🌊 👨 🚋 Un poco sobre el dispositivo de la radio moderna en el ejemplo de HackRF One ㊙️ 🥞 🎱

Saludos, Habr!
Hace algún tiempo, en mi campo de visión, muy a menudo aparecían muchos artículos, videos sobre el tema de los transceptores SDR. El tema es de interés hoy. Los dispositivos HackRF One son muy populares entre los radioaficionados y otros "técnicos" de diversos tipos (hasta el día de hoy, a pesar de que este transceptor ha aparecido en el mercado durante mucho tiempo, y ahora ya hay muchas otras opciones de SDR de un plan similar, incluyendo más productivo). Casi todos los artículos sobre este tema discuten las herramientas de software (como regla, trabajan con GNU Radio, describen algoritmos DSP, etc.), dan ejemplos prácticos de captura de señales de radio, demuestran falsificación de GPS, reciben señales de satélites meteorológicos, etc. Hack-RF One se utiliza como una especie de "caja" universal,permitiéndole hacer muchas cosas interesantes. Es suficiente tener un poco de experiencia en programación y una comprensión general de lo que es una señal digital; en principio, se ha superado el umbral de entrada para los experimentos más simples con SDR. De hecho, esto es genial.
Pero entre muchos artículos aún no he encontrado uno en el que se considere cuidadosamente el hardware de este transceptor, donde su circuito se analizó más o menos a fondo (si se ha reunido, por favor proporcione un enlace en los comentarios).
Además, un cierto descuido de este problema por parte de los "usuarios" de este y otros módulos transceptores similares es alarmante. En muchos artículos populares, se desliza que el receptor / transmisor SDR es:

Está claro que el principio principal de la tecnología SDR es implementar las funciones de un sistema de radio (previamente realizado en forma analógica utilizando dispositivos electrónicos), en forma digital, procesando una señal digitalizada. E incluso no solo en la transferencia de procesamiento a digital, sino también en la capacidad de utilizar herramientas más complejas para procesar señales. Pero todo esto no significa en absoluto que la realización física de cualquier transceptor SDR moderno típico sea un módulo ADC / DAC + DSP, y todo lo demás no es necesario (y si lo es, es secundario). Y, en consecuencia, no se requieren conocimientos relacionados con la comprensión de los circuitos analógicos del módulo de radio. Parece suficiente para obtener un ADC, DAC con características geniales, conectarlos a la antena desde un extremo, a una PC desde el otro, y aquí SDR está listo para todos los casos y para todas las generaciones).Tal vez este enfoque sea suficiente para demostrar los principios de SDR, pero esto claramente no es suficiente para un equipo de comunicación real.
En este caso, las moscas de las chuletas se separan de manera muy simple. El advenimiento de las nuevas tecnologías no niega la física, la naturaleza de las cosas y los circuitos analógicos.
Como sabe, usando el ADC, tiene sentido digitalizar una señal con una frecuencia de señal extrema dos o más veces menor que la frecuencia de muestreo. Solo en este caso, la información de la señal se puede restaurar sin pérdida. Muy a menudo surgen situaciones cuando la frecuencia extrema de la señal excede la mitad de la frecuencia de muestreo de los ADC existentes en el mundo, o cuando la opción de usar dichos ADC es excesivamente costosa para un proyecto en particular. En este caso, no hay escapatoria de la necesidad de transferir la señal a la parte inferior del espectro en forma analógica. Y se usa comúnmente. Sin mencionar la necesidad de amplificar y filtrar la señal analógica para lograr las características necesarias del sistema de radio. Lo mismo se aplica exactamente al DAC y la ruta de transmisión.
Si miramos una fuente más seria (por ejemplo, el libro "Radio definida por software para ingenieros" de especialistas de Analog Devices Inc.), veremos que una arquitectura de hardware típica de la plataforma SDR se ve así:

