5. PlutoSDR на Python

У цьому розділі ми навчимося використовувати API Python для PlutoSDR, який є недорогим SDR від Analog Devices. Ми розглянемо кроки встановлення PlutoSDR для запуску драйверів/програмного забезпечення, а потім обговоримо передачу та прийом даних за допомогою PlutoSDR у Python.

Встановлення програмного забезпечення/драйверів

Налаштування віртуальної машини

Хоча код на Python, наведений у цьому підручнику, має працювати під Windows, Mac і Linux, наведені нижче інструкції з встановлення стосуються лише Ubuntu 22. Якщо у вас виникли проблеми з встановленням програмного забезпечення у вашій ОС за “інструкціями, наданими Analog Devices <https://wiki.analog.com/university/tools/pluto/users/quick_start>”, я рекомендую встановити віртуальну машину Ubuntu 22 і спробувати скористатися наведеними нижче інструкціями. Крім того, якщо ви використовуєте Windows 11, підсистема Windows для Linux (WSL) з використанням Ubuntu 22 працює досить добре і підтримує графіку “з коробки”.

1. Встановіть і відкрийте VirtualBox.
2. Створіть нову віртуальну машину. Для розміру пам’яті я рекомендую використовувати 50% оперативної пам’яті вашого комп’ютера.
3. Створіть віртуальний жорсткий диск, виберіть VDI і динамічно розподіліть обсяг. 15 ГБ повинно бути достатньо. Якщо ви хочете бути дійсно в безпеці, ви можете використовувати більше.
4. Завантажте Ubuntu 22 Desktop .iso - https://ubuntu.com/download/desktop
5. Запустіть віртуальну машину. Вона запитає вас про інсталяційний носій. Виберіть файл Ubuntu 22 desktop .iso. Виберіть “встановити ubuntu”, скористайтеся параметрами за замовчуванням, і спливаюче вікно попередить вас про зміни, які ви збираєтеся зробити. Натисніть “продовжити”. Виберіть ім’я/пароль і зачекайте, поки віртуальна машина закінчить ініціалізацію. Після завершення ВМ перезавантажиться, але вам слід вимкнути ВМ після перезавантаження.
6. Перейдіть до налаштувань ВМ (іконка з шестернею).
7. У розділі система > процесор > виберіть принаймні 3 процесори. Якщо у вас справжня відеокарта, то в розділі дисплей > відеопам’ять > виберіть щось набагато більше.
8. Запустіть віртуальну машину.
9. Я рекомендую встановити гостьові доповнення до ВМ. У віртуальній машині перейдіть до Пристрої > Вставити компакт-диск з гостьовими доповненнями > натисніть запустити, коли з’явиться вікно. Дотримуйтесь інструкцій. Перезапустіть ВМ. Спільний буфер обміну можна увімкнути за допомогою Пристрої > Спільний буфер обміну > Двонаправлений.

Підключення PlutoSDR

1. Якщо ви працюєте під управлінням OSX, то в OSX, а не у віртуальній машині, у системних налаштуваннях увімкніть “розширення ядра”. Потім встановіть HoRNDIS (після цього може знадобитися перезавантаження).
2. Якщо ви використовуєте Windows, встановіть цей драйвер: https://github.com/analogdevicesinc/plutosdr-m2k-drivers-win/releases/download/v0.7/PlutoSDR-M2k-USB-Drivers.exe
3. Якщо ви використовуєте Linux, вам не потрібно робити нічого особливого.
4. Підключіть Pluto до комп’ютера через USB. Переконайтеся, що ви використовуєте середній порт USB на Pluto, оскільки інший призначений лише для живлення. Підключення Плутона має створити віртуальний мережевий адаптер, тобто Плутон буде виглядати як адаптер USB ethernet.
5. На хост-машині (не віртуальній машині) відкрийте термінал або ваш улюблений інструмент ping і виконайте ping 192.168.2.1. Якщо це не спрацює, зупиніться і налагодьте мережевий інтерфейс.
6. У віртуальній машині відкрийте новий термінал
7. Пропінгуйте 192.168.2.1. Якщо це не спрацює, зупиніться тут і налагодьте. Під час пінгування відключіть Pluto від мережі і переконайтеся, що пінг припинився, якщо він продовжує пінгувати, значить в мережі є щось ще з цією IP-адресою, і вам доведеться змінити IP-адресу Pluto (або іншого пристрою), перш ніж рухатися далі.
8. Запишіть IP-адресу Pluto, оскільки вона вам знадобиться, коли ми почнемо використовувати Pluto у Python.

