Lab048: профилирование и ускорение автономного BPSK-приёмника

Состояние

Lab048 завершена успешно только на сохранённой аппаратной RX-записи Lab047. Новый радиосеанс не выполнялся: RF TX = 0, HackRF не запускался. Научные критерии обнаружения и принятия кадра, BPSK, PRBS7, PHY, FEC, CRC, формат пакета и порог 0.030964473262429237 не изменены.

Итоговая обработка 15,0 с эфира занимает 13,966058 с. Это в 2,679633 раза быстрее исходных 37,423910 с и впервые быстрее длительности самой записи: отношение времени обработки к времени эфира равно 0,931071.

Исходная контрольная точка

Использована та же запись: C:\Users\user\Documents\SDR_Rover_Lab047_raw\20260903_115747\rx_stream.cs8. Размер — 240000000 байт, 120000000 комплексных отсчётов, длительность 15,0 с, SHA-256 8521bf1b574cd1fe4e0a4f980c00c8664f8bb51551a241e46449e1eb2c77e635.

Принятые до оптимизации метрики Lab047:

полное время: 37,423910 с;
строгая ступень: 32,459969 с;
среднее время строгой проверки: 0,470434 с;
строгих кандидатов: 69;
приблизительный пик памяти: 1545755352 байта, около 1,44 ГиБ;
действительных кадров: 36;
CRC PASS/FAIL: 36/0;
полный JPEG, SHA-256 совпадает, ошибок байтов и битов нет.

Базовое профилирование

До изменения кода выполнен один полный проход под cProfile. Он сохранил 185828 локальных максимумов, 32414 кандидатов первого каскада, 69 строгих проверок, 36 действительных кадров, CRC PASS/FAIL 36/0 и точный JPEG. Накладные расходы профилировщика увеличили полное время до 45,947287 с, поэтому коэффициент ускорения считается относительно принятого измерения без профилировщика 37,423910 с.

Десять функций по суммарному времени:

Функция	Вызовы	Суммарно, с
`_run_with_fixed_candidate_rule`	1	45,945
`stream_process_capture`	1	45,930
`decode_candidate_from_memmap`	69	40,912
`_extract_soft_window`	105	25,697
`_matched_waveform`	105	21,199
`fftconvolve`	252	13,660
`_freq_domain_conv`	252	12,811
`__ua_function__` FFT	756	11,889
`root_raised_cosine_taps`	175	11,885
`_execute_nD` FFT	756	11,881

Десять функций по собственному времени:

Функция	Вызовы	Собственное время, с
`scipy.fft c2c`	756	11,222
`_matched_waveform`	105	5,704
`numpy.isclose`	1400175	5,407
`upfirdn.apply_filter`	9	3,171
`_timing_offsets`	105	2,859
`root_raised_cosine_taps`	175	2,306
`_scale_and_carrier`	70	1,801
генератор `numpy.isclose`	7000875	1,160
`_cs8_window`	113	1,105
`_freq_domain_conv`	252	0,917

Профиль показал повторное формирование одной опорной преамбулы 70 раз и одинаковых RRC-коэффициентов 175 раз. Согласованный фильтр вызывался 105 раз: 69 коротких окон для PHY и 36 полных окон. Временная синхронизация выполняла 1601 Python-итерацию для каждого окна. Витерби занимал лишь 0,875 с на все 36 кадров, CFO/фаза — 0,054 с на 105 вызовов, PHY-заголовок — 0,006 с. Поэтому FEC, CFO, фаза, PHY и CRC не оптимизировались.

Выполненные оптимизации

Изменены только вычислительные детали приёмника:

Опорная PRBS7-преамбула формируется один раз, кэшируется и защищается от записи.
RRC-коэффициенты формируются один раз, хранятся как неизменяемый float32.
Та же полная линейная RRC-свёртка вычисляется методом overlap-add (oaconvolve) вместо единой FFT (fftconvolve).
Неизменяемые векторы переноса несущей кэшируются по началу и длине окна; кэш ограничен четырьмя записями.
Рабочие массивы согласованного фильтра переведены с complex128 на complex64. Максимальное абсолютное расхождение с прежним фильтром на проверочном шумовом массиве равно 1,263e-6, менее 5e-7 от пика.
Преамбульная временная синхронизация считает те же 1601 нормированные оценки группами по 400 фазам и не вычисляет второй идентичный набор оценок.

Прямой тест прежнего fftconvolve/complex128 и нового oaconvolve/complex64 требует абсолютное расхождение не более 2e-6 и отношение максимального расхождения к пику менее 5e-7. Отдельные тесты подтверждают точность и неизменяемость кэшей, ограничение их размера, тот же timing offset и отсутствие TX/expected-frame параметров у независимого API. Существующие сквозные тесты защищают те же PHY, FEC, CRC и полезные данные.

