Коллеги, добрый день. Прошу совета.
Вот схема самого обычного демодулятора PSK по схеме Костаса с управлением решениями.



К примеру пытаюсь я демодулировать PSK-31.
Входной сигнал - поднесущая 1 кГц.

Соответственно вопросы такие. Какие должны быть фильтры в квадратурных каналах и какой петлевой фильтр?
Умные книги говорят что квадратурные должны быть с частотой среза "битовая скорость * 2", про петлевой скромно умалчивают. Другие умные книги утверждают, что квадратурные фильтры желательно бы иметь вида согласованного с принимаемым сигналом, например корень из приподнятого косинуса.

Я делал квадратурные вообще в виде скользящей средней. В модели работало. Но хуже чем теоретически возможное. Примерно на 3-4 дБ. А может я просто неправильно настроил измеритель.

Altair

про петлевой скромно умалчивают

Пропорционально интегрирующее звено. Это классическая ФАПЧ второго порядка астатизма.


Другие умные книги утверждают, что квадратурные фильтры желательно бы иметь вида согласованного с принимаемым сигналом, например корень из приподнятого косинуса.

Правильно утверждают.


У Костаса в верхней ветке сигнал на умножитель подаётся сразу с выхода фильтра.


Кроме того у вас нет схемы символьной синхронизации.

Пропорционально интегрирующее звено. Это классическая ФАПЧ второго порядка астатизма.
Звено характеризуется резонансной частотой и демпинг фактором. Резонансная частота должна быть много (насколько? в 10 раз нормально?) меньше частоты дискретизации. От резонансной частоты зависит эквивалентная шумовая полоса и полоса в которой теоретически может быть осуществлен захват.
Но какую выбирать на практике?

У Костаса в верхней ветке сигнал на умножитель подаётся сразу с выхода фильтра.
И Прокис и Незами пишут, что с решениями петля лучше работает, насколько я понимаю вернее определяет повороты фазы.

От символьной синхронизации какая главная польза? Обнулять интеграторы в фильтрах? Или же убирать джиттер демодулированного сигнала? Вообще разобрался как Гарднер работает. Ежели что, готов его куда нить прикрутить :-)

Правильно утверждают.
Но фильтр можно сделать с разным окном. Какое окно более применимо?
Что бы фильтр был согласованным, нужно что бы в его длину целиком помещалось... Половина импульса? Весь импульс?

Много, много непонятного :-)

Altair От символьной синхронизации какая главная польза? определяет нужные моменты времени для принятия решения
Но фильтр можно сделать с разным окном. Какое окно более применимо?
Что бы фильтр был согласованным, нужно что бы в его длину целиком помещалось... Половина импульса? Весь импульс? длина фильтра и окно определяют необходимый уровень подавления. сам фильтр должен быть таким же (т.е. согласованным) как и на передающем конце.

И Прокис и Незами пишут, что с решениями петля лучше работает, насколько я понимаю вернее определяет повороты фазы.
устойчивее (более помехоустойчивая) при низких С/Ш, т.к. отсутствует нелинейность.

Altair

Звено характеризуется резонансной частотой и демпинг фактором. Резонансная частота должна быть много (насколько? в 10 раз нормально?) меньше частоты дискретизации. От резонансной частоты зависит эквивалентная шумовая полоса и полоса в которой теоретически может быть осуществлен захват.
Но какую выбирать на практике?

Надо рассуждать от символьной частоты, частота дискретизации дело десятое. Представьте созвездие BPSK на приёме при наихудшем рабочем отношении сигнал/шум, это два сильно размазанных облачка, по одному символу мы не можем определить поворот фазы это или шумовое отклонение, мы должны усреднить десятки символов, импульсная характеристика усредняющего фильтра или ФАПЧ должна иметь длительность в десятки символов. Увеличивая усреднение уменьшаем остаточное фазовое дрожание синхронизации, но уменьшаем полосу захвата и увеличиваем время захвата, необходим компромисс. Поскольку PSK31 пакетный протокол, то время захвата ограничено преамбулой, возможно синхронизации с ФАПЧ вообще не подойдут. Не забывайте что выход детектора фазовой ошибки в вашей схеме зависит от амплитуды входного сигнала, а значит влияет на коэффициенты ФАПЧ, поэтому необходима АРУ.

