SDR-Rover/docs/lab042_hardware_loopback_spec.md

Lab042 — техническое задание

Передача JPEG через настоящий радиотракт: кабельная петля на одном PlutoSDR

Документ предназначен для исполнителя, не участвовавшего в предыдущих лабораторных. Всё, что нужно для работы, изложено здесь.

---

1. Зачем эта лабораторная

За Lab001–Lab041 собран весь тракт передачи изображения, кроме одного звена: передатчик ни разу не включался. Во всём проекте нет ни одного вызова передачи через SDR.

Цель Lab042 — соединить уже готовые части и получить изображение, прошедшее через настоящий радиотракт. Не улучшить, не оптимизировать, не измерить дальность. Получить картинку на выходе.

Всё, что не требуется для этой цели, в Lab042 не делается.

---

2. Что уже готово и должно быть переиспользовано

Ничего из перечисленного писать заново не нужно.

Звено	Где взять
Разбиение JPEG на фрагменты и сборка обратно	protocol/image_fragments.py, примеры в experiments/lab007_image_fragmentation.py
Пакет с CRC32, кодирование и разбор	protocol/packet.py
Подбор размера и качества JPEG	experiments/lab010_image_optimization.py, готовые профили в data/processed/lab010
Формирование радиокадра с преамбулой и маркером	build_radio_frame в experiments/lab018_bpsk_radio_frame.py
Фильтр приподнятого косинуса	root_raised_cosine_taps там же
Модуляция BPSK	bpsk_modulate там же
Поиск кадра в потоке отсчётов	find_radio_frame в experiments/lab019_bpsk_receiver.py
Оценка и коррекция ухода частоты	estimate_carrier_parameters, correct_phase_and_frequency там же
Демодуляция и разбор кадра	bpsk_demodulate, decode_radio_frame там же
Работа с Pluto на приём	experiments/lab024a_pluto_rx_capture.py

Единственное, чего нет в проекте — передача. Это и есть основной объём работы.

---

3. Почему петля на одном устройстве, а не два устройства

Передатчик и приёмник одного PlutoSDR работают от общего опорного генератора. Поэтому между ними практически нет ухода несущей частоты и не расходятся часы.

Это снимает ровно те две проблемы, которые в проекте проработаны слабее всего, и позволяет получить картинку сразу. Разведение на два устройства — отдельная лабораторная Lab043, там появится настоящий уход частоты, и вот там понадобятся наработки Lab021–Lab023.

Не пытайтесь сделать Lab042 и Lab043 одной работой. Разница между ними — вся сложность синхронизации.

---

4. Наличное оборудование

Подтверждено по состоянию на 10 августа 2026 года.

Позиция	Состояние
Pluto+ — SDR, 2 приёмника и 2 передатчика, гигабитный Ethernet	есть
RTL-SDR — приёмный донгл	есть, понадобится в Lab043
Кабели SMA	будут найдены
Антенны: штыревые на магнитном основании, короткая штыревая	есть, в Lab042 не используются
Рамочная антенна Donut AM (0,5–2 МГц)	к проекту отношения не имеет
Аттенюатор AT30S, 30 дБ, до 200 Вт, разъёмы SMA	есть

Аппаратных препятствий к началу работы нет. Запас по мощности у аттенюатора избыточен на много порядков — рассчитан на передатчики в сотни ватт, а у нас доли милливатта, — но это никак не мешает: ослабление от уровня сигнала не зависит.

Важно: устройство — Pluto+, а не оригинальный ADALM-PLUTO. Отличия, которые имеют значение:

• связь по Ethernet, а не по USB; адрес ip:192.168.2.1 уже подтверждён работой Lab024a;
• два приёмных и два передающих канала; в Lab042 используется только первый канал каждого;
• вопреки надписи на корпусе, устройство сообщает о себе как Analog Devices PlutoSDR Rev.C (Z7010-AD9361) и представлено одним приёмным и одним передающим каналом: буферные устройства cf-ad9361-lpc и cf-ad9361-dds-core-lpc несут по паре каналов I и Q. Поэтому класс adi.Pluto подходит, переход на adi.ad9361 не требуется;
• чип AD9361, а не урезанный AD9363. Диапазон перестройки приёмника от 70 МГц до 6 ГГц, передатчика от 46,9 МГц до 6 ГГц. Целевой диапазон проекта ниже 350 МГц устройству доступен штатно, без доработки прошивки. Для Lab044 это снимает ранее открытый вопрос;
• прошивка v0.32-1-g7bdc-dirty, ядро 4.19. Обновление в рамках Lab042 не выполняется.

