Лабораторная 8.10 — OFDM: PAPR, ограничение амплитуды и расширение спектра¶

Цель¶

Расширить мини-линию OFDM экспериментом, который связывает статистику сигнала с ограничениями fixed-point, ЦАП и радиочастотного тракта:

оценить распределение пик-фактора OFDM — PAPR;
построить дополнительную интегральную функцию распределения CCDF;
ограничить модуль сигнала при нескольких отношениях A/RMS;
измерить PAPR, EVM, BER и долю внеполосной энергии;
объяснить, зачем перед передачей через AD9363 нужны цифровой запас по уровню и контроль пикового dBFS.

Почему это важно¶

Созвездие QPSK может выглядеть устойчивым, хотя временной OFDM-сигнал содержит редкие высокие пики. Они способны вызвать переполнение fixed-point тракта, clipping в ЦАП или компрессию усилителя мощности. Жёсткое ограничение амплитуды уменьшает пики, но одновременно повышает EVM, расширяет спектр и при сильном воздействии приводит к битовым ошибкам.

Цепочка обработки¶

flowchart LR
    BITS[случайные биты] --> MAP[QPSK mapper]
    MAP --> ALLOC[распределение поднесущих]
    ALLOC --> IFFT[пересэмплированная IFFT]
    IFFT --> CLIP[ограничение амплитуды]
    CLIP --> AWGN[канал AWGN]
    AWGN --> FFT[FFT]
    FFT --> METRICS[PAPR / EVM / BER / OOB]

Запуск¶

python blocks/block_08_modulation_and_synchronization/python/lab_8_10_ofdm_papr_clipping.py

Генерируемые артефакты¶

docs/assets/lab810_ofdm_papr_ccdf.png
docs/assets/lab810_ofdm_clipping_tradeoff.png
docs/assets/lab810_ofdm_spectral_regrowth.png
docs/assets/lab810_ofdm_papr_metrics.json

Параметры эксперимента по умолчанию¶

размер FFT — 64;
занято 52 поднесущие;
пересэмплирование 4× для оценки PAPR;
4000 OFDM-символов для CCDF;
300 OFDM-символов и 31 200 сравниваемых битов на каждую точку clipping sweep;
SNR = 24 дБ;
коэффициент ограничения от 3,0 до 0,7 относительно RMS-амплитуды.

При фиксированном seed медианный PAPR составляет примерно 7 дБ, а 99-й процентиль — около 10 дБ. Сильное ограничение снижает средний PAPR примерно до 1 дБ, но увеличивает EVM свыше 25 %, повышает внеполосную энергию и даёт ненулевой BER.

Как интерпретировать метрики¶

PAPR характеризует нагрузку пиками на цифровой и РЧ-тракт.
EVM показывает внутриполосные искажения ещё до появления заметного BER.
BER подтверждает, сохраняется ли правильное принятие битов.
Отношение внеполосной мощности к внутриполосной служит компактным индикатором расширения спектра, но не заменяет стандартизированное измерение ACLR.

Главный вывод соответствует общей логике курса: одной метрики недостаточно. BER может оставаться нулевым, когда EVM и спектральная чистота уже ухудшаются.

Что включить в отчёт¶

[ ] График CCDF PAPR.
[ ] Медианный и 99-й процентиль PAPR.
[ ] Сравнение EVM без ограничения и после clipping.
[ ] BER и количество реально сравнённых битов.
[ ] График роста внеполосной энергии.
[ ] Рекомендацию по цифровому back-off для будущего измерения через AD9363.