como puede ver, entre las antenas y el ADC / DAC tiene el lugar para ser el bloque RF Front End, que incluye la implementación de las funciones anteriores. Quiero hablar más sobre esta parte del transceptor HackRF One en este artículo.
Pero despues. Estoy de visita un rato.
Supongo que una percepción simplificada probablemente esté relacionada con el área temática a la que una persona está "acostumbrada", una especie de deformación profesional. Supongamos que un desarrollador que tiene poco que ver directamente con la electrónica de radio se enteró de que existe tal milagro: SDR, puede ser programado, procesado / sintetizado por software, perseguido por radio pirateo, etc. utilizando el código del programa, puede generar señales de radio físicas reales, procesar las recibidas (al menos desde la señal del automóvil de un vecino malvado, al menos desde el espacio). De hecho, es genial! Y el tema es interesante para la persona, está completamente inmerso en él y ... y la mayoría de las veces no comienza a estudiar la teoría de las comunicaciones de radio, la ingeniería de radio, hace en este tema lo que ya sabe y lo que más le gusta: domina las herramientas de diseño de software, comienza a recordar / estudiar DSP ,- al final, considera que estas áreas son las más importantes e importantes en el transceptor, todo lo demás pasa a un segundo plano y parece que no es tan importante y, en principio, no es tan necesario. Por supuesto, exagero, pero conocí muchas opiniones similares (absolutamente sinceras), incluso en el centro Sin embargo, este enfoque funciona, por regla general, solo dentro del uso aficionado de tales dispositivos. En realidad, si es necesario diseñar de forma independiente un sistema de comunicación, un dispositivo IoT, algún tipo de radar, etc., además de los algoritmos de operación digital, las características de radiofrecuencia del transceptor juegan un papel igualmente importante, que necesariamente se calculan, modelan y optimizan durante el desarrollo. Estas características determinan en gran medida el rango aceptable de aplicabilidad de un módulo de radio particular.todo lo demás pasa a un segundo plano y parece que no es tan importante y, en principio, no es tan necesario. Por supuesto, exagero, pero conocí muchas opiniones similares (absolutamente sinceras), incluso en el centro Sin embargo, este enfoque funciona, por regla general, solo dentro del uso aficionado de tales dispositivos. En realidad, si es necesario diseñar de forma independiente un sistema de comunicación, un dispositivo IoT, algún tipo de radar, etc., además de los algoritmos de operación digital, las características de radiofrecuencia del transceptor juegan un papel igualmente importante, que necesariamente se calculan, modelan y optimizan durante el desarrollo. Estas características determinan en gran medida el rango aceptable de aplicabilidad de un módulo de radio particular.todo lo demás pasa a un segundo plano y parece que no es tan importante y, en principio, no es tan necesario. Por supuesto, exagero, pero conocí muchas opiniones similares (absolutamente sinceras), incluso en el centro Sin embargo, este enfoque funciona, por regla general, solo dentro del uso aficionado de tales dispositivos. En realidad, si es necesario diseñar de forma independiente un sistema de comunicación, un dispositivo IoT, algún tipo de radar, etc., además de los algoritmos de operación digital, las características de radiofrecuencia del transceptor juegan un papel igualmente importante, que necesariamente se calculan, modelan y optimizan durante el desarrollo. Estas características determinan en gran medida el rango aceptable de aplicabilidad de un módulo de radio particular.pero conocí muchas opiniones similares (absolutamente sinceras), incluso en el centro Sin embargo, este enfoque funciona, por regla general, solo dentro del uso aficionado de tales dispositivos. En realidad, si necesita diseñar un sistema de comunicación, un dispositivo IoT, algún tipo de radar, etc., además de los algoritmos de operación digital, las características de radiofrecuencia del transceptor juegan un papel igualmente importante, que debe calcularse, modelarse y optimizarse durante el desarrollo. Estas características determinan en gran medida el rango aceptable de aplicabilidad de un módulo de radio particular.pero conocí muchas opiniones similares (absolutamente sinceras), incluso en el centro Sin embargo, este enfoque funciona, por regla general, solo dentro del uso aficionado de tales dispositivos. En realidad, si es necesario diseñar de forma independiente un sistema de comunicación, un dispositivo IoT, algún tipo de radar, etc., además de los algoritmos de operación digital, las características de radiofrecuencia del transceptor juegan un papel igualmente importante, que necesariamente se calculan, modelan y optimizan durante el desarrollo. Estas características determinan en gran medida el rango aceptable de aplicabilidad de un módulo de radio particular.Además de los algoritmos digitales, las características de radiofrecuencia del transceptor juegan un papel igualmente importante, que necesariamente se calculan, modelan y optimizan durante el desarrollo. Estas características determinan en gran medida el rango aceptable de aplicabilidad de un módulo de radio particular.Además de los algoritmos digitales, las características de radiofrecuencia del transceptor juegan un papel igualmente importante, que necesariamente se calculan, modelan y optimizan durante el desarrollo. Estas características determinan en gran medida el rango aceptable de aplicabilidad de un módulo de radio particular.
Tales "cajas" universales como HackRF One también tienen sus propias características, que el desarrollador estableció deliberadamente en el circuito eléctrico, que de la misma manera limitan el rendimiento del sistema de comunicación, y estas limitaciones ya no pueden ser reparadas por ninguna herramienta de software.
Dado que tengo una deformación profesional, por el contrario, hacia el desarrollo de hardware, se presentará una breve descripción de HackRF One desde este mismo lado. Considere la arquitectura de hardware de HackRF One, que evaluará las capacidades técnicas y las limitaciones de este módulo de radio. Espero que esto sea útil para aquellos que usan Hack-RF, pero no están familiarizados con la ingeniería de radio, y para aquellos que piensan que trabajar con transceptores SDR no requiere, en principio, conocimiento y comprensión de las características de radiofrecuencia de este dispositivo, y circuitos analógicos en general.
La única fuente interesante que examinó algunas de las características de hardware de HackRF One es un video de un discurso directamente del autor del proyecto HackRF, Michael Ossmann, en la conferencia REcon 2014. Enlace:
www.youtube.com/watch?v=4Lgdtr7ylNY&start_radio=1&list=RDQMQpFkO5DyFBk
Allí, considera la posibilidad de ampliar las capacidades de HackRF One solo con modificaciones de hardware, cita hechos interesantes. Recomiendo ver interesados y comprensivos.

