Лабораторная 7.2 — Частотный перенос DUC/DDC

Цель

Промоделировать цифровое повышение и понижение частоты в TX/RX-тракте и проверить, что сигнал оказывается в ожидаемой точке спектра на каждом этапе.

Что выполняется

В работе студент:

1. формирует baseband-сигнал;
2. выполняет DUC-перенос;
3. рассчитывает RF/RX frequency plan;
4. применяет DDC-сдвиг;
5. строит спектры до и после DDC;
6. оценивает остаточную частотную ошибку.

Результат

После выполнения работы должны быть получены:

• графики спектров TX/RX;
• график контрольных частотных точек;
• metrics JSON;
• вывод о корректности знаков DUC/DDC.

Что приложить к отчёту

• TX LO и RX LO;
• TX digital offset;
• DDC shift;
• FFT-графики;
• measured peak и residual frequency error;
• инженерный вывод.

Подробная техническая часть

Практический вопрос

Как цифровое смещение TX, частоты RF LO и сдвиг DDC на RX определяют, где сигнал окажется в итоговой основной полосе?

Исполняемые файлы

Среда	Файл	Результат
Python	blocks/block_07_tx_rx_chains/python/lab_7_2_duc_ddc_frequency_translation.py	графики FFT + JSON с метриками в docs/assets

Запуск из корня репозитория:

python blocks/block_07_tx_rx_chains/python/lab_7_2_duc_ddc_frequency_translation.py

Сгенерированные артефакты:

docs/assets/lab72_duc_ddc_tx_spectrum.png
docs/assets/lab72_duc_ddc_rx_spectrum.png
docs/assets/lab72_duc_ddc_frequency_plan.png
docs/assets/lab72_duc_ddc_metrics.json

Цепочка обработки

flowchart LR
    BB[Тон в основной полосе] --> DUC[Микшер DUC]
    DUC --> RFPLAN[Частотный план RF]
    RFPLAN --> RX[Основная полоса приёмника]
    RX --> DDC[Микшер DDC]
    DDC --> OUT[Выход около DC]

Частотные уравнения

RF-тон TX:

f_rf = f_tx_lo + f_tx_offset

Наблюдаемое смещение в основной полосе приёмника:

f_rx_obs = f_rf - f_rx_lo

После DDC:

f_out = f_rx_obs + f_ddc_shift

Правильный выбор DDC:

f_ddc_shift = -f_rx_obs

Пример

Параметр	Значение
LO TX	915 МГц
Цифровое смещение TX	+100 кГц
LO RX	915 МГц
Наблюдаемое смещение RX	+100 кГц
Сдвиг DDC	−100 кГц
Итоговое смещение на выходе	0 Гц

Практическая процедура

1. Сгенерируйте комплексный тон в основной полосе.
2. Примените сдвиг DUC.
3. Интерпретируйте результат через частотный план RF.
4. Сформируйте сигнал IQ приёмника на наблюдаемом смещении.
5. Примените сдвиг DDC.
6. Постройте FFT до и после DDC.
7. Оцените частоту пика на выходе.
8. Убедитесь, что выходной пик близок к DC.

Ожидаемые графики

• спектр TX в основной полосе;
• спектр после DUC;
• наблюдаемый спектр RX;
• спектр после DDC;
• сводка частотной ошибки.

Метрики, создаваемые скриптом

Метрика	Смысл
tx_rf_hz	RF-частота, следующая из LO TX и сдвига DUC
rx_observed_offset_hz	ожидаемое смещение в основной полосе приёмника
ddc_shift_hz	цифровой сдвиг, применяемый в DDC на RX
rx_peak_hz	измеренный пик до DDC
final_peak_hz	измеренный пик после DDC
final_frequency_error_hz	итоговый пик минус ожидаемая итоговая частота
snr_db	грубая оценка SNR после DDC

Типичные ошибки знака

Ошибка	Симптом	Исправление
неверный знак DDC	сигнал уходит дальше от DC	использовать отрицательное наблюдаемое смещение
игнорируется связь LO TX/RX	ожидаемый пик неверен	считать TX_LO + offset - RX_LO
вместо комплексного микшера использован вещественный	появляется зеркальный образ	использовать комплексное смешивание IQ
несовпадение частоты дискретизации	пик в неверном бине FFT	проверить частоту дискретизации в метаданных
сопряжение IQ	зеркальный спектр	проверить порядок I/Q и соглашение о знаке

Чего ожидать

TX LO: 915.000000 MHz
RX LO: 915.000000 MHz
TX DUC shift: 100000.000 Hz
TX RF frequency: 915100000.000 Hz
RX observed offset: 100000.000 Hz
DDC shift: -100000.000 Hz
RX peak: 100012.207 Hz
Final peak after DDC: 0.000 Hz
Final frequency error: 0.000 Hz
SNR estimate after DDC: 78.94 dB

• Частотный план это чистая арифметика: 915,000 + 0,100 − 915,000 = +0,100 МГц наблюдается, поэтому сдвиг DDC −100 кГц приводит тон на 0 Гц.
• «RX peak 100 012 Гц»: квантование по бинам (12 Гц), а после DDC тон попадает точно в нулевой бин. В реальном канале добавились бы сдвиги генераторов обеих плат: их и убирают оценщики CFO Блока 8.

Упражнения

1. Измените знак сдвига DDC. Куда попадёт тон и заметили бы вы ошибку, глядя только на форму спектра?
2. Задайте LO RX 915,030 МГц. Посчитайте наблюдаемое смещение и нужный сдвиг DDC, затем проверьте.
3. На реальном железе два LO отличаются примерно на 0,3 ppm (см. Lab 11.30). Сколько герц остаточного смещения это оставляет на 915 МГц после DDC?

Ответы (проверены запуском скрипта лабораторной)

1. При сдвиге DDC +100 кГц тон оказывается на +200 кГц (измерено 199 988 Гц) вместо 0 Гц. Форма спектра та же, поэтому ошибку выдаёт только знание того, где тон должен быть; собственная строка ошибки скрипта остаётся малой, потому что сравнивает с заданным вами сдвигом.
2. Наблюдаемое смещение 915,000 + 0,100 − 915,030 = +0,070 МГц, значит, сдвиг DDC −70 кГц; прогон ставит тон на 0 Гц (пик RX до DDC 69 983 Гц: дискретность бинов).
3. 0,3·10⁻⁶ × 915 МГц ≈ 275 Гц. DDC убирает запланированное смещение, а не неизвестное: этот остаток и измеряют оценщики CFO блока 8.

Чек-лист отчёта (расширенный)

• Указаны LO TX и LO RX.
• Указано цифровое смещение TX.
• Вычислено наблюдаемое смещение RX.
• Выбран сдвиг DDC.
• Построена FFT до DDC.
• Построена FFT после DDC.
• Оценена частотная ошибка на выходе.
• Объяснено любое остаточное смещение.

Шаблон инженерного вывода

Частотный план TX/RX предсказывает наблюдаемое смещение RX ____ Гц.
При сдвиге DDC ____ Гц итоговый пик на выходе — ____ Гц.
Остаточная частотная ошибка — ____ Гц, в основном вызванная ______.