И Прокис и Незами пишут, что с решениями петля лучше работает, насколько я понимаю вернее определяет повороты фазы.
От символьной синхронизации какая главная польза? Обнулять интеграторы в фильтрах? Или же убирать джиттер демодулированного сигнала? Вообще разобрался как Гарднер работает. Ежели что, готов его куда нить прикрутить :-)

Решения это не просто знак квадратуры, но и точка на символьном интервале в момент максимального отношения сигнал/шум и минимальной межсимвольной интерференции на выходе согласованного фильтра, для этого и нужна символьная синхронизация, чтобы брать знак в правильный момент времени, иначе будут энергетические потери.

Но фильтр можно сделать с разным окном. Какое окно более применимо?
Что бы фильтр был согласованным, нужно что бы в его длину целиком помещалось... Половина импульса? Весь импульс?

Сам импульс может иметь длительность в десятки символьных интервалов, определяется подавлением боковых лепестков, разумеется на приёме чтобы использовать всю энергию импульса длительность импульсной характеристики согласованного фильтра должна быть не меньше, а возможно и больше если требуется большое подавление соседних каналов.

Поскольку PSK31 пакетный протокол, то время захвата ограничено преамбулой,

С чего вы взяли? Там можно принимать текст с любого момента настройки на сигнал.

Zmej

С чего вы взяли?

Из этого документа страница 28
http://www.moetronix.com/ae4jy/files/winpsktech10.pdf

Peter Martinez specified a feature into the PSK31 signal scheme in which each transmission should begin
with a string of at least 32 consecutive 180 degree shifting "idle" symbols and also each transmission
should end with a string of 32 consecutive 0 degree non-shifting symbols(steady carrier). The reason
was twofold. The beginning idle string gives the decoders a chance at synchronization before any data is
sent. It can also be used for squelch functions to indicate a transmission is starting. The trailing carrier
can also be used to deactivate the squelch since a string of 32 "0 degree" symbols cannot occur during
any data transmission.

Если за 32 символа в начале пакета не будут осуществлены все синхронизации, то часть последующих полезных данных будет потеряна.

Altair
Соответственно вопросы такие. Какие должны быть фильтры в квадратурных каналах и какой петлевой фильтр?
Умные книги говорят что квадратурные должны быть с частотой среза "битовая скорость * 2", про петлевой скромно умалчивают. Другие умные книги утверждают, что квадратурные фильтры желательно бы иметь вида согласованного с принимаемым сигналом, например корень из приподнятого косинуса.

По предложенной схеме Вам, вроде бы, все подсказали.
А в самих документах по режиму PSK31 советуют использовать когерентный или некогерентный метод приема?

YuriVR
По прочтении ответов на вопросы по предложенной схеме, появилось еще больше вопросов :-)

когерентный или некогерентный метод приема?
Когерентный лучше на 3 дБ, некогерентный проще в реализации, независимо от советов по именно PSK31.

petr0v
необходима АРУ.
Безусловно.

длительность импульсной характеристики согласованного фильтра должна быть
А основные фильтрующие способности фильтра должны быть все же во временной или в частотной области для данного случая? Сущности взаимоисключающие, к сожалению. Мне кажется что в частотной, т.к. основная задача этих фильтров - не пропустить в петлю внешние шумы. Хотя при разглядывании результатов работы моделей, внешне лучше выглядят сигналы после фильтров больше работающих во временной области. Хотя это очевидно, сглаживание и должно давать такой эффект. Но глаз - плохой инструмент в данном случае.

Незами вот так показывает цифровую петлю Костаса:

Компаратор имеется. Фильтров вообще два. FIR (видимо он и есть согласованный?) и интегратор на длину периода (?). Сброса интеграторов не предусмотрено. Может согласованный на частотную область работает, а интегратор сглаживает? К интегратору как раз Гарднера удобно подключить и сразу схема легко модифицируется в когерентную.. LOOP FILTER кстати какой Sample Rate должен иметь? А то он как раз посередине :-) Или он тут как интерполятор получается?

Кстати по моему это вообще неработоспособная схема, именно как раз из-за отсутствия синхронизации Down Samplerа с символьной частотой. А интегратор должен быть не более половины период символа, что бы он выделял фронты. Если сделать длину интегратора более длины фронта - он будет уже сами символы съедать.

Altair
А основные фильтрующие способности фильтра должны быть все же во временной или в частотной области для данного случая? Сущности взаимоисключающие, к сожалению. Мне кажется что в частотной, т.к. основная задача этих фильтров - не пропустить в петлю внешние шумы. Хотя при разглядывании результатов работы моделей, внешне лучше выглядят сигналы после фильтров больше работающих во временной области. Хотя это очевидно, сглаживание и должно давать такой эффект. Но глаз - плохой инструмент в данном случае.
Это как? Фильтрующие свойства фильтра одинаковы как для частотой, так и временной областей. Выбирайте в каком домене Вам удобнее работать и вперед :). Я бы остановился на обработке во временной области.