Hackrf one

HackRF One: es un proyecto de código abierto, sus fuentes están disponibles.
Las características del hardware en casi todas las fuentes se dan en una lista bastante exigua:
• Frecuencia de operación de 1 MHz a 6 GHz
• Transceptor semidúplex
• Hasta 20 millones de muestras por segundo
• Muestras de cuadratura de 8 bits (I de 8 bits y Q de 8 bits)
• compatible con GNU Radio, SDR # y más
• ganancia de RX y TX configurable por software y filtro de banda base
• alimentación de puerto de antena controlada por software (50 mA a 3.3 V)
• conector de antena hembra
SMA • entrada y salida de reloj hembra SMA para sincronización
• botones convenientes para la programación
• cabezales de clavija internos para expansión
• USB 2.0 de alta velocidad
• Alimentación por USB
• hardware de código abierto
Si descarga un diagrama de circuito y lo comprende un poco, puede restaurar la arquitectura de este transceptor y comprender un poco más sobre su funcionamiento. Lo que se hizo: De la descripción pública se sabe que el HackRF One es un transceptor semidúplex, es decir. puede funcionar tanto en transmisión como en recepción, pero solo en diferentes momentos. Desde el circuito, esto también es comprensible: hay una única salida a la antena, cuya señal puede provenir de la salida de la ruta de transmisión o puede eliminarse y alimentarse a la entrada de la ruta de recepción.

El circuito contiene muchos interruptores controlables, con la ayuda de los cuales se configura la ruta de la señal recibida o transmitida en cada momento del tiempo. Volveremos a las posibles opciones más adelante, pero por ahora consideraremos los elementos clave de la arquitectura de hardware.

Pieza digital, ADC, DAC

No me detendré en la parte digital.
El módulo está conectado a una PC a través de un cable USB. A través de esta interfaz, HackRF One recibe energía del host, a través del cual todos los datos se transmiten digitalmente. En el lado HackRF One, tenemos un microcontrolador LPC4320FBD144 con un núcleo ARM Cortex-M4, hay un CPLD XC2C64A-7VQG100C conectado a un chip MAX5864, que es dos ADC y dos DAC (dos, porque uno es para I, el segundo para componentes de señal Q) ) en un solo paquete. Bit ADC = 8 bits, bit DAC = 10 bits. En general, las características de estos ADC y DAC son bastante modestas. La frecuencia máxima de su sincronización es de 22 MHz (que es el factor limitante en la banda de frecuencia máxima alcanzable de la señal, el teorema de Kotelnikov no debe ser burlado).
Por cierto, Michael Ossmann en su discurso acaba de tocar este tema de aumentar la banda ancha del transceptor. Señaló que incluso si reemplaza el chip ADC-DAC con otro más rápido, maneje los datos directamente conectándose al CPLD, sin pasar por el microcontrolador, el próximo cuello estrecho será el ancho máximo permitido del filtro sintonizable (30 MHz) ubicado en el chip transceptor MAX2837. Pasaremos a considerar este chip.

