Перейти к содержанию

Введение в SDR

Блок 1. Введение в SDR, инструменты и первый приём сигнала

Описание

Первый блок курса знакомит с аппаратной и программной базой SDR-проекта и проводит через первую практическую лабораторную работу.

Основная идея блока: - понять, что такое SDR; - познакомиться с трактом «модель → железо → приём → запись → анализ»; - подготовить рабочее окружение; - выполнить первый эксперимент с тестовым тоновым сигналом; - получить первое представление о схемотехнической части курса и роли KiCad.

В этом блоке используется следующая концепция: SDR-плата на Zynq7020 + AD9363 формирует тестовый сигнал, RTL-SDR принимает его, HDSDR отображает спектр, а записанные IQ-данные анализируются в MATLAB, Simulink, Python, C++ и GNU Radio.

Дополнительно в блок вводится KiCad как инструмент для чтения схем, оформления учебных электрических соединений и подготовки к дальнейшим лабораторным работам по аналоговой и цифровой схемотехнике.

Инженерный маршрут блока

flowchart TB
    THEORY["1. Базовая идея SDR<br/>аналоговая часть, цифровая часть, I/Q и роль DSP"]
    SETUP["2. Подготовка окружения<br/>HDSDR, RTL-SDR drivers, MATLAB / Simulink, Python и VS Code"]
    HARDWARE["3. Аппаратный стенд<br/>Zynq-7020 + AD9363, RTL-SDR, кабели, аттенюаторы и ПК"]
    MODEL["4. Связь модели с платой<br/>тестовый тон, параметры Fs/Fc/gain и поток отсчётов"]
    LAB["5. Первый RF-эксперимент<br/>генерация, внешний приём, спектр, waterfall и IQ-запись"]
    ANALYSIS["6. Офлайн-анализ<br/>MATLAB, Simulink, Python, C++ и GNU Radio replay"]
    NEXT["7. Переход к FPGA и схемотехнике<br/>fixed-point, HDL, KiCad и следующие лабораторные работы"]

    THEORY --> SETUP --> HARDWARE --> MODEL --> LAB --> ANALYSIS --> NEXT

Что проходит студент в этом блоке

Блок построен как первый законченный инженерный маршрут:

  1. понять базовую идею SDR и границу между аналоговой и цифровой частями тракта;
  2. собрать минимальное рабочее окружение;
  3. разобраться в составе учебного стенда;
  4. увидеть, как модель сигнала связана с железом;
  5. выполнить первую лабораторную работу с тестовым тоном;
  6. записать IQ-данные;
  7. сравнить один и тот же сигнал в нескольких инструментах анализа.

Цели блока

После изучения блока студент должен: - понимать базовую архитектуру SDR; - различать роли аналоговой и цифровой частей радиотракта; - ориентироваться в составе учебного стенда; - установить и запустить основное ПО; - принять тестовый сигнал на RTL-SDR; - записать IQ-данные; - выполнить первичный анализ сигнала; - понимать, как Simulink-модель связана с реализацией на плате; - понимать, зачем в курсе нужен KiCad.

Аппаратная база

В первом блоке используется следующий состав стенда:

  • SDR-плата на базе Zynq7020 + AD9363;
  • внешний приёмник RTL-SDR;
  • персональный компьютер как среда моделирования, наблюдения и анализа;
  • кабели, антенны, переходники и при необходимости аттенюаторы;
  • базовый набор схемотехнических материалов для следующих лабораторных работ.

Почему именно такая конфигурация

  • Zynq7020 + AD9363 даёт реальную платформу, на которой можно пройти путь от цифровой модели до физического сигнала.
  • RTL-SDR позволяет быстро и наглядно увидеть результат эксперимента внешним приёмником.
  • HDSDR закрывает задачу первичного наблюдения спектра и водопада без лишней сложности.
  • MATLAB, Simulink, Python, C++, GNU Radio показывают, что один и тот же записанный сигнал можно исследовать в разных инженерных средах.

Иллюстрации стенда

RTL-SDR V3 Pro

RTL-SDR V3 Pro

RTL-SDR используется как внешний приёмник в первой практической лабораторной работе.

Плата Xilinx Zynq-7020 + модуль ADRV

Xilinx Zynq-7020 with ADRV module

Эта фотография показывает реальную SDR-платформу на уровне платы, которая используется в практической части первого блока.

Программный стек блока

Минимальный набор для старта

  • драйвер RTL-SDR;
  • HDSDR;
  • MATLAB / Simulink;
  • Python;
  • VS Code.

Расширенный инженерный набор

  • GNU Radio;
  • Vivado / Vitis;
  • KiCad;
  • компилятор C/C++;
  • при необходимости Fixed-Point Designer и инструменты HDL-маршрута.

Темы первого блока

Блок собран из одиннадцати связанных разделов:

  1. Введение в SDR: что такое Software Defined Radio, где проходит граница между аналоговой и цифровой частями, зачем нужны I/Q-представление и DSP.
  2. Подготовка программного окружения: минимальный и расширенный набор ПО, а также проверочный чек-лист рабочего места.
  3. Аппаратная база курса: состав стенда, роли Zynq7020, AD9363 и RTL-SDR, варианты соединения и контроль уровней.
  4. Мостик от модели к плате: путь от тона в Simulink к потоку отсчётов, аппаратной реализации и внешнему приёму.
  5. Введение в KiCad: зачем схемотехника нужна даже в SDR-курсе и как связаны схема, сборка и измерение.
  6. Лабораторная работа 1: генерация и приём тестового сигнала, наблюдение в HDSDR, фиксация параметров и запись IQ.
  7. Анализ IQ в MATLAB: чтение файла, временная форма, спектр и оценка частоты пика.
  8. Анализ IQ в Simulink: сборка минимальной модели визуального анализа.
  9. Анализ IQ в Python: скриптовая обработка и автоматизация измерений.
  10. Анализ IQ в C++: понимание формата хранения IQ и производительного пути анализа.
  11. Анализ IQ в GNU Radio: визуальная сборка простого flowgraph для времени и спектра.

Первая лабораторная работа

Первый эксперимент построен вокруг тестового тона. Это простой и воспроизводимый сигнал, который позволяет проверить весь тракт без лишней алгоритмической сложности.

По завершении лабораторной работы студент получает:

  • первый реально принятый сигнал курса;
  • подтверждение работы тракта по спектру и водопаду;
  • набор параметров эксперимента;
  • IQ-запись для дальнейшего анализа;
  • понимание полного минимального цикла: генерация → передача → приём → наблюдение → запись → анализ.

Роль KiCad в первом блоке

KiCad используется без перегрузки деталями, но с правильным инженерным акцентом: чтение схем, понимание соединений и подготовка к следующим работам по аналоговой и цифровой схемотехнике.

Практический результат блока

После прохождения первого блока студент не просто читает теорию, а получает конкретный инженерный результат: умеет собрать минимальную рабочую среду, выполнить первый воспроизводимый эксперимент, записать IQ-данные и связать модель, плату, приёмник и анализ.

Ключевая учебная цепочка

Математическая модель → фиксированная точка → поток отсчётов → FPGA/SoC → физический сигнал → внешний приём → запись IQ → офлайн-анализ

Почему этот блок важен

Первый блок задаёт правильную инженерную оптику для всего курса: один и тот же сигнал должен быть понятен в модели, на плате, во внешнем приёмнике, в записанном файле и в электрической схеме, которая поддерживает эксперимент.

Следующий шаг

После завершения этого блока можно переходить к формированию сигнала в Simulink, fixed-point, HDL/FPGA-реализации и схемотехническим работам в KiCad.