User Tools

Site Tools


sp:lec5

Table of Contents

Лекция 5. Спектры радиосигналов и модуляция

Подробный конспект пятой лекции: зачем сигнал «переносят» на несущую, как выглядят спектры модулированных сигналов, что такое комплексная огибающая и I/Q, как устроена аналоговая и цифровая модуляция и как всё это связано с проектом (RFID, Wi-Fi, SDR). Материала много — рассчитан и на подготовку преподавателя, и на самостоятельное чтение студентом.


О чём этот текст и как им пользоваться

  • Это подробный конспект лекции 5 — первой в перестроенном (сжатом) блоке.
  • Лекция отвечает на вопросы:
    • почему без модуляции радио невозможно;
    • что такое несущая и комплексная огибающая;
    • как выглядят спектры АМ, ЧМ, ФМ;
    • что такое созвездия и почему BPSK/QPSK/QAM;
    • зачем формирующий фильтр и OFDM;
    • как всё это считать в Python.
  • Формат — списки и таблицы: удобно готовиться и объяснять.
  • Формулы даны текстом (в вики нет мат-плагина); полные формулы — в PDF.
  • Числа согласованы с презентацией lecture05.pdf и фигурами lecture05/figures/.

Цели лекции (что должен уметь студент)

  1. Объяснить, зачем нужна модуляция и что такое несущая.
  2. Понять комплексную огибающую и квадратуры I/Q.
  3. Разобрать АМ: сигнал, спектр, глубину, КПД, варианты (DSB-SC, SSB).
  4. Разобрать ЧМ и ФМ: индекс модуляции, функции Бесселя, правило Карсона.
  5. Освоить цифровую модуляцию: ASK/FSK/PSK, BPSK/QPSK/QAM, созвездия.
  6. Понять роль формирующего фильтра и межсимвольной интерференции.
  7. Понять идею OFDM и её связь с БПФ.
  8. Увидеть всё это в Python и в проекте (RFID, Wi-Fi, SDR).

Зачем каждый пункт на практике:

  • Модуляция — основа всей радиосвязи.
  • I/Q — язык современных приёмников (SDR).
  • АМ/ЧМ — классика, которую надо понимать.
  • Цифровая модуляция — Wi-Fi, LTE, Bluetooth.
  • Формирующий фильтр — без него цифровой сигнал «размазывается».
  • OFDM — то, что реально работает в вашем Wi-Fi.
  • RFID — прямой проект: амплитуда и фаза обратного рассеяния.

1. Зачем нужна модуляция

1.1 Проблема излучения

  • Антенна эффективно излучает, когда её размер сравним с длиной волны

λ = c / f (c ≈ 3·10⁸ м/с).

  • Звук 20 Гц–20 кГц → длина волны от 15 км до 15 м.
  • Излучать такие волны практически невозможно (огромные антенны).
  • Решение: перенести спектр сигнала на высокую частоту.

1.2 Несущая

  • Несущая — высокочастотное колебание c(t) = A·cos(2π f_c t + φ).
  • Оно «везёт» информацию, не содержа её само по себе.
  • Модуляция меняет один или несколько параметров несущей:
    • амплитуду A → АМ;
    • частоту f_c → ЧМ;
    • фазу φ → ФМ.

1.3 Дополнительные выгоды

  • Разнесение каналов по частоте: радиостанции, ТВ, сотовая связь.
  • Малые антенны: длина волны на несущей короткая.
  • Эффективное использование спектра: диапазоны распределены.
  • Мультиплексирование: в одном канале — несколько сигналов.

1.4 Простая картинка

  • Два низкочастотных сигнала перекрываются по частоте → мешают.
  • После переноса на разные несущие — разнесены, не мешают.
  • Модуляция — это «раскладывание» сигналов по частоте.

2. Несущая и представления сигнала

2.1 Вещественное представление

  • Реальный сигнал: s(t) = A(t)·cos(2π f_c t + φ(t)).
  • Здесь A(t) — огибающая, φ(t) — фаза.
  • Всё, что можно передать, — это изменения A(t) и φ(t).

2.2 Комплексное представление

  • Комплексная экспонента: e^(j2π f_c t) = cos(2π f_c t) + j·sin(2π f_c t).
  • Реальный сигнал: s(t) = Re{ g(t)·e^(j2π f_c t) }.
  • g(t) = I(t) + j·Q(t) — комплексная огибающая.
  • g(t) медленная (по сравнению с несущей) и содержит всю информацию.

2.3 Комплексная огибающая (baseband equivalent)

  • Перенос «вниз» на нулевую частоту: убираем несущую, остаётся g(t).
  • Преимущества:
    • сигнал становится комплексным, но узкополосным;
    • дискретизировать можно по полосе, а не по f_c;
    • удобно для цифровой обработки.
  • Именно с g(t) работает SDR и весь цифровой тракт.

2.4 Аналитический сигнал

  • Из вещественного сигнала получают аналитический через преобразование Гильберта.
  • У аналитического сигнала нет отрицательных частот.
  • g(t) — это огибающая аналитического сигнала.
  • Полезно для измерения мгновенной амплитуды и фазы.

3. I/Q и квадратуры

3.1 Разложение по квадратурам

  • Из s(t) = Re{g(t)e^(j2π f_c t)} получаем:

s(t) = I(t)·cos(2π f_c t) − Q(t)·sin(2π f_c t).

  • I(t) — синфазная компонента (in-phase).
  • Q(t) — квадратурная (quadrature, сдвиг 90°).

3.2 Амплитуда и фаза

  • A = sqrt(I² + Q²) — амплитуда.
  • φ = arctan(Q / I) — фаза.
  • Обратно: I = A·cos φ, Q = A·sin φ.
  • Точка (I, Q) на комплексной плоскости однозначно задаёт сигнал.

3.3 Квадратурный демодулятор

  • Умножаем вход на cos(2π f_c t) → получаем I.
  • Умножаем вход на −sin(2π f_c t) → получаем Q.
  • После фильтра нижних частот — сигнал в полосе модуляции.
  • Это аппаратная основа почти любого приёмника.

3.4 Дисбаланс I/Q

  • Идеально амплитуды и фазы I и Q совпадают.
  • Реально есть дисбаланс: разные усиления и отклонение от 90°.
  • Следствие — зеркальный отклик (image) на «неправильной» частоте.
  • Компенсация: калибровка, цифровые корректоры.
  • Типичная проблема дешёвых SDR — важно уметь распознавать.

3.5 Зачем это в курсе

  • Реальные устройства (RFID, Wi-Fi) отдают именно I/Q.
  • Дальнейшая обработка (фильтрация, демодуляция) — над комплексной огибающей.

