BPSK(QPSK) модулятор-демодулятор и гидроакустический модем Опции

[Acvarif]

Просьба подсобить с общим пониманием как можно построить несложный гидроакустический модем учитывая то, что несущая частота = 35 кГц, а частота передачи данных = 1200 бод/сек (1.2 кГц) Протокол предполагается UART. Проще говоря на несущей нужно передавать последовательный цифровой код (единички и нолики) с частотой 1.2 кГц.

Можно-ли это организовать на базе BPSK?
Как примерно будет выглядеть структура такого устройства?

Спасибо.

[Rst7]

Возможно, что если тот код для 1200бод переложить на ассемблер современного Cortex-M примерно на 200МГц, то он вытянул-бы. biggrin.gif

Не хочу Вас расстраивать, но делал я как-то как раз гидроакустический модем, там была OFDM, скорость данных порядка 140кбит/с, полный дуплекс с несущими 500кГц и 1МГц (аплинк и даунлинк соответственно). Ну справедливости ради там перемножители были внешние. И внешний АЦП (банальный аудио-АЦП двухканальный), цифровать квадратуры уже после смесителя.

Работало это на 100МГц Cortex-M3 без особых проблем, без всякой плавающей точки, с загрузкой проца где-то в 30-40 процентов. Да-да, с Фурье вперед и назад, с эквалайзером и прочими необходимыми для OFDM пирогами.

А еще был другой, там именно GMSK был, на канале управления жил. Тоже, правда, с внешним АЦП, прямо цинично пьезокерамика на дифференциальный вход AK5384 была подключена. И несущая как раз была в районе 40кГц. Цифровал себе спокойно всю полосу, и дальше все по классике. Ну совсем же смешное было

CODE

#define F_CPU (100000000ULL)
#define RXLS_SAMPLE_RATE (97655ULL)

#pragma inline=forced
static long long QMULL(REG32 a, REG32 b, REG32 c, REG32 d)
{
long long r;
asm("SMULL %L0,%H0,%1,%2":"=Rp"®:"r"(a),"r"();
asm("SMLAL %L0,%H0,%1,%2":"+Rp"®:"r"©,"r"(d));
//return ((long long)a * + ((long long)c * d);
return r;
}

static long long FMULADD64(long long r, long long a, UREG32 k)
{
asm("SMLAL %L0,%H0,%H1,%2":"+Rp"®:"Rp"(a),"r"(k));
asm("UMULL %L0,%H0,%L0,%1":"+Rp"(a):"r"(k));
a+=0x80000000;
asm("ADDS %L0,%L0,%H1":"+Rp"®:"r"(a):"cc");
asm("ADC %H0,%H0,#0":"+Rp"®);
return r;
}

static long long FMULSUB64(long long r, long long a, UREG32 k)
{
asm("SMLAL %L0,%H0,%H1,%2":"+Rp"®:"Rp"(a),"r"(-k));
asm("UMULL %L0,%H0,%L0,%1":"+Rp"(a):"r"(k));
a+=0x80000000;
asm("SUBS %L0,%L0,%H1":"+Rp"®:"r"(a):"cc");
asm("SBC %H0,%H0,#0":"+Rp"®);
return r;
}

#pragma inline=forced
static inline REG32 EXPDIVfast(long long f, unsigned long long a)
{
UREG ea;
UREG32 a32=a>>32;
REG32 f32=f>>32;
if (a32)
{
ea=__CLZ(a32);
a32=(a32<<ea)|((unsigned long)a>>(32-ea));
ea--;
f32=(f32<<ea)|((unsigned long)f>>(32-ea));
}
else
{
a32=a;
f32=f;
ea=__CLZ(a32);
a32=a32<<ea;
ea--;
f32=f32<<ea;
}
a32>>=16+1;
if (a32)
return (f32/(REG32)a32)<<8;
else
return 0;
}

