Перейти к содержанию

06. Лабораторная работа 1. Передача и приём тестового тона

Цель работы

Сгенерировать тестовый тон на SDR-плате, принять его RTL-SDR с отображением в HDSDR и подготовить данные для дальнейшего анализа.

Эта страница: общая методика. Тот же эксперимент в виде скриптового прогона с измеренными числами (смещение тона 200 кГц, запись и оценка выполняются автоматически): Лабораторная 1.1. Если платы нет, начните с Лабораторной 1.0: для неё нужен только RTL-SDR.

1. Задачи лабораторной работы

В ходе работы студент должен:

  • подготовить оборудование;
  • запустить генерацию тестового сигнала;
  • настроить внешний приём на RTL-SDR;
  • обнаружить сигнал в HDSDR;
  • оценить параметры сигнала;
  • сохранить скриншоты;
  • записать IQ-файл;
  • подготовить материалы для дальнейшего анализа.

2. Используемое оборудование

  • SDR-плата на базе Zynq7020 + AD9363
  • приёмник RTL-SDR
  • персональный компьютер
  • кабели или антенны
  • при необходимости аттенюаторы и переходники

3. Используемое ПО

  • HDSDR
  • драйвер RTL-SDR
  • MATLAB / Simulink
  • Python
  • при необходимости GNU Radio

4. Теоретическая основа

В работе используется тестовый тон.

Тон удобен, потому что он:

  • легко наблюдается в спектре;
  • даёт отчётливый узкий пик;
  • позволяет быстро проверить настройку частоты;
  • легко записывается и повторно анализируется.

Если система работает правильно, студент должен увидеть:

  • устойчивый спектральный пик;
  • стабильное положение по частоте;
  • изменение уровня при изменении амплитуды;
  • предсказуемый сдвиг пика при изменении частоты тона.

5. Подготовка рабочего места

Перед началом работы нужно:

  1. Подключить SDR-плату.
  2. Подключить RTL-SDR к компьютеру.
  3. Проверить питание устройств.
  4. Подготовить кабели или антенны.
  5. Запустить HDSDR.
  6. Убедиться, что система видит RTL-SDR.
  7. Подготовить папки для:
  8. скриншотов,
  9. IQ-файлов,
  10. отчёта.

6. Меры безопасности

Во время работы нужно соблюдать правила:

  • не соединять передающий и приёмный тракты напрямую без контроля уровня;
  • не подавать на вход RTL-SDR чрезмерный уровень сигнала;
  • при необходимости использовать аттенюаторы;
  • проверять типы разъёмов и правильность соединений;
  • избегать случайных замыканий и неправильного подключения питания.

7. Подготовка сигнала на SDR-плате

На SDR-плате нужно запустить конфигурацию, генерирующую тестовый тон.

Необходимые параметры

Как минимум нужно задать:

  • центральную частоту передачи;
  • частоту тона;
  • амплитуду;
  • режим вывода сигнала.

Что нужно зафиксировать

В отчёт нужно включить:

  • несущую частоту;
  • частоту тона;
  • выбранный способ связи через эфир или по кабелю;
  • дополнительные элементы тракта.

8. Настройка RTL-SDR и HDSDR

Выполните действия:

  1. Запустить HDSDR.
  2. Выбрать RTL-SDR как источник сигнала.
  3. Установить частоту приёма, соответствующую эксперименту.
  4. Настроить полосу наблюдения.
  5. Выбрать разумный уровень усиления.
  6. Посмотреть на уровень шума и область, где ожидается сигнал.

Настраивайтесь рядом с сигналом, а не на него

RTL-SDR (как любой приёмник с нулевой ПЧ) показывает пик в центре спектра даже без входного сигнала: постоянная составляющая и утечка гетеродина. Тон, настроенный ровно в центр, под ним прячется. Настройте приёмник так, чтобы тон оказался на известном расстоянии от центра, например 200 кГц, как в Лабораторной 1.1, и проверьте, что пик сдвигается при изменении частоты передатчика, а пик постоянной составляющей: нет.

Что считается успешным результатом

Обнаружен устойчивый спектральный пик тестового сигнала в стороне от пика постоянной составляющей в центре спектра.