Встановлення драйвера PlutoSDR

Команди терміналу, наведені нижче, повинні зібрати і встановити останню версію:

1. libiio, “крос-платформної” бібліотеки Analog Device для взаємодії з апаратним забезпеченням
2. libad9361-iio, AD9361 - спеціальна радіочастотна мікросхема всередині PlutoSDR
3. pyadi-iio, Python API Pluto, це наша кінцева мета, але вона залежить від попередніх двох бібліотек

sudo apt-get install build-essential git libxml2-dev bison flex libcdk5-dev cmake python3-pip libusb-1.0-0-dev libavahi-client-dev libavahi-common-dev libaio-dev
cd ~{{}}
git clone --branch v0.23 https://github.com/analogdevicesinc/libiio.git
cd libiio
mkdir build
cd build
cmake -DPYTHON_BINDINGS=ON ..
make -j$(nproc)
sudo make install
sudo ldconfig

cd ~{{}}}
git clone https://github.com/analogdevicesinc/libad9361-iio.git
cd libad9361-iio
mkdir build
cd build
cmake ..
make -j$(nproc)
sudo make install

cd ~{{}}
git clone --branch v0.0.14 https://github.com/analogdevicesinc/pyadi-iio.git
cd pyadi-iio
pip3 install --upgrade pip
pip3 install -r requirements.txt
sudo python3 setup.py install

Тестування драйверів PlutoSDR

Якщо з якихось причин IP-адреса за замовчуванням 192.168.2.1 не працює, тому що у вас вже є підмережа 192.168.2.0, або тому що ви хочете підключити кілька Pluto одночасно, ви можете змінити IP-адресу, виконавши такі дії:

1. Відредагуйте файл config.txt на запам’ятовуючому пристрої PlutoSDR (тобто на USB-накопичувачі, який з’являється після підключення Pluto). Введіть нову IP-адресу, яку ви хочете.
2. Вийміть пристрій зберігання даних (не відключайте Pluto!). В Ubuntu 22 поруч з пристроєм PlutoSDR у файловому провіднику є символ виймання.
3. Зачекайте кілька секунд, а потім перезавантажте пристрій, від’єднавши і знову підключивши його до мережі. Поверніться до файлу config.txt і перевірте, чи збереглися ваші зміни.

Зверніть увагу, що ця процедура також використовується для прошивання іншого образу прошивки на Pluto. Докладнішу інформацію можна знайти на сторінці https://wiki.analog.com/university/tools/pluto/users/firmware.

Як “зламати” PlutoSDR, щоб збільшити радіус дії

PlutoSDR має обмежений діапазон центральних частот і частоту дискретизації, але мікросхема, що лежить в його основі, здатна працювати на значно вищих частотах. Виконайте ці кроки, щоб розблокувати повний частотний діапазон мікросхеми. Будь ласка, майте на увазі, що цей процес надається компанією Analog Devices, тому він має мінімальний ризик. Обмеження частоти PlutoSDR пов’язане з тим, що компанія Analog Devices “розбила” AD9364 на частини на основі суворих вимог до продуктивності на високих частотах. …. Як ентузіасти та експериментатори SDR, ми не надто переймаємося цими вимогами до продуктивності.

