Lab049: define ELRS control and SDR video architecture

docs/lab049_current_state.md

@@ -0,0 +1,219 @@
+# Lab049: отдельный ELRS для управления и SDR для видео
+
+Актуальная архитектурная постановка от 8 сентября 2026 года:
+**RadioMaster → штатный ELRS → CRSF → контроллер ровера** для управления и
+критической телеметрии; отдельный SDR — для изображений и объёмных данных.
+Будущие примерно 180 МГц относятся только к SDR; аппаратная лабораторная
+база остаётся 1400 МГц. Стандартный ELRS не объявляется работающим на 180 МГц.
+
+Подробный [аудит CRSF/ELRS, схема и контракт безопасности](lab049_crsf_elrs_architecture.md)
+сверен с официальным ExpressLRS 4.1.0. Модели аппаратуры пока не указаны,
+сопряжение контроллера с CRSF и сквозная безопасность не реализованы/не проверены.
+Сохраняются локальное торможение при потере управления, аварийная защёлка,
+защита от самовозобновления. Видео не обновляет таймер управления.
+
+Прежний общий CONTROL > TELEMETRY > VIDEO — исторический стресс-тест ниже.
+Его 20 CONTROL и 10 TELEMETRY в секунду **не резервируют ёмкость SDR**.
+Старые программные результаты и отрицательные вердикты сохранены.
+
+| SDR, ксимв/с | JPEG 8724 байта в идеале, кадры/с | Полезно, кбит/с |
+|---|---:|---:|
+| 20 | 0,09635 | 6,724 |
+| 50 | 0,24088 | 16,811 |
+| 100 | 0,48175 | 33,622 |
+| 200 | 0,96350 | 67,245 |
+
+Требуется **больше 3 кадров/с**: 3 — промежуточный минимум, 5 — следующий
+ориентир, 10 — дальнейший. Тот же JPEG в нынешнем PHY требует соответственно
+622,728 / 1037,880 / 2075,760 ксимв/с с защитными интервалами, без запаса на
+потери и объёмные данные. Только JPEG: 209,376 / 348,960 / 697,920 кбит/с.
+Штатная ELRS-телеметрия для такого видео недостаточна; официальные источники,
+расходы по ступеням, движение и бюджет полной задержки приведены в новом отчёте.
+
+Новый [расчётчик](../experiments/lab049_crsf_elrs_budget.py) создаёт отдельный
+[crsf_elrs_budget.json](../data/processed/lab049/crsf_elrs_budget.json),
+переиспользует существующие независимые замеры IQ по SHA и не запускает RF.
+Он считает ELRS-возможности слотов, не измеренную задержку стики→ровер.
+35 новых тестов бюджета проходят; quick_gate: 606 тестов и 13 функциональных
+проверок, полный pytest: 606 passed, git diff --check: PASS. Одно предупреждение
+pytest относится к доступу к `.pytest_cache`; ruff не установлен.
+Независимые verifier/adversary не обнаружили воспроизведённых расхождений.
+Подробности общих проверок — в записи 038.
+Следующий рекомендуемый Lab050: программное профилирование и потоковая
+обработка SDR-видео с ограничением возраста очереди; затем отдельное сопряжение CRSF.
+
+## Сохранённый независимый IQ-опыт и общий стресс-тест
+
+Актуальный программный результат от 8 сентября 2026 года: **полностью пригодного режима нет**.
+Максимальная проверенная скорость с точным JPEG в идеальном и фиксированном шумном сценариях —
+200 ксимв/с. Полный приёмник в шумном сценарии не успевает в реальном времени ни в одном режиме.
+Это результат одного воспроизводимого сценария, не универсальная оценка предела устойчивости BPSK.
+
+Для отдельного будущего диагностического PHY-опыта выбран **50 ксимв/с, 160 выборок/символ**:
+точный JPEG, полезная скорость в 2,5 раза выше базовой и наименьшая вычислительная перегрузка
+среди точных шумных проходов (1,3543). Он не готов к непрерывному объединённому каналу:
+блокировка 115,32 мс, перегрузка служебным трафиком и нарушенный аварийный срок.
+Это кандидат для диагностики, не разрешение RF. 100 ксимв/с лучше по блокировке, но требует
+3,60 длительности IQ для обработки; 200 ксимв/с — 7,32.
+
+## Аудит и исправления
+
+При входе в задачу Lab049 уже существовала без коммита. Старый результат сохранён как
+`data/processed/lab049/frame_aligned_result.json`; запись 036 журнала не переписана.