4. Амплитудная модуляция (АМ)

4.1 Формула

  • s(t) = (1 + m·cos(2π f_m t))·cos(2π f_c t).
  • m — глубина модуляции (0 ≤ m ≤ 1).
  • Огибающая 1 + m·cos(2π f_m t) повторяет сообщение.

4.2 Спектр

  • По формуле произведения косинусов:

cos a · cos b = ½[cos(a−b) + cos(a+b)].

  • Спектр АМ:
    • несущая на f_c;
    • верхняя боковая на f_c + f_m;
    • нижняя боковая на f_c − f_m.
  • Полоса АМ: 2·f_m (удвоенная полоса сообщения).

4.3 Амплитуды составляющих

  • Несущая: амплитуда 1 (в нормировке).
  • Каждая боковая: амплитуда m/2.
  • При m = 1 боковые по 0.5 каждая.

4.4 Мощность и КПД

  • Мощность несущей: P_c.
  • Суммарная мощность боковых (для тона): P_c·m²/2.
  • Полная мощность: P_c·(1 + m²/2).
  • КПД (доля полезных боковых): η = m² / (2 + m²).
    • m = 0.5 → η ≈ 11%;
    • m = 1 → η ≈ 33%.
  • Вывод: обычная АМ тратит не менее 2/3 мощности «впустую» на несущую.

4.5 Глубина модуляции

  • m < 1 — нормальная АМ, огибающая не рвётся.
  • m = 1 — максимальная амплитуда без искажений.
  • m > 1 — перемодуляция: огибающая «переворачивается», простой диодный

детектор искажает.

  • m измеряют по огибающей: m = (A_max − A_min)/(A_max + A_min).

4.6 Демодуляция АМ

  • Простой диодный детектор + фильтр нижних частот.
  • Диод «срезает» отрицательную полуволну, фильтр выделяет огибающую.
  • Работает только если m ≤ 1.
  • Простота — главное достоинство АМ (радиовещание, авиация).

5. Варианты амплитудной модуляции

5.1 АМ с несущей (обычная)

  • Передаём несущую и обе боковые.
  • Плюс: простой приём (детектор).
  • Минус: большая часть мощности — в несущей.

5.2 DSB-SC (с подавленной несущей)

  • Передаём только две боковые.
  • Плюс: вся мощность — полезная.
  • Минус: нужна синхронная демодуляция (восстановление несущей).

5.3 SSB (одна боковая полоса)

  • Передаём одну боковую.
  • Плюс: полоса вдвое уже, чем у АМ/DSB.
  • Минус: сложнее формирование и приём.
  • Применение: радиосвязь, где важна экономия полосы.

5.4 VSB (частично подавленная боковая)

  • Компромисс между DSB и SSB.
  • Одна боковая подавлена частично.
  • Применение: телевидение (исторически).

5.5 Сравнение

Вариант Что передаём Полоса Плюс Минус
АМ несущая + 2 боковые 2·f_m простой приём тратим мощность
DSB-SC 2 боковые 2·f_m вся мощность полезна синхронный приём
SSB 1 боковая f_m узкая полоса сложнее
VSB 1 + часть 2-й ≈1.25·f_m компромисс для ТВ

6. Угловая модуляция: ЧМ и ФМ

6.1 Общая формула

  • s(t) = A·cos(2π f_c t + φ(t)).
  • Амплитуда A постоянна — информация в φ(t).

6.2 Фазовая модуляция (ФМ)

  • φ(t) = k_p · u(t) — фаза пропорциональна сообщению u(t).
  • k_p — индекс фазовой модуляции (рад/В).

6.3 Частотная модуляция (ЧМ)

  • Мгновенная частота f(t) = f_c + k_f · u(t).
  • Фаза — интеграл сообщения: φ(t) = 2π k_f ∫u(τ)dτ.
  • Δf = k_f·max|u| — девиация частоты.

6.4 Связь ФМ и ЧМ

  • ЧМ = ФМ от интегрированного сообщения.
  • ФМ = ЧМ от продифференцированного сообщения.
  • Технически это «двоюродные» виды модуляции.

6.5 Индекс модуляции

  • Для тона u(t) = cos(2π f_m t):

при ЧМ β = Δf / f_m.

  • β — индекс модуляции; определяет, сколько боковых существенно.
  • β < 1 — узкополосная ЧМ; β » 1 — широкополосная.

6.6 Почему ЧМ устойчивее

  • Амплитуда постоянна → амплитудные помехи подавляются ограничителем.
  • Информация в частоте/фазе, а не в амплитуде.
  • Цена — шире полоса.

7. Спектр ЧМ

7.1 Разложение по Бесселю

  • Для тона: s(t) = A · Σ J_k(β) · cos(2π(f_c + k·f_m)t).
  • J_k(β) — функции Бесселя первого рода порядка k.
  • Боковых бесконечно много, но амплитуды быстро падают.

7.2 Свойства спектра

  • Симметрия: боковые с шагом f_m по обе стороны от f_c.
  • Число заметных боковых ≈ 2(β + 1).
  • Чем больше β, тем шире «расходящийся» спектр.
  • При некоторых β несущая может обратиться в ноль (J_0(β) = 0).

7.3 Узкополосная и широкополосная ЧМ

  • β « 1 (NBFM): полоса и структура как у АМ.
  • β » 1 (WBFM): широкая полоса, высокая помехоустойчивость.
  • FM-радио — широкополосная ЧМ.

7.4 Правило Карсона

  • Полоса: B ≈ 2(β + 1)·f_m = 2(Δf + f_m).
  • При больших β: B ≈ 2·Δf.
  • Пример (FM-радио): Δf = 75 кГц, f_m = 15 кГц → B ≈ 180 кГц.

7.5 Примеры

  • FM-радио: 88–108 МГц, полоса станции ≈ 200 кГц.
  • Радиомикрофоны, телеметрия — ЧМ/ФМ.
  • PMR/DMR — цифровая ЧМ (FSK/4FSK).

8. Сравнение АМ, ЧМ и ФМ

Свойство АМ ЧМ ФМ
Меняется амплитуда частота фаза
Амплитуда сигнала переменная постоянная постоянная
Полоса 2·f_m 2(β+1)·f_m зависит от k_p
Помехоустойчивость ниже выше выше
Приём простой сложнее сложнее
Применение вещание, авиация FM-радио, связь телеметрия
  • Все три можно свести к общему виду с комплексной огибающей g(t).
  • На практике выбор — компромисс «полоса ↔ помехоустойчивость ↔ сложность».

9. Цифровая модуляция

9.1 Зачем цифровая модуляция

  • Сообщение — последовательность бит.
  • Нужно передать её по аналоговому каналу.
  • Каждый символ несёт целое число бит.

9.2 Базовые виды

  • ASK — переключение амплитуды (по сути АМ без несущей).
  • FSK — переключение частоты.
  • PSK — переключение фазы.

