Лабораторная 9.2 — Чтение CI16 IQ и анализ спектра¶

Цель¶

Научиться читать бинарный CI16 IQ-файл по metadata JSON, строить спектр и выполнять базовые проверки качества записи.

Что выполняется¶

В работе студент:

генерирует синтетический CI16 IQ-файл;
читает его как interleaved signed int16 I/Q;
переводит отсчёты в normalized complex samples;
строит FFT и time preview;
оценивает peak frequency, SNR, DC offset и clipping fraction.

Результат¶

После выполнения работы должны быть получены:

CI16 IQ-файл;
spectrum plot;
time-domain preview;
metrics JSON;
quality_pass вывод.

Что приложить к отчёту¶

metadata JSON;
FFT-график;
measured peak и frequency error;
SNR estimate;
DC/clipping checks;
вывод о пригодности записи к синхронизации и демодуляции.

Подробная техническая часть¶

Исполняемые файлы¶

Среда	Файл	Результат
Python	`blocks/block_09_recording_and_analysis_tools/python/lab_9_2_read_ci16_iq_and_analyze.py`	синтетический файл CI16, графики и JSON с метриками
JSON	`blocks/block_09_recording_and_analysis_tools/assets/example_ci16_capture_metadata.json`	метаданные захвата

Запуск из корня репозитория:

python blocks/block_09_recording_and_analysis_tools/python/lab_9_2_read_ci16_iq_and_analyze.py

Или проанализируйте манифест реального набора данных CI16:

python blocks/block_09_recording_and_analysis_tools/python/lab_9_2_read_ci16_iq_and_analyze.py \
  --manifest datasets/lab6_6_zynq_rx_observation/manifest_fm_103119454.yaml

Сгенерированные артефакты:

docs/assets/lab92_ci16_iq_spectrum.png
docs/assets/lab92_ci16_iq_time_preview.png
docs/assets/lab92_ci16_iq_metrics.json
blocks/block_09_recording_and_analysis_tools/assets/lab92_synthetic_ci16_tone.ci16

Цепочка обработки¶

flowchart LR
    META[JSON метаданных] --> GEN[Генератор синтетических CI16]
    GEN --> FILE[Файл IQ CI16]
    FILE --> READ[Читатель CI16]
    READ --> FFT[Анализ FFT]
    READ --> QC[Проверки DC/ограничения]
    FFT --> METRICS[Пик, SNR, ошибка]
    QC --> METRICS
    METRICS --> REPORT[Графики + JSON с метриками]

Метрики¶

Метрика	Смысл
`sample_count_read`	число комплексных отсчётов, прочитанных из файла
`measured_peak_hz`	сильнейший пик FFT
`frequency_error_hz`	измеренный пик минус ожидаемое смещение
`snr_db`	уровень пика минус оценка медианного уровня шума
`dc_offset_magnitude`	модуль среднего комплексного отсчёта
`clipping_fraction`	доля отсчётов, близких к полной шкале
`quality_pass`	быстрая проверка «прошёл/не прошёл» по порогам из метаданных

Переход к реальным захватам¶

Замените синтетический файл .ci16 реальной записью и сохраните те же поля метаданных:

real_capture.ci16 + real_capture.metadata.json -> читатель -> FFT -> проверки качества -> отчёт

Режим по манифесту принимает либо:

исходный формат JSON метаданных Lab 9.2; либо
YAML-манифест в стиле набора данных с полями file_name, sample_rate_hz, center_frequency_hz, endianness и i_first.

Чего ожидать¶

Samples read: 262144
Sample rate: 2400000 Hz
Center frequency: 915000000 Hz
Expected offset: 100000.000 Hz
Measured peak: 100012.207 Hz
Frequency error: 12.207 Hz
SNR estimate: 74.09 dB
DC offset magnitude: 0.011674
Clipping fraction: 0.000000e+00
Quality pass: True

Синтетический захват несёт небольшое намеренное смещение DC (0,0117 полной шкалы). На приёмнике с нулевой ПЧ это пик на 0 Гц, который калибруется в Лабораторной 6.5.
Как и в Лабораторной 6.4, ошибка 12 Гц: квантование по бинам, а «SNR»: пик над медианным бином.

Упражнения¶

Запустите читатель на datasets/lab6_6_zynq_rx_observation/manifest_fm_103119454.yaml (реальный захват). Какие показатели качества меняются сильнее всего по сравнению с синтетическим файлом и почему?
Какие пороги quality_pass для смещения DC и ограничения вы бы выбрали для своего стенда?

Чек-лист отчёта (расширенный)¶

Приложен JSON метаданных.
Подтверждены размер файла CI16 и число отсчётов.
Указаны частота дискретизации и центральная частота.
Приложен график спектра.
Приложено превью во временной области.
Указаны частота пика и частотная ошибка.
Указаны SNR, смещение DC и доля ограничения.
Сделан вывод, пригоден ли захват для синхронизации и демодуляции.

Шаблон инженерного вывода¶

Запись CI16 содержит ____ комплексных отсчётов при ____ МС/с. Ожидаемое смещение сигнала — ____ кГц,
а измеренный пик — ____ кГц. Оценённый SNR — ____ дБ, доля ограничения — ____,
а quality_pass — ____. Запись готова / не готова к дальнейшей обработке, потому что ______.