+Они измеряли заранее выровненные кадры без остаточного CFO. Новые данные —
+`data/processed/lab049/result.json` и идентичный `independent/result.json`.
+[Аудит](lab049_audit.md) содержит карту функций, проверку Lab033–Lab041 и воспроизведённые отказы.
+
+Основной RX получает целый IQ-поток без TX-границ, payload, объекта или ожидаемого числа кадров.
+Используются блочный поиск и строгий декодер Lab048: `lab046c_offline_recovery.stream_process_capture`.
+Сохранён порог Lab047 `0.030964473262429237`. Адаптер последовательно задаёт Rs/SPS и предоставляет
+чтение синтетического complex64; исходные константы и функции возвращаются через finally.
+Старый локальный `receive_iq_frame` остаётся для регрессий формы, основной проход его не использует.
+
+Fs = 8 000 000 выборок/с. Отношения Fs/Rs точные, дробные входы и нецелое samples/symbol
+отвергаются. BPSK, PRBS7, PHY header, packet/fragment, CRC, свёрточный FEC R=1/2 K=7
+(171/133 octal), tail bits и перемежитель сохранены. Новый планировщик не создан, protocol не изменён.
+
+## Канал и объект
+
+Один JPEG Lab047: 8724 байта, RGB 320×240, SHA-256
+`e913dab9ac32795250880a4be67fbbbf89a4f96536842476ab591d1acaafc02a`; без перекодирования.
+Каждый проход: JPEG → фрагменты → protocol packets → FEC → interleaver → BPSK/RRC →
+CS8-квантование → IQ → независимый поиск → CFO/фаза/полярность → PHY/FEC/CRC → сборка → JPEG decode.
+
+Идеальный канал не добавляет шум/CFO. Шумный: единый coded-bit Eb/N0=7 dB,
+seed=49000+номер кадра, остаточный CFO +10 Гц, фаза 0,73 рад и чередование полярности.
+Eb = sum(abs(IQ)**2)/число символов; sigma² каждой компоненты шума = Eb/(2×10**(7/10)).
+Нормировка одинакова во всех режимах, параметры не подбирались до PASS.
+Ведущий, межкадровые и конечный интервалы не кратны символу; фон имеет отдельные фиксированные seeds.
+После добавления шума IQ не переквантован в CS8, чтобы не отсекать шум.
+
+Кадр занимает 5766 символьных интервалов с фильтром и защитными интервалами; JPEG — 36 кадров.
+Длительность IQ включает ещё 0,079217625 с фона. Полезная скорость считается по чистому времени
+JPEG, отношение обработки — по всей длительности IQ. Измеряются поиск, декодирование, сборка и
+JPEG decode; генерация канала и TX-сравнение после вердикта исключены. Все восемь проходов
+завершились END_OF_STREAM. Первый пробный прогон с лимитами Lab046B 32/256 был неполным;
+итоговые результаты получены после перехода на полный блочный путь с независимыми лимитами 4096/100000.
+
+## Результаты IQ
+
+| Метрика | 20 ксимв/с | 50 ксимв/с | 100 ксимв/с | 200 ксимв/с |
+|---|---:|---:|---:|---:|
+| Выборок/символ | 400 | 160 | 80 | 40 |
+| Кадр, мс | 288.300 | 115.320 | 57.660 | 28.830 |
+| Кадров JPEG | 36 | 36 | 36 | 36 |
+| JPEG airtime, с | 10.37880 | 4.15152 | 2.07576 | 1.03788 |
+| Полезно, байт/с, идеал | 840.560 | 2101.399 | 4202.798 | 8405.596 |
+| Полезно, кбит/с, идеал | 6.724 | 16.811 | 33.622 | 67.245 |
+| Идеал: кадры / SHA | 36/36 / да | 36/36 / да | 36/36 / да | 36/36 / да |
+| Шум: кадры | 6/36 | 36/36 | 36/36 | 36/36 |
+| До FEC, принятые кадры | 67 | 147 | 119 | 125 |
+| После FEC, принятые кадры | 0 | 0 | 0 | 0 |
+| CRC PASS / FAIL | 6 / 0 | 36 / 0 | 36 / 0 | 36 / 0 |
+| Шум: JPEG SHA / decode | нет / нет | да / да | да / да | да / да |
+| Ошибки JPEG байт / бит | не восстановлен | 0 / 0 | 0 / 0 | 0 / 0 |
+| Обработка идеала, с | 8.73746 | 5.69848 | 7.36877 | 6.45915 |
+| Обработка шума, с | 173.65057 | 5.72980 | 7.76244 | 8.17573 |
+| Длительность IQ, с | 10.458018 | 4.230738 | 2.154978 | 1.117098 |
+| Обработка / IQ, шум | 16.604540 | 1.354327 | 3.602096 | 7.318724 |
+| Реальное время, шум | нет | нет | нет | нет |
+| Статус | FAIL | PARTIAL | PARTIAL | PARTIAL |
+
+На 20 ксимв/с 67 ошибок до FEC и 0 после относятся **только к шести принятым кадрам**.