Transceptor IC MAX2837

El MAX2837 es un transceptor RF semidúplex integrado basado en la arquitectura de conversión directa con frecuencia intermedia cero (IF o IF - Frecuencia intermedia). Aquí hay una imagen de la especificación que muestra la arquitectura interna del microcircuito:

en la ruta de transmisión, los componentes I y Q de la señal de banda base que llegan a la entrada pasan a través de filtros ajustables (indicados en rojo 1 ) y van a la entrada de los mezcladores de refuerzo ( 2 ). Como resultado, la señal se transfiere a una frecuencia desde el rango de 2.3 ... 2.7 GHz y luego pasa a través de un amplificador con una ganancia sintonizable ( 3 ).
Como resultado, tenemos:
• El rango de sintonización de la frecuencia de corte de los filtros de banda base: 1.75 ... 28 MHz
• rango de ajuste de la ganancia de la ruta de transmisión = 45 dB
• ~ 0 dBm de potencia de salida máxima
La señal recibida en la entrada de la ruta de recepción pasa a través de un amplificador de bajo ruido ( 1 ), un mezclador de cuadratura descendente ( 2 ), filtros con una frecuencia de corte ajustable ( 3 ) y banda base amplificadores sintonizables ( 4 ).
Algunas características importantes de la ruta de recepción MAX2837:
• Rango de sintonización de la frecuencia de corte de los filtros de banda base: 1.75 ... 28 MHz
• Figura de ruido: 2.3 dB
• Rango de sintonización de la ganancia: 94 dB
MAX2837 contiene un sintetizador de frecuencia incorporado que proporciona una señal de oscilador local para los mezcladores.
Aquí hay un chip de radio tan interesante, esencialmente un front-end RF listo, pero con una limitación significativa: tiene un rango de frecuencia bastante estrecho (2.3 ... 2.7 GHz). Puede ampliar el rango de frecuencia de trabajo de la radio agregando otra etapa de transferencia de frecuencia. Y esto requiere un mezclador de radiofrecuencia y un oscilador local. Y en el circuito HackRF One hay un chip que combina estos dos dispositivos. Considéralo un poco más.

Sintetizador de frecuencia y chip mezclador RFFC5072

El RFFC5072 incluye un oscilador controlado por voltaje (VCO o VCO - Oscilador de control de voltaje), un bucle de bloqueo de fase (PLL o PLL - Fase Loop Loop) y un mezclador de RF:

la frecuencia del oscilador local (LO - Oscilador local) se puede configurar desde un rango de 85 ... 4200 MHz, paso de sintonización 1.5 Hz. A continuación, consideramos el principio de trabajar con RFFC5072 en el diagrama.