Час хакнути! Відкрийте термінал (на хості або віртуальній машині, не має значення):

ssh [email protected]

Пароль за замовчуванням: analog.

Ви повинні побачити екран привітання PlutoSDR. Ви отримали доступ по SSH до процесора ARM на самому Pluto! Якщо у вас Pluto з прошивкою версії 0.31 або нижче, введіть наступні команди:

fw_setenv attr_name сумісний
fw_setenv attr_val ad9364
перезавантажити

А для версій 0.32 і вище використовуйте

fw_setenv сумісний ad9364
перезавантаження

Тепер ви зможете налаштовуватися на частоту до 6 ГГц і до 70 МГц, не кажучи вже про використання частоти дискретизації до 56 МГц! Ура!

Отримання

Здійснювати вибірки за допомогою Python API PlutoSDR дуже просто. З будь-яким SDR-додатком ми знаємо, що повинні повідомити йому центральну частоту, частоту дискретизації та коефіцієнт підсилення (або чи використовувати автоматичне регулювання підсилення). Можуть бути й інші деталі, але ці три параметри необхідні для того, щоб SDR мав достатньо інформації для отримання семплів. Деякі SDR мають команду для початку дискретизації, тоді як інші, такі як Pluto, починають дискретизацію одразу після ініціалізації. Як тільки внутрішній буфер SDR заповнюється, найстаріші зразки відкидаються. Всі SDR API мають функцію “отримати вибірки”, а для Pluto це rx(), яка повертає пакет вибірки. Конкретна кількість семплів у пакеті визначається розміром буфера, встановленим заздалегідь.

Наведений нижче код передбачає, що у вас встановлено Python API Pluto. Цей код ініціалізує Pluto, встановлює частоту дискретизації 1 МГц, центральну частоту 100 МГц і коефіцієнт підсилення 70 дБ з вимкненим автоматичним регулюванням підсилення. Зауважте, що зазвичай не має значення порядок, у якому ви встановлюєте центральну частоту, коефіцієнт підсилення та частоту дискретизації. У наведеному нижче фрагменті коду ми вказуємо Плутону, що хочемо, щоб він видавав нам 10 000 відліків за один виклик rx(). Ми виводимо перші 10 відліків.

import numpy as np
import adi

sample_rate = 1e6 # Гц
center_freq = 100e6 # Hz
num_samps = 10000 # кількість відліків, що повертаються за один виклик rx()

sdr = adi.Pluto()
sdr.gain_control_mode_chan0 = 'manual'
sdr.rx_hardwaregain_chan0 = 70.0 # дБ
sdr.rx_lo = int(center_freq)
sdr.sample_rate = int(sample_rate)
sdr.rx_rf_bandwidth = int(sample_rate) # ширина фільтра, поки що встановлюємо рівною частоті дискретизації
sdr.rx_buffer_size = num_samps

samples = sdr.rx() # отримуємо семпли з Плутона
print(samples[0:10])

Наразі ми не будемо робити з цими прикладами нічого цікавого, але решта цього підручника заповнена кодом на Python, який працює з прикладами IQ, подібно до того, що ми отримали вище.

Отримання приросту

Pluto можна налаштувати на фіксоване або автоматичне посилення прийому. Автоматичне регулювання підсилення (АРУ) автоматично підлаштовує коефіцієнт підсилення для підтримання високого рівня сигналу (-12 дБFS для тих, кому цікаво). АРУ не слід плутати з аналого-цифровим перетворювачем (АЦП), який оцифровує сигнал. Технічно кажучи, АРУ - це замкнутий ланцюг зворотного зв’язку, який контролює коефіцієнт підсилення підсилювача у відповідь на отриманий сигнал. Його мета - підтримувати постійний рівень вихідної потужності, незважаючи на зміну рівня вхідної потужності. Зазвичай АРУ регулює коефіцієнт підсилення, щоб уникнути насичення приймача (тобто досягнення верхньої межі діапазону АЦП), одночасно дозволяючи сигналу “заповнити” якомога більше бітів АЦП.

