Chapéu CaribouLite RPi

Um SDR Raspberry Pi HAT de canal duplo de código totalmente aberto com uma faixa de ajuste de até 6 GHz

CaribouLite  é uma plataforma de rádio definida por software (SDR) de canal duplo e de código aberto e acessível - e uma estrutura de desenvolvimento FPGA focada em SDR - implementada como um Raspberry Pi (RPi) HAT.CaribouLite transforma seu computador de placa única Raspberry Pi (SBC) em um rádio independente de canal duplo Tx/Rx que amplia um amplo espectro de frequência sintonizável de até 6 GHz.

CaribouLite lhe dá   controle total de seu hardware, incluindo o FPGA, seu firmware e todo o seu software de suporte.Com o IceStorm toolchain profundamente integrado, escrever seu próprio aplicativo FPGA não poderia ser mais fácil.Você pode reutilizar muitos módulos Verilog, como módulos SPI e SMI, para oferecer suporte a aplicações personalizadas de hardware CaribouLite.

Finalidade e filosofia

• CaribouLite era   projetado para fabricantes, hackers, educadores e pesquisadores.Como um bloco de construção SDR autônomo de alta qualidade e acessível para o Raspberry Pi SBC, ele complementa perfeitamente o ecossistema SDR atual.

• É (e permanecerá)   fonte totalmente aberta, para que você possa aprender, experimentar e fazer hack nele com o conteúdo do seu coração.Todos os seus componentes são visíveis ao olho curioso e seu layout identifica claramente a estrutura frontal, os indicadores Tx/Rx e muito mais.

• CaribouLite era   construído para portabilidade.Tudo que necessita para operação é um RPi e uma fonte de energia.

Capacidades

Criamos duas versões do CaribouLite:   o   cheio   versão  e   o   ISM   versão.Ambas as versões incluem uma fonte de clock TCXO interna, um amplificador de baixo ruído (NF <4 dB abaixo de 3 GHz) e alta potência Tx (até 14 dBm).Eles também fornecem portas de expansão PMOD de leitura/gravação de 8 bits totalmente controláveis para facilitar aplicações avançadas, como localização de direção, sincronização GPS, etc.

No lado do software, as APIs de alto nível do Raspberry Pi, como Soapy / GNU Radio e os notebooks Jupyter, são totalmente suportados, através das quais o conjunto completo de recursos do HAT pode ser acessado.

Faixa de frequência

A versão completa do CaribouLite fornece dois canais SDR Tx/Rx:

• Canal 1: 30 MHz a 6 GHz

• Canal 2: Sub-1 GHz

As 4 amostras MSPS I/Q (Tanto Tx quanto Rx) são transmitidas pela interface de memória secundária do RPi, onde o CaribouLite atua como um periférico de memória de alto rendimento.

Faixas de frequência operacional (Tx e Rx) (veja a nota abaixo)

A versão ISM do CaribouLite suporta as bandas nativas de 2,4 GHz e sub-1 GHz disponíveis no chipset Microchip usado.

Uma nota sobre a faixa de frequência

Em testes, a CaribouLite excedeu as capacidades de frequência descritas acima.O limite inferior do amplo canal mediu-se mais próximo de 1 MHz, por exemplo.Estamos cumprindo as especificações oficiais dos componentes, porém, com total confiança de que a comunidade SDR levará a placa aos seus limites e determinará suas capacidades reais.

Uma nota sobre versões e regulamentos da placa

Conforme mencionado acima, decidimos oferecer uma variante CaribouLite otimizada para as bandas ISM não licenciadas.Ele contém um modem simples, sem recursos adicionais de conversão de frequência.Como resultado, ele pode transmitir mais de bandas de 2,4 GHz e Sub-1 GHz.Esta variante não é apenas significativamente mais barata que a versão completa do CaribouLite,  implementa de perto o design de referência de seu modem Microchip  de forma a cumprir os regulamentos de rádio de vários países (ETSI, FCC, etc.).Enquanto   nenhuma das variantes do CaribouLite passou por um processo de regulagem e conformidade, pode ser mais fácil para terceiros navegar por esse processo usando a versão ISM.

Uma nota sobre o uso

CaribouLite e CaribouLite-ISM foram construídos para tornar as ferramentas educacionais e equipamentos de teste de baixo custo o mais acessíveis possível.No entanto, os usuários precisam estar familiarizados e cumprir as regulamentações de rádio em seu país ou região para mitigar as interferências potencialmente prejudiciais.Pedimos que você estudie sobre suas restrições locais e leia completamente as informações de segurança que acompanham seu quadro CaribouLite.

Vista frontal do CaribouLite

Esta configuração suporta uma ampla gama de pacotes de software padrão, como   SDR-PlusPlus,   GQRX,   CubicSDR,   GNU-Rádio, e muito mais.

API de banda base de comunicação padrão

CaribouLite também suporta o uso de núcleos integrados padrão IEEE-802.15.4 PHY implementados no modem AT86RF215-ZU do Microchip.Com os canais de rádio IEEE-802.15.4 PHY duplos, você pode implementar bandas de base hardcore e nós de comunicação como Zigbee (Pro), Thread e outros, sem a necessidade de qualquer programação ou design SDR adicional.