#define DEFAULT_FREQ_HZ (32010ULL)
#define DEFAULT_FREQ ((DEFAULT_FREQ_HZ<<32)/RXLS_SAMPLE_RATE)
UINT32 freq_a=DEFAULT_FREQ;
UINT32 phase_a;
#define CHLPF_SHIFT (27)
#define CHLPF_PREGAIN_SHIFT (27)
//1.5kHz, 1dB, 5 poles, Z-transform
#define CHLPF_K0 ( 961)
#define CHLPF_K1 ( 98213853)
#define CHLPF_K2 ( 521724849)
#define CHLPF_K3 ( 1109599598)
#define CHLPF_K4 ( 1181066974)
#define CHLPF_K5 ( 629195138)
void I2S_IRQHandler(void)
{
REG32 rxsig;
rxsig=I2SRXFIFO;
REG32 I;
REG32 Q;
UREG32 vo=phase_a;
I=rxsig*SIN8[(vo+0x00000000)>>24];
Q=rxsig*SIN8[(vo+0x40000000)>>24];
phase_a=vo+freq_a;
//Filter I
{
static signed long long y1,y2,y3,y4,y5;
signed long long result;
result=(long long)I*CHLPF_K0;
result=FMULADD64(result, y1,CHLPF_K1);
result=FMULSUB64(result,y1=y2,CHLPF_K2);
result=FMULADD64(result,y2=y3,CHLPF_K3);
result=FMULSUB64(result,y3=y4,CHLPF_K4);
result=FMULADD64(result,y4=y5,CHLPF_K5);
y5=result<<(32-CHLPF_SHIFT);
I=(INT32)(result>>(CHLPF_SHIFT-1));
}
//Filter Q
{
static signed long long y1,y2,y3,y4,y5;
signed long long result;
result=(long long)Q*CHLPF_K0;
result=FMULADD64(result, y1,CHLPF_K1);
result=FMULSUB64(result,y1=y2,CHLPF_K2);
result=FMULADD64(result,y2=y3,CHLPF_K3);
result=FMULSUB64(result,y3=y4,CHLPF_K4);
result=FMULADD64(result,y4=y5,CHLPF_K5);
y5=result<<(32-CHLPF_SHIFT);
Q=(INT32)(result>>(CHLPF_SHIFT-1)); //Без одного защитного бита
}
//Demodulation
{
static INT32 I1,Q1;
REG32 id,qd;
id=I-I1; I1=I;
qd=Q-Q1; Q1=Q;
long long f=QMULL(-I,qd,Q,id);
unsigned long long a=QMULL(I,I,Q,Q);
lsrx_lvl_a=a;
//Qdata=-EXPDIVfast(f,a);
Qdata=f>0?-0x200000:0x200000;
}

... все, тут уже разбор чисто с цифровым потоком, 0/1 это Qdata<0 или >0

}

Передатчик лучше ЦАП-ом.

Нафиг он там не нужен. Делаются таблички для для плавного по Гауссу изменения фазы ШИМ в вариантах переходов бит 0->1 и 1->0 и все.

И 12 бит разрядности АЦП (которая обычно бывает в МК) может не хватить для обеспечения динамического диапазона и чувствительности.

Для такого АЦП да, АРУ надо делать.

[jcxz]

Работало это на 100МГц Cortex-M3 без особых проблем, без всякой плавающей точки, с загрузкой проца где-то в 30-40 процентов. Да-да, с Фурье вперед и назад, с эквалайзером и прочими необходимыми для OFDM пирогами.

Дьявол как всегда кроется в деталях.
Такую загрузку у меня вызывала конечно не сама демодуляция - это были сущие пустяки.
Основная нагрузка была - входные фильтры и битовый детектор (выделение битов из потока сэмплов).
Да и по фильтрам и эквалайзерам - думаю не стоит Вам говорить, что даже небольшое ужесточение требований к крутизне АЧХ фильтра приводит к очень большому увеличению длин фильтров.
Я потом на этом же самом МК делал другой модем с частотой сэмплирования кодека на порядок выше, но с гораздо более чистым каналом (модем для фидеров 0.4-10кВ) и получил загрузку CPU всего в несколько процентов насколько помню.
Да и 30% - это было на максимуме - на pi/4 nQPSK непрерывным потоком на приём и передачу. На 9600бод в полосе 7100Гц. Если бы расширить допустимую полосу сигнала раза в два, то загрузка там падает в разы.

asm("SMULL %L0,%H0,%1,%2":"=Rp"®:"r"(a),"r"();
asm("SMLAL %L0,%H0,%1,%2":"+Rp"®:"r"©,"r"(d));

Что такое и как работают SMLAL и SMULL и прочие команды Cortex-M - я прекрасно знаю. Писал и оптимизировал работу MP3-декодера с отдельными функциями на чистом асм на Cortex-M. Не напугаете

Нафиг он там не нужен. Делаются таблички для для плавного по Гауссу изменения фазы ШИМ в вариантах переходов бит 0->1 и 1->0 и все.