9. Наблюдение сигнала

После настройки приёмника студент должен:

  • найти тестовый тон в спектре;
  • оценить стабильность уровня;
  • проверить положение сигнала по частоте;
  • посмотреть на сигнал на водопаде;
  • убедиться, что наблюдение повторяемо.

Особое внимание стоит уделить:

  • наличию одного основного пика;
  • возможным паразитным составляющим;
  • изменению спектра при изменении параметров генератора;
  • признакам перегрузки приёмника.

10. Изменение параметров сигнала

После успешного наблюдения базового варианта параметры эксперимента нужно изменить.

Рекомендуемые действия

  1. Изменить частоту тона.
  2. Изменить амплитуду.
  3. По возможности изменить несущую частоту.
  4. Сравнить положение и уровень спектрального пика до и после изменений.

Что нужно зафиксировать

  • как изменилось положение пика;
  • как изменился уровень;
  • остался ли сигнал стабильным;
  • появились ли дополнительные артефакты.

11. Запись IQ-файла

Когда приём стабилен, запишите IQ-данные.

Назначение записи

Запись нужна для последующего анализа в:

  • MATLAB;
  • Simulink;
  • Python;
  • C++;
  • GNU Radio.

Что сохранить вместе с записью

  • частоту приёма;
  • частоту дискретизации;
  • формат записи;
  • дату и время эксперимента;
  • параметры генератора;
  • комментарии об условиях эксперимента.

12. Что должно быть в отчёте

Отчёт должен содержать:

1. Цель работы

Краткое описание задачи лабораторной работы.

2. Состав стенда

Перечень оборудования и программ.

3. Параметры эксперимента

  • частота передачи;
  • частота тона;
  • способ подключения;
  • параметры приёма;
  • дополнительные элементы тракта.

4. Результаты наблюдения

  • скриншот спектра;
  • скриншот водопада;
  • описание положения сигнала;
  • описание стабильности сигнала.

5. Изменение параметров

  • что изменялось;
  • как это проявилось в спектре.

6. Запись IQ

  • имя файла;
  • формат данных;
  • условия записи.

7. Выводы

Краткий инженерный вывод по эксперименту.

13. Ожидаемые результаты

По итогам работы студент должен получить:

  • обнаруженный тестовый сигнал;
  • спектральное подтверждение работы тракта;
  • запись IQ;
  • набор скриншотов для отчёта;
  • понимание связи между генерацией сигнала и его наблюдением внешним приёмником.

14. Типичные проблемы

Сигнал не обнаруживается

Возможные причины:

  • неверная частота приёма;
  • генерация не запущена;
  • неправильное подключение;
  • слишком низкий уровень сигнала;
  • ошибка конфигурации тракта.

Сигнал слишком слабый

Возможные причины:

  • плохое соединение;
  • недостаточное усиление;
  • слишком большое расстояние;
  • потери в тракте.

Сигнал перегружает приёмник

Признаки:

  • искажённый спектр;
  • множество паразитных пиков;
  • нестабильный уровень;
  • «грязный» или насыщенный спектр.

Нестабильность сигнала

Возможные причины:

  • плохие контакты;
  • нестабильное питание;
  • внешние помехи;
  • неправильные настройки генератора.

15. Контрольные вопросы

  1. Почему для первой лабораторной выбран тон?
  2. Что студент должен увидеть в спектре?
  3. Как изменение амплитуды влияет на наблюдаемый сигнал?
  4. Как изменение частоты тона влияет на спектральную картину?
  5. Зачем нужна запись IQ-файла?
  6. Почему важно документировать параметры эксперимента?
  7. Какие признаки могут указывать на перегрузку приёмника?

16. Выводы

Первая лабораторная работа: фундамент всего курса.

Она показывает студенту полный минимальный цикл SDR-эксперимента:

генерация → передача → приём → наблюдение → запись

В следующих блоках этот цикл будет расширен:

  • более сложными сигналами;
  • моделированием в Simulink;
  • переходом к fixed-point;
  • реализацией в FPGA;
  • схемотехнической поддержкой эксперимента.