#cortex-m4f

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。

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

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/

AM変調は実装してあったのですが、符号の扱いに間違いがありました。それを直して振幅の調整をしたら、正常に動作するようになりました。写真は51.5MHzのキャリアに1kHzを100%変調の様子です。スペクトラムは非常に綺麗です。本来はデジタル変調の隣接チャネル妨害などの大変要件が厳しい用途に使うはずのチップなので、こんなアナログ変調には勿体ない贅沢な使い方です。

ついでなのでDSB (Double Side Band)も実装しました。AMと比べるとDC分を足さないだけです。キャリアが無くなり、名前の通り両側の側波帯のみの信号です。スペクトル的にはツートーンなので、送信機調整の信号源に使えそうです。

FM変調です。最初の段階では、ベクトルの乗算でNCO信号生成するという面倒なことをしていたのですが、なんのことはないFM変調は入力信号の累積を位相とすれば良いだけなので、後は位相から普通にsin/cosを生成するだけで、綺麗な信号を得ることができます。現状ではプリエンファシスをさぼっています。三角関数はテーブル引きと補間で求め、全くループを使わないので速いです。オシロで見てもエンベロープは一定なので、面白みはありません。

さて、実際の音声信号で変調してみました。音源としてPCで再生した楽曲を、アナログでボードに入力し、ADCで取り込んだ信号を、Nucleoでソフトウェアで変調処理し、AD9857に送り込んで51.5MHzのキャリアに乗せています。ADCはI2SコーデックのTLV320AIC3204を使っています。

最初はPCのスピーカで再生、その後ジャックを差すと切り換わり、PCからは音声が出なくなります。Nucleoで変調され、それをハンディトランシーバで受けています。諸事情ありますので、エアには出さず、20dBのATT2段経由でケーブル直結しています。変調モードはPCから切り替えています。

デモ動画です。音量が小さいのはご勘弁ください。

https://youtu.be/A6XZW8APpoI

以上のような変調方式では、AMもDSBもFMも、サンプルごとにはループ無しの固定時間で変調計算できますので、ほとんどMPUの負荷に差はありません。負荷のほとんどがインターポーレーションで占められていますが、50%程度のサイクル消費です。どちらかというと、メモリが足りていません。Nucleoで使用しているSTM32F401REは、SRAMが40kByte程度しかなく、現在48Mpbs程度のデータを生成していることを考えると、上限に近いです。既に90%以上を消費しています。実質的にこれ以上バッファは有意には増やせません。

あと、やりたいとおもっているのがFM放送相当のWB-FMのステレオ信号の生成です。FMステレオの変調は、復調に比べれば簡単なはずですが、面倒なのが、広帯域な150kHz幅の変調を行うには、48kHzや192kHzではレートが不足しているので、インターポーレーションスキームの変更が必要なことです。気合いが湧いてきたらやってみたいと思います。

というわけで、トラディショナルな変調方式は十分可能なことが確認できました。無線用には帯域の調整などが必要ですが、当面必要ないのと、あとはやればできるってだけの話なのでとりあえずこのままにしておきます。

基板と部品は若干手持ちがあります。「強い」ご希望があれば頒布を検討します。

以後は「電波をハック」ネタとして、ちょっと変わったことを試してみたいと考えています。

リファレンス

使用音源「東京事変 電波通信」https://youtu.be/NFbefgYJoW0

ソースはmbedで開示中 https://developer.mbed.org/users/edy555/code/Nucleo_IQDDS/

Analog Devices AD9857 http://www.analog.com/jp/rfif-components/direct-digital-synthesis-dds/ad9857/products/product.html

Texas Instruments TLV320AIC3204 http://www.tij.co.jp/product/jp/tlv320aic3204