#chibios

[zombierobotfish]

JUST PUTTING THIS INTO THE WORLD not even my usual style but it doesn't matter who will even see this one (つω｡)

[ttrftech]

CentSDRの信号処理におけるDCオフセット補償

CentSDRの実験をしている過程で、DCオフセット由来の不要信号の対策をしています。原因は2箇所あり、それぞれ違った要因で生じていました。参考になるかもしれませんので、少し解説しておきます。

上の写真はアンテナを接続せず無信号の状態でサンプリングした信号のスペクトラムを表示したものです。無信号にもかかわらず、中央に信号が見えています。内部のSSB復調信号処理の都合上、1.3kHzずれた位置に見えているのですが、ADCから取り込んだ時点では0HzすなわちDC成分です。サンプル値に常に0からのずれが残っている状態となっているわけです。

復調後のオーディオ信号のスペクトラムが下記です。こちらでも0Hzに応答が見えています。

このDCオフセットはADC由来です。本来無信号であればゼロとなってほしいのはずですが、どうしてもさまざまな要因からオフセットが生じてしまいます。無用な成分ですので消してしまうことが望ましい。対策は、DC=0Hzを通さないフィルタ、すなわちHPFを入れることになります。カットオフ周波数は、数Hz程度となるようにします。

HPFを実装する具体的方法ですが、使用しているCodecチップTLV320AIC3204にはDSPブロックが含まれていますので、かなりの自由度でデジタルフィルタを入れることができます。Codec内部のDSPを使うことで、MPUのサイクルを消費せずに済むわけです。下記に基本構成の場合のブロック図を示します。この構成の他にもFIRやIIRなど、さまざまなパターンが用意されています。詳しくはリファレンスガイドをご覧ください。

この図中の”1st Order IIR”が、ADCのDCオフセットを削除するために設けられたフィルタブロックです。DCオフセット削減程度の処理であれば緩い特性でOKですので、1次のIIRで十分というわけです。ここに適切な係数を与えてやればお望みのフィルタ特性が得られます。

このHPF用の係数を設計します。いつものJupyter notebookでやってみます。まずは準備として下記をインポートしておきます。

%matplotlib inline import pylab as pl import numpy as np from scipy import signal

scipy.signalのiirfilter関数を使って、1次のIIRフィルタを、High Pass Filterとして設計します。カットオフ周波数は適当に0.0001と指定していますが、これはナイキスト周波数に対して0.0001、すなわちサンプリング周波数48kHzの場合、ナイキスト周波数は24kHzなので、カットオフは2.4Hzということです。

この周波数特性を確認してみます。両対数グラフにプロットを示します。ちゃんとHPFの形になっていることがわかります。対数なので見えていませんが、0Hzの応答は0となっています。

さて、係数を、DSPに組み込むためには、24ビットの符号付き固定小数点に変換する必要があります。ごにょごにょして、それぞれバイト列に変換します。

b[0] = 0x7f, 0xfa, 0xda b[1] = 0x80, 0x5, 0x26 -a[1] = 0x7f, 0xf5, 0xb5

これをI2C経由でチップに書き込みます。コードを下記に示します。2つのチャネルでレジスタが違いますので、それぞれ同じデータを書き込みます。係数を書き込んだあと、係数バッファを切り替えることでフィルタの動作に反映されます。ADCを動作させながら切り替える場合はこの一手間が必要です。動作開始前に係数を設定するのであればバッファ切り替えは不要です。

