Записки программиста

Как-то раз я прочитал на hackaday.com небольшую заметку об IceRadio. Это проект господина Eric Brombaugh, представляющий собой SDR на базе микроконтроллера STM32, FPGA производства Lattice серии Ultra или Ultra Plus, АЦП AD9203 или более дорогого ADC14C105, ЦАП CS4344 с интерфейсом I2S, а также тюнера R820T2, используемого в донглах RTL-SDR. Помимо прочего, проект интересен своей модульностью. Он состоит из четырех независимых плат, каждую из которых можно использовать повторно в других проектах. Особенно меня заинтересовал модуль на базе тюнера R820T2, о котором и пойдет речь в этом посте.

Примечание: Если вдруг вы пропустили вводную статью по Software Defined Radio, вот она — Начало работы с LimeSDR, Gqrx и GNU Radio.

Некоторые компоненты, используемых в модуле, не так-то просто достать. Тюнер R820T2 и генератор на 28.8 МГц проще всего выпаять из RTL-SDR v3. Устройство продается на eBay. Трансформаторы MABAES0060 (даташит [PDF]) были найдены на AliExpress. Прочие же компоненты доступны повсеместно. Плату для модуля я заказал на OSH Park. В итоге получилось следующее:

Спаять модуль оказалось достаточно просто. Процесс этот особо ничем не примечателен. Главное иметь хороший флюс, паяльную пасту, паяльную станцию с феном, лупу с хорошим увеличением, мультиметр, прямые руки и немного терпения.

Модуль питается от 5 В (на плате есть стабилизатор на 3.3 В), общение с ним происходит по протоколу I2C. Для проверки модуля сначала я взял осциллограф и проверил, что от генератора идет сигнал с частотой 28.8 МГц. Затем я использовал HydraBus чтобы убедиться, что модуль отвечает по I2C:

Напомню, что 0x34 — это 7 бит адреса устройства и ноль в младшем бите, означающий запись. По аналогии 0x35 соответствует чтению с устройства. Согласно даташитам (основной даташит [PDF], описание регистров [PDF]), устройство имеет 32 регистра, каждый размером один байт. При этом в регистре с адресом 0x00 всегда хранится значение 0x96.

У устройства есть небольшая странность. При записи используется обычный порядок бит msb-first, однако при чтении данные возвращаются в lsb-first. Поэтому в HydraBus мы увидели 0x69 (01101001) вместо 0x96 (10010110). Есть и другая странность. Устройство позволяет писать данные по любому адресу, но чтение всегда происходит, начиная с адреса 0x00. Таким образом, если требуется прочитать данные из 15-го регистра, нужно прочитать 15 байт.

Манипулировать регистрами R820T2 напрямую — дело довольно нетривиальное, и с нуля научиться правильно их использовать займет далеко не один и не два вечера. К счастью, другие люди уже давно во всем разобрались. За основу я взял библиотеку для STM32 за авторством все того же Eric Brombaugh (он, в свою очередь, также опирался на чужие наработки — см исходники). Я портировал библиотеку на HAL, немного отрефакторил по своему вкусу, и в процессе починил баг в оригинале. Код библиотеки вы найдете в полной версии исходников к этому посту.

Интерфейс библиотеки следующий:

Все довольно просто — инициализация разбита на две части, init и calibrate. Я хотел убедиться, что калибровка действительно необходима. Оказалось, что необходима, без нее вообще ничего не работает :) Дальше у нас ручки для выставления частоты и полосы пропускания, три ручки для управления gain’ом и две ручки для включения/выключения automatic gain control (по умолчанию оба выключены). Также есть процедуры для хождения напрямую в регистры, но вы скорее всего не должны этого хотеть.

Для удобства была написана прошивка, позволяющая использовать все это хозяйство по UART:

Как можно заметить, здесь значения регистров конвертируются в msb-first. Тюнер был настроен на частоту 432.5 МГц с широкой полосой пропускания (значение bandwidth задается от 0 до 15). Если воспользоваться подходящей антенной и подключить выход тюнера к осциллографу, можно увидеть радио-сигналы. Например, такие:

Узнали? Это же наш старый знакомый, пульт от гаража с OOK-модуляцией. Для полноты картины отмечу, что здесь модуль подключается к осциллографу без нагрузки. Нагрузку в 50 Ом R820T2 не тянет. Само собой разумеется, с тем же успехом можно ловить сигналы с другой несущей и другой модуляцией. Кажется, все работает!

Чисто теоретически, мы уже можем подключить модуль к входу для наушников компьютера, и назвать это SDR. Для этого нам понадобится буфер (например, операционный усилитель в режиме повторителя напряжения), а также фильтр нижних частот. Однако полоса пропускания такого решения составит не более 20 кГц, поскольку звуковая карта все-таки рассчитана на работу со звуком. К тому же, на входе для микрофона вполне могут резаться верхние частоты. В общем, курам на смех.

Для получения чего-то, что будет больше похоже на SDR, нам понадобится приличный АЦП, хотя бы 8-и битный и с частотой дискретизации 5 Msps. Например, уже знакомый нам AD9280 (8 bit, 32 Msps) вполне сгодится. Но в этом случае мы имеем дело с потоком данных не менее 40 Mbps, которые нужно успевать либо передавать на компьютер, либо обрабатывать в реальном времени, либо куда-то сохранять, чтобы обработать потом (SD-карта класса C6 или C10 должна справиться). Но это уже тема для другой заметки.

Полную версию исходников к посту вы найдете в этом репозитории на GitHub.

Дополнение: Вас также может заинтересовать статья Микроконтроллеры STM32: пишем драйвер для Si5351.

Метки: SDR, STM32, Беспроводная связь, Электроника.