HackRFの問題解決

HackRFで記録したGPS信号にゼロ近傍の値が多いのは，サンプリングレートに
関係なく，初めの10msの間だけのようです．解決方法があるのかもしれませんが，
とりあえず最初の受信データは捨てることにします．

受信データの欠損ですが，hackrf-devに質問を投げたら，すぐに解決方法を
教えてくれました．

まず，通信の問題かHDDの問題か切り分けるために，ファイルへの書き込みなしで
hackrf_transferを実行します．

$ hackrf_transfer -r /dev/null -f 1575420000 -s 2600000 -n 260000000 -g 30 -l 40 -a 0

これであれば，転送レートが低下することがありませんでした．
どうやらHDDへの書き込みが問題のようです．

そこで，データの書き込みにramdiskを使います．

$ sudo mkdir /tmp/ramdisk
$ sudo chmod 777 /tmp/ramdisk
$ sudo mount -t tmpfs -o size=1G tmpfs /tmp/ramdisk
$ df -m
Filesystem 1M-blocks Used Available Use% Mounted on
/dev/sda5 112252 23470 83058 23% /
none 1 0 1 0% /sys/fs/cgroup
udev 3921 1 3921 1% /dev
tmpfs 787 2 786 1% /run
none 5 0 5 0% /run/lock
none 3932 1 3931 1% /run/shm
none 100 1 100 1% /run/user
tmpfs 1024 0 1024 0% /tmp/ramdisk
$ hackrf_transfer -r /tmp/ramdisk/gps.bin -f 1575420000 -s 2600000 -n 260000000 -g 30 -l 40 -a 0

記録したデータを再生してみると，GPS受信機で信号が途切れることなく観測できました．
ノートPCのHDDをSSDに換装しようかな．

しかし，Qiは5や6になることが時々あるものの安定せず，航法メッセージがデコードできません．
水晶振動子ではダメか．次は外部クロックを試そう．

一発で測位まで確認できたUSRP N210とは比較になりませんが，価格的には圧倒的に安価．
GNSS信号の記録・再生も，不安定ながら何とかなりそうな感じです．
HackRF One，お勧めです！

【追記】TXでMGA-81563をオフにして，RFラインから相当分のattenuatorを
外したのですが，この組み合わせでは信号が確認できませんでした．
トータルのゲインが合っていれば受信できるものでもないのかな？

【追記2】HackRF OneのクローンがIndieGoGoでキャンペーン中．
オリジナルより$100ほど安い．

IndieGoGo: HackRF Blue - A $200 HackRF

【追記3】フェライト，すごい！

YouTube: Hackrf usb cable reduce noise with ferrite

【追記4】HackRF Blueのヒートシンクに意味があるのか？
と思っていたら，意外と熱くなるのね．

marshall: hackrf in operation, LPC reaching 57 C

HackRFでもRecord & Playback

勢いに任せて，HackRF OneでもGPS信号のrecord & playbackに挑戦．



GPS信号の受信では，帯域が2.5MHzになるように，サンプリングレートを2.6MHzに設定．
ゲインは，I/Q信号の分布を確認しながら，ベースバンドを30dB，LNAを40dBにしました．

$ hackrf_transfer -r gps.bin -f 1575420000 -s 2600000 -n 260000000 -g 30 -l 40 -a 0
call hackrf_sample_rate_set(2600000 Hz/2.600 MHz)
call hackrf_baseband_filter_bandwidth_set(2500000 Hz/2.500 MHz)
call hackrf_set_freq(1575420000 Hz/1575.420 MHz)
call hackrf_set_amp_enable(0)
samples_to_xfer 260000000/260Mio
Stop with Ctrl-C
5.0 MiB / 1.000 sec = 5.0 MiB/second
5.2 MiB / 1.000 sec = 5.2 MiB/second
5.2 MiB / 1.000 sec = 5.2 MiB/second
5.2 MiB / 1.000 sec = 5.2 MiB/second
5.2 MiB / 1.000 sec = 5.2 MiB/second
2.6 MiB / 1.000 sec = 2.6 MiB/second
2.4 MiB / 1.000 sec = 2.4 MiB/second
5.2 MiB / 1.000 sec = 5.2 MiB/second
5.2 MiB / 1.000 sec = 5.2 MiB/second
5.0 MiB / 1.000 sec = 5.0 MiB/second
4.5 MiB / 1.000 sec = 4.5 MiB/second
3.1 MiB / 1.000 sec = 3.1 MiB/second
1.0 MiB / 1.000 sec = 1.0 MiB/second
5.0 MiB / 1.000 sec = 5.0 MiB/second
5.2 MiB / 1.000 sec = 5.2 MiB/second
4.7 MiB / 1.000 sec = 4.7 MiB/second

