Лабораторная 7.3 — Метрики TX/RX loopback¶

Цель¶

Собрать компактную синтетическую QPSK-модель TX/RX loopback и рассчитать ключевые метрики качества: EVM, SNR и BER.

Что выполняется¶

В работе студент:

генерирует случайные биты и QPSK-символы;
моделирует TX frequency offset и канал с шумом;
выполняет DDC-коррекцию;
принимает решения по символам;
строит constellation plots и рассчитывает EVM/BER.

Результат¶

После выполнения работы должны быть получены:

spectrum plot до/после DDC;
TX и RX constellation plots;
metrics JSON;
численные значения EVM, SNR estimate и BER.

Что приложить к отчёту¶

параметры QPSK-модели;
sample rate и samples per symbol;
TX offset и DDC shift;
constellation plots;
таблицу EVM/SNR/BER;
вывод о готовности к real RF captures.

Подробная техническая часть¶

Практический вопрос¶

Как проверить полную цепочку TX/RX по графикам созвездий и числовым метрикам до перехода к RF-железу?

Исполняемые файлы¶

Среда	Файл	Результат
Python	`blocks/block_07_tx_rx_chains/python/lab_7_3_tx_rx_loopback_metrics.py`	спектры, графики созвездий и JSON с метриками в `docs/assets`

Запуск из корня репозитория:

python blocks/block_07_tx_rx_chains/python/lab_7_3_tx_rx_loopback_metrics.py

Сгенерированные артефакты:

docs/assets/lab73_tx_rx_loopback_spectrum.png
docs/assets/lab73_tx_constellation.png
docs/assets/lab73_rx_constellation_after_ddc.png
docs/assets/lab73_tx_rx_loopback_metrics.json

Цепочка обработки¶

flowchart LR
    BITS[Случайные биты] --> MAP[QPSK-маппер]
    MAP --> TX[Отсчёты TX]
    TX --> SHIFT[Частотный сдвиг TX]
    SHIFT --> CH[Шум / канал loopback]
    CH --> DDC[Коррекция DDC]
    DDC --> SYM[Выборка символов]
    SYM --> DEC[Жёсткие решения]
    DEC --> METRICS[EVM, SNR, BER]

Допущения модели¶

Работа намеренно компактна:

символы QPSK используют детерминированный seed;
в качестве учебной заглушки применяется прямоугольное формирование импульса;
тайминг считается известным;
сдвиг DDC точно компенсирует синтетический сдвиг TX;
перед оценкой EVM и BER применяется скалярное выравнивание усиления/фазы;
алгоритмы синхронизации вводятся позже, в Блоке 8.

Метрики¶

Метрика	Смысл
EVM	RMS-расстояние между выровненными символами RX и эталонными символами TX
EVM dB	`20*log10(EVM_rms)`
Оценка SNR	приблизительно `-EVM_dB` в этой упрощённой модели
BER	битовые ошибки, делённые на число сравнённых бит
оценка сдвига до/после DDC	оценка сдвига несущей до и после цифрового понижающего преобразования
остаточная частотная ошибка	оценка остаточного сдвига несущей после DDC

Ожидаемые графики¶

спектр RX до и после DDC;
эталонное созвездие TX;
созвездие RX после DDC и скалярного выравнивания.

Чего ожидать¶

С конфигурацией по умолчанию (4096 QPSK-символов, 4 отсчёта на символ, сдвиг TX 100 кГц) корректный запуск печатает:

Symbols: 4096
Samples per symbol: 4
TX offset: 100000.000 Hz
DDC shift: -100000.000 Hz
Estimated offset before DDC: 99908.589 Hz
Estimated offset after DDC: 91.568 Hz
Residual frequency error: 91.568 Hz
EVM: 8.526 % (-21.39 dB)
SNR estimate: 21.39 dB
BER: 0.000000e+00 (0/8192)

Читайте эти числа вместе:

DDC убирает сдвиг. Оценщик видит около 99,9 кГц до понижающего преобразования и около 92 Гц после него: остаток составляет менее 0,1 % исходного сдвига. Оставшиеся ~92 Гц: собственное смещение оценщика, а не эффект канала.
EVM 8,5 % соответствует SNR ≈ 21,4 дБ через SNR ≈ −EVM_dB: приближение, которое использует эта упрощённая модель. Это оценка SNR по созвездию, а не независимое измерение.
BER = 0 на 8192 битах, но EVM не нулевой. Это обычная картина для QPSK при ~21 дБ: решения пока верны, а облака созвездия уже заметно разбросаны. Один BER скрыл бы уровень шума, поэтому набор метрик всегда включает EVM (сравните с Лабораторной 8.7).

Зачем это нужно¶

Работа связывает несколько предыдущих блоков курса:

Предыдущий блок	Что используется здесь
Блок 3, основы DSP	FFT, смеситель, чтение спектра
Блок 4, fixed-point-мышление	Q-формат и интерпретация EVM/ошибки
Блок 6, RF-фронтенд	частотный сдвиг и анализ в стиле захвата
Блок 7, цепочка TX/RX	сквозные метрики

Переход к реальным RF-захватам¶

Тот же конвейер метрик можно использовать с реальными IQ-данными:

реальный capture.ci16 + JSON метаданных -> DDC -> символьный тайминг -> выравнивание -> EVM/SNR/BER

Синтетическая модель поначалу обходит самые трудные шаги реального мира:

оценку сдвига несущей;
восстановление тайминга;
кадровую синхронизацию;
дисбаланс IQ;
смещение DC;
дрейф усиления;
фазовый шум.

Они вводятся в Блоке 8.

Чек-лист отчёта (расширенный)¶

Указаны тип модуляции и число символов.
Указаны частота дискретизации и число отсчётов на символ.
Указаны сдвиг TX и сдвиг DDC.
Приложен спектр RX до/после DDC.
Приложены графики созвездий TX и RX.
Указаны EVM, оценка SNR и BER.
Объяснено, почему синтетическая модель проще реального RF.
Указано, каких шагов синхронизации пока не хватает.

Шаблон инженерного вывода¶

Синтетический QPSK-loopback использовал ____ символов и частотный сдвиг TX ____ Гц.
После DDC остаточная частотная ошибка составила ____ Гц. Измеренный EVM — ____ %,
оценка SNR — ____ дБ, BER — ____.
Цепочка готова / не готова к реальным RF-захватам, потому что ______.