14. Лабораторная работа 4. Синхронизация в SDR-приёмнике¶

Цель работы¶

Показать, почему приём цифрового сигнала требует не только демодуляции, но и синхронизации.

В лабораторной работе рассматриваются три базовые задачи:

коррекция частотного смещения (CFO);
восстановление тактовой синхронизации (timing recovery);
обнаружение начала кадра (frame synchronization).

Эта страница: обзор. Каждый шаг дальше в курсе становится исполняемой лабораторной: CFO: Лабораторная 8.1, тайминг: Лабораторная 8.3, поиск кадра: Лабораторная 7.4, вся цепочка: Лабораторная 8.4. Если своей записи нет, используйте синтетический QPSK-датасет Лабораторной 9.5.

1. Учебная идея¶

принятый IQ → оценка CFO → коррекция частоты → восстановление timing → поиск кадра → демодуляция

Без синхронизации даже правильно сформированный BPSK/QPSK сигнал может не демодулироваться корректно.

2. Диаграмма эксперимента¶

flowchart TB
    classDef rx fill:#EDE9FE,color:#0F172A,stroke:#7C3AED,stroke-width:1px;
    classDef dsp fill:#DCFCE7,color:#0F172A,stroke:#16A34A,stroke-width:1px;
    classDef metric fill:#F1F5F9,color:#0F172A,stroke:#64748B,stroke-width:1px;

    IQ["1. Recorded IQ<br/>from Lab 3 or SDR receiver"]:::rx
    SPEC["2. Spectrum check<br/>coarse frequency offset"]:::metric
    CFO["3. CFO estimation<br/>frequency mismatch"]:::dsp
    CORR["4. Frequency correction<br/>complex rotation"]:::dsp
    TIMING["5. Timing recovery<br/>symbol sampling point"]:::dsp
    FRAME["6. Frame synchronization<br/>preamble / marker"]:::dsp
    DEMOD["7. Demodulation<br/>BPSK / QPSK"]:::dsp
    BER["8. BER / constellation<br/>quality metrics"]:::metric

    IQ --> SPEC --> CFO --> CORR --> TIMING --> FRAME --> DEMOD --> BER
    BER -. tune loop parameters .-> CFO
    BER -. tune timing .-> TIMING

3. Что должен понять студент¶

Частоты передатчика и приёмника никогда не совпадают идеально.
Даже небольшое CFO вращает созвездие.
Неправильная точка выборки символа увеличивает ошибки.
Для пакетной передачи нужен способ найти начало кадра.

4. Практические задания¶

Взять IQ-запись BPSK/QPSK сигнала.
Построить спектр и оценить частотное смещение.
Выполнить грубую коррекцию частоты.
Построить созвездие до и после коррекции CFO.
Подобрать момент выборки символов.
Найти начало кадра по преамбуле или тестовой последовательности.
Выполнить демодуляцию.
Сравнить BER до и после синхронизации.

5. Ожидаемые результаты¶

более устойчивое созвездие;
меньший BER;
понимание контуров синхронизации.

6. Что должно быть в отчёте¶

спектр до коррекции;
оценка CFO;
созвездие до и после коррекции;
описание алгоритма timing recovery;
описание способа frame sync;
BER до и после синхронизации;
выводы.

7. Контрольные вопросы¶

Что такое CFO?
Почему CFO вращает созвездие?
Почему нельзя просто брать каждый N-й отсчёт без timing recovery?
Что такое преамбула?
Чем отличается грубая и точная синхронизация?
Почему BER является удобной итоговой метрикой?

8. Инженерный вывод¶

Синхронизация это граница между учебной демодуляцией и реальным приёмником. После этой лабораторной студент видит, что SDR-приёмник состоит не только из фильтров и демодулятора, но и из набора контуров оценки, коррекции и контроля качества.