WiFi Alt-PPB Saat Senkronizasyon Cihazı Geliştirme Süreci ve Deneyimler
Platformumuzdaki en çok okunan ve popüler makaleleri görmek için Trendler bölümüne geçebilirsiniz.
Bu yazıda, WiFi üzerinden kablosuz olarak alt-PPB (parts-per-billion) hassasiyetle saat senkronizasyonu yapabilen küçük bir cihazın geliştirilme süreci ve karşılaşılan teknik zorluklar detaylandırılmaktadır. Proje, 10 yıl boyunca 10 farklı PCB tasarımı ve çok sayıda deneme-yanılma ile ilerlemiş, sonunda 4cm x 4cm boyutlarında, pil ile çalışan, kablosuz ve kendi kendini senkronize edebilen bir düğüm haline gelmiştir.
Proje Başlangıcı ve İlk Denemeler
Proje, yazarın yüksek lisans tezini tamamlamasının ardından PCB tasarımına ilk adımını atmasıyla başlamıştır. İlk olarak Aliexpress'ten alınan ESP32 geliştirme kitleri kullanılmış, WiFi faz verisi yakalama denenmiş ancak 10 ppm kristal osilatörün neden olduğu faz dönüşleri nedeniyle veri gürültüden ayırt edilememiştir. Ardından çıplak ESP32 modüllerinin UART üzerinden programlanmasını sağlayan Çin yapımı bir flasher kartı denenmiş ve başarı sağlanmıştır.
İlk özel PCB tasarımı EasyEDA ve otomatik yönlendirici kullanılarak yapılmış, el lehimleme denemeleri başarısız olunca lehim pastası ve sıcak plaka ile üretim gerçekleştirilmiştir. Ancak bu aşamada da veri kalitesi iyileşmemiştir.
Ayrıca Bakınız
Saat Dağıtımı ve Sinyal Sorunları
0.5 ppm TCXO (Sıcaklık Kontrollü Kristal Osilatör) kullanılarak saat sinyalinin iki çip arasında jumper kablolarla paylaşılması denenmiş, ancak parazitik kapasitans ve parmak teması sinyalin bozulmasına neden olmuştur. Bu süreçte ESP32-C3'ün firmware yapısında gizli nanosecond RX zaman damgalarının olduğu keşfedilmiştir ki bu, projenin temelini oluşturmuştur.
50 ohm SMA koaksiyel kablo ile saat sinyalinin paylaşılması denenmiş ancak osilatör çıkışının CMOS giriş eşik değerinin altında olması nedeniyle saat buffer devresi çalışmamış ve bu kart proje için en maliyetli başarısızlık olmuştur.
Fiziksel Yakınlık ve Termal Etkiler
Saat sinyalini kablo ile paylaşmak mümkün olmadığından osilatör, iki çipin yanına doğrudan PCB üzerindeki izlerle bağlanmıştır. Bu sayede ilk kez faz uyumu gözlemlenmiştir. Ancak 5mm mesafedeki iki çip arasında yaklaşık 1 ppb sürüklenme ölçülmüş, bunun nedeni termal gradyanlar olmuştur.
Daha sonra dört çipli tasarım denenmiş, ancak paralel bağlanan LDO regülatörler nedeniyle sadece yarısı çalışmıştır. Ayrıca SMA antenler nedeniyle cihaz çok büyük olmuştur.
PCB Tasarımında Katman ve Topraklama Etkileri
Saat hattı altındaki toprak düzleminin kaldırılması denendiğinde sinyal kalitesi kötüleşmiş, bu nedenle toprak düzlemi geri konmuştur. 2 katmanlı PCB'de sinyal-toprak mesafesi fazla olduğundan ve eşleşme doğru yapılmadığından, 4 katmanlı PCB tasarımına geçilmiştir. 4 katmanda sinyal davranışı teorik olarak beklenildiği gibi gerçekleşmiş ve dört çip senkronize olmuştur.
Ancak, PCB antenlerinin toprak düzlemi üzerinden birbirine bağlanması antenler arasında istenmeyen coupling yaratmış, bir antene dokunulduğunda diğerlerinin performansı düşmüştür. Bu da paylaşılan toprak düzlemi ve anten yapısının radyo dalgalarının yayılımında kritik olduğunu göstermiştir.
Saat Paylaşımından Bağımsız Osilatörlere Geçiş
Büyük ilerleme, her düğüme kendi voltaj kontrollü osilatörün (VCTCXO) verilmesiyle sağlanmıştır. Osilatörün sürüklenmesi WiFi zamanlama değiş tokuşları ile ölçülüp, osilatörün ayar pini üzerinde bulunan DAC (Dijital-Analog Çevirici) ile düzeltilmiştir.
Başlangıçta tek bir 12 bit DAC kullanılmış, ancak DAC adımları 2.5 ppb hassasiyetle değişiklik yapabildiğinden, bu adımlar çok kaba kalmıştır. Bu nedenle ikinci bir DAC, 1:30 oranında bir direnç bölücü ile seri bağlanarak ince ayar yapılmıştır. İlk DAC kaba ayar için, ikinci DAC ise ince ayar için kullanılmış ve böylece alt-PPB hassasiyet sağlanmıştır.
Bu yapı sayesinde, paylaşılan toprak düzlemi, kablo veya ortak saat sinyali olmadan, her düğüm bağımsız ve pil ile çalışabilir hale gelmiştir.
Ek Teknik Detaylar ve Öğrenilenler
WiFi radyo modülü, gönderici ve alıcı arasındaki frekans uyumsuzluğunu içsel olarak düzeltmektedir. Saatler senkronize olmadığında veri bozuk olur ve sebebi anlaşılmaz.
ppm (parts-per-million) ve ppb (parts-per-billion) terimleri osilatör sürüklenmesinin standart ölçümleridir ve zamanla orantılıdır.
Projede kullanılan 0.5 ppm TCXO'nun DAC ile kontrol aralığı yaklaşık 10 ppm'dir.
Saat senkronizasyonu, WiFi CSI (Channel State Information) faz verilerinin doğru ölçülmesi için gereklidir ve mutlak senkronizasyondan ziyade göreceli senkronizasyon yeterlidir.
Projenin Açık Kaynak Olması ve Uygulama Alanları
Proje tüm firmware, şemalar, Gerber dosyaları, malzeme listesi ve 3D modelleri ile açık kaynak olarak paylaşılmıştır. GitHub üzerinde https://github.com/jonathanmuller/esp-ppb adresinde detaylı dokümantasyon ve her kartın fotoğrafları bulunmaktadır.
Bu cihazlar, WiFi üzerinden faz uyumlu ölçümler yaparak açı belirleme ve iç mekan konumlandırma gibi uygulamalarda kullanılmaktadır. Üniversiteler ve araştırmacılar tarafından da ilgi görmüş ve maliyetlerin düşürülmesi için toplu üretim planları yapılmaktadır.
"Bu proje, RF ve yüksek hızlı sinyal işleme alanında karşılaşılan zorlukların sistematik olarak nasıl aşılabileceğinin bir örneğidir. Saat senkronizasyonundaki her küçük detay, nihai performansı doğrudan etkiler."
