Akustická psychoakustika a krivka ISO 226 v SSB prevádzke

Nastavenie nízkofrekvenčnej cesty pri vysielaní jednopásmovou moduláciou (SSB) je často podceňovaným faktorom, ktorý zásadne ovplyvňuje zrozumiteľnosť a dosah signálu. Väčšina rádioamatérov prispôsobuje zvuk intuícii alebo odposluchu cez slúchadlá, čo vedie k neefektívnemu využitiu vysokofrekvenčného výkonu. Kľúčom k profesionálne nastavenému SSB signálu je pochopenie psychoakustiky ľudského sluchu, predovšetkým štandardu ISO 226, ktorý definuje krivky rovnakej hlasitosti (pôvodne známe ako Fletcher-Munsonove krivky).

 

Ľudské ucho nevníma všetky akustické frekvencie rovnako. Jeho citlivosť je nelineárna a závisí od hladiny akustického tlaku. Najvyššiu citlivosť dosahuje ľudský sluchový aparát v pásme od 1 kHz do 4 kHz, zatiaľ čo na nízkych frekvenciách pod 300 Hz potrebuje výrazne vyššiu akustickú energiu na dosiahnutie rovnakej subjektívnej hlasitosti. Kým komerčné rozhlasové vysielanie disponuje audio šírkou pásma až 20 kHz, klasická krátkovlnná SSB prevádzka je striktne obmedzená na kanálovú šírku 2,4 kHz až 3,0 kHz. V tomto úzkom pásme spôsobuje nesprávne rozloženie akustickej energie stratu zrozumiteľnosti a plytvanie špičkovým obálkovým výkonom (PEP) koncového stupňa vysielača.

Pri nastavovaní ekvalizácie SSB vysielača je potrebné zvoliť prevádzkový cieľ. Z hľadiska akustického spektra rozlišujeme dva základné profily: profil pre pohodlné počúvanie (Easy Listening) a profil pre maximálnu modulačnú efektivitu určený pre contest a DX prevádzku.

Profil Easy Listening je určený na bežné lokálne relácie a ragchewing pri silných signáloch S9+20 dB. Jeho charakteristickým znakom je prirodzený, prednesovo príjemný zvuk bez akustickej únavy poslucháča. V spektrálnej analýze sa vyskytuje rozdiel približne 20 dB medzi basovým vrcholom (prvá oktáva hlasu, typicky 150 Hz až 220 Hz) a potlačením v oblasti 900 Hz až 1 kHz. Tento odstup zachováva prirodzenú farbu hlasu, avšak basové zložky spotrebúvajú značnú časť celkového PEP výkonu.

Naopak, profil pre maximálnu efektivitu je nevyhnutný pri práci v podmienkach obmedzeného výkonu (QRP, SOTA), pri smerových anténnych obmedzeniach alebo v náročnom contestovom rušení. Cieľom je stlačiť tento spektrálny rozdiel smerom k 0 dB a vytvoriť plochú spektrálnu charakteristiku blízku bielemu šumu. Vysokofrekvenčný zosilňovač má pevný limit špičkového výkonu. Ak do modulačnej cesty vstupujú silné basové frekvencie, vybudia koncový stupeň do špičky predčasne. Vypustením dominantných basov sa dostupný PEP výkon rovnomerne rozloží naprieč celým priepustným pásmom 300 Hz až 2700 Hz. Na strane prijímača tak digitálny signálový procesor (DSP) aj ucho operátora dokážu dekódovať veľmi slabý signál aj pod úrovňou šumu.

Formovanie frekvenčnej charakteristiky vyžaduje vhodné nástroje v audio reťazci. V moderných SDR TCVR, ako sú SunSDR2 Pro, Yaesu FTDX séria, Kenwood TS-890 alebo Icom IC-7300, sú k dispozícii viacpásmové parametrické ekvalizéry (Parametric EQ) a digitálne rečové procesory priamo vo firmware zariadenia.

Pre staršie TCVR alebo pri požiadavke na pokročilé úpravy sa používajú externé rádioamatérske audio procesory (W2IHY 8-Band, UR6QW, I1WSM) alebo štúdiové 19-palcové rackové obvody obsahujúce mikrofónové predzosilňovače Neve 1073, ekvalizéry a viacpásmové kompresory. Pri zapojení je kritické správne impedančné a úrovňové prispôsobenie. Mikrofónový vstup na čelnom paneli vysielača pracuje s nízkymi úrovňami v miliVoltoch a vyžaduje galvanické oddelenie pri použití externých napájaných zdrojov, aby sa predišlo zemniacim slučkám a indukcii VF vysielania (RFI). Druhou možnosťou je využitie zadného linkového vstupu (ACC/DATA) alebo priamy digitálny prenos audia cez USB rozhranie a virtuálny audio kábel (VAC).

Spoliehať sa pri nastavovaní modulácie na vlastný odposluch v slúchadlách priamo z vysielača je metodická chyba. Vnútorná akustická väzba cez kosti lebky skresľuje vnímanie vlastného hlasu. Subjektívny odhad je potrebné nahradiť objektívnou spektrálnou analýzou.