9.3 BPSK и QPSK

  • BPSK: две фазы (0 и π) → 1 бит/символ.
  • QPSK: четыре фазы → 2 бита/символ.
  • QPSK = две BPSK на I и Q.
  • QPSK-сигнал: s(t) = I·cos(2π f_c t) − Q·sin(2π f_c t).

9.4 QAM

  • Комбинирует амплитуду и фазу.
  • 16-QAM → 4 бита/символ; 64-QAM → 6 бит/символ.
  • Созвездие — квадратная сетка точек (I, Q).
  • Чем плотнее сетка, тем выше скорость и ниже помехоустойчивость.

9.5 Созвездия

  • Каждому символу — точка на комплексной плоскости.
  • Минимальное расстояние между точками определяет вероятность ошибки.
  • Приёмник выбирает ближайшую точку (по метрике).

9.6 Спектральная эффективность

Схема бит/символ Относительная скорость Помехоустойчивость
BPSK 1 низкая высокая
QPSK 2 средняя хорошая
16-QAM 4 высокая средняя
64-QAM 6 очень высокая низкая
  • Теоретически достижимая эффективность ограничена (предел Шеннона).
  • Реальные системы адаптивно меняют схему под условия (Wi-Fi, LTE).

9.7 Грей-кодирование

  • Соседние точки созвездия отличаются одним битом.
  • Тогда одиночная ошибка символа искажает 1 бит, а не несколько.
  • Стандарт для QAM/PSK.

9.8 Помехоустойчивость (словами)

  • Для BPSK вероятность ошибки ниже, чем для QPSK при том же ОСШ.
  • Для QAM требуется больший ОСШ, чтобы «различить» близкие точки.
  • Отсюда — адаптивная модуляция и кодирование (AMC).

9.9 OFDM и много несущих (мостик)

  • Вместо одной быстрой несущей — много медленных (OFDM).
  • Основа Wi-Fi, LTE, DVB.

10. Формирующий фильтр и межсимвольная интерференция

10.1 Проблема

  • Если символы прямоугольные, их спектр — широкий sinc.
  • Символы «размазываются» на соседние → межсимвольная интерференция (МСИ).
  • МСИ ухудшает приём.

10.2 Критерий Найквиста

  • Отсчёты в моменты съёма не должны «видеть» соседние символы.
  • Форма импульса должна иметь нули в точках съёма других символов.

10.3 Приподнятый косинус

  • Специальная форма импульса: убирает МСИ и ограничивает полосу.
  • Параметр α — коэффициент сглаживания (roll-off, 0…1).
  • Полоса: B = (1 + α)/(2·T_s) для символьной скорости 1/T_s.
  • α = 0 — минимальная полоса, но резкая АЧХ; α = 1 — шире, но плавнее.

10.4 Глаз-диаграмма

  • Наглядная проверка качества: «глаз» открыт — символы различаются.
  • «Глаз» закрывается при МСИ и шуме.

10.5 Итог

  • Формирующий фильтр — обязательная часть цифрового передатчика.
  • В приёмнике — согласованный фильтр (мостик к лекции 6).

11. OFDM: много поднесущих

11.1 Идея

  • Делим широкую полосу на много узких ортогональных поднесущих.
  • На каждой — медленная модуляция (QPSK/QAM).
  • Сумма поднесущих даёт почти прямоугольный спектр.

11.2 Ортогональность

  • Частоты поднесущих кратны 1/T: f_k = k/T.
  • Пики одной поднесущей попадают в нули других.
  • Поэтому поднесущие не мешают друг другу.

11.3 Связь с БПФ

  • Модуляция — обратное БПФ (IFFT).
  • Демодуляция — прямое БПФ (FFT).
  • Лекция 4 оказывается прямо нужна здесь.

11.4 Циклический префикс

  • Копия конца символа в начало.
  • Защищает от многолучёвости (межсимвольной и межканальной помехи).

11.5 Достоинства и недостатки

  • Плюсы: устойчивость к многолучёвости, гибкость, эффективное БПФ.
  • Минусы: высокий пик-фактор (PAPR), чувствительность к сдвигу частоты.
  • Применение: Wi-Fi, LTE/5G, DVB, DAB.

12. I/Q на практике (SDR)

12.1 Тракт SDR

  • Аналоговая часть: усилитель, смеситель, АЦП.
  • Цифровая часть: фильтрация, демодуляция, декодирование.
  • Между ними — поток комплексных I/Q.

12.2 Зеркальный отклик

  • Дисбаланс I/Q создаёт «копию» сигнала на зеркальной частоте.
  • Мешает приём; искажает созвездие.
  • Лечение: калибровка, цифровая коррекция.

12.3 Частотная и фазовая синхронизация

  • Частотная: компенсация сдвига несущей.
  • Фазовая: точное «вращение» созвездия.
  • Без них QAM не демодулируется.

12.4 Практический вывод

  • Реальные приёмники работают с комплексными числами.
  • Понимание I/Q — обязательное условие работы с SDR.

13. Модуляция в проекте: RFID и обратное рассеяние

13.1 Как работает UHF RFID

  • Ридер излучает несущую (например, 866 МГц).
  • Метка отражает часть мощности, меняя амплитуду/фазу (backscatter).
  • Это и есть пассивная модуляция отражённого сигнала (ASK/PSK).

13.2 Что принимает ридер

  • RSSI — уровень отражённого сигнала (амплитуда).
  • Фаза — фаза отражённой волны.
  • По фазе можно оценивать дальность и перемещение.

13.3 Фаза и дальность

  • Фаза растёт с дальностью: φ = 2π·2d/λ (mod 2π).
  • На 866 МГц λ ≈ 34.6 см — фаза «прокручивается» каждые ~17 см.
  • Периодичность даёт неоднозначность, которую разрешают методами слежения.

13.4 Связь с курсом

  • Модуляция — «кто» (идентификация) и «где» (локализация).
  • Далее: слияние с LiDAR и фильтр Калмана (лекции 6 и 9).

14. Python: как это считать

14.1 Генерация АМ

  • Время t, сообщение, несущая, умножение; спектр через rfft + rfftfreq.
  • Окно Hann перед БПФ, чтобы уменьшить утечку.

14.2 Генерация ЧМ

  • Фаза — интеграл мгновенной частоты (np.cumsum).
  • Спектр: боковые с шагом f_m; сверить с scipy.special.jv.

14.3 Цифровые созвездия

  • Массивы комплексных символов; scatter для созвездия.
  • Модуляция символов → RC-фильтр (scipy.signal) → сигнал.

14.4 I/Q и демодуляция

  • Умножить на cos/−sin, отфильтровать (ФНЧ), получить I и Q.
  • Восстановить амплитуду и фазу; сравнить с исходными.

14.5 Полезные функции

  • numpy.fft / scipy.fft, scipy.signal.get_window,

scipy.signal.firwin, scipy.special.jv, matplotlib.


