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USRP N210でGPS信号の受信

November 28, 2014, 8:18 pm
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USRP N210の動作が確認できたので，いつものようにGPS信号を受信してみます．
受信した信号をファイルに記録するために，UHD examplesのひとつである
rx_samples_to_fileを使います．

$ ./rx_samples_to_file --file gps.bin --type short --nsamp 5000000 --rate 5000000 --freq 1575420000 --gain 40
linux; GNU C++ version 4.8.2; Boost_105400; UHD_003.008.000-14-ga90a6af0

Creating the usrp device with: ...
-- Opening a USRP2/N-Series device...
-- Current recv frame size: 1472 bytes
-- Current send frame size: 1472 bytes
Using Device: Single USRP:
Device: USRP2 / N-Series Device
Mboard 0: N210r4
RX Channel: 0
RX DSP: 0
RX Dboard: A
RX Subdev: WBXv3 RX+GDB
TX Channel: 0
TX DSP: 0
TX Dboard: A
TX Subdev: WBXv3 TX+GDB

Setting RX Rate: 5.000000 Msps...
Actual RX Rate: 5.000000 Msps...

Setting RX Freq: 1575.420000 MHz...
-- Tune Request: 1575.420000 MHz
-- The RF LO does not support the requested frequency:
-- Requested LO Frequency: 1575.420000 MHz
-- RF LO Result: 1575.421245 MHz
-- Attempted to use the DSP to reach the requested frequency:
-- Desired DSP Frequency: 0.001245 MHz
-- DSP Result: 0.001245 MHz
-- Successfully tuned to 1575.420000 MHz
--
Actual RX Freq: 1575.420000 MHz...

Setting RX Gain: 40.000000 dB...
Actual RX Gain: 38.000000 dB...

Waiting for "lo_locked": ++++++++++ locked.

Done!

N210のRXゲインは，最大で38dBのようです．
データレートは5MHzにダウンコンバートしています．

bladeRFなどでは，サンプリング周波数とベースバンドフィルタの帯域を
ユーザが指定することができますが，N210のアーキテクチャは異なります．

Ettus Research: USRP Bandwidth

RX2のラインでは，カットオフ周波数40MHzのLPFを通ったアナログ信号が，
ADCによって100MHzのサンプリング周波数でデジタル化されます．
それをDDC（digital down converter）によって，デシメーションしています．

記録されたデジタル信号のPSDはこんな感じ．
ベースバンドフィルタの帯域を指定できるbladeRFとは，大きく異なります．

　（クリックで拡大）

DCオフセットは少なめ．

　（クリックで拡大）

GPS信号も問題なく見つかりますが，ノイズフロアがかなり不安定です．
GPS信号用のBPFをRFラインに挿入した方が良いのかな？

　（クリックで拡大）

　（クリックで拡大）

とりあえず受信の確認はできたので，次はTXに挑戦しよう．
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USRP N210でRF Record & Playback

November 29, 2014, 10:41 pm
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USRPを開発しているEttus Researchは2010年にNational Instrumentsに買収され，
NIからもNI-USRPとして同じデバイスが販売されています．

NI-USRPのコミュニティーを探してみると，ぴったりのトピックが見つかりました．

NI Community: RF Record and Playback with NI USRP

GPS信号の記録と再生についても取り上げられており，セットアップについても
いくつかヒントがありました．

1. GPS信号のBPSは必要．
2. 16dBのアクティブアンテナに加えて，30dBのアンプも追加．
3. GPSDOなど，より安定した外部クロックを入力．
4. Txのレベルは0dBのゲイン設定で-15dBm．
5. GPS信号のレベルにするには，十分なattenuationが必要．

別の実験で使用したフィルタ付きのLNAが手元にあったので，
1と2はこれで解決．



外部入力に使えそうなクロックはないので，3はあきらめます．
USRP N210は，2.5ppmのTCXOを搭載しているので，短時間での
安定性は，そこまで問題にならないように思えます．

