Демодуляция FM (УКВ-радио): почему может быть очень низкий SNR? Опции

[blacklion]

Сразу скажу, что формального образования в области ЦОС и электроники у меня нет, но в связи с интересом к SDR я прочитал уже десяток англоязычных учебников по разным аспектам теории связи и ЦОС.

Сейчас я, что бы теория не оставалась голой теорией, экспериментирую с широкоизвестным RTL-SDR USB-свистком. При этом, я не пользуюсь GNURadio, а кусочки пишу сам, с нуля. Первая цель — полная реализация FM-радио, включая RDS. Понятно, что я совершенно не оригинален, но можно считать это курсовой работой для самого себя.

С приёмника я получаю оцифрованный Q/I поток в baseband. Частота семплирования — 2Ms/s, т.е. по 1Ms/s на Q и на I.

Так вот, я вполне успешно реализовал LPF, PLL и ресемплер. В результате, с использованием PLL в качестве демодулятора (его частотного выхода) после LPF-фильтрации со срезом в 15Khz и ресемплингом в 48Khz моно-звук вполне сносо играет.

Я решил реализовать два других основных метода FM-демодуляции в complex baseband — квадратурную (y[n] = arg(x[n] × x*[n-1]), где x*[n] — комплексное сопряжённое) и с использованием дефференциатора (y[n] = (Re(x[n]) × Im(x'[n]) - Im(x[n]) × Re(x'[n])) / abs²(x[n]), где x'[n] — производная, считается 5-ти стадийным FIR'ом).

Оба способа, в принципе, работают (что-то слышно). Но у них ужасный SNR. Звук радио слышен едва-едва на фоне статики. При том, что я пробую локальные радиостанции, которые отлично принимаются любым "аппаратным" радиоприёмником и вполне нормально детектируется PLL.

Так как я неопытный, я не понимаю: это я что-то делаю не так? Почему оба «классических» способа фактически непригодны к использованию? Где я налажал?

У PLL, впрочем, есть другая проблема: на «разговорных» станциях поверх голосов ведущих и прочих гостей в студии всё время слышен отчётливый нерегулярный треск (не как статика, а отдельными песчинками, если можно так сказать). Почему-то поверх музыки его при этом нет! Опять же, вопрос: что я сделал не так?

Да, вся реализация в double, все значения болтаются во вполне разумных пределах (~10), так что это точно не проблемы недостатка точности.

[Fat Robot]

Полосу входных отсчетов (I/Q) надо бы ограничить, чтобы она соответствовала полосе радиоканала. Иначе у вас вся полоса в 1 МГц поступает на демодулятор.

В случае с фапч эквивалентная полоса будет определяться полосой петли, т.е. хоть как-то сигнал фильтруется, и поэтому на слух качество лучше.
В случае с прямой оценкой разности фаз на нелинейный элемент поступает все, что есть в полосе 1 МГц.
В том и в другом случае то, что вы слышите, это не статика, а шум, связанный с нелинейным преобразованием сигнала с плохим отношением сигнал-шум. Из-за большой входной полосы мощность шума на входе демодулятора очень большая.

Подробнее здесь:
Кантор Л. Я. и Дорофеев В. М. Помехоустойчивость приема ЧМ сигналов. М., «Связь», 1977. 336 с. с ил.

Также
В примерах GNU Radio был проект демодулятора RDS.

То, что в вашей системе отсутствует, насколько я мне удалось понять из вашего повествования, - это Channel Filter вот с этой картинки.

[Serg76]

Я решил реализовать два других основных метода FM-демодуляции в complex baseband — квадратурную (y[n] = arg(x[n] × x*[n-1]), где x*[n] — комплексное сопряжённое) и с использованием дефференциатора (y[n] = (Re(x[n]) × Im(x'[n]) - Im(x[n]) × Re(x'[n])) / abs²(x[n]), где x'[n] — производная, считается 5-ти стадийным FIR'ом).

попробуйте такой дискриминатор y[n] = Re(x[n]) × Im(x[n-1]) - Im(x[n]) × Re(x[n-1]), все должно работать, любое дифференцирование сильно разгоняет шумовую составляющую, и плюс к этому надо убрать весь внеполосный шум, чтобы он не попадал в полосу дискриминатора

[andyp]

Ну и мои 5 копеек - там по идее должен быть фильтр-деемфазис, подавляющий шум на выходе частотного детектора. Про него не забыли?

[V_G]

Ну, и Re(x[n]) * Im(x[n-1]) - Im(x[n]) * Re(x[n-1]) - это как раз вариант вычислений с производной по 2-м точкам. Желательно (но не обязательно) выходной сигнал пронормировать по амплитуде (/ (abs(x[n])^2), чтобы громкость разных радиостанций была одинакова.

И наконец, для минимизации искажений частота дискретизации должна быть максимально высокой, иначе вычисление производной по двум точкам будет неточным.

[blacklion]

Всем спасибо! Разумеется, не было входного фильтра на 100Khz, введение его всё починило, работают одинаково все 3 способа демодуляции.

Про де-емфазис я помню, пока его нет, но это вопрос правильности передачи частот :) Ну да, высокие неправильные в звуке сейчас.

Производную я считаю по 5 точкам, по 3-м точкам даже на тестовом сигнале (2 синуса как сигнал) очень много шума остаётся.

Ещё раз всем спасибо.

(да, в GNURadio я тоже подглядываю, конечно, но код там… Местами вот прямо баги очевидные, на уровне перепутанных имён переменных, надо, кстати, парочку отрепортить).