15. Шпаргалка (словарь)

Термин Что означает
Несущая высокочастотное колебание-«носитель»
Модуляция изменение параметра несущей по сообщению
Комплексная огибающая g(t) = I + jQ, «медленная» часть
I/Q синфазная и квадратурная компоненты
Аналитический сигнал сигнал без отрицательных частот
АМ амплитудная модуляция
DSB-SC две боковые, несущая подавлена
SSB одна боковая
ЧМ / ФМ частотная / фазовая модуляция
Девиация размах изменения частоты Δf
Индекс модуляции β = Δf / f_m
Функции Бесселя описывают боковые ЧМ
Правило Карсона B ≈ 2(Δf + f_m)
ASK/FSK/PSK цифровые амплитуда/частота/фаза
Созвездие точки символов на плоскости I/Q
QAM амплитудно-фазовая цифровая модуляция
МСИ межсимвольная интерференция
Приподнятый косинус формирующий импульс без МСИ
OFDM много ортогональных поднесущих
PAPR пик-фактор
Backscatter обратное рассеяние (RFID)
RSSI уровень принятого сигнала

16. Частые ошибки и заблуждения

  • «Модуляция добавляет информацию».
    • Нет; информация уже в сообщении, модуляция лишь переносит её по частоте.
  • «У АМ вся мощность полезная».
    • Нет; при m = 1 КПД лишь ~33%.
  • «У ЧМ узкий спектр».
    • Наоборот, широкополосная ЧМ занимает много полосы.
  • «Число боковых у ЧМ конечно».
    • Формально бесконечно; практически быстро падают (Бессель).
  • «QAM — это просто PSK».
    • QAM меняет и амплитуду, и фазу.
  • «Чем плотнее созвездие, тем лучше».
    • Быстрее, но менее помехоустойчиво.
  • «OFDM — это просто много АМ».
    • Поднесущие ортогональны; реализуется через БПФ.
  • «I/Q — только для сложных систем».
    • Это базовое представление любого современного радио.
  • «Форма импульса не важна».
    • Без формирующего фильтра — МСИ и широкий спектр.

17. Вопросы и развёрнутые ответы

  1. Зачем нужна модуляция?

Чтобы эффективно излучать (размер антенны) и разносить каналы по частоте.

  1. Что такое несущая?

Высокочастотное колебание, параметры которого меняются по сообщению.

  1. Что такое комплексная огибающая?

g(t) = I + jQ — «медленная» комплексная часть сигнала без несущей.

  1. Как связаны I/Q и амплитуда/фаза?

A = sqrt(I²+Q²), φ = arctan(Q/I).

  1. Какие составляющие в спектре АМ?

Несущая и две боковые; полоса 2·f_m.

  1. Когда наступает перемодуляция?

При m > 1; огибающая искажается, детектор «рвёт» сигнал.

  1. Чем DSB-SC и SSB выгоднее АМ?

Не тратят мощность на несущую; SSB ещё и сужает полосу вдвое.

  1. Что такое девиация и индекс модуляции ЧМ?

Δf — размах частоты; β = Δf/f_m — индекс.

  1. Чем описывается спектр ЧМ?

Функциями Бесселя J_k(β); боковые с шагом f_m.

  1. Что даёт правило Карсона?

Оценку полосы: B ≈ 2(Δf + f_m).

  1. Почему ЧМ помехоустойчивее АМ?

Амплитуда постоянна; амплитудные помехи подавляются ограничителем.

  1. Сколько бит на символ в BPSK/QPSK/16-QAM?

1, 2 и 4 бита соответственно.

  1. Зачем Грей-кодирование?

Чтобы соседние точки созвездия отличались одним битом.

  1. Зачем формирующий фильтр?

Ограничить полосу и убрать межсимвольную интерференцию.

  1. Что такое OFDM и при чём тут БПФ?

Много ортогональных поднесущих; модуляция — IFFT, демодуляция — FFT.

  1. Что даёт анализ I/Q в RFID?

RSSI («кто/насколько близко») и фазу («где»), основу локализации.


18. Радиодиапазоны и длина волны

  • Длина волны: λ = c / f, где c ≈ 3·10⁸ м/с.
  • Чем выше частота, тем короче волна — и тем меньше нужна антенна.
  • Основные диапазоны:
Диапазон Частоты λ (порядок) Примеры
LF 30–300 кГц км длинные волны, «маяки»
MF 0.3–3 МГц сотни м AM-радио
HF 3–30 МГц десятки м короткие волны, связь
VHF 30–300 МГц метры FM-радио, DAB, авиация
UHF 0.3–3 ГГц дециметры ТВ, Wi-Fi, LTE, RFID, GPS
SHF 3–30 ГГц см Wi-Fi 5 ГГц, радары, спутник
EHF 30–300 ГГц мм 5G mmWave, радиоастрономия
  • Пример: 866 МГц (UHF RFID) → λ ≈ 34.6 см.
  • Пример: 100 МГц (FM) → λ ≈ 3 м.
  • Нижние частоты: далеко и огибают препятствия, но нужны огромные антенны.
  • Верхние частоты: компактные антенны и широкая полоса, но хуже «пробивают».

19. Антенны и излучение (кратко)

  • Простейшая антенна — полуволновый диполь (длина ≈ λ/2).
  • Размер антенны должен быть сравним с λ — отсюда важность несущей.
  • Коэффициент усиления (gain) — направленность излучения.
  • Диаграмма направленности — куда «смотрит» антенна.
  • Согласование по импедансу — иначе мощность отражается назад.
  • Антенна обратима: одна и та же работает на передачу и приём.
  • MIMO (несколько антенн) — основа Wi-Fi/LTE/5G (затравка к лекции 10).

20. Преобразование частоты и супергетеродин

20.1 Смеситель

  • Смеситель перемножает вход с сигналом гетеродина f_g.
  • Результат — компоненты на f_c + f_g и f_c − f_g.
  • Одна из них — полезная (разностная или суммарная).
  • Так сигнал переносят на удобную частоту.

20.2 Супергетеродин

  • Принимаемый сигнал переносят на промежуточную частоту (IF).
  • На IF проще фильтровать, усиливать, демодулировать.
  • Исторически — основной тип приёмника.

20.3 Зеркальный канал (image)

  • Смеситель одинаково переносит и «полезную», и зеркальную частоту.
  • Зеркальная — та, что даёт ту же разность с гетеродином.
  • Подавляется входным фильтром и выбором IF.
  • Связано с дисбалансом I/Q (зеркальный отклик), но это разные механизмы.

20.4 Приёмник прямого преобразования (zero-IF)

  • Переносим сразу на 0 Гц — получаем I/Q.
  • Так работают SDR и современные чипы.
  • Плюс: нет каскада IF, проще интеграция.
  • Минусы: проблема DC-смещения и дисбаланса I/Q.

