2019年 08月 08日

HackRF One の Sweep Mode の動作

tech

hackrf_sweep コマンドの動作を調べたので記録しておく。このコマンドは HackRF One のファームウェアと協調して、うまく広い帯域をスイープできるように作られている。

まずいくつか定数がある

  • サンプリング周波数は 20MHz
  • フィルタ周波数は 15MHz
  • オフセット周波数は 7.5MHz (設定した周波数の7.5MHz上の周波数になる)
  • step_width は 20MHz
  • interleaved モード

とにかく interleaved モードを理解しないといけない。interleaved ではないモード (linear) は単純に step_width を足していくだけなので単純明快だが、interleaved ではファームウェア側は +5MHz、+15Mhz を繰替えしてスイープする動作をする。

これで何が嬉しいか?というと、いくらか効率を犠牲にして (スキャン時間や計算量が2倍) フィルタの減衰がかかる両端の領域や、DCオフセットがある中央の領域を捨てて綺麗な帯域だけからスペクトラムを合成できる。

詳しい動作

グラフをかいてみた。中央が0Hzで±10MHz (サンプリング周波数20MHz) の周波数領域を示している。全体の赤い領域が1回でとれる 20MHz サンプル、15MHz フィルタされた信号の全体で、青の領域と紫の領域だけを採用してさらにズラしていく。次は5MHzずらせば真ん中にある隙間と次の5MHz分が埋まり、その次は15MHzずらせば……と続く。

見ての通り帯域の端のほうではローパスフィルタ(アンチエイリアシングフィルタなので必須)による減衰の影響をうける ので避けたいし、0HzにはどうしてもDCオフセットが乗るので避けたい。

一回のサンプルで20MHzの帯域にうち、10MHzぶんの帯域しか取得しないが、全領域でできるだけフラットでノイズのない結果を得られる。

❤️ 投げ銭する

関連エントリー

2019年 08月 07日

HackRF One で遊ぶ

tech


HackRF という SDR 用の無線フロントエンドがある。オープンソースハードウェア。この手のものは他に LimeSDR (高い) や RTL-SDR (安い) などがあるが、HackRF は最高周波数が 6GHz までという点とコスパが良い点が大きな特徴。

アルミケース・TCXOモジュール・ロッドアンテナ付きで $125 ほど。

TCXO モジュールはインストールされていないので、一旦ケースを分解して装着する必要があった。適当にググって解決。

brew でツールが入る

brew install hackrf

TCXO がちゃんと認識されているかはこれでわかる (ref. HackRF One · mossmann/hackrf Wiki · GitHub

hackrf_debug --si5351c -n 0 -r 
[  0] -> 0x01 # 認識されている場合
[ 0] -> 0x51 # 認識されていない場合

これらのツールはあくまでCUIツールなので、GUI で何かするためには他ものがいる。Mac だと Gqrx はデフォルトで HackRF の入力に対応しており復調もできる。

スペクトラムアナライザーっぽく使えるのだとqspectrumanalyzerが一応使える。ただし非常に重く、よく落ちてしまう。

アンテナポートへの電源供給

GPS アクティブアンテナのように電源供給が必要な場合、アンテナポートに電源供給することができる。関連ツールにはコマンドオプションがある。

スイープモード

スイープモードというのが実装されている。HackRF One のハードウェア的には 20MHz サンプルなので、20Mhz 分の帯域しか同時に見ることはできないが、連続して局発周波数などを動かしてサンプリングしていくことで、擬似的に広い範囲の帯域を見ることができる。広域スペアナ的に使えるといえばわかりやすいか。

詳しい動作はまた今度説明したい。

TX

送信もできるけど HackRF One 本体からの出力は最大でも 15dBm (0.03W) なので、外部にリニアアンプなどが必要になる。

が、そもそもこの機械の仕様でアマチュア免許などは下りないと思うので、ダミーロードつけて微弱無線局として遊ぶしかないと思う。とはいえ、微弱無線局の定義も非常に厳しいので、基本的にはもったいないけど、国内ではおかざりと思ったほうが良い。