APIs FPGA

CaribouLite contém um chip FPGA ICE40LP1K que é usado principalmente para o aplicativo SDR – configuração de canal, streaming de dados bidirecional e serviços de diagnóstico.Como qualquer outro elemento do CaribouLite, ele pode ser modificado, modificado e reutilizado para aplicações personalizadas.

O FPGA é programado por   libcariboulite  quando a sessão de operação começar.A programação é realizada por uma API especial adaptada ao CaribouLite e pode ser utilizada na linha de comando.Mais detalhes podem ser encontrados em   o subdiretório de firmware do nosso repo.

A API de interface SMI

SMI (interface de memória secundária) permite transmitir amostras de E/Q para frente e para trás entre o RPi e o CaribouLite.A melhor do nosso conhecimento, esta interface não foi totalmente investigada anteriormente e teremos prazer em dar nossa contribuição para a comunidade RPi.Exploramos duas abordagens diferentes para esta interface – a abordagem modo usuário (ver   Lean2O trabalho incrível) e o módulo em modo kernel se aproxima.No final, decidimos adotar a abordagem no modo kernel, pois comprovadamente mais robusta para fluxos de dados de alto volume.

Contamos com considerações de design, uma API de software, bugs e benchmarking, todos os quais podem ser encontrados em   nossa página SMI  e em   nossas páginas de documentação externa.

Layout e interfaces

Diagrama de blocos

Diagrama de blocos do sistema

Potência

CaribouLite consome energia através de seu cabeçalho de 40 pinos do trilho de 5 V do Raspberry Pi.Esses 5 V são usados pelo amplificador RF do lado Tx após alguma filtragem (somente versão completa).Um LDO de 3,3 V de baixo ruído é usado para alimentar periféricos de 3,3 V da placa.Um LDO adicional converte as tensões de 3,3 V em 2,5 V e 1,2 V para o FPGA.

O uso de LDOs, em vez de conversores DC-DC, diminui o nível de interferência conduzida e irradiada nas partes sensíveis da placa.Ele também resulta em isolamento de frequência média e baixa entre o RPi e o CaribouLite e diminuição dos níveis de emissões EMI.

Arquitetura de potência do sistema

Conectores

• RPI  - Uma conexão de cabeçalho de 40 pinos para placas Raspberry Pi de 40 pinos.

• PMOD  - Um cabeçalho (sem popularidade por padrão) que fornece 8 bits para sinais FPGA, 2 pinos para GND e 2 pinos para alimentação de 3,3 V.Esta interface suporta o consumo máximo de corrente de 150 mA.

• RF alto frequência  - um conector de antena RF amplamente sintonizável que suporta 30-6000 MHz Tx e Rx (na versão completa) ou 2,4 GHz Tx e Rx na versão ISM.

• RF S1G  Um conector de antena RF sub-1 GHz que suporta 389,5-510 MHz e 779-1020 MHz Tx e Rx.

Botão de pressão

• USUÁRIO / PROG:  ( USADOR  a bordo) - um botão de dupla finalidade usado principalmente para funcionalidade programável pelo usuário ou para permitir acesso ao HAT EEPROM.Este botão também pode ser usado para piscar os parâmetros internos HAT-EEPROM.(Veja   API EEPROM.)

Botão programável pelo usuário/abilitação de gravação HAT-EEPROM

Interface PMOD

O conector PMOD de 8 bits permite que você use o FPGA para aplicações de controle digital, depuração ou sincronização.O firmware expõe esses pinos como um banco GPIO selecionável e mastigável de entrada/saída.Esses GPIOs são controláveis através dos APIs FPGA e dos APIs SoapySDR.

Algumas casos de uso específicos de aplicação

• Sincronização  a sinais externos para um fluxo Rx – conectar um sinal de sincronização a um desses pinos pode ser usado para incorporar uma bandeira de sincronização nos canais.

• Acionamento  por um sinal externo para um fluxo Tx – conectar um sinal externo a um desses pinos pode ser usado para acionar o comando Tx do modem através da interface de E/Q.(Mais sobre isso em breve!)

• Operação  de subsistemas externos – localização de direção pseudo-doppler,   como descrito por @mossmann em ópera-bolo, pode ser realizado automatizando com precisão a sincronização da porta de recepção dentro do firmware FPGA.

Indicadores LED

LEDs de uso geral (LD1 / LD2): Esses LEDs de alto brilho são controláveis por FPGA através da API de software FPGA.Eles podem ser usados para acionar a ação do usuário, para indicar o estado do sistema (como  Bloqueio PLL  status), ou para avisar o usuário sobre um problema.

Indicações LED de atividade de RF: Cada um dos dois rádios possui um par de LEDs Tx/Rx adjacentes aos seus conectores de RF que indicam a atividade atual do rádio.

Ref Externo.Entrada de relógio

Entradas de sinal de referência do sintetizador do mixer

Para suportar uma ampla gama de sintonia de frequência, o CaribouLite usa o   Qorvo RFFC5072  IC misturador integrado.Por padrão, a fonte de referência de frequência (de 32 MHz) para o PLL é gerada e fornecida pelo modem.

Para alguma aplicação (correspondência de fase de relógio, resolução de frequência diferente, etc.), uma fonte de relógio separada pode ser necessária.Na parte superior da placa, você pode montar uma fonte de relógio externa via U.FL.Os jumpers de resistor podem ser modificados conforme necessário.

Lados superior e inferior do CaribouLite