Конечно наверное можно обойтись. Но зачем? Зачем таблички и более сложные фильтры после ШИМ, если как правило почти в любом приличном МК Cortex-M есть ЦАП?

[Acvarif]

Да...
Я действительно далек от темы. Придется штудировать буквари.
Читая ответы возникают еще вопросы.
1. Если представить, что гидроакустические передатчики находясь на некотором расстоянии друг от друга передают (излучают) пакеты разных данных одновременно на одной несущей, то в каких-то точках водной среды пакеты могут перекрываться или налагаться друг на друга.
Как в этом случае разделить или идентифицировать нужный пакет от нужного передатчика? Ведь и переотражения от дна и поверхности тоже могут привести к наложению. Как с этим можно бороться? Какой нужно применить способ модуляции (кодирования) сигнала, чтобы выделить (идентифицировать) из смеси наложенных сигналов нужный от нужного передатчика?
Если разделять передатчики по модулирующим частотам то получится сложный приемник для выделения нужной частоты из гребенки частот...
2. Трудно для понимания то, что модулятор и демодулятор можно выполнить на микроконтроллере. Ведь в этом сдучае нужно все оцифровывать, применять АЦП и ЦАП. Как в таком случае, для приемника, определить правильную частоту выборок (семплирования)? Неужели по Найквисту?

Сообщение отредактировал Acvarif - Feb 5 2018, 13:15

[jcxz]

1. Если представить, что гидроакустические передатчики находясь на некотором расстоянии друг от друга передают (излучают) пакеты разных данных одновременно на одной несущей, то в каких-то точках водной среды пакеты могут перекрываться или налагаться друг на друга.
Как в этом случае разделить или идентифицировать нужный пакет от нужного передатчика?

Например: организовать работу так, чтобы в каждый момент времени работал только один передатчик (не было коллизий).
Например - один центр-мастер, остальные - слэйвы. Мастер организует обмен в канале, слэйвы по своей инициативе не выходят на связь.

Как в таком случае, для приемника, определить правильную частоту выборок (семплирования)? Неужели по Найквисту?

Лучше - с запасом. Читайте теорию, прочитаете - поймёте

PS: У Вас вопросы совсем по разным уровням и частям. И сам модем и организация обмена в канале - рановато вам ещё этой темой заниматься. Прочитать придётся очень много.

[Acvarif]

PS: У Вас вопросы совсем по разным уровням и частям. И сам модем и организация обмена в канале - рановато вам ещё этой темой заниматься. Прочитать придётся очень много.

Вы правы. Не знаю с какой стороны к этому делу подступиться.
Чем больше информации, даже общего плана, тем больше возникает вопросов.
В тупик поставил еще один вопрос:
Как можно увеличить битовую скорость с 1200, например до 9600, 19200 не меняя длительность посылки?
Читал что для этого применяются сложные виды модуляции (QPSK, 8PSK, OFDM).
Грустно стало после того как прочитал про OFDM...

Нет-ли готовых микросхем модуляторов-демодуляторов способных работать с несущими порядка 35..200 кГц?

Сообщение отредактировал Acvarif - Feb 6 2018, 08:12

[megajohn]

Нет-ли готовых микросхем модуляторов-демодуляторов способных работать с несущими порядка 35..200 кГц?

гляньте на HART модем AD5700 или Power Line Communication Modems CY8CPLC10, CY8CPLC20, LM1893, MAX2990, MAX2992, MAX79356, NCN49597-D, NCN49599-D, ST7536, ST7540, ST7580, ST7590, TDA5051A
может что и можно под вашу задачу заточить ( тоже изучаю вопрос по смежной тематике )

Как примерно будет выглядеть структура такого устройства?

пишут что так

Я действительно далек от темы. Придется штудировать буквари.

по этой ссылке знатоки рекомендуют почитать Скляра.