Радіочастотна інтегральна схема, або RFIC, всередині PlutoSDR має модуль АРУ з кількома різними налаштуваннями. (RFIC - це мікросхема, яка функціонує як приймач: вона передає і приймає радіохвилі). По-перше, зверніть увагу, що коефіцієнт підсилення прийому на Pluto має діапазон від 0 до 74,5 дБ. У “ручному” режимі АРУ вимкнено, і ви повинні вказати Плутону, який коефіцієнт підсилення прийому використовувати, наприклад:

sdr.gain_control_mode_chan0 = "manual" # вимкнути АРУ
gain = 50.0 # допустимий діапазон від 0 до 74.5 дБ
sdr.rx_hardwaregain_chan0 = gain # встановити коефіцієнт підсилення прийому

Якщо ви хочете увімкнути АРУ, ви повинні вибрати один з двох режимів:

1. sdr.gain_control_mode_mode_chan0 = "slow_attack"`.
2. sdr.gain_control_mode_chan0 = "fast_attack".

А з увімкненим АРУ ви не вказуєте значення для rx_hardwaregain_chan0. Він буде проігнорований, оскільки Плутон сам підлаштовує коефіцієнт підсилення під сигнал. Плутон має два режими АРУ: швидка атака і повільна атака, як показано у наведеному вище коді. Різниця між ними інтуїтивно зрозуміла, якщо подумати. Режим швидкої атаки швидше реагує на сигнали. Іншими словами, значення коефіцієнта підсилення змінюється швидше, коли рівень сигналу змінюється. Пристосування до рівня потужності сигналу може бути важливим, особливо для дуплексних систем з часовим розділенням каналів (TDD), які використовують ту саму частоту для передавання і приймання. Встановлення регулятора підсилення в режим швидкої атаки для цього сценарію обмежує згасання сигналу. У будь-якому з цих режимів, якщо немає сигналу, а є лише шум, АРУ максимально збільшить налаштування посилення; коли сигнал з’являється, він ненадовго насичує приймач, доки АРУ не зможе відреагувати і зменшити посилення. Ви завжди можете перевірити поточний рівень підсилення у реальному часі за допомогою:

sdr._get_iio_attr('voltage0','hardwaregain', False)

Для отримання більш детальної інформації про АРУ Pluto, зокрема про те, як змінити розширені налаштування АРУ, зверніться до розділу “Керування коефіцієнтом підсилення RX” на цій сторінці.

Передача

Перш ніж передавати будь-який сигнал за допомогою Pluto, переконайтеся, що ви підключили SMA-кабель між портом TX Pluto і будь-яким пристроєм, який буде виконувати роль приймача. Важливо завжди починати з передачі по кабелю, особливо коли ви вчитеся “як” передавати, щоб переконатися, що SDR поводиться так, як ви плануєте. Завжди тримайте потужність передачі на дуже низькому рівні, щоб не перевантажувати приймач, оскільки кабель не послаблює сигнал так, як це робить бездротовий канал. Якщо у вас є атенюатор (наприклад, 30 дБ), зараз саме час ним скористатися. Якщо у вас немає іншої SDR або аналізатора спектра, який би виконував роль приймача, теоретично ви можете використовувати порт RX на тому ж Pluto, але це може бути складно. Я б рекомендував придбати RTL-SDR за $10, щоб використовувати його в якості приймача SDR.