+JPEG не восстановлен; полезная скорость целых JPEG в шумном проходе равна нулю.
+Остальные 30 кадров нельзя объявлять безошибочными. Проверено 2378 кандидатов, 2372
+отклонены на PHY header. На 50/100/200 проверено 59/237/474 кандидата.
+Кандидат, не достигший CRC, не записан как CRC FAIL. Причины сохранены в JSON.
+Порог и шум после отказов не менялись. Все идеальные проходы имеют ноль ошибок до/после FEC.
+
+Базовые 6,724 кбит/с согласуются с примерно 6,7 кбит/с Lab047. Выигрыш 2,5/5/10
+рассчитан по фактической форме и числу кадров, а не обещан заранее.
+Исторические аппаратные результаты Lab047/Lab048 не опровергнуты: здесь другой канал.
+
+## Планирование и задержки
+
+Переиспользован LATEST_STATE: EMERGENCY > CONTROL > TELEMETRY > VIDEO.
+Проверка даёт VIDEO(active) → EMERGENCY → CONTROL → TELEMETRY → VIDEO.
+Физический кадр не прерывается, но весь JPEG не удерживает канал.
+CONTROL — штатные 36 байт, 20 Гц (Lab041); TELEMETRY — синтетические 64 байта,
+10 Гц (Lab037–Lab041); EMERGENCY — штатный EmergencyStop, 34 байта, t=0,777 с.
+Служебная нагрузка генерируется 2 с. Запас VIDEO 256 пакетов не исчерпывается в этом окне.
+
+Каждый пакет модели занимает один полный PHY-кадр. Это модель занятости;
+упаковка LinkPacket в аппаратный 256-байтный PHY payload не реализована.
+Прикладные CONTROL/EMERGENCY сохраняют точные сериализованные байты.
+Задержки не включают программное время RX, потери, повторы и привод; это не гарантия
+времени физического торможения. Блокировка — остаток начатого VIDEO;
+доставка EMERGENCY в худшей фазе — почти два кадра, включая саму команду.
+Старое поле deadline в priority_probe сохранено как совместимое поле блокировки
+с явным scope; классификация использует новый delivery flag.
+
+| Метрика | 20 ксимв/с | 50 ксимв/с | 100 ксимв/с | 200 ксимв/с |
+|---|---:|---:|---:|---:|
+| CONTROL max VIDEO blocking, мс | 288.30 | 115.32 | 57.66 | 28.83 |
+| EMERGENCY max VIDEO blocking, мс | 288.30 | 115.32 | 57.66 | 28.83 |
+| EMERGENCY worst delivery, мс | 576.60 | 230.64 | 115.32 | 57.66 |
+| CONTROL blocking <100 / <50 мс | нет / нет | нет / нет | да / нет | да / да |
+| EMERGENCY delivery ≤50 мс | нет | нет | нет | нет |
+
+Доставка **в активном окне 0–2 с**, min / median / max, мс. Заменённые и ещё не доставленные состояния сюда не входят:
+
+| Метрика | 20 ксимв/с | 50 ксимв/с | 100 ксимв/с | 200 ксимв/с |
+|---|---:|---:|---:|---:|
+| CONTROL | 289.90 / 303.20 / 316.50 | 116.92 / 136.28 / 162.88 | 58.84 / 82.03 / 105.64 | 30.01 / 43.94 / 61.07 |
+| EMERGENCY | 376.20 / 376.20 / 376.20 | 145.56 / 145.56 / 145.56 | 87.90 / 87.90 / 87.90 | 30.24 / 30.24 / 30.24 |
+| TELEMETRY | нет доставленных | нет доставленных | нет доставленных | 33.84 / 45.54 / 89.69 |
+| VIDEO | 288.30 / 288.30 / 288.30 | 115.32 / 115.32 / 115.32 | 57.66 / 57.66 / 57.66 | 28.83 / 850.49 / 1845.12 |
+
+Доставка **до полного опустошения очереди**, отдельно от активной нагрузки:
+
+| Метрика | 20 ксимв/с | 50 ксимв/с | 100 ксимв/с | 200 ксимв/с |
+|---|---:|---:|---:|---:|