Camino del transmisor

Mirando el diagrama de bloques HackRF One anterior, puede ver que hay varias opciones posibles para organizar la ruta de la señal transmitida a la antena. Es posible enviar una señal desde la salida del MAX2837 directamente al amplificador de salida (o antena). O la señal se puede enviar primero al chip RFFC5072, a la entrada del mezclador. Nos ocuparemos de esto.
El resultado de mezclar la frecuencia del oscilador local y la señal en la frecuencia intermedia, como se sabe, son dos copias de la señal ubicada a la izquierda y a la derecha de la frecuencia del oscilador local (a una distancia igual a solo el IF). Si esto no es obvio para usted, puede verificarlo fácilmente aplicando el conocimiento de la trigonometría, multiplicando dos funciones armónicas que corresponden a la señal del oscilador local y la señal IF.
Pero no necesitamos dos copias de la misma señal. La radio no es de goma, como dicen, para llenarla tan descuidadamente. Por lo general, se selecciona una de las copias, y la segunda (que se llama el canal espejo) se elimina filtrando o construyendo una arquitectura especial del convertidor de frecuencia, sin un canal espejo.
El mezclador utilizado en HackRF One no es uno de estos, no suprime ninguno de los canales. Al mismo tiempo, el desarrollador de HackRF One proporcionó el uso de filtros en la ruta del transmisor: un filtro de paso alto (HPF o HPF - Filtro de paso alto) o un filtro de paso bajo (LPF o LPF - Filtro de paso bajo). Dependiendo de la configuración de los interruptores respectivos, la señal de la salida del mezclador pasa por uno de estos filtros. ¿Por qué se hace esto? Obviamente, solo para poder suprimir una copia de la señal ubicada en una frecuencia más baja (LSB - Banda lateral baja) o una más alta (USB - Banda lateral superior).
Y la necesidad de tener esa opción se debe al hecho de que el desarrollador quería proporcionar el rango de frecuencia máximo posible del módulo de radio. Cuando es necesario usar una frecuencia de señal del rango 2.3 ... 2.7 GHz para la transmisión, es suficiente conectar directamente la señal de salida MAX2837 a la salida de la antena (o amplificar la señal con un amplificador de potencia de salida), sin pasar por el mezclador y los filtros. Cuando necesita tener una frecuencia inferior a 2,3 GHz en la salida, MAX2837 no puede hacerlo directamente, por lo que la señal se envía al mezclador. Como recordamos, en la salida del mezclador hay dos copias de la señal útil, conectamos la salida del mezclador a un filtro de paso bajo, suprimimos el USB. Y viceversa, cuando se necesita una frecuencia superior a 2.7 GHz, sucede lo mismo, solo que ahora se usa el filtro de paso alto y se filtra el LSB. Intenté retratar esto:

Aquí, el espectro de la señal se muestra esquemáticamente en cada etapa de la ruta de transmisión, así como la respuesta de frecuencia de los filtros utilizados.
Por lo tanto, tenemos una versión combinada de la arquitectura del transmisor de radio:
• a altas frecuencias, el circuito superheterodino opera con dos transferencias de frecuencia hacia arriba
• a 2.3-2.7 GHz, el sistema puede operar en el formato de un transmisor con conversión directa (circuito homodino)
• a una frecuencia más baja, la señal de la frecuencia intermedia ya llevado abajo.

Ruta del receptor

La ruta de recepción está organizada de manera similar, solo que ahora el circuito funciona para que cualquier señal de entrada se transfiera a la región de frecuencia 2.3 ... 2.7 GHz, donde es procesada por la ruta de recepción MAX2837: convierte los componentes de baja frecuencia a I, Q para su transmisión al ADC.
También me gustaría señalar que, como amplificador de bajo ruido en la entrada, se usa exactamente el mismo modelo de amplificador que se usa en la salida del transmisor: MGA-81563. La decisión, por supuesto, es controvertida. Pero, por otro lado, si el autor del proyecto no tenía el objetivo de optimizar el módulo de radio para una tarea estrecha específica con requisitos de potencia para el transmisor y requisitos de ruido para el receptor (obviamente, este no era el caso), pero el objetivo era al menos de alguna manera aumentar la potencia de salida y no darse cuenta una figura de ruido bastante defectuosa de la parte receptora, en otras palabras, fue suficiente para hacer algo "mediocre" a este respecto y, probablemente, esta opción tiene derecho a existir. Además, al mismo tiempo, fue posible ahorrar en el costo del dispositivo al negarse a inflar la gama de componentes.

Entonces, ahora hemos descubierto más o menos la composición de la arquitectura de hardware y el propósito de los elementos presentes en ella. Ahora nada nos impide mirar más de cerca las especificaciones de cada elemento clave del circuito y obtener una lista completa de las características cuantitativas de RF de todo el HackRF One. En primer lugar, es importante conocer las propiedades lineales del transmisor, la cifra de ruido del receptor, el ruido de fase final de los sintetizadores de frecuencia, etc. Estas características, a su vez, le permitirán calcular la aplicabilidad del módulo para una tarea en particular. Decidí limitar este artículo solo a una descripción funcional del circuito y no dar ningún cálculo cuantitativo y conclusiones. Si el tema es interesante para la comunidad, intentaré escribir una secuela.