const uint8_t adc_iir_filter_dcreject[] = { /* len, page, reg, data.... */ /* left channel C4 - C6 */ 12, 8, 24, /* Pg8 Reg24-35 */ 0x7f, 0xfa, 0xda, 0x00, 0x80, 0x05, 0x26, 0x00, 0x7f, 0xf5, 0xb5, 0x00, /* right channel C36 - C38 */ 12, 9, 32, /* Pg9 Reg 32-43 */ 0x7f, 0xfa, 0xda, 0x00, 0x80, 0x05, 0x26, 0x00, 0x7f, 0xf5, 0xb5, 0x00, 0 /* sentinel */ }; void tlv320aic3204_config_adc_filter() { const uint8_t *p = adc_iir_filter_dcreject; while (*p != 0) { uint8_t len = *p++; uint8_t page = *p++; uint8_t reg = *p++; I2CWrite(AIC3204_ADDR, 0x00, page); while (len-- > 0) I2CWrite(AIC3204_ADDR, reg++, *p++); } I2CWrite(AIC3204_ADDR, 0x00, 0x08); /* Select Page 8 */ I2CWrite(AIC3204_ADDR, 0x01, 0x05); /* ADC Coefficient Buffers will be switched at next frame boundary */ I2CWrite(AIC3204_ADDR, 0x00, 0x00); /* Back to page 0 */ }

これを組み込みます。さきほどと同様に無信号時のスペクトラムを見てみると、DCの信号が消えてちゃんとフラットになっています。

オーディオのスペクトラムを見てみると、0Hzの成分は消えたのですが、別の小さな信号が残っていることがわかります。

信号処理過程の中間の信号を見てみると、またもや0Hzに不要信号が生じていることがわかります。

SSB復調の信号処理ブロック図を示します。ADCで取り込んだ信号をまず最初に1.3kHz周波数シフト、次いでfc=1.3kHzのLPFを通します。最後に、また1.3kHz逆向きに周波数シフトしています。こうして2.6kHz幅の復調帯域幅を得ています。LPFにCMSIS DSPライブラリを使って、6次のBiquad IIRフィルタを実装しています。この内部でDC成分が生じているようです。最後にまた周波数シフトしているので結果として1.3kHz付近の不要信号となっているわけです。

CMSIS DSPライブラリのソースコードを調べてみます。ファイル

CMSIS/DSP_Lib/Source/FilteringFunctions/arm_biquad_cascade_df1_q15.c

にある

arm_biquad_cascade_df1_q15() 関数です(141行目付近)。

固定小数点のシフトを使った計算をしているのですが、適切でない箇所があるようです。2べきの割り算をシフトで行うことはよくやることなのですが、符号の扱いには注意が必要です。たとえば、正の数に対して右シフトを繰り返すと8→4→2→1→0とどんな数も最後には0になります。ところが負の数を右シフトする場合は、-7→-3→-1→-1→-1→-1 と、-1すなわち全ビットが1になったあとは変化しなくなります。このように右シフトによる割り算は、正と負で結果が非対称になっていますので、適切に扱われていないと期待しない結果が生じます。CMSIS DSPライブラリで生じているDCオフセットはこれが原因のようです。

これを回避するため下記の修正(FIXコメントの行)を追加します。0と-1のギャップを埋めるために0.5を足しておくのです。

/* acc += a1 * y[n-1] + a2 * y[n-2] */ acc = __SMLALD(a1, state_out, acc); /* FIX: compensate dc offset caused from bit shift operation */ acc += 1 << lShift; /* The result is converted from 3.29 to 1.31 if postShift = 1, and then saturation is applied */ /* Calc lower part of acc */ acc_l = acc & 0xffffffff; /* Calc upper part of acc */ acc_h = (acc >> 32) & 0xffffffff;

この対策を施すと、無事DC成分が消えました。無信号でオーディオフラットです。やったね!

公式にARMから提供されているCMSIS DSPライブラリといえども、注意して使用する必要があるようです。今回の対策は、LPFを実装する目的には効果がありましたが、一般に適用するには注意が必要かもしれません。

