FPGA

USRP FPGA'in, GNU radyo kullanıcıları için en önemli parçası olduğunu bilmek gerekir. ekilde görüldüğü gibi, bütün ADC ve DACler , FPGA' e bağlanır. FPGA USRP sisteminde anahtar rolü oynar. Temelde yüksek band genişliği matematiğini yapar, ve böylece senin, USB2'in üzerinden yolladığın veriyi azaltır, FPGA, bir USB2 ara yüz yongasına bağlanır, bu Cypress FX2'dir. Her şey (FPGA devresi ve USB mikro denetleyicisi), USB2 veri yolunun üzerinde programlanabilirdir.

ekil 8.2 : USRP Ana Kartı[19]

Standart FPGA konfigürasyonu, (digital down converters ) DDC ile 4 integrator-comb filitresinin uygulanmasını kapsar. CIC filtreleri, eklemeler ve gecikmeler için çok kullanılan yüksek-performans filtresidir. Spektral şekil verme için, ve bant dışı işaretlerin reddedilmesi için, tam DDC oluşturmak için 31 tab halfband filtresi CIC filtreleriyle basamaklanmıştır. Standart FPGA konfigürasyonu, 2 tam dijital aşağı çeviriciyi (DDC) yerine getirir. Ayrıca 4 DDC’li bir şekil vardır, ama yarım band filtreleri olmadan. Böylece 1,2 veya 4 ayrı RX kanalına izin verilir.

4 DDC yerine getirmesinde, RX yolunda bizim, 4 ADC, ve 4 DDC simiz vardır. Her bir DDC, iki giriş ve çıkışa sahiptir. 4 ADC her biri herhangi bir 4 DDC’ nin giriş ya da çıkışına yönlendirilir. Bu aynı ADC örnekleme streaminden dışarı çoklu kanal seçimine izin verilmesini sağlar. Aşağıda USRP’ in dijital aşağı dönüştürücü blok diyagramın gösterir.

ekil 8.3: USRP Ana Kartı [19]

DDC ilk olarak işareti IF bandından temel banda dönüşüm işlemini yapar. İkinci olarak işaretin öyle büyük kısmını yok eder ki veri oranı, USB-2.0 ile adapte edilebilir, ve bilgisayarların hesaplama yeteneği için uygun hale getirilmiştir. Karmaşık giriş işareti (IF), sabit frekans ile üstel işaret çoğaltılır. Sonuç veren işaret, hem karmaşıktır, hem de 0 merkezlidir.Decimator bir aşağı örnekleyici tarafından alçak bir geçiş filtresinin geçecek şekilde davranır. İşaretin N 'e büyük kısmını yok edilir.Eğer, dijital tayfa bakarsak, alçak geçiş filtresi, band dışını seçer [-Fs /N, Fs /N], ve sonra aşağı örnekleyici [-Fs, Fs] den [-Fs /N, Fs/ N] e ayrıştırılır. Aslında, N faktörü ile dijital işaretinin band genişliğini örnekleyicide yayılmasını daralttık.

Band genişliğine gelince, USB'in karşısında 32MB/sn sağlayabiliriz. USB ara yüzünün üzerinde yollanan bütün örnekler, 16 bit IQ işaretli tam sayı biçiminde, yani 16 bit I ve 16 bit Q yine bunun anlamı veri karmaşık örnek başına 4 byte’dır. USB'in karşısında (Saniye başına 32MByte, 4Byte'dir) 8 Mega kompleksinde örnek/sn sonuç verir. Karmaşık işleme tabi tutmanın, kullanılmasından dolayı, Nyquist kriterleri ile 8MHz'in civarı maksimum etkili toplam spektral band genişliğini sağlar. Tabii, büyük kısmını yok etme oranını değiştirerek çok daha dar sahayı seçebiliriz. Örneğin, bizim, FM bir alıcıyı tasarlamayı istediğimizi varsayalım. FM bir istasyonun

band genişliği, genellikle 200 KHz’dir. Bundan dolayı yok etme faktörünü 250 seçebiliriz. Sonra USB'in karşısındaki veri oranı, herhangi bir spektral bilgiyi kaybetmeden 200 KHz band genişliği için 64MHz/250= 256 KHz’ dir. Büyük kısmını yok etme oranı, [8,256] içinde olmalıdır. Not:Çoklu kanallar olduğunda özellikle 4’den fazla kanallar, sırayla birleştirilir.