このセットアップで，前回同様にGPS信号をファイルに記録します．
データレートは，GPS L1信号の帯域に合わせて，2.5MHzにしました．

$ ./rx_samples_to_file --file gps.bin --type short --nsamp 250000000 --rate 2500000 --freq 1575420000 --gain 30

LNAを追加したため，14ビットのADCのレンジを有効に使っています．

　（クリックで拡大）

BPFのおかげで，ノイズフロアも安定しています．

　（クリックで拡大）

　（クリックで拡大）


さて，次はファイルに記録されたデータをGPS L1信号の周波数で送信します．

仕様上，地上でのGPS信号の受信レベルは，-130dBmとされています．
オープンスカイであれば，+20dB程度の信号が観測されるので，
Txのレベルが-110dBmになるようにattenuatorを挿入します．



これをubloxのGPS受信機に接続し，送信開始．

$ ./tx_samples_from_file --file gps.bin --type short --rate 2500000 --freq 1575420000 --gain 0
linux; GNU C++ version 4.8.2; Boost_105400; UHD_003.008.000-14-ga90a6af0

Creating the usrp device with: ...
-- Opening a USRP2/N-Series device...
-- Current recv frame size: 1472 bytes
-- Current send frame size: 1472 bytes
Using Device: Single USRP:
Device: USRP2 / N-Series Device
Mboard 0: N210r4
RX Channel: 0
RX DSP: 0
RX Dboard: A
RX Subdev: WBXv3 RX+GDB
TX Channel: 0
TX DSP: 0
TX Dboard: A
TX Subdev: WBXv3 TX+GDB

Setting TX Rate: 2.500000 Msps...
Actual TX Rate: 2.500000 Msps...

Setting TX Freq: 1575.420000 MHz...
-- Tune Request: 1575.420000 MHz
-- The RF LO does not support the requested frequency:
-- Requested LO Frequency: 1575.420000 MHz
-- RF LO Result: 1575.421245 MHz
-- Attempted to use the DSP to reach the requested frequency:
-- Desired DSP Frequency: -0.001245 MHz
-- DSP Result: -0.001245 MHz
-- Successfully tuned to 1575.420000 MHz
--
Actual TX Freq: 1575.420000 MHz...

Setting TX Gain: 0.000000 dB...
Actual TX Gain: 0.000000 dB...

Checking TX: LO: locked ...

Done!

u-centerで受信を確認してみると，見事に測位しています！

　（クリックで拡大）

これでGNSS信号シミュレータに一歩近づきました．
次は，ベースバンド信号を数値的に生成して送信できるようにしよう．

【追記】メモ

NI Community: GPS Simulation with NI USRP and LabVIEW
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bladeRFで再挑戦

November 30, 2014, 7:00 pm
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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/
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HackRFでもRecord & Playback

December 1, 2014, 4:22 pm
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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）

　（クリックで拡大）

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．



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HackRFの問題解決

December 2, 2014, 7:05 am
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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
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スマートアンテナの試作

December 5, 2014, 4:59 am
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小型衛星用GNSS受信機モジュールfireflyの実装例として，スマートアンテナを設計してみました．
Elecrowから基板が届いたので，早速実装．





firefly受信機モジュールのスマートアンテナということで，「fireant」と命名．
アンテナのantと，小型であるということで蟻を掛けています．

FreeCADで設計した筐体の試作には，光造形を試してみました．
切削加工はさすがに高価なので，3Dプリントサービスを調べていたら，こんなサービスを発見．

株式会社クロスエフェクト：光造形エコノミー便

小型の造形物で，納品まで10日待てるのであれば，通常の1/3程度の価格でサービスが受けられます．

仕上がってきた筐体がこちら．
厚みのある板状のためか，多少反っていますが，フィットチェックにはまったく問題ありません．



半透明の素材のおかげで，展示用に丁度良いかも．





何だかこれで満足してしまいましたが，本題の受信性能もちゃんと調べます．
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WindowsでHackRF