Передача дуже схожа на прийом, за винятком того, що замість того, щоб сказати SDR отримати певну кількість семплів, ми дамо йому певну кількість семплів для передачі. Замість rx_lo ми будемо задавати tx_lo, щоб вказати, на якій несучій частоті передавати. Частота дискретизації є спільною для RX і TX, тому ми будемо задавати її як зазвичай. Повний приклад передачі показано нижче, де ми генеруємо синусоїду на частоті +100 кГц, а потім передаємо складний сигнал на несучій частоті 915 МГц, в результаті чого приймач бачить несучу на частоті 915,1 МГц. Насправді немає ніякої практичної причини робити це, ми могли б просто встановити center_freq на 915.1e6 і передати масив одиниць, але ми хотіли згенерувати складні зразки для демонстраційних цілей.

import numpy as np
import adi

sample_rate = 1e6 # Гц
center_freq = 915e6 # Hz

sdr = adi.Pluto("ip:192.168.2.1")
sdr.sample_rate = int(sample_rate)
sdr.tx_rf_bandwidth = int(sample_rate) # смуга пропускання фільтра, просто встановіть її рівною частоті дискретизації
sdr.tx_lo = int(center_freq)
sdr.tx_hardwaregain_chan0 = -50 # Збільшення для збільшення потужності tx, допустимий діапазон від -90 до 0 дБ

N = 10000 # кількість відліків для передачі за один раз
t = np.arange(N)/sample_rate
samples = 0.5*np.exp(2.0j*np.pi*100e3*t) # Імітуємо синусоїду з частотою 100 кГц, тому на приймачі вона має з'явитися на частоті 915.1 МГц
samples *= 2**14 # PlutoSDR очікує, що відліки будуть між -2^14 та +2^14, а не між -1 та +1, як у деяких SDR

# Передамо нашу партію відліків 100 разів, таким чином, це має бути 1 секунда відліків сумарно, якщо USB витримає
для i в range(100):
    sdr.tx(samples) # передаємо пакет семплів один раз

Ось кілька зауважень щодо цього коду. По-перше, ви хочете змоделювати ваші IQ-зразки так, щоб вони були між -1 і 1, але потім перед передачею ми повинні масштабувати їх на 2^14 через те, як Analog Devices реалізували функцію tx(). Якщо ви не впевнені, які ваші min/max значення, просто роздрукуйте їх за допомогою print(np.min(samples), np.max(samples)) або напишіть інструкцію if, щоб переконатися, що вони ніколи не будуть вищими за 1 або нижчими за -1 (припускаючи, що код йде перед масштабуванням на 2^14). Що стосується коефіцієнта підсилення передачі, то діапазон становить від -90 до 0 дБ, тобто 0 дБ - це найвища потужність передачі. Ми завжди хочемо починати з низької потужності передачі, а потім збільшувати її, якщо це необхідно, тому за замовчуванням ми встановили коефіцієнт підсилення на -50 дБ, що є нижньою межею діапазону. Не встановлюйте його на 0 дБ лише тому, що ваш сигнал не з’являється; можливо, щось ще не так, і ви не хочете підсмажити свій приймач.

Передача семплів у режимі повтору

Якщо ви хочете безперервно передавати один і той самий набір семплів на повторі, замість того, щоб використовувати цикл for/while в Python, як ми робили вище, ви можете сказати Pluto, щоб він це робив, використовуючи лише один рядок:

sdr.tx_cyclic_buffer = True # Увімкнути циклічні буфери

Після цього ви передасте свої семпли як зазвичай: sdr.tx(samples) лише один раз, а Pluto продовжить передачу сигналу безперервно, доки не буде викликано деструктор об’єкта sdr. Щоб змінити семпли, які безперервно передаються, не можна просто викликати sdr.tx(samples) знову з новим набором семплів, потрібно спочатку викликати sdr.tx_destroy_buffer(), а потім викликати sdr.tx(samples).

