#sw4stm32

[jo7ozw]

1MHz~144MHzの任意周波数で送受信動作検証→OKっぽい!!

I2Sが動作するようになってから、RFアナログ回路デバックや復調・変調ソフトの実装などを進めてきました。表題の通り、この小さな基板で1MHz~144MHzの送受信動作ができそうな見込みが立ちました。

受信に関しては回路に問題があったとしても基板内でお祭り騒ぎになるだけで、他人に迷惑をかけることはないので、ある意味「どうにでもなる」ので、気持ち的には楽なのがいいです（笑）？しかしながら、送信に関してはそうはいきません。スプリアスが出てしまうことは、他人に迷惑をかけることになるし、法律的にも問題があるので、開発中もハラハラ・ドキドキです（笑）なぜこんなことを書いているかというと、設計時に想定していなかった不要信号（スプリアスではない）が発生することが分かったためです。前回の投稿で、開発中のSDRの構成ブロック図を掲載しました。このブロックから送信時の流れを抜き出したブロック図を示します。

第一IF周波数は諸事情で12kHzに変更しています。この理由は後ほど。

この送信信号の流れの中で発生しうる不要スペクトルとして想定していたのは以下の二つです。

Mixer1の出力信号のうち、20MHz IFフィルタで十分に減衰できない成分（20MHz ± 12kHzのどちらか一方）

Mixer2の出力信号のうち、LO2の漏れ信号（20MHz + f_RFout)

この予想通り、 20MHz IFフィルタの出力には20MHz ± 12kHzの変調信号が出てきましたが、フィルタにより 20MHz + 12kHz の成分は十分に減衰することができました。しかし、その予想に反して、20MHz IFフィルタの出力には変調信号以外に、変調信号に対して-35dBcの強さでLO1の漏れ信号も一緒に出てきてしまいました。これは２個のクリスタルフィルタでは十分に落としきれませんでした。

このローカル漏れの原因を探るために、コーデックTLV320AIC3204の出力を停止した状態で、IFフィルタの出力を見てみました。以下にAPB-3で測定したスペクトルを示します。

理想的には何もスペクトルが出てこないはずなのですが、しっかりローカルが出てきてしまってます。ここではローカル周波数は20MHz - 12kHzに設定されています。原因としてはコーデックのコモンモード電圧のアンバランスかと思われますが、まだ調査中です。こんなにローカルが漏れるMixerはMixer失格でしょう（笑）ひとまず対策として、次試作基板ではクリスタルフィルタの段数を増やす予定です。フィルタのスカート特性など少し不満があったので、結果オーライということにしておきます。ミキサ周りの回路も修正予定です。

上記のような問題はありましたが、ドライブAMPとして6GHzまで帯域が伸びているMMICを用いているため、1~144MHzの間で0dBmの送信出力を得ることができる見込みです。簡単な （ブロード帯域な） 回路でクリーンな送信信号を得ることは結構大変ですね。身に染みて実感しました。

[IF周波数を12kHzに変更した理由]

ちょっと小難しい話をします。実信号と複素信号について考えてみます。複素信号と聞くと難しい響きで、見ることも聞くこともできない信号のように思えてしまいますが、要は複素信号は「マイナスの時間という概念から生まれた信号」と考えることができると思います。メモリ機能、つまり遅延を使えるデジタル信号処理においては「マイナスの時間 = 過去の信号」を扱うことは当たり前のことですから、知らないうちに複素信号を扱っていることになります。何を言いたいかというと、一度デジタル信号に変換してしまえば、複素信号を作り出すことは容易なのです。

とはいうものの、デジタル信号に変換したとしてもしばらくは（複素信号に変換が完了するまでの間は）実信号のまま扱うということもしばしばあります。今回のようにIF信号（実信号）を取り込んで、内部で複素可するような場合がそれに当てはまります。

受信信号処理を実装する過程で、12kHzからベースバンドへのダウンコンバートする信号処理方法を何種類か検討しました。デジタル信号処理で複素信号を周波数変換する場合には、理論的には、ローカル漏れやイメージ信号は一切発生しません。しかし、実信号から複素信号への変換を兼ねた周波数変換過程においてはその限りではなく、イメージ信号が発生してしまいます。

