Перейти к содержанию

12. Лабораторная работа 2. AM/FM модуляция и демодуляция

Цель работы

Перейти от одиночного тестового тона к простым модулированным сигналам и показать, как SDR-стенд позволяет наблюдать форму сигнала, спектр, запись IQ и последующую демодуляцию.

Лабораторная работа строится вокруг двух базовых типов модуляции:

  • AM: амплитудная модуляция;
  • FM: частотная модуляция.

Главная цель: не только увидеть сигнал в спектре, но и связать математическую модель, параметры модуляции, RF-наблюдение и офлайн-анализ.

1. Учебная идея

После первой лабораторной студент уже умеет сформировать и принять простой тон. Во второй лабораторной тот же стенд используется для более содержательного эксперимента:

сообщение → модулятор → RF-передача → RTL-SDR/HDSDR → IQ-запись → демодулятор → сравнение с исходным сообщением

Это первый шаг от проверки тракта к реальной цифровой и аналоговой связи.

2. Оборудование и ПО

Используется тот же стенд:

  • SDR-плата Zynq7020 + AD9363;
  • приёмник RTL-SDR;
  • ПК;
  • HDSDR;
  • MATLAB / Simulink;
  • Python;
  • GNU Radio;
  • кабельное или эфирное соединение;
  • аттенюаторы при необходимости.

3. Диаграмма эксперимента

flowchart TB
    classDef model fill:#E0F2FE,color:#0F172A,stroke:#0284C7,stroke-width:1px;
    classDef dsp fill:#DCFCE7,color:#0F172A,stroke:#16A34A,stroke-width:1px;
    classDef rf fill:#FFE4E6,color:#0F172A,stroke:#E11D48,stroke-width:1px;
    classDef tool fill:#EDE9FE,color:#0F172A,stroke:#7C3AED,stroke-width:1px;
    classDef result fill:#F1F5F9,color:#0F172A,stroke:#64748B,stroke-width:1px;

    MSG["1. Message signal<br/>tone / audio / test sequence"]:::model
    SELECT["2. Modulation mode<br/>AM or FM"]:::model
    MOD["3. SDR modulator<br/>envelope or frequency deviation"]:::dsp
    TX["4. AD9363 TX path<br/>RF output"]:::rf
    LINK["5. RF link<br/>coax / attenuator / antenna"]:::rf
    RX["6. RTL-SDR reception<br/>gain and frequency setup"]:::tool
    VIEW["7. HDSDR observation<br/>spectrum / waterfall"]:::tool
    IQ["8. IQ recording<br/>dataset for replay"]:::tool
    DEMOD["9. Offline demodulation<br/>AM envelope / FM discriminator"]:::dsp
    COMPARE["10. Comparison<br/>message recovery / distortion / SNR"]:::result
    REPORT["11. Lab report<br/>plots / screenshots / conclusions"]:::result

    MSG --> SELECT --> MOD --> TX --> LINK --> RX --> VIEW --> IQ --> DEMOD --> COMPARE --> REPORT
    COMPARE -. parameter tuning .-> MOD
    COMPARE -. receiver gain tuning .-> RX

4. Параметры эксперимента

В отчёте должны быть зафиксированы:

Параметр Смысл
Fc несущая частота передачи
Fs частота дискретизации IQ
Fm частота информационного сигнала
m глубина AM-модуляции
Δf девиация частоты для FM
gain_tx усиление передающего тракта
gain_rx усиление RTL-SDR
format формат записи IQ

5. Часть A: AM-модуляция

Что нужно сделать

  1. Сформировать низкочастотный информационный сигнал.
  2. Сформировать AM-сигнал на SDR-плате или в модели.
  3. Передать сигнал через RF-тракт.
  4. Принять сигнал RTL-SDR.
  5. Увидеть несущую и боковые полосы в спектре.
  6. Записать IQ-файл.
  7. Выполнить офлайн-демодуляцию огибающей.
  8. Сравнить восстановленное сообщение с исходным.

Что должно быть видно

Для AM студент должен увидеть:

  • центральную несущую;
  • две боковые полосы;
  • изменение спектра при изменении частоты сообщения;
  • изменение уровня боковых полос при изменении глубины модуляции.

6. Часть B: FM-модуляция

Что нужно сделать

  1. Сформировать низкочастотный информационный сигнал.
  2. Настроить девиацию частоты.
  3. Сформировать FM-сигнал.
  4. Принять его через RTL-SDR.
  5. Наблюдать расширение спектра.
  6. Записать IQ.
  7. Выполнить офлайн FM-демодуляцию.
  8. Сравнить восстановленное сообщение с исходным.

Что должно быть видно

Для FM студент должен увидеть:

  • изменение занимаемой полосы при изменении девиации;
  • отличие спектра FM от AM;
  • чувствительность результата к настройке частоты приёма;
  • влияние уровня и перегрузки на качество демодуляции.

7. Офлайн-анализ

Для каждого режима нужно построить:

  • временную форму IQ или восстановленного сообщения;
  • спектр принятого сигнала;
  • спектр демодулированного сообщения;
  • сравнение исходного и восстановленного сигнала;
  • краткую оценку искажений.

8. Контрольные вопросы

  1. Чем AM отличается от FM с точки зрения спектра?
  2. Почему у AM появляются боковые полосы?
  3. Что такое глубина модуляции?
  4. Что такое девиация частоты в FM?
  5. Почему FM обычно занимает большую полосу?
  6. Что произойдёт при перегрузке RTL-SDR?
  7. Почему важно сохранять IQ-запись вместе с параметрами эксперимента?

9. Ожидаемый результат

После выполнения лабораторной работы студент должен получить:

  • IQ-записи AM и FM сигналов;
  • скриншоты HDSDR;
  • графики спектров;
  • восстановленные сообщения после демодуляции;
  • понимание связи между параметрами модуляции и наблюдаемым спектром.

10. Инженерный вывод

Эта лабораторная работа превращает стенд из простого генератора тона в базовый измерительный SDR-комплекс. Студент начинает видеть, что модуляция это не абстрактная формула, а измеряемое изменение формы, спектра и полосы сигнала.