ソースコードの歩きかた

HackRF はオープンソースなのですべてのコードを読むことができる。かなり綺麗に書かれているほうだと思うので、すんなり読みくだせるものが多い。

基本的にツール側から攻めていくのがわかりやすそう

これ以下に hackrf_info などのツールのソースコードがある。

ツール類はほぼ libhackrf を呼んでいて、こちらも同じレポジトリ内にある。難しいことはあまりしておらず、素直に libusb の関数を呼びだしているので読みやすい。機能もたくさんあるわけではない。

ファームウェアは若干複雑ではあるが、USB の API から攻めていくのが読みやすい気がする。

cpld (FPGA の弟みたいなやつ) まわりはまだちゃんと読めてない。

❤️ 投げ銭する

関連エントリー

2019年 08月 06日

Ubuntu 18.04 の VNC (画面共有)

tech

「設定」→「共有」→「画面共有」という項目がでるはずだが、ない場合、vino (gnome desktop 環境の vnc サーバコンポーネント) がインストールされていない。おそらく初回セットアップ時の構成によるのだろう。

sudo apt install vino

して「設定」を再起動すれば項目が出現する。

また、このままだと macOS から接続できない (互換性がないと言われる)。encryption を切ってやれば接続できる。SSH でポートフォワードする場合 vnc レイヤーでの暗号化は特に必要ないので無効にしても良いだろう。

export GIO_EXTRA_MODULES=/usr/lib/x86_64-linux-gnu/gio/modules/ # Using the 'memory' GSettings backend.  Your settings will not be saved or shared with other applications.

sudo  gsettings set org.gnome.Vino require-encryption false
sudo  gsettings   get org.gnome.Vino require-encryption # 確認
❤️ 投げ銭する

関連エントリー

2019年 07月 27日

tmux で prefix 入力中や copy モードをわかりやすくする

tech 




set-option -g status-left "#[fg=colour255,bg=colour23]#{?client_prefix,#[bg=colour202],}#{?#{==:#{pane_mode},copy-mode},#[bg=colour208] COPY , [#I #D] }"

こんな感じで設定すると、通常は [4 %7] (4はwindow番号、%7はpane識別子)みたいになり、prefix 入力中は色が変化し、copy モードに入ると、さらに別の色で COPY という表示がでるようになる。

man tmux すると #{?foo,true,false} みたいな記法とか #{==:#{var},foo} みたいな記法について記述があり割と柔軟に設定できた。

❤️ 投げ銭する

関連エントリー

2019年 07月 26日

tmux に移行した

tech

GNU screen をずっと使っていたけど、なんとなく tmux に移行した。256色カラーとかがデフォルトで有効なのがとりあえず良いかな。

ずっと screen を使っていたといっても特に使いこなしまくっているわけではないので、普通に使う分には多少の設定でほぼ違和感なくすることができた。2重 tmux も大丈夫。

前に tmux いいよみたいな流行がでたとき移行しなかったのはなんか不愉快な人が使っていたからで特に tmux に罪はなかったが、そういう記憶も忘れたので、そろそろいいかという気がする。

❤️ 投げ銭する

関連エントリー

tmux 用の cdd (ウィンドウ番号を指定して cd)

tech

GNU screen のとき定義していた cdd という、既に開いている別ウィンドウのディレクトリにcdするコマンドがあった(ref. cdd とお別れして、別の cdd を定義した | tech - 氾濫原 )。このままでは tmux で動かないので書きかえた。

function cdd() {
	typeset -A mapping
	local window=$1
	mapping=($(tmux list-windows -F '#{window_index} #{pane_current_path}'))
	local dir=$mapping[$window]
	if [[ $dir == "" ]]; then
		echo "window not found"
	else
		cd "$dir"
	fi
}

GNU screen のときはややトリッキーなことをしていたけど、tmux だとlist-windows の出力を工夫するとマッピングを直接得られるので、zsh の連想配列に入れてそのまま取得できた。(逆に、tmux だと環境変数にウィンドウ番号は入っていないので、screen のときの方法だとうまくできない)