Altair
К интегратору как раз Гарднера удобно подключить и сразу схема легко модифицируется в когерентную.. LOOP FILTER кстати какой Sample Rate должен иметь? А то он как раз посередине :-) Или он тут как интерполятор получается?
За когерентность отвечает узел восстановления опорного колебания, т.е. ФАПЧ по несущей, и никакого отношения к Гарднеру она не имеет, может путаете с Годардом.

mikasa76
Когерентность чего? В петле, если сильно не копать, живет два сигнала. Один - частота поднесущей, на которой работает NCO. Второй сигнал - демодулированная битовая последовательность, которая так же имеет свою частоту.

Это как? Фильтрующие свойства фильтра одинаковы как для частотой, так и временной областей.
Я это понимаю это так, что например скользящая средняя хорошо сглаживает, но плохо фильтрует по частоте, т.е. имеет большие пульсации в полосе задержания относительно полосы пропускания в частотной области, но при этом выбросы и неравномерности на огибающей сигнала сглаживает хорошо.

Altair
Когерентность чего? когда говорят о когерентном приеме, имеют ввиду когерентность фазы несущего колебания (поднесущей) сигнала с начальной фазой колебания, вырабатываемого местным гетеродином, т.е. NCO. Поэтому правильнее называть такой прием квазикогерентным.
Я это понимаю это так, что например скользящая средняя хорошо сглаживает, но плохо фильтрует по частоте, т.е. имеет большие пульсации в полосе задержания относительно полосы пропускания в частотной области, но при этом выбросы и неравномерности на огибающей сигнала сглаживает хорошо а причем здесь скользящее среднее к характеристике согласованного фильтра? Этот фильтр должен быть аналогичным фильтру в модуляторе.

Как тогда назвать то явление, которое утверждает что принимать решение о знаке фазы (читай - определять текущий бит) нужно в строго определенные моменты времени?

а причем здесь скользящее среднее к характеристике согласованного фильтра?
А причем здесь согласованный фильтр? Согласованный фильтр он, насколько я понимаю, по свой философии ближе к статистике.

Как тогда назвать то явление, которое утверждает что принимать решение о знаке фазы (читай - определять текущий бит) нужно в строго определенные моменты времени? за это отвечает решающее устройство + система тактовой синхронизации. Кроме того, при когерентном приеме ФМ сигналов с абсолютной фазой, т.е. BPSK, имеет место так называемая обратная работа демодулятора, т.е. возникает фазовая неоднозначность, которая устраняется после, по преамбуле или совместно с декодером помехоустойчивого кода. Другими словами, решающее устройство не знает истинного значения фазы (знака), а лишь определяет ближайшее к одному из эталонных значений.
А причем здесь согласованный фильтр? Согласованный фильтр он, насколько я понимаю, по свой философии ближе к статистикепонимаете, в нашем укоренившемся сознании, СФ - это фильтр, обеспечивающий максимум С/Ш на своем выходе, но в буржуйском представлении это еще может быть и канальный фильтр, можете назвать его еще фильтром основной селекции.

Altair

А основные фильтрующие способности фильтра должны быть все же во временной или в частотной области для данного случая?

Какие-то лишние сущности.

Незами вот так показывает цифровую петлю Костаса:

Это не петля Костаса а фантазии Незами, петля Костаса у него на предыдущем рисунке и в цифре она так же выглядит как и в аналоге.

Компаратор имеется. Фильтров вообще два. FIR (видимо он и есть согласованный?) и интегратор на длину периода (?).

Незами имеет ввиду LPF для фильтрации верхнего зеркального канала, скользящее среднее - согласованный фильтр для случая прямоугольных импульсов передаваемых, обе задачи один согласованный фильтр может выполнить.

Сброса интеграторов не предусмотрено.

Забудьте такие термины, не нужна здесь эта архаика.

LOOP FILTER кстати какой Sample Rate должен иметь? А то он как раз посередине :-) Или он тут как интерполятор получается?

Разумеется лучше делать на символьной частоте, нет никакого смысла молотить на частоте дискретизации, расход вычислительных ресурсов впустую, вообще все вычисления должны быть у вас на как можно более низкой частоте вплоть до символьной. С переходом между клоковыми доменами есть тонкость, правильный апсемпл - это добавление нулей, повторение отсчёта уже соответствует фильтру скользящее среднее после апсемпла и этот фильтр и коэффициент его передачи нужно учитывать в контуре ФАПЧ.