これが少し気持ち悪いなと感じた時、「IFを12kHzにすれば、12*4 = 48kHz（サンプリング周波数）という関係を利用して面白いことができるかもしれない」と思ったのです。具体的には、48kHzのサンプリング周波数でサンプリングした12kHzのIF信号を1サンプル分遅延させたデータと遅延なしのデータは位相差90度の信号対とみなせるわけです。これはつまり「データを１サンプル分遅延させるだけで複素信号を作り出せる」ことを意味しています。信号処理に詳しい人が聞くとちょっとした問題点に気づかれると思いますが、現状は目をつむっています。

この方式により、実信号を一般的な方法でダウンコンバートするよりも、不要信号レベルを約25dB減少させることができました。これはフィルタ設計条件を緩くしてくれるメリットがあります。とりあえず、満足です。

「以上が進捗でした。現在、これまでのデバック結果を反映した試作基板を設計中です。回路内容が大幅に変わりそうです。修正のついでに144MHzにも本格的に対応予定です。」

[つまずいたことと対策]

TLV320AIC3204のLine出力に直接容量負荷をつなぐと発振する。

[jo7ozw]

HALを使ってDMA+I2Sのループバックテスト成功

少し時間が空いてしまいましたが、進捗を書ける程度までいろいろ勉強できたので、書いてみます。

前回の投稿でSDR_YAGIのブロック図を載せていませんでしたので、ブロック図を載せておきます。

SDR-YAGI Block Diagram

ほとんどのRF回路部分が送受信で共用しており、とてもシンプルな回路構成にできていると思います。とはいえ、シンプルにするためにいろいろと細かな工夫をしています。このあたりは、追ってご紹介できればと思います。

[I2S + DMAループバックができるようになるまで]

さて、最近はソフトウェアの開発を中心に進めていました。特にI2S関連です。 本開発にはFreeRTOSを用いてますので、OSへの影響・負担を小さくすることを考慮して、DMAとI2Sを組み合わせたいという思いがありました。I2SをHALで書くのは初めてであり、分からないことだらけでしたので、まずは先人の知恵をお借りすることにしました。

まずは、 Computer Radio RF Tech  高橋さんのIQDDSのmbedソースを眺めて検討を開始しました。高橋さんのソースから TLV320AIC3204(以下Codec) の初期化コードを引いてきて、少し改造して実装させて頂きました。また、I2SとDMAを組み合わせてFull Duplex動作させるために必要な初期化パラメータを参考にして、STM32CubeMX経由で実装しました。

以下、I2SとDMAの組み合わせで音声のループバックができるようになるまでの開発手順です。

Codecのアナログルーティング仕様をI2C経由で設定

Codec_Write(0x1d, 0x10); // (addr, data)　コマンドでアナログルーティングが正しいことを確認。このコマンドはAD変換データをchip内部でそのままDACへ送り込む設定値です。DACにはヘッドフォン、ADCへはマイクをつなげています。

マイコンのDMA, I2Sを設定し、ダブルバッファーを構成し、 Codecの出力データ（AD変換結果） をそのままCodecへ送信するようにコード作成

マイク入力音声がヘッドファンから聞こえればオーケー

と、簡単そうに書いてみましたが、いろいろつまずいてなかなかに苦労させられました。まぁ、あまり簡単にうまく行っては勉強にならないのですが（笑）

そして、ふと「AMラジオならこのまま受信できちゃうのでは？？」と思い、ご近所のAMラジオ局の周波数1422kHzをLO発振器に設定してみたら、あっさり受信できてしまいました！！！いやー御馳走さま！って感じ（笑）動画載せておきます。

以下に、つまずいたところや、気づいた点について、参考になりそうな情報を載せておきます。

STM32CubeMXで作成したSW4STM32用プロジェクトをコンパイルすると、”SysTick_IRQn can't be resolved”というエラーが出る。これはCubeMXのバグだそうです。以下、対処方法

To solve this error, you should request that System Workbench do not parse files that are not used by your project, by opening th eindexer properties dialog (project >> Properties >> C/C++ General >> Indexer) then check the Enable project specific settings checkbox and uncheck the Index unused headers checkbox.

You may also suppress indexing of unused headers for all projects that do not have project-specific indexer settings by modifying the workspace settings at Window >> Preferences >> C/C++ >> Indexer.

