Files

LittleSam129 3d14c75365 Lab042: add hardware loopback specification

Specification for the first transmission through real hardware. The
project has no TX call anywhere across Lab001-Lab041, so the whole chain
exists but has never been connected to a transmitter.

Scope is deliberately minimal: get a JPEG through a cable loopback on a
single PlutoSDR and see the picture. Single device means TX and RX share
a reference clock, which removes the carrier offset and clock drift that
the receiver chain handles weakest.

- reuse Lab018 signal parameters unchanged, so hardware is the only new
  variable
- reuse image_fragments, packet, build_radio_frame, find_radio_frame
- list the first-time traps: cyclic TX buffer, sample scaling, RX started
  after TX, undersized RX buffer, automatic gain, receiver saturation
- define acceptance criteria and required measurements
- state explicitly what is out of scope: retransmission, erasure coding,
  higher rate, two devices, over-the-air

Co-Authored-By: Claude Opus 5 <noreply@anthropic.com>

2026-08-10 11:39:39 +03:00

17 KiB

Raw Blame History

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 `tests/lab007_image_fragmentation.py`
Пакет с CRC32, кодирование и разбор	`protocol/packet.py`
Подбор размера и качества JPEG	`tests/lab010_image_optimization.py`, готовые профили в `data/processed/lab010`
Формирование радиокадра с преамбулой и маркером	`build_radio_frame` в `tests/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 `tests/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	`tests/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. Требования безопасности

Обязательны к исполнению. Это правило 8 проекта, оно не формальное.

Выход передатчика соединяется с входом приёмника только кабелем через аттенюатор. Рекомендуемое ослабление 30 дБ.
Антенну на передатчик не подключать. Выход в эфир в этой лабораторной не выполняется ни при каких условиях.
Передатчик не включать при отключённом кабеле: выход без нагрузки вреден для оконечного каскада.
Усиление передатчика начинать с минимального и поднимать только при необходимости.

5. Параметры тракта

Все значения взяты из Lab018 и менять их в этой лабораторной запрещено. Причина: 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	32	`SAMPLES_PER_SYMBOL`, Lab018
Частота дискретизации	640 000 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

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

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	640 000	совпадает с трактом
Полоса радиочастотного тракта	200 000 Гц	минимум Pluto, сигнал занимает около 27 кГц
Усиление передатчика	начать с −40 дБ	допустимый диапазон от −89 до 0
Режим усиления приёмника	`manual`	автоматика мешает измерениям
Усиление приёмника	начать с 20 дБ	подобрать по амплитуде
Циклический буфер передачи	выключен	см. раздел 7

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.

6. Порядок работы

Передающая сторона

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

Приёмная сторона

Запустить приём до начала передачи.
Найти кадры через find_radio_frame.
Скорректировать фазу и частоту.
Демодулировать, разобрать кадр, проверить CRC32.
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.

7. Ловушки, на которых спотыкаются в первый раз

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

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.
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.
Приём запущен после передачи. Начало кадра теряется, преамбула не находится. Признак: find_radio_frame не срабатывает при заведомо исправном сигнале.
Размер приёмного буфера меньше кадра. Кадр не помещается целиком, поиск преамбулы срывается. Буфер должен вмещать кадр с запасом минимум вдвое.
Автоматическая регулировка усиления приёмника. Меняет амплитуду в процессе и портит оценку. Режим должен быть ручным.
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.
Переходный процесс в начале передачи. Первые несколько десятков отсчётов недостоверны. Поэтому в тракте есть защитный интервал в 16 символов — его нельзя убирать.

8. Что считается выполненной работой

Лабораторная принимается, если выполнено всё перечисленное.

Обязательный результат

Файл принятого изображения на диске, открывающийся просмотрщиком.
Принятое изображение совпадает с переданным при отсутствии потерь — сравнение по контрольной сумме всего файла.
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	из состава схемы

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: tests/lab042_pluto_image_loopback.py, запуск через python -m tests.lab042_pluto_image_loopback из корня проекта.

9. 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.
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.

10. Порядок приёмки

Исполнитель выполняет работу и сообщает о готовности.
Проверяется python tools/quick_gate.py — должен проходить.
Проводится аудит: соответствие разделу 8, отсутствие вписанных результатов, происхождение каждого числа в отчёте.
При наличии замечаний они оформляются списком с указанием файла и строки.
После приёмки в PROJECT_LOG.md добавляется новая запись по принятому в проекте образцу.

11. 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.
Повышение скорости, исправление стираний и передача последовательности кадров — после того, как картинка устойчиво проходит.

17 KiB Raw Blame History Unescape Escape