Легальна передача в ефір

Незліченну кількість разів студенти запитували мене, на яких частотах їм дозволено передавати за допомогою антени (у Сполучених Штатах). Наскільки мені відомо, коротка відповідь - жодної. Зазвичай, коли люди вказують на конкретні правила, які говорять про обмеження потужності передачі, вони мають на увазі “Розділ 47, частина 15” (47 CFR 15) правил FCC <https://www.ecfr.gov/cgi-bin/text-idx?SID=7ce538354be86061c7705af3a5e17f26&mc=true&node=pt47.1.15&rgn=div5>`_. Але це правила для виробників, які створюють і продають пристрої, що працюють у діапазонах ISM, і в цих правилах обговорюється, як їх слід тестувати. Пристрої, що підпадають під дію Частини 15, не потребують ліцензії на експлуатацію в будь-якому спектрі, але сам пристрій повинен мати дозвіл/сертифікат, який підтверджує, що він працює відповідно до правил FCC, перш ніж його можна буде продавати. Правила Частини 15 визначають максимальні рівні потужності передачі та прийому для різних частин спектра, але жоден з них насправді не стосується людини, яка передає сигнал за допомогою SDR або саморобного радіоприймача. Єдині правила, які я зміг знайти щодо радіоприймачів, які не є продуктами, що продаються, стосуються роботи малопотужних радіостанцій у діапазонах AM або FM. Існує також розділ про “саморобні пристрої”, але в ньому конкретно сказано, що він не поширюється на все, що зібрано з набору, і було б великою натяжкою сказати, що передавальна установка, яка використовує SDR, є саморобним пристроєм. Таким чином, правила FCC - це не просто “ви можете передавати на цих частотах тільки нижче цих рівнів потужності”, а скоріше величезний набір правил, призначених для тестування і дотримання вимог.

Інший спосіб подивитися на це - сказати: “Ну, це не пристрої Частини 15, але давайте дотримуватися правил Частини 15, як якщо б це були пристрої Частини 15”. Для діапазону 915 МГц ISM правила такі: “Напруженість поля будь-яких випромінювань, що випромінюються в зазначеному діапазоні частот, не повинна перевищувати 500 мікровольт/метр на відстані 30 метрів. Межа випромінювання в цьому пункті базується на вимірювальних приладах, що використовують середній детектор”. Отже, як бачите, це не так просто, як максимальна потужність передачі у ватах.

Тепер, якщо у вас є ліцензія на аматорське радіо (ham), FCC дозволяє вам використовувати певні діапазони, відведені для аматорського радіо. Існують певні правила, яких слід дотримуватися, і максимальні потужності передачі, але, принаймні, ці цифри вказані у ватах ефективної випромінюваної потужності. Ця інфографіка <http://www.arrl.org/files/file/Regulatory/Band%20Chart/Band%20Chart%20-%2011X17%20Color.pdf> показує, які діапазони доступні для використання залежно від класу вашої ліцензії (Технік, Загальна і Додаткова). Я б рекомендував усім, хто зацікавлений у передаванні з використанням SDR, отримати ліцензію на радіоаматорську діяльність, див. ARRL’s Getting Licence page для отримання додаткової інформації.

Якщо хтось має більш детальну інформацію про те, що дозволено, а що ні, будь ласка, напишіть мені.

Одночасна передача і прийом

Використовуючи трюк tx_cyclic_buffer, ви можете легко приймати і передавати одночасно, запускаючи передавач, а потім приймаючи. Наступний код показує робочий приклад передачі QPSK-сигналу в смузі 915 МГц, його прийому і побудови PSD.

import numpy as np
import adi
import matplotlib.pyplot as plt

sample_rate = 1e6 # Hz
center_freq = 915e6 # Hz
num_samps = 100000 # кількість відліків за виклик rx()

sdr = adi.Pluto("ip:192.168.2.1")
sdr.sample_rate = int(sample_rate)

# Конфігурація Tx
sdr.tx_rf_bandwidth = int(sample_rate) # смуга пропускання фільтра, просто встановіть її рівною частоті дискретизації
sdr.tx_lo = int(center_freq)
sdr.tx_hardwaregain_chan0 = -50 # Збільшення для збільшення потужності tx, допустимий діапазон від -90 до 0 дБ

