Проектирование отладочного сигнала для SDR-стенда¶

Этот материал дополняет аппаратную отладку практическим приёмом: отладочный сигнал должен быть спроектирован так, чтобы его было легко найти в эфире, измерить и разобрать offline.

В реальном SDR-эксперименте недостаточно просто передать BPSK/QPSK/OFDM-поток. Если сигнал не найден, спектр выглядит странно или BER не сходится, нужен специальный диагностический формат. Он помогает ответить на вопросы:

есть ли вообще передача;
на какой частоте она появилась;
не перепутаны ли I/Q;
правильно ли работает NCO/mixer/FIR/интерполяция;
где начинается пакет;
какая символьная скорость и timing;
есть ли clipping, перегруз или неверный gain;
совпадает ли принятый payload с ожидаемым.

Главная идея¶

Сигнал для отладки должен быть не только полезной нагрузкой,
но и диагностическим инструментом.

Поэтому в курсе полезно иметь отдельный debug waveform format — учебный кадр, который можно передавать через Zynq/AD9363 и наблюдать через RTL-SDR/HDSDR или другую независимую приёмную цепочку.

Диагностический маршрут¶

flowchart LR
    MODEL[Model waveform] --> FIELDS[Frame fields]
    FIELDS --> TX[Zynq / FPGA TX]
    TX --> RF[AD9363 RF path]
    RF --> RX[RTL-SDR / receiver]
    RX --> IQ[IQ recording]
    IQ --> DETECT[Detect preamble / sync]
    DETECT --> METRICS[CFO / SNR / EVM / BER]
    METRICS --> REPORT[Debug report]
    REPORT -. update waveform .-> MODEL

Преамбула¶

Преамбула — известная последовательность перед полезной частью кадра. Она нужна для поиска сигнала и грубой синхронизации.

Тип преамбулы	Где полезна	Что проверяет
Чистый тон	первые RF-опыты	частоту, уровень, наличие передачи
`101010...`	BPSK/FSK/простые пакеты	символьную скорость и timing
Barker code	короткие учебные пакеты	корреляционный пик при малой длине
PN/m-sequence	шумоподобный поиск	устойчивый корреляционный поиск
Zadoff-Chu	синхронизация и оценка сдвигов	хороший корреляционный профиль
Chirp/sweep	визуальный поиск на waterfall	полосу и частотное направление

Для первых лабораторий достаточно начать с простого варианта:

preamble_bits = 10101010101010101010101010101010

Позже можно перейти к PN-последовательности или Barker/Zadoff-Chu.

Sync word¶

После преамбулы полезно передавать уникальное слово синхронизации:

sync_word = 0xA5A55A5A

Оно помогает:

отличить настоящий пакет от случайного корреляционного пика;
найти точное начало header/payload;
выявить перепутанный порядок битов;
выявить перепутанный порядок байтов;
проверить инверсию битового потока.

Для учебного курса удобно использовать несколько вариантов и показать, как они выглядят при ошибках bit order/endian.

Минимальный header:

magic        uint32  0xA5A55A5A
version      uint8
mode_id      uint8
frame_id     uint32
payload_len  uint16
pattern_id   uint8
flags        uint8

Поле	Зачем нужно
`version`	позволяет менять формат кадра без путаницы
`mode_id`	показывает, какой тест был включён
`frame_id`	помогает находить потери и дубли кадров
`payload_len`	даёт парсеру длину данных
`pattern_id`	описывает payload: zeros, PRBS, counter, ASCII
`flags`	режимы: inversion, loopback, pilot enabled и т.д.

Известная полезная нагрузка¶

Для отладки payload должен быть предсказуемым.