というわけで、同じくDCオフセットに関するトピックでしたが、ハードウェアからソフトウェアまで、いろいろな原因があり得ます。その対策2題でした。

それにしてもスペクトラムが実機で表示できるのはとても便利です。前はデータを取り出してグラフを描いたりしていたのですが、画面を見れば一目で効果がわかります。

おまけでCentSDRのハードウェアブロック図です。若干数のキット頒布の準備をしていますが、なかなか進捗しません。アナウンスをお待ちください。

参考

CentSDRを組み立ててみました http://ttrftech.tumblr.com/post/164219455216/

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

CMSIS DSPライブラリ https://github.com/ARM-software/CMSIS

原因箇所 https://github.com/ARM-software/CMSIS/blob/master/CMSIS/DSP_Lib/Source/FilteringFunctions/arm_biquad_cascade_df1_q15.c#L143

[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。

[itkindaworks-blog]

(via https://www.youtube.com/watch?v=U0zAwnfWcHM)

[ksduino]

Multitasking and real time systems at Arduino

to make your sketch more professional

Real time operating system

A real-time operating system (RTOS) is an operating system (OS) intended to serve real-time application requests. It must be able to process data as it comes in, typically without buffering delays. Processing time requirements (including any OS delay) are measured in tenths of seconds or shorter.

It's not a secret that the Arduino has small system resources. Is it possible to run RTOS at Arduino? Fortunately, yes! There is some RTOS which can run at Arduino. We have used some of them and our choice is ChibiOS.

ChibiOS/RT is designed for deeply embedded real time applications where execution efficiency and compact code are important requirements. This RTOS is characterized by its high portability, compact size and, mainly, by its architecture optimized for extremely efficient context switching.

What plus we get when use RTOS

All examples which you see when study Arduino or KSduino is a Linear program. The basic part of program are placed to Loop function and run from its begin to the end. There is a delay at the end of loop when our Arduino does nothing. This kind of program for similar tasks, for example: we read some sensors one time per second. What should we do if we need read light sensor every ten milliseconds and read temperature sensor one time per five seconds. We can write this program in standard loop using millis function and much if which will perform this task. This program will work but the loops code will very long with much conditions. Programs like this is not readable, heavily modified and may contain difficult to debug errors.

When we use RTOS we can create separate processes (threads). Each of the processes looks like separate loop function. So we can create a program with much loops each of they will execute its separate task. In our example the first process will read light sensor with quick delay the second process will read temperature sensors with long delay. Both of this process will send information to KSduino.

Setup RTOS and create sketches

How the RTOS for Arduino looks and what we will use to create programs? The ChibiOS is a simple library which should be copied to your Arduinos library folder. And the program is simple Arduino sketch created in Arduino IDE.

OK, Let us download ChibiOS and create your first ChibiOS Arduino sketch!

We get the ChibiOS from http://code.google.com/p/rtoslibs/ page. This page contain information about other RTOS and link for official ChibiOS website. There is direct download link, we use version ChibiOS20130208: http://ksdu.in/o/45 You can download also this archive from the KSduino website: http://ksduino.org/downloads/ChibiOS20130208.zip

The ChibiOS and KSduino example

We modify example from previous article: Pseudo multitasking. Using timer in Arduino sketch In this example we create process:

Thread 1 for sending parameters to KSduino

Thread 2 for calculate DS18b20 temperature

Thread 3 for read KSduino answers

To synchronize KSduino tasks we use semafor so in one time moment only one KSduino task can run.