Örneğin, 4 kanal, USB'in üzerinde yollanan sıra, I0 Q0 I1 Q1 I2 Q2 I3 Q3 I0 Q0 I1 Q1 olacaktır, … ve benzerleri. (1,2, veya 4) çeşitli ADC kanallarında, bütün giriş kanalları, aynı veri oranı olmalıdır (Yani aynı büyük kısmını yok etme oranı).TX kısmında durum yaklaşık olarak aynıdır. USRP’ ye temel banda I/Q kompleks işareti yollanır. Dijital yukarıya dönüştürücünün (DUC), işareti araya koyar, bunu IF bandında yapar ve sonunda DAC boyunca onu yollar.

Dijital yukarıya dönüştürücülerin (DUC) ,FPGA' de değil veri iletim kısmında AD9862 CODEC çipi içerir, (aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi). FPGA'de tek, işaret işleme blokları, CIC interpolatorlarıdır. İnterpolator çıktıları, 4 CODEC girişinin herhangi birisine gönderilebilir. Çeşitli TX kanallarında (1 veya 2) bütün çıkış kanalları, aynı veri oranına sahip olmalıdır (Yani aynı araya koyma oranı). NOT: TX oranı, RX oranından farklı olabilir.

USRP, full dublex biçimde çalıştırılabilir. Bu biçimde, alıcı ve verici, birbirlerinden tamamen bağımsızdır. Tek dikkat edilmesi gereken birleştirilmiş verinin, veri yolu üzerinde, saniye başına 32 mega byte veya daha az oranda olmasıdır.

8.1.6. EK devreler

Ana kartta, 4 vida yuvası bulunmaktadır buraya 2 temel RX ek kartları ve 2 temel TX'i ek kartları yada 2 RFX kartının takılabilir.Ek kartlar, RF alıcı ara yüzü veya alıcı ve RF vericisini tutmak için kullanılır. Vida yuvaları vardır, 2 TX ek kartı, TXA ve TXB ve 2 RX ek kartı, RXA ve RXB'i olarak etiketlenmiştir. Her ek kart, 4 yüksek hızlı AD/DA çeviricilerin 2i'ne erişime sahip olur (TX için DAC çıktıları, RX için ADC girişleridir).

2 bağımsız RF kısmı, ve 2 antene sahip olması için gerçek (IQ değil) örneklemeler kullanan her ek karta, (Sistem için 4 toplam) izin verilir. Eğer karmaşık IQ örnekleri, kullanılırsa, her ek kart, tek bir RF kısmını destekleyebilir, tüm sistem için 2'in bir toplamı için. Normal olarak, her ek kartların 2 SMA konektörü olduğunu görebiliriz. Genellikle giriş veya çıktıyı bağlamak için kullanırız. Bu, ek kartlar için frekansta maksimum esneklik için izin verir.

Her ek kartın, (24LC024 veya 24LC025) sisteme ek kartı tanıtan bir I2C EEPROMi vardır. Bu, sistemin uygun şekilde yerleştirilen ek kartta ana yazılımın otomatik olarak kurması için izin verir. EEPROM da DC ayarlama değerlerinin veya IQ değerini depolayabilir. Eğer bu EEPROM, programlanmazsa, uyarıcı bir mesaj, her zaman USRP yazılımının çalıştığında basılır. Her biri TX ek kartın, 128 ms.de işaretler güncelleştirilen farka bağlı analog çıktılarının bir çiftine sahiptir. Bu işaretler (IOUTP_A/IOUTN_A ve IOUTP_B/IOUTN_B), güncel çıktıdır. Her bir RX ek kartın, (VINP_A/VINN_A ve VINP_B/VINN_B) 64 m s.in bir oranında örneklenmiş 2 farka bağlı analog girişe sahiptir.

8.1.7.Temel TX/RX ek devreleri

İki SMA konektörün her biri, dış yukarı/aşağı tunerler ya da işaret üreteç bağlantı için kullanılır. Bir giriş olarak veya onu etkilemeden işaret için bir çıkış olarak onu kullanabiliriz. Bazı dış RF ön yüz gerektirilir.ADC girişleri ve DAC çıktıları, (50 Ω empedans) mikserler, filtreler veya yükselteçler olmadan dosdoğru SMA

konektörüne dönüştürülür ve birleştirilir. Temel TX ve Temel RX, ek devre ara yüzünde işaretlerin hepsine direkt erişimi verir (yüksek hızlı dijital 16 bit I/O, SPI'in ve I2C veri yolu, ve alçak-hızlı ADC ve DAC). Temel TX/RX kartlarından her biri, 16 genel amaç için mantık analiz edici bağlayıcıların IOs'e sahip olur. Bu pinler, FPGA tasarımını onarmaya yardım eder.