December 6, 2014, 9:08 pm
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HackRF Oneのhost softwareをWindowsでbuildしようとしたのですが，
いろいろと嵌ったので，メモを残しておきます．

公式の手順はこちら．あっさりしすぎ．

HackRF: How to build host software on Windows

まずは，MinGWをインストールします．

MinGW: mingw-get-setup.exe (2013-10-04)

インストール先はC:\MinGWを選びます．

　（クリックで拡大）

Basic Setupからは，以下のパッケージを選択しました．

mingw-developer-toolkit
mingw32-base
mingw32-gcc-g++
msys-base

　（クリックで拡大）

pthreadsも忘れずにインストールします．

　（クリックで拡大）

パッケージの選択が完了したら，InstallationメニューからApply Changesをクリックし，
インストールを開始します．

　（クリックで拡大）

さて，ここでMinGWのインストールの確認のためにgccを実行してみると，
ドライブにディスクがありませんと警告がでます．

　（クリックで拡大）

どうやら，MinGWのパッケージに含まれるgccは，まずはEドライブを探しに行くようです．
実行環境によっては，Eドライブが存在しないために，この警告が出てしまいます．

MinGWのフォーラムにバグとして報告されているのですが，去年の12月から動きがありません．

MinGW: No Disk error when running g++ from cmd/tcc while a card reader with empty slots is connected

Windows版のgccの開発は，MinGW-w64にシフトしたようなので，こちらをインストールします．

MinGW-w64: mingw-w64-install.exe (2014-10-30)

設定はとりあえずデフォルトで．インストール先はC:\mingw-w64にしています．

　（クリックで拡大）

次に，CMakeをインストールします．

CMake: Win32 Installer (cmake-3.1.0-rc2-win32-x86.exe)

インストール先のフォルダはC:\CMakeを選びます．PATHは後から追加します．

　（クリックで拡大）

これで開発ツールは整いました．環境変数のPATHに以下の順番でフォルダを追加します．

C:\CMake\bin;C:\mingw-w64;C:\MinGW\bin;C:\MinGW\msys\1.0\bin

つづいて，libusbxをダウンロードして，C:\libusbx-1.0.18-winへ展開します．

libusbx: libusbx-1.0.18-win.7z (2014-01-25)

最後に，HackRFのパッケージをダウンロードして，C:\hackrfへ展開します．

HackRF: hackrf-2014.08.1.zip (2014-08-28)

これでbuildに必要なパッケージがすべて揃いました．
Windowsのアクセサリからコマンドプロンプトを起動し，以下の手順でhost softwareをbuildします．

>cd C:\hackrf\host
>mkdir build
>cd build
>cmake ../ -G "MSYS Makefiles" -DLIBUSB_INCLUDE_DIR=C:\libusbx-1.0.18-win\include\libusbx-1.0 -DLIBUSB_LIBRARIES=C:\libusbx-1.0.10-win\MinGW32\dll\libusb-1.0.dll
>make

こでれ，HackRFのツールとライブラリがbuildされます．
ツールの実行に必要な以下のファイルを一式，C:\hackrf\binにコピーします．

C:\MinGW\bin\pthreadGC2.dll
C:\libusbx-1.0.18-win\MinGW32\dll\libusb-1.0.dll
C:\hackrf\host\build\libhackrf\src\libhackrf.dll
C:\hackrf\host\build\hackrf-tools\src\hackrf_info.exe
C:\hackrf\host\build\hackrf-tools\src\hackrf_transfere.exe

HackRFのUSBドライバのインストールには，zadigを使用します．

zadig.akeo.ie: zadig_v2.1.1.exe (2014-11-30)

HackRFをUSBポートに接続し，zadigを実行します．
デバイスにHackRF Oneを選び，WinUSBをインストールします．

　（クリックで拡大）

デバイスマネージャーを開くと，Universal Serial Bus devicesとして
HackRF Oneが認識されています．

　（クリックで拡大）

コマンドプロンプトからhackrf_infoを実行すると，無事にHackRF Oneが見つかりました．

　（クリックで拡大）

ubuntuと同様に，まずはファイル書き込みなしで受信データの転送を確認します．
Linuxの/dev/nullは，Windowsではnulになります．（nullではないので注意．）