今のところ自分は window 内を複数 pane に分割しないのでこれでうまくいくんだけど、分割すると結果が不定になりそう。

元々書いてた cdd は引数なしで実行するとリストを表示して選択して cd できるようにしていたけど、全く使わなかったので機能自体をなくした。

なぜか list-windows ではなく list-panes していたので、list-windows を使うように変更した
❤️ 投げ銭する

関連エントリー

2019年 07月 24日

WebAudio でブラウザで動く SDR をつくる

tech

概要

無線機の出す I/Q 信号をサンプリングして 2ch (ステレオ) としてコンピュータに入力し、これを直接 WebAudio から扱って音声までデコードする。ソフトウェア側はブラウザだけで完結する。

実用レベルではないが SSB の復調まではできたので一旦記録しておく。

前提条件

入力

無線フロントエンド(アンテナや局発ミキサなどのハードウェア)が必要になるが、それは用意されていて、PCへの入力は2chのステレオマイク入力として行われているものとする。

自分の環境では KX3(無線機) のアナログ I/Q 出力を USB Audio Device のマイク入力に入れてサンプリングしている。

何を実現できればいいか

最初の要件を定義する。

  • SSBモードをUSB/LSB 指定で音声をデコードできること

シンプルにまずこれだけを目標にする。

SSB モードが実装できれば、単純に全く同じ実装で AM と CW もひとまず復調できるし、サイドバンドの選択ができるというところに信号処理の面白さがある (と今のところは思っている) ので、ちょうど良い目標だと思う。

IQ信号とは何か

無線フロントエンド側で、特定の周波数のcos/sinをそれぞれミックスした信号のこと。

例えば 7020kHz の cos/sin 信号をアンテナからのRF信号にミックスすると、7020kHz を 0Hz として周波数変換 (ヘテロダイン)される。cos波だけだと 7030kHz も 7010kHz も同様に 10Hz に周波数変換されてしまう (イメージがでる) が、直交位相 (sin波) でも周波数変換することで、負の周波数と正周波数の情報を信号処理で分けることができるようになる。

何を作ればいいか

  • IQ シグナルを受けとって復調周波数にバンドパスフィルタをかける
  • フィルタした信号を音声周波数に周波数変換をする
    • USB なら 0Hz〜nHz、LSB なら -nHz〜0Hz に変換する
  • 実信号に変換する
  • オーディオ信号として出力

どちらのサイドバンドを復調するかはバンドパスフィルタの時点で選択して抽出する。その後適切に周波数変換して、real だけとれば音声として聞こえる。

デバッグのために

音声信号はそこそこ流量があるので、print デバッグみたいなことは難しい。せっかく WebAudio なので、適時ブラウザ上に可視化しながら実装をすすめる。問題に気付きやすいし、なによりそのほうが楽しい。

FFTウォーターフォール表示

https://lowreal.net/2019/07/17/1 に書いたが、実は最初にやると一番簡単なので、まずこれを実装しておく。

入力のIQ信号をそのまま複素数として扱い、FFT にかけるだけで良い。実数のFFTは出力の上半分を無視するが、複素数FFTの場合、出力の上半分は負の周波数領域の解析結果となっており、適切にシフトさえすれば難しいことなしにそのまま可視化できる。

複素バンドパスフィルタ

複素バンドパス フィルター設計
- MATLAB & Simulink
- MathWorks 日本 この記事がわかりやすい。

  • 実数ローパスフィルタは、負の周波数まで考慮すると0Hzを中心としたバンドパスフィルタとみなせる (実数フィルタは0Hzで折り返す)
  • 実数ローパスフィルタに周波数変換をほどこすことで任意の周波数の複素バンドパスフィルタにできる

これによって -nyquistFreq 〜 +nyquistFreq の任意の範囲を取り出すことができる。

周波数変換 (複素ミキサー)

