VIDEO-005: add full offline QPSK IQ video receiver

protocol/video005_iq_waveform.py

@@ -0,0 +1,60 @@
+"""Формирование комплексного IQ для программного видеотракта VIDEO-005."""
+
+from __future__ import annotations
+
+from functools import lru_cache
+from typing import Sequence
+
+import numpy as np
+from scipy.signal import upfirdn
+
+from protocol.bpsk_radio import root_raised_cosine_taps
+from protocol.video003_modem import (
+    RRC_ROLLOFF,
+    RRC_SPAN_SYMBOLS,
+    SAMPLE_RATE_HZ,
+    OfflineFrame,
+    samples_per_symbol,
+)
+
+
+SYMBOL_RATE = 500_000
+NOMINAL_CARRIER_HZ = 125_000.0
+GUARD_SAMPLES = 64
+
+
+@lru_cache(maxsize=2)
+def rrc_taps(symbol_rate: int = SYMBOL_RATE) -> np.ndarray:
+    """Возвращает неизменяемые коэффициенты уже применяемого RRC-фильтра."""
+    taps = root_raised_cosine_taps(
+        RRC_ROLLOFF, samples_per_symbol(symbol_rate), RRC_SPAN_SYMBOLS
+    )
+    taps.flags.writeable = False
+    return taps
+
+
+def shape_packet(
+    frame: OfflineFrame,
+    symbol_rate: int = SYMBOL_RATE,
+    carrier_hz: float = NOMINAL_CARRIER_HZ,
+) -> np.ndarray:
+    """Формирует один IQ-пакет с защитными паузами, без канальных нарушений."""
+    if not np.isfinite(carrier_hz) or abs(carrier_hz) >= SAMPLE_RATE_HZ / 2:
+        raise ValueError("несущая должна лежать внутри полосы дискретизации")
+    if frame.modulation != "QPSK" or frame.rate != "2/3":
+        raise ValueError("VIDEO-005 использует QPSK и внутренний FEC 2/3")
+    shaped = upfirdn(rrc_taps(symbol_rate), frame.symbols, up=samples_per_symbol(symbol_rate))
+    envelope = np.pad(shaped, (GUARD_SAMPLES, GUARD_SAMPLES))
+    phase = 2 * np.pi * carrier_hz * np.arange(envelope.size) / SAMPLE_RATE_HZ
+    return (envelope * np.exp(1j * phase)).astype(np.complex64)
+
+
+def shape_stream(
+    frames: Sequence[OfflineFrame],
+    symbol_rate: int = SYMBOL_RATE,
+    carrier_hz: float = NOMINAL_CARRIER_HZ,
+) -> np.ndarray:
+    """Соединяет IQ-пакеты; приёмнику их границы не передаются."""
+    if not frames:
+        raise ValueError("пустой поток")
+    return np.concatenate(tuple(shape_packet(frame, symbol_rate, carrier_hz) for frame in frames))