>hackrf_transfer.exe -r nul -f 1575420000 -s 2600000 -n 260000000 -g 30 -l 40 -a 0

データ転送は問題ないようですが，実行停止の際にエラーが発生します．
これは，HackRFのページでもNote for Windows buildとして言及されていますが，
コマンドプロンプトを使っても解決しない？

とりあえず，WindowsからでもHackRF Oneが動きそうなので，
taro君のGNSS-SDRLIBに繋いでみよう．

taroz: GNSS-SDRLIB
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Visual StudioでHackRF

December 7, 2014, 7:04 am
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GNSS-SDRLIBでHackRFを使うためには，Visual Studioでビルドできないとダメなのかと思い，
こちらを参考にVisual Studio Express 2012で試してみました．

HackRF.net: Compile HackRF using Visual Studio

中国語ですが，雰囲気は判ります．

すでにCMakeはインストール済みなので，libusb-1.0とpthreadをダウンロードし，Cドライブの直下に展開します．

libusb-1.0.18-win.7z (2014-01-25)
pthreads-w32-2-9-1-release.zip (2012-07-12)

HackRFのパッケージは，新たにC:\hackrf_vseに展開しました．

これで準備が整ったので，コマンドプロンプトからCMakeを実行し，Visual Studioのプロジェクトを生成します．

　（クリックで拡大）

生成されたソリューションファイルをダブルクリックして，Visual Studioでプロジェクトを開きます．

　（クリックで拡大）

さて，このままBuild Solutionを実行すると，エラーが発生します．

　（クリックで拡大）

これは，変数の宣言を関数の先頭に移すことで解決します．

　（クリックで拡大）

ビルドが成功すると，HackRFのライブラリとツールが，それぞれ以下のフォルダに出来上がります．

C:\hackrf_vse\host\build\libhackrf\src\Release
C:\hackrf_vse\host\build\hackrf-tools\src\Release

ツールの実行に必要なファイルを一式，C:\hackrf_vse\binにコピーします．

libusb-1.0.18-win\MS32\dll\libusb-1.0.dll
pthreads-w32-2-9-1-release\Pre-built.2\dll\x86\pthreadVSE2.dll
C:\hackrf_vse\host\build\libhackrf\src\Release\hackrf.dll
C:\hackrf_vse\host\build\hackrf-tools\src\Release\hackrf_info.exe
C:\hackrf_vse\host\build\hackrf-tools\src\Release\hackrf_transfere.exe

これでVisual StudioでビルドしたHackRFのツールが使えるようになりました．
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スマートアンテナの受信性能

December 8, 2014, 7:27 pm
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小型衛星向けのスマートアンテナであるfireantの受信性能を，
市販のGPS+GLONASSアンテナに接続したfirefly評価キットと
比較してみました．

評価基板に付属しているアンテナは，TallysmanのTW4421になります．
fireantと一緒にならべて，屋上で受信します．



実験したときのskyplotは，こんな感じです．



Tallysmanのアンテナで受信した信号強度はこちら．



それに対して，スマートアンテナのfireantはこちら．



高仰角の衛星の信号強度はfireantの方がわずかに低めになり，
低仰角だと逆にfireantの方が随分と高めに出ています．

グランドプレーンの効果があまりなく，ビームが広めなのかもしれません．
地上ではマルチパスの問題がありますが，宇宙であれば関係ないかも．

また，fireantではGLONASSの信号強度の方がGPSより低めです．
アンテナの中心周波数がずれているのかな？

何の調整もせずにそれなりに受信できていますが，いまひとつ．
もう少し受信性能を改善したいところです．
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HackRF One External Clock

December 11, 2014, 8:43 pm
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GPSDOをお借りすることができたので，HackRF OneのCLKINに接続．
その効果を試してみます．