21. Синхронизация в цифровом приёмнике

  • Принятый сигнал «плывёт» по частоте и фазе — их надо восстановить.
  • Частотная синхронизация: компенсация сдвига несущей.
  • Фазовая синхронизация: правильное «вращение» созвездия (Costas, ФАПЧ).
  • Тактовая синхронизация: выбор моментов съёма символов.
  • Эквалайзер: компенсация искажений канала (многолучёвость).
  • Без синхронизации QAM/OFDM демодулировать нельзя.
  • Это «невидимая» часть радио, без которой всё остальное не работает.

22. Помехоустойчивость и вероятность ошибки

  • Качество цифрового канала — вероятность битовой ошибки BER.
  • BER зависит от отношения энергии на бит к спектральной плотности шума

Eb/N0 (или от ОСШ).

  • Чем плотнее созвездие, тем выше нужный Eb/N0:
Схема бит/символ Относительный требуемый ОСШ
BPSK 1 самый низкий
QPSK 2 ниже среднего
16-QAM 4 средний
64-QAM 6 высокий
  • Адаптивная модуляция и кодирование (AMC): схему меняют под условия.
  • Кодирование (свёрточное, LDPC, Turbo) позволяет приблизиться к пределу

Шеннона — «обменять» избыточность на помехоустойчивость.

  • Грей-кодирование снижает число битовых ошибок на одну символьную.

23. Расширение спектра: DSSS и FHSS

  • DSSS (direct sequence): сигнал умножают на быстрый псевдослучайный код,

спектр «расширяется».

  • Приёмник «сжимает» обратно согласованным фильтром/коррелятором;

помехи расширяются и ослабляются.

  • FHSS (frequency hopping): несущая быстро «прыгает» по частотам.
  • Плюсы: помехоустойчивость, скрытность, множественный доступ (CDMA).
  • Примеры: GPS (DSSS/CDMA), Bluetooth (FHSS), RFID (по стандартам — FHSS).
  • Мостик: измерить дальность по задержке кода (лекция 1) — корреляция (лекция 6).

24. Реальные системы: что чем модулируется

Система Модуляция Полоса (порядок) Комментарий
AM-радио АМ ~9 кГц историческая простота
FM-радио WBFM ~180–200 кГц высокое качество, помехоустойчивость
DAB OFDM + DQPSK ~1.5 МГц цифровое радио
DVB-T OFDM + QAM 6–8 МГц цифровое ТВ
Wi-Fi (802.11) OFDM + QAM 20–160 МГц адаптивная модуляция
Bluetooth GFSK, π/4-DQPSK 1 МГц FHSS
GSM GMSK 200 кГц постоянная огибающая
LTE/5G OFDM/OFDMA + QAM 1.4–100 МГц AMC, MIMO
GPS BPSK + DSSS ~2 МГц дальность по коду
UHF RFID ASK/PSK (backscatter) ~200 кГц пассивная метка
  • Вывод: в основе почти всего — АМ/ФМ/PSK/QAM и их комбинации.
  • Современные системы добавляют OFDM, кодирование и адаптацию.

25. Измерения и контроль качества

  • Спектроанализатор: смотрит спектр в реальном времени (панорама).
  • Маска спектра: допустимые границы излучения по стандарту.
  • EVM (error vector magnitude): насколько точки созвездия «размазаны».
  • Созвездие на экране прибора — быстрый контроль качества.
  • RSSI / SNR: уровень и качество принимаемого сигнала.
  • Водопад (spectrogram): видно помехи и перестройку во времени.
  • Практический навык: уметь читать эти измерения и делать вывод.

26. Мини-эксперименты в Python

  1. Сгенерировать АМ (тон) и убедиться, что в спектре несущая + 2 боковые.
  2. Сгенерировать ЧМ и сравнить число боковых с функциями Бесселя jv.
  3. Построить созвездия BPSK/QPSK/16-QAM (с Грей-кодированием).
  4. Пропустить символы через приподнятый косинус и посмотреть «глаз».
  5. Смодулировать на несущую, получить I/Q, демодулировать обратно.
  6. Добавить шум и измерить BER для BPSK/QPSK при разных ОСШ.
  7. Сделать OFDM из N поднесущих через IFFT и увидеть спектр.
  8. Смоделировать backscatter-сигнал RFID и оценить фазу и дальность.
  • Все эксперименты — на numpy/scipy/matplotlib, без тяжёлых библиотек.

27. План рассказа на 2 академических часа

  1. 10 мин. Зачем модуляция; несущая; разнесение каналов.
  2. 15 мин. Комплексная огибающая и I/Q; квадратурный демодулятор.
  3. 15 мин. АМ: сигнал, спектр, глубина, КПД, варианты DSB/SSB.
  4. 20 мин. ЧМ/ФМ: мгновенная частота, индекс, функции Бесселя, Карсон.
  5. 20 мин. Цифровая модуляция: ASK/FSK/PSK, BPSK/QPSK/QAM, созвездия.
  6. 15 мин. Формирующий фильтр и МСИ; OFDM как мостик к БПФ.
  7. 15 мин. I/Q в SDR; RFID (RSSI/фаза); практика в Python; задание.
  • Приём: каждую схему сразу показывать на графике.
  • Давать «до/после»: сообщение → модуляция → спектр → демодуляция.

28. Итог

  • Модуляция переносит спектр сигнала на несущую.
  • Комплексная огибающая и I/Q — универсальный язык радио.
  • АМ: несущая + две боковые; варианты DSB-SC, SSB.
  • ЧМ/ФМ: индекс модуляции, спектр Бесселя, правило Карсона.
  • Цифровая модуляция: ASK/FSK/PSK, созвездия BPSK/QPSK/QAM.
  • Формирующий фильтр убирает МСИ; OFDM строится через БПФ.
  • Всё это напрямую используется в проекте (RFID, Wi-Fi, SDR).

29. Что дальше

  • Лекция 6: свёртка, корреляция и линейные системы — импульсная

характеристика, передаточная функция, Z-преобразование, устойчивость.

  • На практике — генерация и демодуляция сигналов в Python.
  • В проекте — спектр и I/Q превращаются в признаки и оценку состояния.

Приложения

30. Формулы — словами (откуда что берётся)

30.1 Почему у АМ появляются две боковые

  • Запишем сообщение через Эйлера:

cos(2π f_m t) = ½·(e^(j2π f_m t) + e^(−j2π f_m t)).

  • АМ: s = (1 + m·cos(2π f_m t))·cos(2π f_c t).
  • Несущая часть cos(2π f_c t) даёт линию на f_c (и −f_c).
  • Произведение cos f_m · cos f_c по формуле:

= ½[cos(2π(f_c−f_m)t) + cos(2π(f_c+f_m)t)].