Кстати по моему это вообще неработоспособная схема, именно как раз из-за отсутствия синхронизации Down Samplerа с символьной частотой. А интегратор должен быть не более половины период символа, что бы он выделял фронты. Если сделать длину интегратора более длины фронта - он будет уже сами символы съедать.

В книгах не всегда всё на 100% формализовано, в первую очередь вы должны понимать смысл заложенный автором. Более работоспособные схемы выкладывал в виде симулинк моделей, но вы почему-то цепляетесь за эту схему Незами, хотя вроде и сами понимаете что она не совсем полноценная.

Altair
Когерентный лучше на 3 дБ, некогерентный проще в реализации, независимо от советов по именно PSK31.

Вы верно процитировали учебник. Но вся засада в том, что даже при работе в канале с постоянными параметрами и АБГШ придется иметь дело с оценкой фазы, относительно которой будет приниматься решение. Соответственно, оценка будет иметь некую погрешность, и чем шире ФАПЧ, тем больше эта погрешность.
Если же вспомнить, что КВ - это не канал с постоянными параметрами, то погрешность оценки будет играть еще более важную роль.
Я бы начал с изучения документов по протоколу PSK31. Вот честно не знаю, что там внутри, но вдруг, там ОФТ, а Вы с квазикогерентным приемом.

YuriVR
Вот честно не знаю, что там внутри, но вдруг, там ОФТ, а Вы с квазикогерентным приемом. там именно абсолютная ФМ-2/4, поэтому только когерентный прием. к тому же скорость невелика - всего 31,25 бода, приемник не должен быть слишком сложным.
по протоколу предусмотрена работа в режиме FEC (Витерби, K=5), так что по части увеличения помехоустойчивости можно еще поиграться с алгоритмами декодирования.

YuriVR
А чем принципиально отличается фм-2 от ОФТ? :-)

ОФТ - относительная фазовая телеграфия, может приниматься как когерентно, так и нет. ФМ-2 только когерентно

ОФТ это ведь частный случай фм2? Когда фазы имеют разнос 180 градусов? Или есть еще отличия?

Altair

В PSK31 есть дифференциальное кодирование, на приёме можно использовать как дифференциальную демодуляцию так и когерентную с дифференциальным декодированием.

ОФТ это ведь частный случай фм2? Когда фазы имеют разнос 180 градусов? Или есть еще отличия?

ОФТ предложил использовать Н.Т. Петрович еще в 1957 году - http://ganjaspivom.narod2.ru/2/3/
Главное отличие - информация заложена не в абсолютном значении фазы, а в изменении фазы двух соседних посылок. При таком подходе устраняется проблема с «обратной работой», в 1957 году было весьма актуально. Используется и до сих пор.

petr0v
В PSK31 есть дифференциальное кодирование, на приёме можно использовать как дифференциальную демодуляцию так и когерентную с дифференциальным декодированием. Все-таки ОФМ? тогда прошу прощения, что ввел в заблуждение :) Ссылкой не поделитесь? что-то нормального не могу найти. Спасибо.

mikasa76

Из этого документа страница 7
http://www.moetronix.com/ae4jy/files/winpsktech10.pdf

2.4. BPSK Serialization
PSK31 is actually Differential Phase Shift Keying because the information is sent as changes in signal
phase rather than an absolute phase state. This makes signal reception much easier since the initial
signal phase does not have to be known. For the Binary Phase Shift Keying mode, the signal either
changes phase by 180 degrees for each ZERO bit or remains the same to represent a ONE bit. The
symbol rate for PSK31 is 31.25 symbols per second or a period of .032 Seconds. The Varicode word is
serialized and converted into a 2 bit symbol before being sent to the differential phase state machine
which will determine the next signal phase based on the present phase and the new symbol.

petr0v спасибо, вижу PSK31 is actually Differential Phase Shift Keying because the information is sent as changes in signal
phase rather than an absolute phase state.

petr0v
Если за 32 символа в начале пакета не будут осуществлены все синхронизации, то часть последующих полезных данных будет потеряна.

Как таковых "пакетов", блоков данных в bpsk31 нет! Принимает сразу с момента настройки на сигнал, хоть со средины передачи сообщения - можете потренироваться в
MIXW2 через web-sdr, если нет своего приемника. Хвосты в начале и конце есть, но это больше для корректной отработки шумодава и подстройки программной АПЧ - если станция в стороне отвечает. А так в некоторых программах эти хвосты очень короткие на слух, по сравнению с оригинальной g3plx.