Jackson Labs: GPSTCXO Eval Board



HackRF OneのCLKINへの入力は，10MHzのLVCMOSレベルとなります．
3.3Vを超えたりマイナスの電圧にならないよう，注意しましょう．

HackRF Oneは，CLKINへの入力を検知すると，自動的にそちらに
リファレンスを切り替えます．CLKINが選択されているかどうかは，
以下のコマンドで確認できます．

$ hackrf_si5351c -n 0 -r
[ 0] -> 0x01

ちなみに，CLKINが選択されていないときは，0x51が返ってきます．

後は，これまでと同じように，GPS信号を記録・再生します．



GPSDOの効果はてき面で，再生したGPS信号でスムーズに測位できました．
信号のQiもすべて7で，問題なく航法データがデコードできています．
信号強度も高目な気がします．

　（クリックで拡大）

これはもうGPSDOを買うしかない！

DST: GPS同期10MHzのTCXO信号源 GPSTCXO
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bladeRFも問題解決

December 14, 2014, 9:17 pm
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bladeRFのTXが安定しなかったのも，RXデータのHDDへの書き込み速度の
問題かと思われるので，同じセットアップでramdiskへ記録してみました．



その結果，bladeRFでも無事にGPS信号のplaybackに成功．
bladeRFのTXに接続されたubloxのGPS受信機で，とても安定した
受信と測位が確認できました．

　（クリックで拡大）

TXデータの読み出しは，HDDからでもramdiskからでも変化なし．
RXデータの書き込み速度だけの問題のようです．
そろそろSSD搭載の新しいノートPCを買わないとダメかな．

nuandのショップから購入できるbladeRFは，出荷前にVCTCXOの
周波数オフセットを40ppb（0.04ppm）にキャリブレートしてくれるようです．

nuand: bladeRF x40

別売りの専用ケースも購入すると，bladeRF x40は合計で$440．
リファレンスクロックが20ppmのXOで，送受信がhalf-duplexの
hackRFが$300することを考えると，お買い得かも．

【追記】bladeRFもWindowsで動くようにしておこう．

bladeRF wiki: Getting Started: Windows
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GPS signal simulation

December 17, 2014, 10:17 pm
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GPS信号のrecord & playbackが出来るようになったので，次のステップとして，
numericalに生成したベースバンド信号のTXに挑戦です．

まずは，単純にドップラーなしのC/Aコードを生成し，サンプリングします．
C/AコードはPRN01を選びました．

信号の生成を簡単にするために，1チップにつき4サンプルとしたので，
サンプリング周波数は1.023×4＝4.092MHzとなります．

これに適当なガウスノイズを加えた後，ローパスフィルタを通します．
今回はTXにbladeRFを使うため，量子化は12ビットに収まるようにしています．

　（クリックで拡大）

　（クリックで拡大）

FIRフィルタの設計は初めてなので，いまひとつパラメータの設定が
思うようにいきませんが，とりあえずこれで良しとします．

確認のためにソフトウェア受信機で信号を探してみると，当然ながら
PRN01だけが見つかります．

　（クリックで拡大）

さて，これでベースバンド信号は準備できましたので，bladeRFを
GPS受信機に接続し，1575.42MHzの中心周波数でTXしてみます．

　（クリックで拡大）

無事にPRN01の受信が確認できましたが，Qiは3と低いままです．
ローパスフィルタのカットオフ周波数が低すぎるのがダメなのかな？

まだまだ課題は山積みですが，GPS信号シミュレータへ一歩近づきました．

【追記】bladeRFはtxvga1でattenuationが設定できるので，
ベースバンド信号にノイズを加えなくても適切なSNRが得られます．
USRP N210やHackRFにはない機能で，地味に便利．

　（クリックで拡大）

複数衛星もいける！

　（クリックで拡大）

【追記2】libbladeRF.hで定義されているtxvga1の最大値と最小値．

#define BLADERF_TXVGA1_GAIN_MIN (-35)
#define BLADERF_TXVGA1_GAIN_MAX (-4)
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航法メッセージの追加