+| CONTROL, мс | 289.90 / 303.20 / 331.40 | 116.92 / 139.48 / 216.08 | 58.84 / 83.84 / 105.64 | 30.01 / 43.73 / 61.07 |
+| EMERGENCY, мс | 376.20 / 376.20 / 376.20 | 145.56 / 145.56 / 145.56 | 87.90 / 87.90 / 87.90 | 30.24 / 30.24 / 30.24 |
+| TELEMETRY, мс | 644.70 / 644.70 / 644.70 | 356.40 / 356.40 / 356.40 | 183.42 / 183.42 / 183.42 | 33.84 / 45.54 / 89.69 |
+| VIDEO, мс | 288.30 / 39352.95 / 76111.20 | 115.32 / 17009.70 / 31713.00 | 57.66 / 9485.07 / 16836.72 | 28.83 / 5434.46 / 9110.28 |
+| Конец опустошения, с | 76.11120 | 31.71300 | 16.83672 | 9.11028 |
+| Превышения CONTROL / EMERGENCY | 6 / 1 | 17 / 1 | 6 / 1 | 0 / 0 |
+
+Очередь заменяет старое ожидающее состояние, но не удаляет пакет по deadline.
+На 20/50/100 за активные 2 с доставлено 0 TELEMETRY. У 200 конкретная EMERGENCY
+доставлена за 30,24 мс, но худшая фаза 57,66 мс всё равно нарушает срок 50 мс.
+
+## Исторический бюджет единого канала — не бюджет целевой архитектуры
+
+Прикладные CONTROL/TELEMETRY: 5760/5120 бит/с; вместе с LinkPacket до PHY —
+10880/7680 бит/с. Физическая стоимость: 20/10 полных кадров/с, или
+**115320/57660 символьных интервалов в секунду** BPSK, включая всю форму.
+Эту стоимость нельзя прямо вычитать из JPEG-бит/с: остаток считается через время эфира.
+JSON-поля reserved_link_bps 46080/23040 относятся к внутренним 288-байтным
+представителям планировщика, а не к физическому кодированному потоку.
+
+| Метрика | 20 ксимв/с | 50 ксимв/с | 100 ксимв/с | 200 ксимв/с |
+|---|---:|---:|---:|---:|
+| CONTROL, запрошено % эфира | 576.60 | 230.64 | 115.32 | 57.66 |
+| TELEMETRY, запрошено % эфира | 288.30 | 115.32 | 57.66 | 28.83 |
+| EMERGENCY, событие/2с, % эфира | 14.415 | 5.766 | 2.883 | 1.442 |
+| VIDEO после C+T, кбит/с | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 9.085 |
+| Теоретические JPEG/с после C+T | 0.00000 | 0.00000 | 0.00000 | 0.13017 |
+| VIDEO после C+T+E, кбит/с | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 8.115 |
+
+Процент больше 100 означает перегрузку, а не фактически переданные данные.
+Только 200 оставляет VIDEO: 9,085 кбит/с и около 0,1302 JPEG/с;
+с одной EMERGENCY за 2 с — 8,116 кбит/с. Это потенциал модели, не видеопоток:
+вычислительная перегрузка и аварийный срок остаются.
+
+## Проверки предыдущего IQ-этапа
+
+Независимые verifier/adversary воспроизвели прежние отказы и подтвердили исправления.
+Verifier: 24 целевых теста PASS, независимый пересчёт JSON совпал.
+Adversary: правильный отрицательный аварийный вердикт и отдельное активное окно.
+
+- python tools/quick_gate.py: PASS, 571 тест ядра, 12 функциональных проверок.
+- python -m pytest tests/ -q: 571 passed, 0 failed; одно предупреждение о запрете записи .pytest_cache.
+- git diff --check: PASS.
+
+RF TX = 0. HackRF не запускался. Git add/commit/push/pull/fetch не выполнялись.
+STOP. Следующий этап требует отдельной постановки: вычислительная перегрузка,
+бюджет и задержки перед аппаратным опытом. QPSK, новый FEC, реальное видео и
+переход на 180 МГц в этой работе не выполнялись.