# Конфігурація Rx
sdr.rx_lo = int(center_freq)
sdr.rx_rf_bandwidth = int(sample_rate)
sdr.rx_buffer_size = num_samps
sdr.gain_control_mode_chan0 = 'manual'
sdr.rx_hardwaregain_chan0 = 0.0 # dB, збільшуйте, щоб збільшити коефіцієнт підсилення прийому, але будьте обережні, щоб не наситити АЦП

# Створити форму сигналу передачі (QPSK, 16 відліків на символ)
num_symbols = 1000
x_int = np.random.randint(0, 4, num_symbols) # від 0 до 3
x_degrees = x_int*360/4.0 + 45 # 45, 135, 225, 315 градусів
x_radians = x_degrees*np.pi/180.0 # sin() і cos() беруть в радіанах
x_symbols = np.cos(x_radians) + 1j*np.sin(x_radians) # отримуємо наші комплексні символи QPSK
samples = np.repeat(x_symbols, 16) # 16 відліків на символ (прямокутні імпульси)
samples *= 2**14 # PlutoSDR очікує, що відліки будуть між -2^14 та +2^14, а не -1 та +1, як у деяких SDR

# Запустити передавач
sdr.tx_cyclic_buffer = True # Увімкнути циклічні буфери
sdr.tx(samples) # почати передачу

# Про всяк випадок очистимо буфер
for i in range (0, 10):
    raw_data = sdr.rx()

# Отримуємо зразки
rx_samples = sdr.rx()
print(rx_samples)

# Зупинити передачу
sdr.tx_destroy_buffer()

# Обчислити спектральну щільність потужності (частотна версія сигналу)
psd = np.abs(np.fft.fftshift(np.fft.fft(rx_samples)))**2
psd_dB = 10*np.log10(psd)
f = np.linspace(sample_rate/-2, sample_rate/2, len(psd))

# Побудова часової області графіка
plt.figure(0)
plt.plot(np.real(rx_samples[::100]))
plt.plot(np.imag(rx_samples[::100]))
plt.xlabel("Time")

# Побудувати область частот
plt.figure(1)
plt.plot(f/1e6, psd_dB)
plt.xlabel("Частота [МГц]")
plt.ylabel("PSD")
plt.show()

Ви повинні побачити щось на зразок цього, якщо у вас справні антени або підключений кабель:

Корисно повільно відрегулювати sdr.tx_hardwaregain_chan0 і sdr.rx_hardwaregain_chan0, щоб переконатися, що отриманий сигнал слабшає/посилюється відповідно до очікувань.

Довідковий API

Повний список властивостей і функцій sdr, які можна викликати, наведено у коді pyadi-iio Pluto Python (AD936X).

Вправи з Python

Замість того, щоб надавати вам код для виконання, я створив кілька вправ, де 95% коду надано, а решту коду досить просто написати на Python, щоб ви могли його створити. Вправи не мають бути складними. У них бракує лише достатньої кількості коду, щоб змусити вас подумати.

Вправа 1: Визначення пропускної здатності USB

Давайте спробуємо отримати зразки з PlutoSDR, і в процесі подивимося, скільки зразків в секунду ми зможемо пропустити через USB 2.0 з’єднання.

Ваше завдання - створити Python-скрипт, який визначатиме швидкість отримання семплів у Python, тобто підраховуватиме отримані семпли і відстежуватиме час, щоб визначити швидкість. Потім спробуйте використовувати різні значення sample_rate і buffer_size, щоб побачити, як це впливає на максимальну досяжну швидкість..

Майте на увазі, якщо ви отримуєте менше семплів на секунду, ніж вказано sample_rate, це означає, що ви втрачаєте/відкидаєте певну частину семплів, що, швидше за все, станеться на високих sample_rate. Pluto використовує лише USB 2.0.