受信は確認できるものの，ゼロ近辺の値の頻度だけが突出しています．
気になりますが，いまのところ原因不明．

　（クリックで拡大）

　（クリックで拡大）

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また，長時間連続してデータを記録していると，ときおり転送レートが低下しており，
取りこぼしがありそうです．この転送レートの低下は，TXのときには発生しません．
USB 2.0ではなく，HDDへの書き込みの問題？

hackrf_transfer -t gps.bin -f 1575420000 -s 2600000 -a 1 -x 0
call hackrf_sample_rate_set(2600000 Hz/2.600 MHz)
call hackrf_baseband_filter_bandwidth_set(2500000 Hz/2.500 MHz)
call hackrf_set_freq(1575420000 Hz/1575.420 MHz)
call hackrf_set_amp_enable(1)
Stop with Ctrl-C
5.0 MiB / 1.000 sec = 5.0 MiB/second
5.2 MiB / 1.000 sec = 5.2 MiB/second
5.2 MiB / 1.000 sec = 5.2 MiB/second
5.2 MiB / 1.000 sec = 5.2 MiB/second
5.2 MiB / 1.000 sec = 5.2 MiB/second
5.2 MiB / 1.000 sec = 5.2 MiB/second
5.0 MiB / 1.000 sec = 5.0 MiB/second
5.2 MiB / 1.000 sec = 5.2 MiB/second
5.2 MiB / 1.000 sec = 5.2 MiB/second
5.2 MiB / 1.000 sec = 5.2 MiB/second
5.2 MiB / 1.000 sec = 5.2 MiB/second

User cancel, exiting...
Total time: 100.01574 s
hackrf_stop_tx() done
hackrf_close() done
hackrf_exit() done
fclose(fd) done
exit

TXのRFゲインとして14dBのMGA-81563をオンにしています．
このときのRFラインに挿入したattenuatorは60dBです．

ubloxの受信機で信号を確認すると，問題なく受信できました．
しかし，やはり記録したファイルにデータの取りこぼしがあるようで，
そのタイミングで信号が落ちてしまいます．

　（クリックで拡大）

HackRF Oneに搭載されている25MHzの基準クロックは水晶振動子で，周波数偏差は20ppmです．

Kyocera: Surface Mount Type CX3225GB

bladeRFに搭載されている38.4MHz+/-1ppmのVCTCXOと比較すると許容偏差が大きいのですが，
受信信号のQiは6を示すこともあり，比較的良好です．

HackRF Oneの受信ポートは，アクティブアンテナ用に3.3VのDCを供給できるのが魅力的．
送信時もMGA-81563をオフにすれば，必要なattenuatorの数も減らせる？
受信データの取りこぼしさえなければ，かなり使えそうです．
SSDで試してみるかな．

【追記】HackRFの基板にアクセスしたかったので，ケースを取り外す．



上側に爪がついていて，下側の穴に引っかけています．
かなりキツイので，ケースにキズを付けずに外すのは難しそう．

P22にCLKINとVCC，GNDのピンが出ているので，ここにTCXOを搭載した
子基板を差し込んで，クロックの精度を改善しよう．

CLKINは10MHzのCMOS入力．Digikeyで探してみたけれど，あまり選択肢はない．

FOX924B: OSC TCXO 10.000MHZ HCMOS SMD

【追記2】アナログ部のRFシールドは未実装．これもDigikeyで購入できる．

BMI-S-230-F-R: BOARD SHIELD 2INX1.5IN FRAME
BMI-S-230-C: BOARD SHIELD 2INX1.5IN COVER

【追記3】アクリルケースを付ける．OSH Stensilsから購入できます．

bladeRFで再挑戦

USRP N210でコツをつかんだので，bladeRFでのrecord & playbackに再挑戦．

GPS信号の受信では，USRPと同様にBPF付きのLNAを追加．ゲインは40dBです．
bladeRFでは，I/Q信号の分布を確認しながら，rxvga1を30dBに，rxvga2を18dBに
調整しました．

