10 Yıllık Deneyimle WiFi Alt-PPB Saat Senkronizasyon Cihazı Tasarımı

Giriş

Kablosuz ağlarda yüksek hassasiyetli saat senkronizasyonu, özellikle faz uyumlu WiFi ölçümleri, açı belirleme ve iç mekan konumlandırma gibi uygulamalarda kritik öneme sahiptir. Bu makalede, 10 yıl süren bir geliştirme süreci sonunda ortaya çıkan, 4cm x 4cm boyutlarında, batarya ile çalışan ve kablosuz olarak alt-PPB (parts-per-billion) hassasiyetinde saat senkronizasyonu sağlayan bir cihazın tasarım ve geliştirme aşamaları detaylandırılmaktadır.

Ayrıca Bakınız

Wi-Fi Özelliği Olmayan Fransız Kapılı Alt Donduruculu Buzdolabı Modelleri ve Seçim Kriterleri

Wi-Fi bağlantısı olmayan buzdolapları, daha az arıza riski ve çevrimdışı kullanım avantajı sunar. Fransız kapılı, alt donduruculu modeller ve buz yapıcı yerleşimi tercihleri kullanıcılar için önemli kriterlerdir.

Xiaomi WiFi Range Extender N300 ve Pro Modellerinin Teknik Karşılaştırması ve Kullanım Tavsiyeleri

Xiaomi'nin N300 ve Pro modelleri, farklı ihtiyaçlara uygun kablosuz internet genişletme çözümleri sunar. Hız, kapsama alanı ve kullanım alanlarına göre seçim yapmanızı sağlar.

Bilicra Join WiFi Akıllı Priz: Enerji Takibi ve Uzaktan Kontrol Özellikleriyle Akıllı Ev Çözümü

Bilicra Join WiFi Akıllı Priz, enerji takibi, uzaktan kontrol ve sesli komut desteğiyle akıllı evlerin vazgeçilmez cihazı olur, şık tasarımıyla evinizde konfor sağlar.

Everest EWR-958N Kablosuz Router: Yüksek Performans ve Çok Modlu Kullanım

Everest EWR-958N, 300 Mbps hız, güçlü antenler ve çok modlu kullanım seçenekleriyle ev ve ofislerde güvenilir kablosuz bağlantı sunar.

MSI MSI MB Pro B650M-A Wifi Anakart İncelemesi: Yüksek Performans ve Bağlantı Özellikleri

MSI MSI MB Pro B650M-A Wifi anakart, DDR5, Wi-Fi 6E ve Bluetooth özellikleriyle yüksek performans sunar. Kompakt tasarımı ve gelişmiş bağlantı seçenekleriyle modern sistemler için ideal bir tercih.

Hitech Sunplus Spacex Mini Full HD Uydu Alıcı İnceleme ve Kullanıcı Yorumları

Hitech Sunplus Spacex Mini, Full HD görüntü, Wi-Fi ile kablosuz içerik akışı ve kolay kullanım özellikleriyle öne çıkan kompakt uydu alıcısıdır.

Huawei HG658 V2 Modem İncelemesi: Yüksek Hızlı ve Güçlü Bağlantı Çözümü

Huawei HG658 V2, 300 Mbps hız ve güçlü sinyal ile ev ve küçük ofisler için ideal, kullanımı kolay, çok portlu ve kompakt tasarımlı bir modem çözümüdür.

Türk Telekom VC220 G3u Modem: Yüksek Performanslı ve Güvenilir Ağ Çözümü

Türk Telekom'un VC220 G3u modeli, 1200 Mbps hız, dual bant Wi-Fi ve geniş bağlantı seçenekleriyle ev ve ofisler için ideal güçlü ağ çözümüdür.

Tasarım Süreci ve PCB Geliştirme Aşamaları

Gören herkesin 'Bu nasıl mümkün?' diye sorduğu 10 etkileyici ürün

devamını oku

Başlangıç: ESP32 Geliştirme Kitleri ve İlk Denemeler

Proje, yazarın yüksek lisans tezini tamamladıktan sonra PCB tasarım deneyimi olmadan başlamıştır. İlk olarak, iki adet ESP32 geliştirme kiti kullanılarak WiFi faz verisi yakalama denemeleri yapılmıştır. Ancak, 10 ppm kristalin neden olduğu yaklaşık 24 tam faz dönüşü nedeniyle veriler rastgele gürültü olarak algılanmıştır.