Payload	Что диагностирует
`0x00 0x00 ...`	DC offset, reset, паразитные составляющие
`0xFF 0xFF ...`	насыщение, инверсию логики
`0xAA 0xAA ...`	тайминг и чередование битов
`0xCC 0xCC ...`	группировку битов и символов
счётчик `0,1,2,3...`	потерю слов, кадров, байтовый порядок
ASCII `ZYNQ-SDR-TEST`	быстрый визуальный контроль декодирования
PRBS с seed	BER и воспроизводимый шумоподобный поток

Хороший минимальный payload для курса:

frame_id
counter_0
counter_1
counter_2
...
crc16

PRBS и seed¶

Для BER-тестов полезна PRBS-последовательность. Но seed должен быть явно сохранён:

prbs_seed = 0x12345678

Это позволяет:

восстановить ожидаемый payload offline;
посчитать BER;
повторить эксперимент;
сравнить MATLAB/fixed-point/RTL/hardware результат.

Pilot tone¶

Пилотный тон можно добавлять как отдельный диагностический элемент.

pilot_offset = +50 kHz
pilot_level  = -20 dBc относительно полезного сигнала

Он помогает:

быстро найти передачу на спектре;
оценить CFO и дрейф;
проверить знак частотного сдвига;
контролировать gain staging;
увидеть перегруз по появлению гармоник и побочных составляющих.

Важно: пилот не должен мешать полезному сигналу. В учебном режиме его можно включать отдельно через mode_id или flags.

Training sequence¶

Training sequence — известные символы перед payload. Она полезна для оценки канала и синхронизации.

Для BPSK:

+1, +1, -1, +1, -1, -1, +1, ...

Для QPSK можно использовать известный комплексный паттерн:

(+1 + j), (-1 + j), (-1 - j), (+1 - j), ...

Что можно оценить:

CFO;
фазовый сдвиг;
timing offset;
SNR;
EVM;
IQ imbalance;
частотную характеристику канала;
ошибку масштаба fixed-point/RTL.

Пакетная передача с паузами¶

Для первых RF-лабораторий не стоит передавать сигнал непрерывно. Лучше использовать пачки:

100 ms silence
packet
100 ms silence
packet
100 ms silence
packet

Это даёт:

видимые пакеты на waterfall;
измерение шума до и после пакета;
удобный поиск начала кадра;
проверку AGC-поведения;
простое сопоставление TX-log и RX IQ-записи.

Амплитудная лестница¶

Амплитудная лестница помогает подобрать уровни и найти перегруз:

packet at -30 dBFS
packet at -24 dBFS
packet at -18 dBFS
packet at -12 dBFS
packet at  -6 dBFS

Что искать:

clipping;
появление гармоник;
рост noise floor;
изменение BER/EVM от уровня;
границу нормальной работы ADC/RF frontend;
влияние внешнего аттенюатора.

Этот режим особенно полезен для стенда с управляемым цифровым аттенюатором.

Частотная лестница¶

Частотная лестница проверяет частотный план и знаки переносов:

-200 kHz
-100 kHz
   0 kHz
+100 kHz
+200 kHz

Она помогает обнаружить:

неверный знак NCO;
перепутанные I/Q;
зеркальный спектр;
ошибку частотной оси;
неверную интерпретацию sample rate;
неправильные DUC/DDC настройки.

I/Q diagnostic modes¶

Эти режимы нужно заложить обязательно, потому что ошибки I/Q очень часты в SDR.

Режим	Что диагностирует
`I = tone, Q = 0`	канал I, зеркала, неправильный complex path
`I = 0, Q = tone`	канал Q, знак квадратуры
`I = Q`	поворот/зеркалирование созвездия
`Q = -I`	инверсию знака одного канала
`exp(+jωt)`	положительное комплексное смещение
`exp(-jωt)`	отрицательное комплексное смещение
swap I/Q flag	проверку защиты от перепутанного порядка

Если студент видит сигнал «не с той стороны» спектра, первый подозреваемый — знак комплексного тона или порядок I/Q.

Two-tone test¶

Двухтональный тест:

f1 = -100 kHz
f2 = +100 kHz

Полезен для проверки:

линейности;
интермодуляции;
clipping;
симметрии спектра;
влияния gain;
паразитных составляющих.

