところが残念ながらまだ入手は難しそうです。バッテリ動作には、このMCUを本命として入手可能になるのを待つことにしたいと思います。それまではUSBモバイルバッテリなどの外部電源を使うことにします。

引き続き、

信号処理をちゃんと実装してAM以外の復調も可能にする

USB AudioデバイスとしてPCのSDRソフトウェアから使えるようにする

の作業を進めたいと思っています。

リファレンス

前回の記事 http://ttrftech.tumblr.com/post/143563100751/

レバースイッチTMHU28 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-08072/

I2C LCD http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-06669/