Единственный итоговый полный проход

После программного шлюза выполнен один итоговый полный проход той же записи. Первый вызов нового командного файла завершился до импорта проекта из-за отсутствующего загрузочного пути: RX не открывался и файл-свидетель не был создан. После исправления загрузочного блока выполнен ровно один фактический полный проход; автоматического повтора нет.

Независимая стадия не получала ожидаемое число кадров, TX offsets, номера TX-фрагментов, переданный JPEG, пакеты или кодированные биты. Только после completed = true и OBJECT COMPLETE = YES выполнена диагностическая сверка с TX.

Результат:

полное время: 13,966058 с;
грубый поиск: 4,776677 с;
строгая ступень: 9,171629 с;
среднее время строгой проверки: 0,132922 с;
ускорение полного прохода: 2,679633 раза;
отношение обработки к длительности эфира: 0,931071;
REAL-TIME CAPABLE = YES;
локальных максимумов: 185828;
кандидатов первого каскада: 32414;
строгих проверок: 69;
пропущено внутри уже принятых областей: 32345;
точных дубликатов: 0;
PHY-заголовок PASS/FAIL: 36/33;
FEC attempts/PASS/FAIL: 36/36/0;
CRC PASS/FAIL: 36/0;
действительных кадров и фрагментов: 36/36;
отсутствующих фрагментов: 0;
OBJECT COMPLETE = YES.

Только после независимого вердикта подтверждены 36/36 переданных кадров, 19 ошибок кодированных бит до FEC, 0 ошибок протокольных бит после FEC и 0 ложных CRC PASS. Восстановленный JPEG имеет 8724 байта, RGB 320 x 240, декодируется Pillow и имеет SHA-256 e913dab9ac32795250880a4be67fbbbf89a4f96536842476ab591d1acaafc02a. SHA-256 переданного файла совпадает; ошибочных байтов 0, ошибочных битов 0.

Время стадий после оптимизации

Измерения вложенных функций пересекаются по времени:

Стадия	Вызовы	Суммарно, с
преобразование CS8 в `complex64`	113	1,487798
уточнение начала	69	3,121533
согласованный фильтр	105	3,282575
временная синхронизация	105	1,270783
CFO, фаза и мягкие решения	105	0,042236
PHY-заголовок	105	0,004111
FEC, разбор пакета и CRC	36	0,645559
Витерби	36	0,627109

Следующее узкое место верхнего уровня — грубый поиск, 4,776677 с. Внутри строгой ступени сопоставимы согласованный фильтр, 3,282575 с, и уточнение начала, 3,121533 с. Запас реального времени пока мал: около 1,03 с на 15 с эфира.

Память

Консервативная пиковая оценка осталась 1545755352 байта, около 1,44 ГиБ, поскольку максимум создаёт неизменённая обработка 16-миллионного блока грубого поиска. Крупнейшие явно управляемые массивы:

Назначение	dtype	shape	MiB
окно грубого поиска	`complex64`	16000000	122,070
прореженный поток	`complex64`	800000	6,104
вектор переноса грубого поиска	`complex64`	800000	6,104
оценки корреляции	`float32`	773561	2,951
полное строгое окно	`complex64`	2306400	17,596
кэшированный вектор несущей	`complex64`	2306400	17,596
основная полоса строгого окна	`complex64`	2306400	17,596
выход согласованного фильтра	`complex64`	2310400	17,627
RRC-коэффициенты	`float32`	4001	0,015

Переход строгой ступени с complex128 на complex64 уменьшил её рабочие массивы, но не общий пик всего процесса. Уменьшение блока грубого поиска в Lab048 не выполнялось, чтобы не менять блочные границы и результаты детектора.

Артефакты

experiments/lab048_receiver_performance.py;
tests/test_lab048_receiver_performance.py;
data/processed/lab048/final_processing_attempt.json;
data/processed/lab048/result.json;
data/processed/lab048/recovered_image.jpg.

Файл cProfile сохранён только как временный локальный профиль вне проекта: C:\Users\user\AppData\Local\Temp\lab048_baseline_20260903_6fb7e4e.pstats.

Проверки

связанные тесты после поэтапных изменений: 169 passed;
python tools/quick_gate.py: 547 тестов и 11 функциональных проверок, PASS;
python -m pytest tests/ -q: 547 passed, 0 failed;
git diff --check: PASS.

Следующий этап

STOP. Не переходить к Lab049, видео, QPSK, повышению символьной скорости или новому RF-сеансу без отдельной постановки. RF TX = 0; HackRF не запускать.

12 KiB Raw Blame History Unescape Escape