İlk Özel PCB Tasarımları ve Zorluklar

• Board 1: Çin menşeli flasher kartı ile çıplak ESP32 modüllerinin UART üzerinden programlanması başarıyla gerçekleştirilmiştir.

• Board 2: İlk özel PCB tasarımı EasyEDA ve otomatik yönlendirici kullanılarak yapılmış, lehimleme sorunları nedeniyle lehim pastası ve sıcak plaka kullanımı tercih edilmiştir.

• Board 3: 0.5 ppm TCXO kullanılarak iki çip arasında saat sinyali paylaşımı denenmiş, ancak kısa jumper kabloların parazitik kapasitansı sinyalin bozulmasına neden olmuştur. Bu aşamada ESP32-C3'ün firmware yapısında gizli nanosanise hassas RX zaman damgalarının olduğu keşfedilmiştir.

Saat Sinyali Dağıtımı Problemleri ve Çözümleri

• Board 4: 50 ohm SMA kablo ile saat sinyali dağıtımı denenmiş ancak osilatör çıkışının CMOS giriş eşik değerinin altında olması nedeniyle başarısız olmuştur.

• Board 5: Osilatör, iki çipin hemen yanına yerleştirilerek kablosuz sinyal dağıtımı problemi aşılmış ve ilk kez faz uyumu elde edilmiştir. Ancak, termal gradyanlar nedeniyle 5 mm mesafedeki iki çip arasında 1 ppb sürüklenme gözlemlenmiştir.

Çoklu Çip ve Katmanlı PCB Tasarımları

• Board 6: Dört çipli tasarımda paralel LDO regülatörlerin paylaşılamayacağı bilinmediği için sadece iki çip açılmıştır.

• Board 7: Saat hattı altındaki topraklama alanının kaldırılması denendiğinde sinyal kalitesi düşmüştür.

• Board 8: Dört katmanlı PCB tasarımı ve uygun empedans eşleştirmesi ile tüm çipler senkronize edilmiştir. Ancak, paylaşılan topraklama düzlemi nedeniyle PCB antenleri birbirine bağlanmış ve anten performansı düşmüştür.

Saat Paylaşımından Bağımsız Osilatörlere Geçiş

• Board 9: Her düğüme kendi voltaj kontrollü osilatör verilmiş, WiFi zamanlama değişimleri ile sürüklenme ölçülerek DAC ile osilatör ayarı yapılmıştır. İki DAC kullanımı (1:30 oranında kaba ve ince ayar) ile alt-PPB hassasiyet sağlanmıştır. Bu tasarımda kablo, ortak topraklama ve paylaşılan anten problemi ortadan kalkmıştır.

• Board 10: Dual-DAC yapısı ile açık alanda tipik 1 ppb, stabil ortamda 0.1 ppb hassasiyet elde edilmiştir. Bu değer donanımın ölçüm sınırıdır.

Teknik Detaylar ve Önemli Keşifler

• ESP32-C3 firmware yapısında bulunan nanosanise hassas RX zaman damgaları, senkronizasyonun temelini oluşturmuştur.

• Radyo modülünün gönderici ve alıcı arasındaki frekans uyumsuzluğunu içsel olarak telafi ettiği keşfedilmiştir. Senkronize olmayan saatlerde veri kalitesi düşmekte ve neden anlaşılmamaktadır.

• ppm ve ppb birimleri, osilatör sürüklenmesinin zamanla ölçeklenmesini ifade etmek için standart olarak kullanılmaktadır.

Uygulama Alanları ve Açık Kaynak

Bu cihaz, WiFi üzerinden faz uyumlu ölçümler yaparak açı belirleme ve iç mekan konumlandırma gibi uygulamalarda kullanılmaktadır. Proje tamamen açık kaynaklıdır; firmware, şemalar, Gerber dosyaları, malzeme listesi ve 3D modeller GitHub üzerinden paylaşılmaktadır. Üniversiteler ve araştırmacılar tarafından geliştirilmesi ve maliyetlerin düşürülmesi hedeflenmektedir.

Sonuç

Bu uzun ve zorlu geliştirme süreci, kablosuz ve yüksek hassasiyetli saat senkronizasyonu için yeni bir yaklaşım sunmuştur. Kablo ve ortak topraklama gerektirmeyen, küçük boyutlu ve batarya ile çalışan cihazlar, WiFi tabanlı ölçümlerde yeni olanaklar sağlamaktadır. Projenin açık kaynak olması, topluluk katkısı ve ilerleyen araştırmalar için önemli bir altyapı oluşturmuştur.