5. Требования к схеме и сохранности оборудования

Разрешения на работу в эфире у владельца проекта есть, вопрос законности здесь не рассматривается. Перечисленное ниже защищает оборудование и чистоту опыта.

1. Антенны убрать со стола до начала работы. Причина техническая: антенна на передатчике или приёмнике создаёт паразитный путь распространения параллельно кабельному. Уровень на входе приёмника перестаёт соответствовать расчёту, появляется переотражённый сигнал, и при отказе будет невозможно понять, что именно не сработало. Кабельная петля ценна тем, что в ней известно всё; антенна это свойство разрушает.
2. Передатчик не включать при отключённом кабеле: выход без нагрузки вреден для оконечного каскада.
3. Аттенюатор AT30S включается в разрыв между выходом передатчика и входом приёмника. Не параллельно, не на свободный порт — именно последовательно в тракт.
4. Перед первым включением передатчика убедиться глазами, что аттенюатор действительно в цепи. Это единственное, что стоит между опечаткой в настройке усиления и сгоревшим приёмником.

Расчёт уровней

Величина	Значение
Выход передатчика Pluto+ при усилении 0 дБ	около +7 дБм
Предельно допустимый уровень на входе приёмника	около +2,5 дБм
Ослабление аттенюатора	30 дБ
Уровень на входе приёмника при усилении 0 дБ	около −23 дБм

Вывод: с аттенюатором в разрыве весь диапазон tx_hardwaregain_chan0 от −89 до 0 дБ безопасен для приёмника. Запас до порога повреждения составляет более 25 дБ даже в самом худшем случае.

Порядок подбора усиления:

1. Начать с tx_hardwaregain_chan0 = -30. Это даёт около −53 дБм на входе приёмника — заведомо чистый и заведомо безопасный уровень.
2. Если сигнал слишком слаб, поднимать шагами по 10 дБ.
3. Если созвездие разваливается при сильном сигнале — это насыщение приёмника, лечится уменьшением усиления, а не увеличением.

Без аттенюатора работать запрещено даже при малом усилении: защита нужна не от расчётного уровня, а от ошибки оператора.

---

6. Программное окружение: препятствие, которое надо снять первым

Проверка окружения 10 августа 2026 года показала следующее.

Интерпретатор, доступный в командной строке — C:\Users\user\AppData\Local\Programs\Python\Python313\python.exe, версия 3.13.1. В нём отсутствуют pyadi-iio и libiio, то есть работать с Pluto+ из него невозможно. Также отсутствует scipy, который нужен лабораторным Lab020–Lab022, Lab024b и Lab025.

При этом Lab024a когда-то отработала с настоящим устройством. Значит, существует второе окружение — по всей видимости, среда Anaconda, — где всё установлено, и запуск шёл оттуда.

Первое действие исполнителя: определить, в каком окружении запускаются лабораторные, и зафиксировать это. Пока это не сделано, невозможно ни повторить Lab024a, ни начать Lab042.

Требуется:

1. Найти окружение, где установлены pyadi-iio и libiio, и проверить связь с устройством.
2. Записать в отчёт: путь к интерпретатору, версию Python, версии pyadi-iio и libiio.
3. Если такого окружения нет — установить pyadi-iio и libiio, зафиксировав версии.

Расчётные лабораторные, включая Lab041, в окружении без pyadi-iio запускаются нормально — им нужны только numpy, matplotlib и opencv. Разделение аппаратных и расчётных зависимостей относится к этапу стабилизации и в Lab042 не решается, но результат проверки надо записать: он понадобится при составлении описания окружения.

---

7. Параметры тракта

Значения тракта взяты из Lab018 и менять их в этой лабораторной запрещено, за единственным исключением, описанным сразу под таблицей. Причина запрета: переход на железо сам по себе вносит достаточно неизвестных. Менять одновременно и параметры сигнала — значит потерять возможность понять причину отказа.