HAL_I2SEx_TransmitReceive_DMA(&hi2s2, .., ..., ...)　関数からのCallBack関数はHAL_I2S_TxRxCpltCallback(...)のみ有効。HAL_I2S_TxHalfCpltCallback(..)系関数は定義しても呼ばれない。

Apple製のマイク付きヘッドフォンを接続すると動作が不安定（要原因調査）。中華製のヘッドフォンに変えると安定動作した。（結構ハマりました...）

ここまでで、この無線機の土台になる部分はおよそ出来上がったかなと思ってます。 今後は、ループバックしていたソフトウェアに変調や復調関数を順次追加していき、無線機らしく仕上げていくことになります。

[参考]

Computer Radio RF Tech  高橋さん のIQDDS mbedソース

Description of STM32F3 HAL and Low-layer drivers

TLV320AIC3204 Data sheet

[jo7ozw]

ブログスタートしました！

このブログでは、現在開発中のSDRトランシーバの製作過程を書いていこうと思います。製作中のSDRのコンセプトは以下のような感じです。

「コンセプト」

一般的な 基板サイズ ：　47x72mm

RFフロントエンド(送信パワーアンプ、受信BPF、LPF、アンテナスイッチ等)は外付け

HF+50MHz(144MHz?)の任意周波数で送受信が可能

変復調モードはSSB, CW, AM, PSK etc..に対応

PCは必要とせず、スタンドアローン動作

搭載するUIは必要最小限

学生さんがプログラムやハードをいたずらできる余地を残す（いたずらしたくなる）

今風のおしゃれな部屋に馴染む佇まい、できればインテリア風になってほしい

実はこれまで３年ほど、いろいろな回路構成や基板形状を検討してきましたが、なかなかしっくりくる物ができずに悩んでいました。ところが、最近になって、たくさんの方との交流の中で、やっとしっくりくるものが見つかりました！中でもHandyPSKの回路構成やFriskPSKには特に大きな刺激を受けました。大いに参考にさせて頂いてます。

そんな経緯でやっと形になったのが今回紹介するSDRです。外見をお見せします。SDR_YAGIは仮名です。八木アンテナ発祥の地である出身校(JA7YAA)への敬意と後輩達への期待を込めています。

表面（UI)

裏面(部品面）

無線機の肝 - 局部発振器としては、安価で入手しやすいクロックジェネレータICであるSi5351を採用しました。このデバイスはElecraft社の最新デバイスであるKX2にも採用されており、無線機の局発として採用することに対して全く障壁を感じさせない期待のデバイスです。高橋さんがスプリアスの調査してますね。以下にKX2の構成ブロック図を載せます。 

上述のようにいろいろな回路を参考にしつつ、独自のテイストをブレンドして（👈これが醍醐味ですよね！）回路設計・レイアウトし、いつもお世話になっているelecrowに注文しました。メタルマスクも注文し、ホットプレートでなっちゃってリフローで完成させました。最近、elecrowは発注してから商品到着するまで７日を切ることが普通になってますね。とても助かってます。回路の構成については、図を作ってないので、後日載せることにします。

これまでは回路中心に開発を進めてきたため、マイコンの開発環境については勉強不足でした。開発環境の構築はとても骨の折れる作業のイメージが強かったのですが、世の中はどんどんオープンソースの方向に進んでいて、意外と簡単に素晴らしい環境が整ってしまいました。ソフトウェア開発環境の構築ついても後日説明したいと思ってます。それにしてもSTMicroのHALライブラリはよくできているなぁと思いました。程よい抽象度、レジスタを叩いていないのになんでもできる感じがいいですね。これから勉強していきます。

「進捗」

STM32CubeMXとSW4STM32を導入し、マイコン開発環境の構築完了

FreeRTOS、LED制御、Si5351による２周波発振確認、I2C LCDの動作確認完了

20MHz 2nd IF Filterの伝達特性の測定完了（設計通り：BW 3kHz, Loss 1dB）

「メモ」

I2C LCD( AQM0802A )は400kbpsのデータレートonly

「今後の予定」

TLV320AIC3204 （MCLK: 16MHz) の初期設定パラメータの算出

TLV320AIC3204とSTM32F303のI2S full duplex動作の実現（DMAの設定含む）

テスト信号（単一周波数正弦波？）を用いて変復調の基本動作確認

RF回路の入出力性能の測定（設計値との比較）