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.