Параметр	Значение	Источник
Символьная скорость	20 000 симв/с	SYMBOL_RATE, Lab018
Отсчётов на символ	128	изменено против Lab018, см. ниже
Частота дискретизации	2 560 000 Гц	произведение двух предыдущих
Скругление фильтра	0,35	RRC_ROLLOFF, Lab018
Длина фильтра	10 символов	RRC_SPAN_SYMBOLS, Lab018
Преамбула	64 бита	PREAMBLE_BIT_COUNT, Lab018
Слово синхронизации	0xD391	RADIO_SYNC_WORD, Lab018
Защитный интервал	16 символов	GUARD_SYMBOL_COUNT, Lab018
Амплитуда передачи	0,70	TX_AMPLITUDE, Lab018

Обязательное отступление от Lab018: частота дискретизации

Опрос устройства 10 августа 2026 года показал, что минимальная частота дискретизации AD9361 составляет 2 083 333 Гц. Частота 640 000 Гц из Lab018 физически недостижима: она втрое ниже предела. Понизить её можно только включением встроенного КИХ-фильтра с прореживанием, что добавляет к первому включению передатчика ещё один непроверенный механизм.

Принято решение поднять число отсчётов на символ с 32 до 128. Тогда:

• символьная скорость остаётся 20 000 симв/с, как в Lab018;
• скругление, длина фильтра, преамбула, слово синхронизации и защитный интервал — без изменений;
• частота дискретизации становится 20 000 × 128 = 2 560 000 Гц, что выше минимума с запасом.

Меняется только степень передискретизации — величина, относящаяся к стыку с устройством, а не к самому сигналу. Форма спектра, скорость и структура кадра остаются теми же, что проверены в Lab018–Lab023. Это единственное разрешённое расхождение с Lab018, и оно вынужденное.

Полезная скорость получается около 20 кбит/с. Для картинки в несколько килобайт это единицы секунд. Этого достаточно: цель — картинка, а не скорость.

Побочное следствие: фильтр приподнятого косинуса при 128 отсчётах на символ и длине 10 символов получается на 1281 отвод. Свёртку следует выполнять через быстрое преобразование Фурье (scipy.signal.fftconvolve), иначе формирование сигнала займёт недопустимо много времени.

Параметры PlutoSDR

Параметр	Значение	Примечание
Адрес устройства	ip:192.168.2.1	как в Lab024a
Несущая передачи и приёма	435 МГц	обе одинаковые
Частота дискретизации	2 560 000	совпадает с трактом, минимум устройства 2 083 333
Полоса радиочастотного тракта	200 000 Гц	минимум Pluto, сигнал занимает около 27 кГц
Усиление передатчика	начать с −30 дБ	с аттенюатором безопасен весь диапазон, см. раздел 5
Режим усиления приёмника	manual	автоматика мешает измерениям
Усиление приёмника	начать с 20 дБ	подобрать по амплитуде
Циклический буфер передачи	выключен	см. раздел 9, ловушка 1

Про несущую: 435 МГц выбрана потому, что нижняя граница PlutoSDR составляет около 325 МГц, а целевой диапазон проекта ниже 350 МГц находится у самого края. Поскольку передача идёт по кабелю и в эфир не выходит, выбор частоты здесь ни на что не влияет. Вопрос рабочего диапазона решается отдельно перед Lab044.

---

8. Порядок работы

Передающая сторона

1. Взять исходное изображение из data/raw, привести к профилю из Lab010 так, чтобы JPEG получился не крупнее 5 КБ.
2. Разбить на фрагменты через protocol/image_fragments.py.
3. Каждый фрагмент упаковать в пакет с CRC32 через protocol/packet.py.
4. Каждый пакет обернуть в радиокадр через build_radio_frame.
5. Промодулировать BPSK и отфильтровать.
6. Привести к целым числам и передать.

Приёмная сторона

1. Запустить приём до начала передачи.
2. Найти кадры через find_radio_frame.
3. Скорректировать фазу и частоту.
4. Демодулировать, разобрать кадр, проверить CRC32.
5. Собрать изображение из уцелевших фрагментов и сохранить на диск.

Приём и передача идут в одном процессе. Приём запускается первым — иначе начало первого кадра теряется безвозвратно.

---

9. Ловушки, на которых спотыкаются в первый раз

Перечислено то, что почти наверняка будет сделано неправильно без предупреждения.

1. Циклический буфер передачи. У PlutoSDR буфер передачи по умолчанию повторяется бесконечно. Кажется, что передан один кадр, а передаётся бесконечный поток. Признак: приёмник видит тысячи копий одного кадра, а передача не заканчивается. Буфер надо явно выключить и явно освобождать после передачи.