December 20, 2014, 11:15 pm
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GPS signal simulatorに，航法メッセージの機能を追加しました．
RINEXファイルから読み込んだephemerisでsubframe 1，2，3を生成．
almanacの生成は面倒だったので，subframe 4と5はpage 25に固定しています．

読み込んだephemerisの衛星番号と同じPRN02でbaseband信号を生成し，
bladeRFでTXした結果がこちら．

　（クリックで拡大）

航法メッセージの追加で，信号のQiが3から7になり，
Z-counterとephemerisのデコードにも成功しています！

後は，ephemerisから計算された衛星位置と任意の受信機位置から
疑似距離を計算し，それに応じた適切なコード遅延をC/Aコードに
与えれば，GPS信号シミュレータの完成です．
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HackRF One External TCXO

December 28, 2014, 12:01 am
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Elecrowから届いた基板で，HackRF Oneのexternal clockピンに10MHzのTCXOを接続．



TCXOはDigikeyから購入したFOX924B．周波数安定性は2.5ppmです．
3.3Vの電源は，近くのヘッダピンから取っています．

GPSDOほどの安定性は望めませんが，それでも内蔵のXOよりはましなはず．
早速，GPS信号のrecord & playbackを試してみます．



結果は残念賞．多少は信号が安定して航法メッセージのデコードまで進むものの，
Qiは相変わらず4から6あたりを行ったり来たり．信号強度もふらふらしています．

　（クリックで拡大）

何がいけないのだろう？
HackRF Oneは手軽なデバイスなので，なんとかしたいな．
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コード遅延の追加

December 29, 2014, 12:20 am
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常に変化している衛星と受信機間の距離に応じたコード遅延と
ドップラでbasebandを生成するのは思っていた以上に難しい．

いまひとつ信号が安定しませんが，なんとか初測位．

　（クリックで拡大）

ちなにみ，simulatorで設定した受信機位置は，以下の通り．

llh[0] = 35.666531 / R2D;
llh[1] = 139.792383 / R2D;
llh[2] = 58.475;

測位結果は数百mほどずれていますが，初めてとしてはまずまず．

今年はここまでかな．
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一進一退

January 16, 2015, 9:47 pm
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年明け早々，足首を痛めてしまい，自宅で療養していたらすっかり引きこもりに．
やっとテンションが上がってきたので，GPS信号シミュレータを細々と改修．

　（クリックで拡大）

全衛星の信号捕捉から航法メッセージのデコードまでスムーズに進むように
なったものの，相変わらず疑似距離残差が大きく，測位結果はINVALIDのまま．
しばらくすると，受信機側で自動にリセットしてしまう．

航法メッセージのエンコードにバグがあるのか，コード遅延の計算にミスがあるのか，
切り分けが難しい…

【追記】参考までにRAWデータ．Dopplerが大きな衛星で残差も大きな傾向？

　（クリックで拡大）

【追記2】どうも処理が重いのでプロファイラで評価したいけれど，
Visual Studioでプロファイラが使えるのは2010までだとPremium以上，
2012ではProfessionalから．手元にあるのは2008のProfessional…
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3D FIXの成功

January 19, 2015, 4:23 am
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疑似距離の生成にバグを発見．
やっと3D FIXまでたどり着けました！

　（クリックで拡大）

しかし，相変わらず30秒ほどすると受信機がリセットしてしまいます．
サブフレームをすべてデコードしたタイミングでもあるので，
ephemeris以外のコンテンツに不具合があるのかもしれません．
サブフレーム4と5で，別のページを試してみよう．

あと，ubloxの受信機が自動にリセットする条件も知りたい．
シリアル通信の接続ごと切れるので，Hardware Resetなのか？

【追記】試しに受信機をLEA-4Tから6Tにしてみたら，
Qiが3から先に進まず，航法メッセージがデコードできない．
受信機内部で航法メッセージのvalidityをどのような条件で
チェックしているのか不明ですが，いずれにせよサブフレームの
生成には問題がありそう．
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GPS信号シミュレータの完成