このrxvga1とrxvga2は，それぞれLMS6002DのMixerとLPFの後段のゲインになります．

　（クリックで拡大）

Recordの手順は以下の通り．

$ bladeRF-cli -i

bladeRF> set frequency 1575.42M

Set RX frequency: 1575420000Hz
Set TX frequency: 1575420000Hz

bladeRF> set samplerate 4M

Setting RX sample rate - req: 4000000 0/1Hz, actual: 4000000 0/1Hz
Setting TX sample rate - req: 4000000 0/1Hz, actual: 4000000 0/1Hz

bladeRF> set bandwidth 2.5M

Set RX bandwidth - req: 2500000Hz actual: 2500000Hz
Set TX bandwidth - req: 2500000Hz actual: 2500000Hz

bladeRF> set rxvga1 30
bladeRF> print rxvga1

RXVGA1 Gain: 30dB

bladeRF> set rxvga2 20
bladeRF> print rxvga2

RXVGA2 Gain: 18dB

bladeRF> cal lms

Calibrating LMS LPF tuning module...
LPF tuning module: 23

Calibrating LMS TX LPF modules...
TX LPF I filter: 35
TX LPF Q filter: 27

Calibrating LMS RX LPF modules...
RX LPF I filter: 1
RX LPF Q filter: 35

Calibrating LMS RXVGA2 modules...
RX VGA2 DC reference module: 25
RX VGA2 stage 1, I channel: 37
RX VGA2 stage 1, Q channel: 21
RX VGA2 stage 2, I channel: 33
RX VGA2 stage 2, Q channel: 27

bladeRF> cal dc rx

RX DC I Setting = 38, error ~= -2
RX DC Q Setting = 34, error ~= 6

bladeRF> rx config format=bin file=gps.bin n=400000000
bladeRF> rx start
bladeRF> rx

State: Running
Last error: None
File: gps.bin
File format: SC16 Q11, Binary
# Samples: 400000000
# Buffers: 32
# Samples per buffer: 32768
# Transfers: 16
Timeout (ms): 1000

DCのキャリブレーションが上手く行き，オフセットのない信号が受信できました．

　（クリックで拡大）

　（クリックで拡大）

GPS信号の受信も確認できます．

　（クリックで拡大）

次は，記録したデータを同じRFの設定で再生します．

bladeRFでは，TXのゲイン設定でattenuationもできます．
RFラインに挿入した50dBのattenuatorに加えて，txvga1を-10dBに設定しました．

Playbackの手順は以下の通り．

bladeRF> set txvga1 -10
bladeRF> print txvga1

TXVGA1 Gain: -10dB

bladeRF> print txvga2

TXVGA2 Gain: 0dB

bladeRF> cal dc tx

TX DC I Setting = -147, error ~= 25.489208
TX DC Q Setting = 474, error ~= 10.132919

bladeRF> tx config file=gps.bin format=bin
bladeRF> tx start
bladeRF> tx

State: Running
Last error: None
File: gps.bin
File format: SC16 Q11, Binary
Repetitions: 1
Repetition delay: none
# Buffers: 32
# Samples per buffer: 32768
# Transfers: 16
Timeout (ms): 1000

TXのDCオフセットのキャリブレーションがあまり上手くいっていません．
それでも，bladeRFのTXに接続されたubloxの受信機で無事に受信を確認．

　（クリックで拡大）

しかし，信号を捕捉するのですが，しばらくするとロックが外れてしまいます．
コールドスタートをかけると再捕捉するので，信号は途切れずに出力されているようです．

搬送波信号のQiを見ると，多くの信号で3となっており，あまり良い品質ではありません．
どうやら，再生されている信号の周波数の安定性がいまひとつのようです．

USRPでも外部クロックを推奨されていたので，OCXO搭載のGPSDOでも購入しようかな．

【追記】Myriad RFのプロジェクトが増えている．

https://myriadrf.org/

【追記2】TXが不安定なのはクロックではなくUSB 3.0の問題か？
USB 3.0が正常に動作しているかどうかチェックが必要．

bladeRF: Debugging dropped samples and identifying achievable sample rates