8.1.8. Hata düzeltimi

Ne zaman ilk olarak, yukarıya güç sağlandı, USRP' in, 3-4 kez saniyede parladığı görülür. Bu, işlemcinin, çalışıyor olduğunu gösterir ve alçak bir güçle aleti çalıştırıyordur. İlk Firmware USRP'e indirildiği andan itibaren, LED’ in daha yavaş bir oranda yanıp söndüğü görülür.

8.1.9. Güç

USRP’ ye, bir 6V 4A AC DC güç dönüştürücüsü tarafından güç sağlanır. Dönüştürücü, 90 260VAC, 50 60 Hertz çalışabilmektedir ve bundan dolayı her ülkede çalışmaktadır. Eğer, başka bir güç tedariğini kullanması için bir ihtiyaç varsa, konektör, standart bir 2.1mm 5.5mm DC gücü sağlamaktadır. USRP ana kartı kendi sadece, 5V'e ihtiyaç duyar, ama ek devreler için 6V’ a ihtiyaç duyulur. Ana kart ek devrelerin 2’si için 1.6A çeker ve sabitler. Güç USRP ile olan bağlantısını kontrol eder bu LED’in yanıp sönmesinden görülebilir. Eğer LED yanıp sönmüyorsa, bütün güç bağlantılarını kontrol edilmeli ve güç sigortasında devamlılık olduğu için (F501, gücün yakınında konektör) kontrol edilmelidir. Eğer sigorta, değiştirmeye ihtiyaç duyarsa, boyutu 0603'tür, 3 amp.dir.

8.2 USRP ‘nin Kurulumu

Birim, 2 adet ek kart, bir fan, siyah kasa, USRP devresi, 2 adet SMA M/F kablosu ve bir de vida, vida somunu, cıvata, kapak ve lastik ayakların bulunduğu bir çanta ile gelir. Bütün bu parçaları bir araya getirmek biraz karmaşık bir iştir. Bu iş için bir tornavida (+) gerekli olacaktır.

3 siyah kapak

3 küçük siyah vida

4 plastik, parlak, yapışkan ayak

14 gümüş renkli vida 16 vida yuvası

22 vida somunu

ekil 8.5 : USRP Ana Kartı

Hepsini bir araya getirip yerleştirmek için önerilen prosedür şu şekildedir: • Donanım (vidalar, vb.) çantasını boşaltın ve hepsini grup olarak ayırın.

• Vida ve vida yuvalarını, devreleri tutmak için kullanılan fakat kasanın kendisine doğrudan bağlı olmayan vida yuvalarını sağlamlaştırmak için kullanın.

• USRP devrenin üzerindeki delikleri gözden geçirin ve onları kasadaki deliklerle (güç/USB, alt vida delikleri) eşleştirmeye çalışın.

• Geri kalan vida yuvalarını USRP devrenin kasaya vidalamak için kullanın. • Fan ve fanın güç kablosunun bağlanması

• Herhangi bir devrenin vida yuvaları üzerine yerleştirilmesi, yerleştirildikten sonra vidalarla ile sıkıştırılması (resimdeki USRP örneğinde görüldüğü gibi her devre için en az 4 vida).

• SMA konektörlerinin takılması

ekil 8.6 : Kurulumu tamamlamış USRP Devresi Kurulum talimatları

• Bütün parçaları aldıktan sonra, 8 vida yuvası ve vida somununu kenara ayırın. Bunlar, ekil 8.7’deki devrenin dışının N, S, E ve W konumlarında da görülebileceği gibi, devredeki 8 delik için gerekli olacak (Bu konumlardaki dış vida yuvaları, kasayı kendi üzerine bağlayacak olan deliklere sahip).Bunlar devrenin kasaya yerleştirilmesinden önce takılmalı. Vida yuvası erkek ve dişi uçlardan oluşur. Vida yuvası, önce USRP’nin üstünden erkek uçla bağlanmalıdır.

• Bu işlemden sonra, devreye bir vida somunu ile sıkıştırılmak zorundadır. Vida somununu çok fazla sıkıştırmadığınızdan emin olun. Bu işlem toplam 8 yerde yapılacak.