January 20, 2015, 4:08 am
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ubloxの受信機をパッチアンテナに繋げて，ライブのGPS信号を受信しながら
航法メッセージを眺めていると，サブフレーム4と5のページ番号に51や57など，
明らかに大きな数字が出力されていることに気づきました．

ICDを読み直してみると，サブフレーム4と5には，ページ番号そのものではなく，
それに対応したSV IDというものが挿入されているようです．RTFM！

シミュレータではページ番号を25に固定していますので，この場合のSV IDは
サブフレーム4では63，サブフレーム5では51になります．

また，サブフレーム1の送信時刻は，30秒の整数倍のGPS時刻に揃っているようです．
つまり，サブフレーム1のHOWに含まれるTOWのmodulo 30は，常に6秒となります．

この2つの修正で，30秒ごとの受信機リセットも解消され，LEA-6Tでも
スムーズに測位できるようになりました．



　（クリックで拡大）

まだベースバンド信号ファイルを生成するだけのオフラインのシミュレータですが，
とりあえず動作するものが完成です．

bladeRFにはLE数の大きなFPGAが搭載されているので，これを上手く使って
リアルタイム化したいな．

【追記】fwriteでサンプリング毎にファイルに書き込んでいるのが遅いのかなと
思い，setvbufで内部バッファを大きく取って数十MBをまとめて書き込んだり，
openやwriteなどの低水準関数を使ってみたりしたのですが，まったく改善なし．
どこがネックになっているのだろう？
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OpenMPによる並列化

January 21, 2015, 5:07 pm
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シミュレータの実行速度が遅いのは，単純にサンプル毎に必要な演算が
多いのが原因のようです．

まず，コンパイラオプションをDebugからReleaseのデフォルト値に
するだけで，実行速度が倍になりました．それでも実時間の4倍ほどの
処理時間が掛かります．このときのCPU使用率は12%と，余裕があります．

　（クリックで拡大）

さらに，マルチコアを有効に使うために，OpenMPを試してみました．
受信信号の生成は，各衛星で同じ処理なので，ここを並列化します．

　（クリックで拡大）

サンプル毎に衛星間で並列化を行うと，スレッドの生成コストが高く，
並列化の効果がありません．そこで，衛星毎のforループを並列化し，
その中である一定時間分のサンプルを生成します．その後，それらを
足し合わせて，まとめてファイルに書き込むという構成にしました．

この並列化で，8コア全部が有効に使用され，平均して50%程度の
CPU使用率になっています．

　（クリックで拡大）

実行速度も，Core i7-3770，3.4GHzでほぼ実時間となりました．
快適というほどではありませんが，ストレスなくシミュレーション
ファイルの生成ができます．
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コード位相計算の簡略化

January 24, 2015, 10:31 pm
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受信機が静止しているのであれば，ある時刻の疑似距離とrange rateから
1秒後の疑似距離を線形近似しても，5cm以下の誤差しか発生しません．

疑似距離の精度としては無視できるレベルなので，OpenMPで並列化したループの中の
コード位相および搬送波位相は，range rateに応じた位相の進みを積算するだけにしました．

擬似距離とrange rateはループの外で毎秒アップデートするだけなので，
計算負荷の高い衛星位置の計算などは，低頻度に抑えられます．

　（クリックで拡大）

この簡略化で，処理速度が随分と改善されました．
90秒分のデータの生成に50秒程度と，リアルタイム化も見えてきたかな？

【追記】こんな製品を発見．

Skydel Solutions: Software-Defined GNSS Simulator

【追記2】1秒間であれば，delta rangeをrange rateの代わりにして
位相を積算することで，1秒後の疑似距離の近似誤差はゼロになります．
range rateに誤差が生じますが，受信機側の信号追尾では問題にならない程度です．

これで速度の計算が不要になり，計算負荷がさらに低減．
実時間の2倍の処理速度でベースバンド信号が生成できるようになりました．
これは快適！
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