Cual es el resultado

Como en cualquier otro negocio, siempre debe haber sentido común en todas partes. ¿Cuál es el punto en arquitectura con una antena ADC +? ¿Sencillez? Sí, pero esto es solo la simplicidad de entender el trabajo para el "laico", en muchos casos resulta que esto no es óptimo ni irrazonable. Como puede ver, el desarrollador de uno de los transceptores SDR más populares: HackRF One, entendió esto, de lo contrario, habría conectado estúpidamente un potente ADC / DAC a la antena y sugirió usar la potencia informática más poderosa para la síntesis / procesamiento de una señal de banda ancha. Valdría la pena ... mucho (por decirlo suavemente). En cambio, hizo una solución de ingeniería bastante hermosa, en la que pudo usar componentes de presupuesto, construir una arquitectura con características de rendimiento bastante buenas del dispositivo. Bajo costo total (para dicha funcionalidad),un amplio rango de frecuencia de trabajo: esto es precisamente lo que hizo que el proyecto fuera popular y accesible para las personas, y la "simplicidad" de la arquitectura de la parte de radio no fue inventada por nadie. Solo vale la pena intentar construir un transceptor con las mismas características que al menos este HackRF One tiene el principio de ADC / DAC + PC = SDR, tratar de elegir ADC, DAC que sintetizarán y digitalizarán señales directamente a 6 GHz y comprenderán cuán real es y lo que costará ¿Qué podemos decir sobre los sistemas de mayor frecuencia (que funcionan a decenas de GHz), que ahora están ganando cada vez más popularidad? Para ellos, la forma de digitalizar "directamente" es una utopía completamente irracional. Al menos, en la etapa actual del desarrollo tecnológico.Solo vale la pena intentar construir un transceptor con las mismas características que al menos este HackRF One tiene el principio de ADC / DAC + PC = SDR, tratar de elegir ADC, DAC que sintetizarán y digitalizarán señales directamente a 6 GHz y comprenderán cuán real es y lo que costará ¿Qué podemos decir sobre los sistemas de mayor frecuencia (que funcionan a decenas de GHz), que ahora están ganando cada vez más popularidad? Para ellos, la forma de digitalizar "directamente" es una utopía completamente irracional. Al menos, en la etapa actual del desarrollo tecnológico.Solo vale la pena intentar construir un transceptor con las mismas características que al menos este HackRF One tiene el principio de ADC / DAC + PC = SDR, tratar de elegir ADC, DAC que sintetizarán y digitalizarán señales directamente a 6 GHz y comprenderán cuán real es y lo que costará ¿Qué podemos decir sobre los sistemas de mayor frecuencia (que funcionan a decenas de GHz), que ahora están ganando cada vez más popularidad? Para ellos, la forma de digitalizar "directamente" es una utopía completamente irracional. Al menos, en la etapa actual del desarrollo tecnológico.¿Qué podemos decir sobre los sistemas de mayor frecuencia (que funcionan a decenas de GHz), que ahora están ganando cada vez más popularidad? Para ellos, la forma de digitalizar "directamente" es una utopía completamente irracional. Al menos, en la etapa actual del desarrollo tecnológico.¿Qué podemos decir sobre los sistemas de mayor frecuencia (que funcionan a decenas de GHz), que ahora están ganando cada vez más popularidad? Para ellos, la forma de digitalizar "directamente" es una utopía completamente irracional. Al menos, en la etapa actual del desarrollo tecnológico.
Está claro que la arquitectura y el control HackRF One descritos de cada elemento del circuito están ocultos para el programador en algún lugar de los circuitos y el software de control (amablemente por alguien una vez escrito). Naturalmente, no tiene sentido para todos y cada uno profundizar en la ingeniería de radio. No se requiere que una persona involucrada en DSP comprenda en detalle las características del tracto RF. Sin embargo, en cualquier caso, se debe prestar más atención y precisión a las áreas desconocidas de conocimiento, no descuidarlas y no ignorar aquellos casos en los que es imposible prescindir de ellas. Entre otras cosas, quiero señalar que el proyecto HackRF One puede ser no solo un juguete curioso en manos de un programador entusiasta, sino que también puede servir como una herramienta de capacitación interesante para un radioaficionado / ingeniero de radio.

Un poco sobre el dispositivo de la radio moderna en el ejemplo de HackRF One