  • Отсюда две боковые: f_c−f_m и f_c+f_m.
  • Вывод: боковые — прямое следствие того, что сообщение «модулирует» несущую.

30.2 Откуда КПД АМ

  • Для тона m·cos(2π f_m t) амплитуда каждой боковой m/2.
  • Мощность пропорциональна квадрату амплитуды:
    • несущая: 1;
    • обе боковые: 2·(m/2)² = m²/2.
  • Полная мощность: 1 + m²/2.
  • КПД = полезное / полное = (m²/2) / (1 + m²/2) = m² / (2 + m²).
  • При m = 1: 1/3 ≈ 33%; при m = 0.5: 0.25/2.25 ≈ 11%.
  • Всё остальное — несущая, которая информации не несёт.

30.3 Откуда функции Бесселя

  • ЧМ-сигнал: cos(2π f_c t + β·sin(2π f_m t)).
  • Это «косинус от синуса» — не табличная функция.
  • Его раскладывают в ряд по гармоникам f_c + k·f_m:

= Σ J_k(β)·cos(2π(f_c + k·f_m)t).

  • Коэффициенты J_k(β) — функции Бесселя первого рода.
  • Так появляется «расходящийся» дискретный спектр ЧМ.
  • Амплитуды падают; при некоторых β отдельные J_k равны нулю.

30.4 Откуда правило Карсона

  • Основная энергия ЧМ сосредоточена в боковых с |k| ≤ β + 1.
  • Отсюда число заметных боковых ≈ 2(β + 1).
  • Каждая боковая отстоит на f_m → полоса ≈ 2(β + 1)·f_m.
  • Так как β·f_m = Δf, получаем B ≈ 2(Δf + f_m).
  • При β » 1: B ≈ 2Δf.

30.5 Связь ЧМ и ФМ

  • ФМ: φ(t) = k_p·u(t) — фаза «повторяет» сообщение.
  • ЧМ: f(t) = f_c + k_f·u(t) — частота «повторяет» сообщение.
  • Фаза — интеграл частоты, поэтому:
    • ЧМ = ФМ от интеграла сообщения;
    • ФМ = ЧМ от производной сообщения.
  • Поэтому их спектры похожи, а схемы взаимозаменяемы с предыскажением.

30.6 Комплексная огибающая: вывод I/Q

  • Пусть g(t) = I(t) + j·Q(t).
  • g(t)·e^(j2π f_c t) = (I + jQ)(cos + j·sin).
  • Реальная часть:

Re{…} = I·cos(2π f_c t) − Q·sin(2π f_c t).

  • Это и есть квадратурная форма; I и Q — координаты вектора в базисе

{cos, −sin}.

  • Отсюда видно: любая модуляция (АМ/ФМ/ЧМ) — это траектория точки (I, Q).

30.7 Почему QPSK — это две BPSK

  • QPSK передаёт 2 бита: один на I, другой на Q.
  • Каждый канал — независимая BPSK.
  • Поэтому QPSK = BPSK(I) + BPSK(Q), сдвинутые на 90°.
  • Отсюда одинаковая полоса, но вдвое большая скорость.
  • Обобщение: QAM = многопозиционные ASK на I и Q.

30.8 Критерий Найквиста словами

  • Хотим, чтобы в момент съёма n·T_s отклик от других символов был нулевым.
  • Значит, форма импульса должна иметь нули в точках n·T_s.
  • sinc(x) этим свойством обладает, но у него бесконечные «хвосты» и широкая полоса.
  • Приподнятый косинус сохраняет нули, но быстрее спадает по частоте.
  • Компромисс задаёт α (roll-off).

31. Числовые примеры и таблицы

31.1 КПД АМ

Глубина m КПД m²/(2+m²)
0.3 ≈ 4.3%
0.5 ≈ 11%
0.8 ≈ 24%
1.0 ≈ 33%
1.2 перемодуляция (недопустимо)

31.2 Спектр АМ (тон)

  • Несущая f_c, боковые f_c ± f_m.
  • Амплитуды: несущая 1, боковые m/2.
  • Полоса 2 f_m.

31.3 Функции Бесселя (ориентиры)

  • β = 1: заметны J_0…J_3 (мало боковых, узкая полоса).
  • β = 5: заметны примерно J_0…J_8 (широкий спектр).
  • J_0(β) периодически обращается в ноль — несущая «исчезает».

31.4 Полоса ЧМ по Карсону

Δf f_m β B ≈ 2(Δf+f_m)
5 кГц 5 кГц 1 20 кГц
25 кГц 5 кГц 5 60 кГц
75 кГц 15 кГц 5 180 кГц
2.5 кГц 2.5 кГц 1 10 кГц

31.5 FM-радио в числах

  • Девиация Δf = 75 кГц; максимальная звуковая f_m = 15 кГц.
  • β = 5; полоса ≈ 180–200 кГц; полосы станций разнесены.
  • Пилот 19 кГц (стерео) — мостик к лекции 1.

31.6 Длины волн

Частота λ = c/f Пример
100 МГц 3 м FM-радио
433 МГц 69 см ISM-связь
866 МГц 34.6 см UHF RFID
2.4 ГГц 12.5 см Wi-Fi/Bluetooth
5.8 ГГц 5.2 см Wi-Fi 5 ГГц

31.7 Требуемый ОСШ (ориентиры)

Схема бит/символ Относительный требуемый ОСШ
BPSK 1 минимальный
QPSK 2 +3 дБ к BPSK
16-QAM 4 заметно выше
64-QAM 6 ещё выше (десятки дБ)
  • Точные значения — из кривых BER; важен порядок и тренд.

31.8 Приподнятый косинус

  • Полоса B = (1 + α)/(2 T_s).
  • α = 0 — узкая полоса, резкая АЧХ; α = 0.35 — типично (DVB, спутник).
  • α = 1 — шире вдвое, но плавные фронты и лучше допуски.

32. Ещё вопросы (продолжение)

  1. Почему антенна требует размер ~λ? Чтобы эффективно преобразовать ток в волну;

при размерах « λ КПД резко падает.

  1. Что такое длина волны? λ = c/f — расстояние между двумя гребнями.
  2. Зачем промежуточная частота? На ней удобнее фильтровать и усиливать.
  3. Что такое зеркальный канал? Частота, дающая ту же разность с гетеродином.
  4. Зачем нужна синхронизация? Без неё «плывут» частота, фаза и такт.
  5. Что такое OFDM-префикс? Защитный интервал против многолучёвости.
  6. Почему у OFDM высокий пик-фактор? Сумма многих поднесущих иногда «складывается».
  7. Что такое EVM? Разброс точек созвездия — интегральная мера качества.
  8. Чем DSSS помогает? Расширяет спектр кодом; приёмник сжимает сигнал обратно.
  9. Почему GPS требует корреляции? Сигнал слабый и широкополосный; нужен

согласованный фильтр (лекция 6).