При перегрузе могут появляться дополнительные пики:

2f1 - f2
2f2 - f1
f1 + f2

Multitone / comb signal¶

Гребёнка тонов:

-300 kHz, -200 kHz, -100 kHz, 0, +100 kHz, +200 kHz, +300 kHz

Используется для:

проверки полосы;
оценки АЧХ;
поиска завала на краях;
проверки FIR/CIC/интерполяции;
проверки RF bandwidth AD9363;
сравнения модели и реальной IQ-записи.

Режимы передатчика¶

В PS/FPGA желательно иметь управляемый tx_mode:

tx_mode = 0: off
tx_mode = 1: pure tone
tx_mode = 2: two-tone
tx_mode = 3: multitone / comb
tx_mode = 4: preamble only
tx_mode = 5: repeated sync word
tx_mode = 6: PRBS packet
tx_mode = 7: amplitude sweep
tx_mode = 8: frequency sweep
tx_mode = 9: full debug packet

Это позволяет переключать отладку без пересборки bitstream.

Минимальная карта регистров¶

Регистр	Назначение
`tx_mode`	выбор отладочного режима
`frame_period_ms`	пауза между пакетами
`tone_offset_hz`	смещение одиночного тона
`pilot_enable`	включение пилота
`pilot_offset_hz`	смещение пилота
`amplitude_step_db`	шаг амплитудной лестницы
`frequency_step_hz`	шаг частотной лестницы
`prbs_seed`	seed для BER-теста
`frame_id_reset`	сброс счётчика кадров
`status_frames_sent`	число отправленных кадров

Что должен сохранять эксперимент¶

Для воспроизводимости каждая IQ-запись должна сопровождаться metadata:

debug_waveform:
  mode_id: 9
  frame_format_version: 1
  preamble: alternating_1010
  sync_word: 0xA5A55A5A
  payload_pattern: prbs
  prbs_seed: 0x12345678
  frame_period_ms: 100
  pilot_enabled: true
  pilot_offset_hz: 50000
  tx_gain_db: -20
  external_attenuation_db: 40
  sample_rate_sps: 2400000
  rf_center_frequency_hz: 915000000

Минимальные критерии успеха¶

Эксперимент с отладочным сигналом считается успешным, если:

сигнал виден на waterfall в ожидаемой полосе;
lead-in tone или packet burst обнаруживаются автоматически;
корреляция по преамбуле даёт устойчивый пик;
sync word найден в правильной позиции;
frame_id растёт без необъяснимых пропусков;
CRC проходит для достаточной доли кадров;
измеренные CFO/SNR/EVM/BER сохранены в отчёте;
результат можно повторить по metadata и seed.

Связь с лабораториями курса¶

Этот материал полезен сразу в нескольких блоках:

Block 5: заранее заложить tx_mode, debug mux и testbench для режимов;
Block 6: найти сигнал в RF и проверить уровни;
Block 7: проверить TX/RX chain;
Block 8: использовать преамбулу и training sequence для синхронизации;
Block 9: записать IQ и выполнить offline replay;
Block 11: собрать всё в полноценный end-to-end SDR-проект.

Вывод¶

Преамбула — только первый шаг. Хороший SDR-стенд должен иметь целый набор отладочных сигналов: tone, preamble, sync word, PRBS, pilot, two-tone, multitone, amplitude sweep, frequency sweep и I/Q diagnostic modes.

Именно эти режимы превращают эксперимент из угадывания в инженерную процедуру:

видим сигнал → находим пакет → проверяем sync → измеряем ошибки → доказываем работу тракта

Поле	Назначение
`silence`	разделяет пакеты на waterfall и позволяет измерить noise floor
`lead-in tone`	помогает быстро найти передачу по спектру
`preamble`	используется для корреляционного поиска начала пакета
`sync word`	фиксирует точное начало кадра и снижает ложные срабатывания
`header`	задаёт режим, длину, номер кадра и параметры теста
`training sequence`	помогает оценить CFO, фазу, timing, SNR/EVM
`payload / PRBS`	проверяет битовый тракт и BER
`CRC`	отделяет обнаружение пакета от правильного приёма