// Includes #include "SPI.h" #include "EthernetUdp.h" #include "OneWire.h" // one wire library to connect ds18b20 #include "ksDS18B20.h" // subclass to read ds18b20 values #include "KSduino.h" // KSduino Library #include "ChibiOS_AVR.h" // ChibiOS library // DS18B20 address uint8_t devAddr1[] = { 0x28, 0x16, 0x05, 0xB2, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00 }; // Define OneWire, DS18B20 & Timer classes OneWire ds(7); // OneWire on pin 7 ksDS18B20 ds18b20_1 (&ds, devAddr1); // KSduino User definition ----------------------------------------- // This Arduino ID and Password // Change this values to yours unsigned int deviceID = 0000; // set your Device ID unsigned int devicePwd = 1111; // set your Device Password // This Arduino MAC, IP,DNS, Gateway and port // Change this values to yours byte mac[] = { 0x74,0x69,0x69,0x2D,0x00,0x00 }; byte ip[] = { 192, 168, 1, 222 }; //byte dns[] = { 192, 168, 1, 1 }; //byte gateway [] = { 192, 168, 1, 1 }; //byte subnet [] = { 255, 255, 255, 0 }; unsigned int port = 40000 + deviceID; // KSduino Server definition ---------------------------------------- // Server address & port byte serverIp[] = { 178,63,53,233 }; // Global IP address unsigned int serverPort = 9930; // Port number // ---------------------------------------------------------------- // Define KSduino class KSduino ksd (deviceID, devicePwd, serverIp, serverPort); // Define some KSduino parameters with KSduinoParameter class KSduinoParameter d1 (&ksd, "d1", 0.5, 15*60); KSduinoParameter f1 (&ksd, "f1", 0.5, 15*60); // Semaphore to trigger context switch Semaphore sem; // Idle time counter volatile uint32_t count = 0; //------------------------------------------------------------------ void setup() { ksd.begin(mac, ip, port); // start KSduino // ksd.begin(mac, ip, dns, gateway, port); // ksd.begin(mac, ip, dns, gateway, subnet, port); // Setup ChibiOS chBegin(mainThread); } //------------------------------------------------------------------------------ // thread 1 - this task send KSduino parameters // 160 byte stack for KSduino task, beyond task switch and interrupt needs static WORKING_AREA (waThread1, 160); static msg_t Thread1(void *arg) { #define WAIT_FOR_ANSWER 2 for (;;) { // Create D1 test value int d1_generator = random(1,1000); byte d1_value = d1_generator < 10 ? 1 : 0; // will high ones per second // Send values to KSduino if something changed if (d1.check (d1_value) || ds18b20_1.getTemp () && f1.check(ds18b20_1.celsius)) { chSemWait(&sem); // only one KSduino task should run at this moment ksd.beginPacket (); d1.addParameter (d1_value); f1.addParameter( ds18b20_1.celsius); ksd.endPacket (WAIT_FOR_ANSWER); chSemSignal(&sem); } chThdSleepMilliseconds(10); } return 0; } //------------------------------------------------------------------------------ // thread 2 - calqulate DS18b20 thermometer every second // 64 byte stack beyond task switch and interrupt needs static WORKING_AREA (waThread2, 64); static msg_t Thread2(void *arg) { for (;;) { ds18b20_1.readTermometer(); chThdSleepMilliseconds(1000); } return 0; } //------------------------------------------------------------------------------ // thread 3 - KSduino update // 160 byte stack for KSduino task, beyond task switch and interrupt needs static WORKING_AREA(waThread3, 160); static msg_t Thread3 (void *arg) { for (;;) { chSemWait(&sem); // only one KSduino task should run at this moment ksd.update (); chSemSignal(&sem); chThdSleepMilliseconds(5); } return 0; } //------------------------------------------------------------------------------ void mainThread() { // initialize semaphore chSemInit(&sem, 1); // start blink thread chThdCreateStatic(waThread1, sizeof(waThread1), NORMALPRIO + 1, Thread1, NULL); // start print thread chThdCreateStatic(waThread2, sizeof(waThread2), NORMALPRIO + 1, Thread2, NULL); // start ksduino send thread chThdCreateStatic(waThread3, sizeof(waThread3), NORMALPRIO + 1, Thread3, NULL); // Main thread (iadle thread) loop for (;;) { // must insure increment is atomic // in case of context switch for print noInterrupts(); count++; interrupts(); } } //------------------------------------------------------------------ void loop() { // not used }

To use this example you need one DS18b20 sensor: https://ksdu.in/o/3h This sketch is using ksDS18B20 class. You can download this example with ksDS18B20 class at: http://ksdu.in/o/46 Best regards, Kirill Scherba The founder and main developer of KSduino project.   Sea also: How to skip repeated parameter values? Pseudo multitasking. Using timer in Arduino sketch