  1. Что такое backscatter? Отражение с изменением амплитуды/фазы (RFID).
  2. Чем отличается ASK от АМ? ASK — цифровая (дискретные уровни), АМ — аналоговая.
  3. Почему GMSK применяют в GSM? Постоянная огибающая, узкий спектр, дешёвый

усилитель.

  1. Что такое адаптивная модуляция? Смена схемы под условия канала (AMC).
  2. Где в курсе используется эта лекция? RFID, Wi-Fi, OFDM — в проекте и

лекциях 6–10.


33. Как читать слайды ''lecture05'' (по шагам)

  • «Зачем модуляция» — показано, как два сигнала расходятся по частоте.
  • «I/Q» — вектор на комплексной плоскости; I и Q как проекции.
  • «АМ-сигнал» — несущая, сообщение, огибающая, сам АМ.
  • «Спектр АМ» — несущая и две боковые на «палочках».
  • «Глубина модуляции» — m=0.5, 1.0, 1.5.
  • «DSB/SSB» — как меняется спектр при подавлении несущей/боковой.
  • «ЧМ-сигнал» — сообщение → мгновенная частота → фаза.
  • «Спектр ЧМ» — боковые по Бесселю для β=1 и β=5.
  • «Карсон» — кривая полосы от β.
  • «ASK/FSK/PSK» — три модуляции для одной битовой последовательности.
  • «Созвездия» — BPSK/QPSK/16-QAM.
  • «Приподнятый косинус» — импульс и его спектр.
  • «OFDM» — сумма поднесущих почти в «кирпич».
  • «RFID-фаза» — пила фазы по дальности.

34. Типичные ошибки в коде (Python/SciPy)

  • Забыли умножить на 2π при расчёте фазы (cos(2π f t), не cos(f t)).
  • Для ЧМ задают мгновенную частоту через cos(2π f t), а надо — через
  • *интеграл** (cumsum).
  • Перепутали символьную частоту (1/Ts) и частоту отсчётов (fs).
  • Применили формирующий фильтр дважды (передающая и приёмная стороны).
  • Нормируют созвездие по-разному при сравнении (средняя мощность должна совпадать).
  • Забыли про центрирование спектра (fftshift) при взгляде на −f.
  • Смотрят спектр без окна и удивляются утечке.
  • Считают BER по символам, а не по битам (при Грей-кодировании это разные вещи).
  • Моделируют АМ с m > 1 и получают «странную» огибающую — это перемодуляция.

35. Чек-лист проектирования радиоканала

  1. Определить полосу и скорость сообщения.
  2. Выбрать диапазон/несущую (лицензии, дальность, размер антенны).
  3. Выбрать модуляцию (АМ/ЧМ/PSK/QAM) под ОСШ и требования.
  4. Выбрать формирующий фильтр (roll-off) и полосу.
  5. Заложить синхронизацию (частотную, фазовую, тактовую).
  6. Оценить отношение сигнал/шум и энергетический бюджет (link budget).
  7. Продумать помехоустойчивость (кодирование, расширение спектра).
  8. Проверить регуляторные ограничения (маска спектра).
  9. Смоделировать в Python, измерить BER/EVM.
  10. Проверить на железе (SDR, отладочная плата).

36. Аналогии и метафоры

  • Несущая — поезд, а сигнал — пассажир: поезд едет быстро, пассажир «медленный».
  • Модуляция — смена «окраски» поезда по сообщению.
  • АМ — яркость фонаря меняется; ЧМ — «дрожит» высота свистка.
  • I/Q — координаты X и Y, которыми можно задать любую точку.
  • Созвездие — «алфавит» из точек; приёмник читает ближайшую букву.
  • Формирующий фильтр — «сглаживание букв», чтобы не сливались.
  • OFDM — оркестр из многих тихих инструментов вместо одного громкого.
  • Расширение спектра — шёпот многих голосов: по отдельности неслышно, вместе — сигнал.
  • Супергетеродин — «перевод» на понятный язык (промежуточную частоту).

37. История радио и модуляции (кратко)

  • 1860-е: уравнения Максвелла предсказывают радиоволны.
  • 1887: Герц экспериментально показывает волны.
  • 1895–1901: Маркони — беспроводная связь через Атлантику.
  • 1906: Фессенден — первое аудио-радиовещание (АМ).
  • 1930-е: Армстронг — широкополосная ЧМ, борьба с помехами.
  • 1940-е: Шеннон — теория информации и предел пропускной способности.
  • 1960–70-е: цифровая связь, PSK/QAM.
  • 1990-е: OFDM в DAB/DVB; затем Wi-Fi и LTE.
  • 2000-е: SDR — обработка I/Q в цифре.
  • Вывод: современные методы — эволюция идей АМ/ЧМ + БПФ + теория информации.

38. Инструменты: SDR и стек

  • Аппаратура SDR: RTL-SDR (приём), HackRF, USRP, PlutoSDR.
  • Программы: GNU Radio, SDR#, GQRX, Inspectrum.
  • Python: numpy/scipy (генерация, фильтры, БПФ), matplotlib (созвездия,

водопады).

  • Библиотеки связи: komm (быстрая демодуляция), готовые блоки GNU Radio.
  • Учебное: pySDR — практическое введение в I/Q и демодуляцию.
  • В курсе достаточно numpy/scipy; SDR — для проекта и лабораторий.

39. Связь с другими лекциями курса

  • Лекция 1 — оцифровка; пилот 19 кГц, сигналы вокруг нас.
  • Лекция 2 — спектры АМ/ЧМ как примеры гармонического анализа.
  • Лекция 3 — ДПФ: как считать спектр модулированного сигнала.
  • Лекция 4 — БПФ, окна, PSD: инструмент анализа; OFDM строится на БПФ.
  • Лекция 5 — модуляция и I/Q (сегодня).
  • Лекция 6 — свёртка и корреляция: согласованный фильтр, приём.
  • Лекции 7–8 — фильтры: формирующий и согласованный.
  • Лекция 9 — статистика и Калман: слежение по фазе RFID.
  • Лекция 10 — многомерная обработка: решётки, MIMO.

40. Итог одной страницей

  • Модуляция переносит спектр на несущую: s(t) = Re{g(t)e^(j2π f_c t)}.
  • g(t) = I + jQ — комплексная огибающая; I/Q — базис любого радио.
  • АМ: несущая + две боковые, полоса 2f_m, КПД ≤ 33%; есть DSB-SC и SSB.
  • ЧМ/ФМ: индекс β, спектр Бесселя, полоса Карсона 2(Δf+f_m).
  • Цифра: ASK/FSK/PSK, созвездия BPSK/QPSK/QAM, Грей-код.
  • Формирующий фильтр убирает МСИ; OFDM = много поднесущих через IFFT/FFT.
  • SDR работает в I/Q; RFID — backscatter, RSSI и фаза.
  • Всё это — прямой вход в проект и в лекции 6–10.