Но, тем не менее копаете в правильном направлении, у AE4JY описан способ демодуляции PSK31 и вроде бы даже есть исходники winpsk - подсказал коллега, который на основе этих опусов делал демод свой когда-то.

Коллеги, вы все по своему правы, однако мухи пусть себе летают, а котлеты спкойно лежат в тарелке. Давайте не будем их совмещать.
Я сейчас не вспомню в каком именно месте я это читал, но было упоминание что способ модуляции выбран именно таким, для того, чтобы можно было использовать простой демодулятор на линии задержки. И совершенно неважно, относительная или абсолютная манипуляция, при кратности 2 как не крути - все равно либо фаза либо антифаза. Вопрос выделения полезной информации из демодулированного меандра, это уже следующий уровень, им кодирование пусть занимается. Предлагаю сейчас на нем не акцентироваться. Метод демодуляции с линией задержки, при несомненной его простоте, имеет неустранимый недостаток - при демодуляции просходит перемножение двух зашумленных сигналов. Зато не нужно восстанавливать несущую. Зато в два раза больше шума.

Второй вариант демодулятора предполагает перемножение входного сигнала, в котором фаза постоянно меняется, с некоторым местным опорным сигналом с постоянной фазой. Опорный сигнал формируется местно, он свободен от шума, однако его нужно иметь равным по частоте входному сигналу и нужно что бы его фаза не менялась относительно входного сигнала. А значит его нужно засинхронизировать относительно входного сигнала. Этим ФАПЧ и занимается.

Синхронизма можно достичь двумя способами. Можно входной сигнал возвести в квадрат (физически эффект получается как если мы переменное напряжение пропускаем через мостовой выпрямитель - пульсации увеличивают частоту в два раза и становятся однополярными), заводим ФАПЧ на частоте равной удвоенной входной. Это возможно. :-) ФАПЧу кажется что ничего не меняется, хотя фаза опорного (опорный у нас входной сигнал) очень даже меняется. Потом делим пополам эту самую удвоенную частоту и вуаля! У нас есть опорный сигнал, равный входному, но фаза в нем постоянна. Перемножаем этот сигнал с входным и получаем разность фаз. Этот метод плох тем, что в квадрат возводится входной сигнал с шумом. Шума в петле стало больше. Т.е. ФАПЧ есть, а улучшения демодулятора не произошло.

В квадратурном варианте ФАПЧ может использовать для синхронизации опорный сигнал любой фазы, т.к. в петлю включены два ортогональных канала, если в одном канале не очень в фазе, то второй поможет. Это позволяет избежать математических операций в которых в качестве первого и второго операндов фигурирует входной (зашумленный) сигнал. Плохим следствием таких операций является не только усиление сигнала, но и усиление шума. В квадратурной петле, сразу же идет фильтрация на частоте среза информационного сигнала. Т.е. шумы по максимуму отсекаются. Однако, что бы местный генератор имел некую инерционность (для того что бы фаза его не сильно уползала в моменты отсутствия сигнала в момент смены фазы входного сигнала), нельзя что бы управляющее воздействие было излишне сильным. Это увеличивает время захвата петли. А если еще и частота будет отличаться - то вообще трудно зацепиться будет. Вот тут нужен некий компромисс в петлевом фильтре + костылик для помощи петле в определении верной частоты для ускорения захвата.

Таким образом получается что в учебниках небезосновательно пишут о возможностях улучшения демодулятора при когерентном способе демодуляции. Главное правильный способ выбрать.

Опус написан не для того, что бы показать какой я умный, ибо это не так, но для проверки более опытными коллегами правильности моего понимания сути работы демодуляторов.

Altair Интуитивно Вы вроде бы все это понимаете, но интуиции в этом деле мало. На Вашем месте (в свое время я пошел именно таким путем) я бы попробовал начать все-таки с алгоритма некогерентного приема, забудьте на время про ФАПЧ по несущей. Разберитесь с другими узлами, их там достаточно - различные фильтры, ресамплеры, АРУ, тактовая синхронизация, эквалайзеры, и т.д.. Каждый из блоков - это бездонная бочка для понимания, для одного и того же узла существует большое количнство алгоритмов реализации. Разберитесь сначала с элементарными вещами, а затем приступайте к более сложным. Другого пути для достижения понимания нет, только самостоятельно, ручками, от простого к сложному. Кстати, И совершенно неважно, относительная или абсолютная манипуляция, при кратности 2 как не крути - все равно либо фаза либо антифаза. Вы сейчас, наверное, имеете ввиду спектроинверсию или фазовую неоднозначность, она никакого отношения к дифференциальной модуляции не имеет.