Наступний код буде відправною точкою, але містить інструкції, необхідні для виконання цього завдання.

import numpy as np
import adi
import matplotlib.pyplot as plt
час імпорту

sample_rate = 10e6 # Hz
center_freq = 100e6 # Hz

sdr = adi.Pluto("ip:192.168.2.1")
sdr.sample_rate = int(sample_rate)
sdr.rx_rf_bandwidth = int(sample_rate) # смуга пропускання фільтра, просто встановіть її рівною частоті дискретизації
sdr.rx_lo = int(center_freq)
sdr.rx_buffer_size = 1024 # це буфер, який плутон використовує для буферизації семплів
samples = sdr.rx() # отримуємо вибірки з Плутона

Крім того, для того, щоб засікти час виконання чогось, ви можете використати наступний код:

start_time = time.time()
# робимо щось
end_time = time.time()
print('пройшло секунд:', end_time - start_time)

Ось кілька підказок, які допоможуть вам розпочати роботу.

Порада 1: Вам потрібно помістити рядок “samples = sdr.rx()” у цикл, який виконується багато разів (наприклад, 100 разів). Ви повинні порахувати, скільки зразків ви отримаєте при кожному виклику sdr.rx(), відстежуючи при цьому, скільки часу пройшло.

Підказка 2: Те, що ви підраховуєте кількість відліків за секунду, не означає, що ви повинні отримувати відліки рівно за 1 секунду. Ви можете розділити кількість отриманих відліків на кількість часу, що минув.

Підказка 3: Почніть з sample_rate = 10e6, як показано у коді, оскільки ця швидкість набагато більша, ніж може підтримувати USB 2.0. Ви зможете побачити, скільки даних проходить. Потім ви можете змінити rx_buffer_size. Зробіть його набагато більшим і подивіться, що станеться. Після того, як у вас буде робочий скрипт і ви погралися з rx_buffer_size, спробуйте відрегулювати sample_rate. Визначте, наскільки низько вам потрібно опуститися, щоб отримувати 100% відліків у Python (тобто, відліки зі 100% робочим циклом).

Порада 4: У вашому циклі, де ви викликаєте sdr.rx(), намагайтеся робити якомога менше, щоб не додавати додаткової затримки у часі виконання. Не робіть нічого інтенсивного, наприклад, не друкуйте зсередини циклу.

У цій вправі ви отримаєте уявлення про максимальну пропускну здатність USB 2.0. Ви можете знайти інформацію в Інтернеті, щоб перевірити свої висновки.

Як бонус, спробуйте змінити center_freq і rx_rf_bandwidth, щоб побачити, чи впливає це на швидкість отримання зразків з Pluto.

Вправа 2: Створення спектрограми/водоспаду

У цій вправі ви створите спектрограму, так званий водоспад, про який ми дізналися наприкінці розділу Частотний домен. Спектрограма - це просто набір відображених БПФ, накладених один на одного. Іншими словами, це зображення, одна вісь якого представляє частоту, а інша - час.

У розділі Частотний домен ми вивчили код Python для виконання ШПФ. Для цієї вправи ви можете використовувати фрагменти коду з попередньої вправи, а також трохи базового коду Python.

Підказки:

1. Спробуйте встановити розмір буфера sdr.rx_buffer_size рівним розміру ШПФ, щоб завжди виконувати 1 ШПФ для кожного виклику sdr.rx().
2. Створіть двовимірний масив для зберігання всіх результатів ШПФ, де кожен рядок - це 1 ШПФ. Створити двовимірний масив, заповнений нулями, можна за допомогою np.zeros((num_rows, fft_size)). Доступ до рядка i масиву з допомогою: waterfall_2darray[i,:].
3. plt.imshow() - зручний спосіб виведення на екран двовимірного масиву. Він автоматично масштабує колір.

Як варіант, зробіть оновлення спектрограми в реальному часі.