41. Формульная шпаргалка (формула → смысл)

  • λ = c / f → длина волны; определяет размер антенны.
  • s(t) = Re{g(t)·e^(j2π f_c t)} → реальный сигнал через комплексную огибающую.
  • g(t) = I + jQ → комплексная огибающая; I и Q — квадратуры.
  • A = sqrt(I² + Q²), φ = arctan(Q/I) → амплитуда и фаза.
  • s(t) = I·cos(2π f_c t) − Q·sin(2π f_c t) → квадратурная форма.
  • cos a·cos b = ½[cos(a−b) + cos(a+b)] → откуда боковые АМ.
  • s_АМ = (1 + m·cos(2π f_m t))·cos(2π f_c t) → АМ-сигнал.
  • η = m² / (2 + m²) → КПД АМ.
  • f(t) = f_c + k_f·u(t) → мгновенная частота ЧМ.
  • φ(t) = 2π k_f ∫u(τ)dτ → фаза как интеграл сообщения.
  • β = Δf / f_m → индекс модуляции ЧМ.
  • s_ЧМ = A·Σ J_k(β)·cos(2π(f_c + k f_m)t) → спектр ЧМ (Бессель).
  • B ≈ 2(Δf + f_m) → правило Карсона.
  • B = (1 + α)/(2 T_s) → полоса при приподнятом косинусе.
  • f_k = k/T → ортогональные поднесущие OFDM.
  • IFFT/FFT → модуляция/демодуляция OFDM.
  • φ = 2π·2d/λ → фаза обратного рассеяния (RFID).

42. Мини-лаборатория (что сделать в Python)

  1. Сгенерировать АМ с m = 0.5 и m = 1.0; сравнить огибающие.
  2. Посчитать спектр АМ (окно Hann) и найти несущую и две боковые.
  3. Проверить формулу КПД: измерить мощности по спектру.
  4. Сгенерировать ЧМ для β = 1 и β = 5; сравнить число боковых.
  5. Сверить амплитуды боковых с scipy.special.jv.
  6. Построить созвездия BPSK/QPSK/16-QAM с Грей-кодированием.
  7. Пропустить символы через RC-фильтр и посмотреть на «глаз».
  8. Смодулировать, получить I/Q, демодулировать и сравнить с исходным.
  9. Добавить шум и измерить BER для BPSK/QPSK при разных ОСШ.
  10. Собрать OFDM из 16 поднесущих через IFFT и увидеть спектр.
  11. Смоделировать backscatter RFID и оценить фазу/дальность.
  12. Запустить тот же сигнал в GNU Radio (по возможности) и сравнить.
  • Инструмент: numpy, scipy, matplotlib; при желании — SDR-железо.

43. Методические заметки для преподавателя

  • Начинать с «боли»: без модуляции антенна не работает — показать числа.
  • Демонстрировать «до/после»: сообщение → модуляция → спектр → демодуляция.
  • Давать руками: пусть студент меняет m, β, α и смотрит эффект.
  • Типичные ошибки студентов:
    • путают комплексную огибающую и сам сигнал;
    • считают, что у ЧМ узкий спектр;
    • не видят разницы между фазой и частотой;
    • забывают про формирующий фильтр;
    • путают символьную скорость и частоту отсчётов.
  • Как проверять понимание:
    • объяснить, откуда две боковые АМ;
    • выбрать модуляцию под задачу и обосновать;
    • прочитать созвездие и оценить помехоустойчивость;
    • объяснить, зачем OFDM и при чём тут БПФ.
  • Связь с практикой: каждый приём привязать к проекту (RFID, Wi-Fi, SDR).
  • Оценивание: ноутбук с графиками + краткий вывод с обоснованием выбора

модуляции и параметров.


44. Главная мысль

  • Радио без модуляции невозможно: сигнал надо «поднять» на несущую.
  • Комплексная огибающая и I/Q — универсальный язык, на котором говорит вся

современная радиоаппаратура.

  • Аналоговые АМ/ЧМ — база; цифровые PSK/QAM — современность; OFDM — то, что

работает вокруг нас.

  • За любым «магическим» Wi-Fi стоит комбинация: модуляция + БПФ + кодирование +

синхронизация.

  • Понимание этой лекции открывает дорогу к фильтрам (лекции 6–8) и к

статистической обработке (лекции 9–10), а в проекте — к RFID, Wi-Fi и SDR.


  • Чтобы связь работала, нужно, чтобы принятая мощность превышала шум.
  • Простейшая модель — формула Фрииса:
    • P_rx = P_tx · G_tx · G_rx · (λ / (4π d))².
  • В децибелах удобнее складывать «плюсы» и «минусы»:
    • P_rx(дБ) = P_tx + G_tx + G_rx − L, где L — потери.
  • Потери свободного пространства: L_fs = 20·log10(4π d / λ).
  • Плюс потери в кабелях, КСВ, препятствия, запас на замирания.
  • Итог: энергетический бюджет определяет дальность и качество.
  • Пример порядка: удвоение дальности → +6 дБ потерь.
  • Уровень шума зависит от полосы: N = k·T·B (шире полоса — больше шум).
  • Отсюда прямое следствие: широкая полоса требует больше мощности.

46. Распространение радиоволн (что портит сигнал)

  • Свободное пространство — идеальный случай (потери только геометрические).
  • Затухание в среде (дождь, листва, стены) — сильнее на высоких частотах.
  • Многолучёвость: сигнал приходит по нескольким путям с разными задержками.
    • приводит к межсимвольной интерференции;
    • борется эквалайзером и OFDM (циклический префикс).
  • Замирания (fading): случайные провалы уровня.
    • отсюда кодирование, разнесение, адаптивная модуляция.
  • Доплеровский сдвиг: движение меняет частоту приёма.
    • Δf_D = (v/λ)·cos θ; важен для мобильной связи.
  • Выводы для модуляции:
    • в плохом канале — устойчивая схема (BPSK/QPSK);
    • в хорошем — быстрая (64-QAM);
    • OFDM удобен против многолучёвости.

47. Что читать и смотреть дальше

  • Классика: Оппенгейм/Шафер (сигналы и системы), Прокис (цифровая связь).
  • По радио: Скляр (цифровая связь), учебники по OFDM и MIMO.
  • Практика: pySDR (онлайн), документация GNU Radio.
  • Книги по RFID: Finkenzeller, «RFID Handbook».
  • В курсе: следующие лекции (свёртка/фильтры/статистика) и сквозной проект.
  • Полезно: уметь читать спектрограмму реального Wi-Fi/LTE сигнала.

Материалы

sp/lec5.txt · Last modified: by 127.0.0.1