既に複素数の信号をさらに周波数変換する。LO (ローカルオシレータ) 周波数の cos/sin を複素数で元の信号に乗算する。

複素ミキサーの良いところは原理的にはイメージが発生しないというところ。普通のミキサーでは LO に対して -LO と +LO の信号が発生するが、それがない。

実信号に変換

周波数変換を経て ±n Hz 〜 0Hz の信号になっているので、real だけとって実数にする。これを出力すれば音声が出てくる。

❤️ 投げ銭する

関連エントリー

2019年 07月 22日

WebAudio ComplexFirFilterNode AudioWorklet

tech

ComplexAnalyserNode (WebAudio) を作った (IQ信号のFFT) | tech - 氾濫原 に続き、WebAssembly を使って複素 FIR Filter を行う AudioWorkletNode の実装を書いてみた。前回と同様 Rust と wasm_bindgen を使っている。Rust 側の実装はとても素朴。

Analyser と違うのは、直接信号に手を加える必要があるというところ。つまり AudioWorklet 内で wasm の実装を呼ぶ必要がある。

wasm_bindgen を使おうと思ったが…

wasm_bindgen の JS 側の実装は Uint8Array を文字列化するために TextEncoder を使っている。しかし TextEncoder は AudioWorkletGlobalScope には(今のところ)存在しておらず、エラーになってしまった。

自動生成されたコードに手を入れて使うのはあまりやりたくないのと、どっちにしろメモリ管理を自力でやる必要はあるので、wasm_bindgen の生成するJSコードは使わず、直接 wasm を呼びだすようにした。

なおエラーメッセージの転送などで、どうしても Uint8Array から文字列を生成したいケースはある。今回は ASCII 以外の文字が入ることは想定していないので TextEncoder の代わりに String.fromCharCode() でお茶を濁した。

wasm module を AudioWorkletGlobalScope に受け渡す

AudioWorkletGlobalScope にはそもそも fetch もないため、wasm のコードを AudioWorkletGlobalScope 内で直接読みこんでインスタンス化することができない。

どうするかというと、メインスレッド(など)で fetch を行い、wasm のモジュールを得てから、これを postMessage で transfer するという余計な手順が必要になる。

wasm module は postMessage ができるが、wasm の instance はできないので、instance 化は AudioWorkletGlobalScope 側でやる必要がある。

❤️ 投げ銭する

関連エントリー

2019年 07月 17日

ComplexAnalyserNode (WebAudio) を作った (IQ信号のFFT)

tech

https://github.com/cho45/complex-analyser-node

WebAudio の AnalyserNode は実数計算しかしないタイプ (仕様でそう決まっている) ですが、IQの2ch入力の信号を FFT して表示したいので、ほぼ類似のAPIを持つComplexAnalyserNodeを作ってみました。

簡単な割に IQ 信号を WebAudio で処理する際のデバッグに便利です。

FFT部分はwasmにコンパイルしたrustfftを呼んでおり、自分では実装していません。

AudioWorkletNode と AudioWorkletProcessorの使いわけ

AudioWorkletNode と AudioWorkletProcessor をうまく使いわける必要があるのですが、今回は以下のようにしています

  • AudioWorkletProcessor (audio スレッドで動く)
    • 入力をそのまま出力にコピーするだけ
    • 入力をバッファとして貯めこみ、port 経由で AudioWorkletNode にそのまま転送する
  • AudioWorkletNode (メインスレッドで動く)
    • AudioWorkletProcessor からくるバッファを管理し、FFT 用のバッファを保持する
    • getFloatFrequencyData() に応じてバッファの内容をFFTして返す
    • 対数変換やUSB/LSBの並び換え(fftshift)も rust でやってます

こういう構成なので、wasm は普通にメインスレッドで読みこんでメインスレッドで使っています。Analyser の場合は audio スレッドで信号内容に手を加えるということはしないので、余計なことを audio スレッドでやらせたくないという気持ちがあります。

もともと WebAudio にある AnalyserNode とインターフェイスを似せようとすると同期的にしなくてはいけないので若干制約があります。全部非同期にすればもうちょいやりようがある気はします。

❤️ 投げ銭する

関連エントリー

2019年 07月 16日

FIRフィルタの可視化

tech

習作としてFIR (Finite Impulse Response) フィルタの可視化をつくってみた。

FIRフィルタのcoefficient(係数)をJSONで張りつけると、係数のグラフと、その周波数特性を表示する。複素数対応

❤️ 投げ銭する

関連エントリー