• Kasanın içine herhangi bir şeyi yerleştirmeye başlamadan önce, tersine çevirin ve her köşeye dört ayaktan birini yerleştirin. Bunu sonradan yapmaktansa şimdi yapın böylece parçaları tam olarak sağlamlaştırmamışken kazara kasayı çevirerek hasara sebep olmazsınız.

• Kalan 8 vida yuvası şimdi gerekli olacak. Kasaya bakıldığında, ön yüzünde RF bölmesi konektörlerinin yanı sıra güç ve USB için de delikler vardır. USRP devrenin üzerinde, USB ve DC güç bağlantıları kasanın ön yüzüyle eşleşmelidir. Devreyi yönüne çevirdikten sonra, kasadaki vida yuvası deliklerinin üzerine kurun. Erkek olan kısmı, USRP’ nin üstünden her bir deliğin içine yerleştirin ve çok sıkı olmamak kaydıyla devreyi kasaya sağlamlaştırmak için vidalayın.

Delikler köşenin her birinde olmasının yanı sıra devrenin ortasındaki FPGA’ nın çevresinde yer alır. Bu vida yuvaları için vida somunlarının gerekli olmadığını göz önünde bulundurun.

ekil 8.7: Kurulumu tamamlamış USRP Devresi

• Bu aşamada, board tamamen kasaya sabitlenmiştir. Devre ile ilgisi olmayan kalan bileşenler; kasanın üstüne takılacak olan siyah vidalar ve SMA konektörleri tarafından kullanılmayan RF giriş deliklerini kapatacak olan siyah kapaklardır. Konektörleri için sadece RF1 ve 2’yi kullanacağınızı varsayarsak, 3 siyah kapak RF 3, RF4 ve CLK I/O’yu kapatmak için kullanılabilir.

• Bu aşamada fan sağlamlaştırılmalı. Fanın 4 adet deliği vardır; bir tarafında küçük delikler varken, diğer tarafında daha büyük delikler vardır. Küçükten önce büyük deliği vidaya yerleştirin. NOT: Eğer önce küçük deliği yerleştirirseniz, fanın vidalara zor yerleştirilip zor çıkarılacağını göreceksiniz. Dikkat edin! Fanı sabitledikten sonra, güç kablosunu, konektörün üzerindeki anahtarı göz önünde bulundurarak USRP’nin üzerindeki açık başlıklara takın.

ekil 8.8: Takılmış olan fanın görünümü

• Devrelerin, vida deliklerinin, devrenin doğru yönde yerleştirildiğinden emin olmak için gerekli olduğunu göz önünde bulundurun. Vida deliklerini vida yuvaları ve uygun Molex konektörleri ile aynı hizaya getirin, devrenin merkezini bulun, konektörü ters çevirin ve konektör devrenin içindeki konektöre yerleşene dek nazikçe bastırın. Bunun sonrasında, 4 adet vidayı devredeki deliklere yerleştirmek için tornavidayı kullanın ve devreyi sağlamlaştırmak için vida yuvalarının altından dikkatlice sıkıştırın. Devreyi sağlamlaştırmak, radyo açık ve çalışır durumda iken devrenin yerinden çıkmasını önlemeye yardımcı olacaktır. Aşağıdaki Resimde takılı bir devre yer almaktadır.

ekil 8.9 : Kurulumu tamamlamış USRP Board’u Kurulumu tamamlanmış olan SMA kablosu takılı daughterboard

• Devreleri kurduktan sonra, SMA kabloları takılmalıdır. Sınırlı yerden dolayı, bunları USRP üzerindeki birimleri kurduktan sonra taktığınızdan emin olun. Sınırlı alana bağlı olarak bir devrenin kurup kaldırmadan önce kabloları çıkarmak uygun olabilir. Ayrıca devrenin dönemeçlerini bağlayan uçları da, konektörler üzerinde sarf edilen baskıyı azaltmak için kabloyu çevirebilmeniz açısından göz önünde bulundurun

• Dahili bağlantılar tamamlandıktan sonra, kalan iş kasayı üç küçük siyah vida ile sağlamlaştırmaktır. Kasayı çevirin ve arkasındaki üç vida deliğini bulun. Küçük bir tornavida ile vidaları vidalamak geriye kalan son iş olacaktır.

ekil 8.11: USRP’ nin son hali