2. Масштаб отсчётов. PlutoSDR принимает целые числа, а не дробные значения от минус единицы до единицы. Готовый сигнал надо умножить на масштабный множитель, обычно 2 в степени 14. Признак ошибки: передаётся почти тишина, приёмник ничего не находит.

3. Приём запущен после передачи. Начало кадра теряется, преамбула не находится. Признак: find_radio_frame не срабатывает при заведомо исправном сигнале.

4. Размер приёмного буфера меньше кадра. Кадр не помещается целиком, поиск преамбулы срывается. Буфер должен вмещать кадр с запасом минимум вдвое.

5. Автоматическая регулировка усиления приёмника. Меняет амплитуду в процессе и портит оценку. Режим должен быть ручным.

6. Насыщение приёмника. При слишком слабом ослаблении сигнал упирается в потолок и созвездие разваливается, хотя уровень кажется отличным. Признак: демодуляция не работает при очень сильном сигнале. Лечится увеличением ослабления, а не усилением.

7. Переходный процесс в начале передачи. Первые несколько десятков отсчётов недостоверны. Поэтому в тракте есть защитный интервал в 16 символов — его нельзя убирать.

---

10. Что считается выполненной работой

Лабораторная принимается, если выполнено всё перечисленное.

Обязательный результат

1. Файл принятого изображения на диске, открывающийся просмотрщиком.
2. Принятое изображение совпадает с переданным при отсутствии потерь — сравнение по контрольной сумме всего файла.
3. Работа воспроизводится: два запуска подряд дают одинаковый успешный результат.

Обязательные измерения

Величина	Как получить
Размер переданного JPEG, байт	из файла
Число фрагментов и пакетов	из разбиения
Число принятых кадров	счётчик приёмника
Число кадров, не прошедших CRC32	счётчик приёмника
Доля успешно принятых фрагментов	отношение
Полное время передачи, секунды	измерение
Фактическая полезная скорость, кбит/с	расчёт из двух предыдущих
Усиление передатчика и приёмника	из настроек устройства
Ослабление аттенюатора, дБ	30, AT30S

Обязательные файлы в data/processed/lab042

• принятое изображение;
• CSV с измерениями из таблицы выше;
• текстовый отчёт;
• график созвездия принятого сигнала;
• график спектра принятого сигнала.

Требования к коду

• Ничего из protocol/ не переписывать. Только использовать.
• Параметры тракта из раздела 5 не менять.
• Все константы вынести в начало файла с указанием источника, как это сделано в Lab041.
• Никаких вписанных руками результатов: каждое число в отчёте должно вычисляться из измерений текущего запуска. Это отдельно проверяется при приёмке.
• Файл лабораторной: experiments/lab042_pluto_image_loopback.py, запуск через python -m experiments.lab042_pluto_image_loopback из корня проекта.

---

11. Что в этой лабораторной делать не надо

Перечислено, чтобы не расширять объём.

• Не реализовывать повторную передачу потерянных фрагментов. Потери фиксируются, но не восстанавливаются.
• Не подключать исправление стираний из protocol/packet_erasure_fec.py.
• Не поднимать скорость и не менять модуляцию.
• Не выходить в эфир и не подключать антенну. Это вопрос не разрешений, а объёма: эфирная передача — предмет Lab044, и смешивать её с первым включением передатчика нельзя.
• Не работать с двумя устройствами.
• Не трогать логику сеансов, аварийной остановки и приоритетов — она к передаче картинки отношения не имеет.

Всё это относится к последующим лабораторным.

---

12. Порядок приёмки

1. Исполнитель выполняет работу и сообщает о готовности.
2. Проверяется python tools/quick_gate.py — должен проходить.
3. Проводится аудит: соответствие разделу 10, отсутствие вписанных результатов, происхождение каждого числа в отчёте.
4. При наличии замечаний они оформляются списком с указанием файла и строки.
5. После приёмки в PROJECT_LOG.md добавляется новая запись по принятому в проекте образцу.

---

13. Что дальше

• Lab043 — разведение на два устройства: передаёт PlutoSDR, принимает RTL-SDR. Появляется настоящий уход несущей частоты и расхождение часов. Здесь понадобятся Lab021–Lab023.
• Lab044 — выбор рабочего диапазона и первый выход в эфир на малой мощности. Разрешения имеются, поэтому вопрос сводится к техническому выбору диапазона, мощности и антенны.
• Повышение скорости, исправление стираний и передача последовательности кадров — после того, как картинка устойчиво проходит.