 

Správny postup vyžaduje odber modulovaného signálu pomocou zabudovanej funkcie Monitor vo vysielači, ktorá poskytuje demodulované audio pred finálnym vyžarovaním, pričom vysielač pracujúci do umelej záťaže nevysiela rušenie do pásma. Alternatívne je možné použiť sekundárny lineárny prijímač typu SDRplay s vypnutým interným AGC a plochou frekvenčnou charakteristikou. Odobraný audio signál sa privádza do počítača, kde bezplatný softvér Audacity vykoná spektrálnu analýzu pomocou Rýchlej Fourierovej Transformácie (FFT). V menu Audacity sa používa funkcia Spektrálna analýza (Plot Spectrum) s nastavením veľkosti FFT okna na 2048 alebo 4096 bodov a Hanningovým okienkovým filtrom. Tým získate presný graf spektrálnej hustoty výkonu v rozsahu 0 Hz až 4000 Hz.

Opakované hovorenie frázy „CQ contest“ alebo počítanie do mikrofónu je pre spektrálnu analýzu úplne nedostačujúce. Tieto krátke výrazy neobsahujú celú škálu vokálov a konsonantov, čím poskytujú skreslený obraz o priemernom výkone hlasu.

 

Na dosiahnutie reprodukovateľných výsledkov je potrebné použiť súvislý, frekvenčne bohatý hovorený prejav v trvaní minimálne 30 sekúnd. V akustickom inžinierstve sa na kalibráciu mikrofónov používa štandardizovaná akustická veta: „Please orange, I insist that you remove the brown zipper from the blue microphone boom“. V slovenských podmienkach je plnohodnotnou náhradou plynulé čítanie technického textu, ktorý kombinuje znelé aj neznelé hlásky. Pri každom testovacom zázname je nutné zachovať rovnakú vzdialenosť úst od mikrofónového meniča (typicky 5 až 10 cm), rovnaký uhol hovorenia a konštantnú akustickú intenzitu hlasu.

Nastavenie modulačnej cesty prebieha v cyklickom algoritme. Prvým krokom je záznam 30-sekundovej vzorky reči cez funkciu Monitor do Audacity. Druhým krokom je vygenerovanie FFT spektrálnej krivky. Tretím krokom je porovnanie nameranej krivky s cieľovým profilom (ISO 226 alebo FLAT). Štvrtým krokom je korekcia parametrov na ekvalizéri. Tento cyklus sa opakuje, kým namerané spektrum neodpovedá požadovanému tvaru.

 

Až po vytvarovaní frekvenčnej krivky nasleduje finálne nastavenie zisku mikrofónu (mic gain) a rečového procesora (Speech processor / Compressor). Kľúčovým pravidlom je správna činnosť obvodu automatického riadenia zisku (ALC). Indikátor ALC sa pri špičkách reči musí pohybovať výhradne vo vyznačenom lineárnom poli. Ak je ALC obvod prebudený, dochádza k tvrdej limitácii obálky signálu. Výsledkom prebudenia ALC nie je vyššia hlasitosť, ale fázové skreslenie, vznik intermodulačných produktov vyšších rádov (IMD), rozšírenie zabranej šírky pásma a postranné prskanie (splatter), ktoré hrubo ruší stanice na susedných kanáloch.

Pri úprave ekvalizéra pre SSB moduláciu platia konkrétne elektroakustické pravidlá nastavenia jednotlivých pásiem.

 

Prvým krokom je striktné orezanie sub-basových frekvencií pod 100 Hz až 150 Hz pomocou hornopriepuistného filtra (High-Pass Filter). Tieto frekvencie neprispievajú k zrozumiteľnosti reči, no spôsobujú zbytočné preťažovanie PA stupňa a môžu obsahovať sieťový brum 50 Hz alebo akustické kmity ventilátorov.

 

Druhým krokom je vyrezanie druhej harmonickej frekvencie základného tónu hlasu pomocou úzkeho zárezového filtra (Notch Filter). Pre mužský hlas sa táto druhá harmonická nachádza typicky v rozmedzí 200 Hz až 220 Hz (napríklad 216 Hz). Jej potlačením sa odstráni dunivý a neprehľadný charakter zvuku.

 

Tretím krokom je vyhotovenie spektrálneho potlačenie v pásme 900 Hz až 1000 Hz. Potlačenie tejto oblasti eliminuje krabicový a nazálny zafarbený tón reči.

 

Štvrtým krokom je vytvorenie mierneho zdvihu na frekvencii 1500 Hz (1,5 kHz). Táto oblasť je kritická pre tvorbu formantov zodpovedných za zrozumiteľnosť konsonantov.

 

Piatym krokom je nastavenie klesajúceho sklonu s hodnotou približne -3 dB na oktávu smerom od 1500 Hz k hornému orezaniu pásma (2700 Hz až 3000 Hz). Nekontrolované zdôraznenie výšok nad 2 kHz síce vytvára dojem ostrého signálu, avšak pri dlhšom počúvaní spôsobuje výraznú únavu sluchu a pri nesprávnom fázovaní zvyšuje riziko špičkového prebudenia.

Žiadanie o modulačné reporty od staníc na pásme neposkytuje objektívne údaje. Prijatý report podlieha vlastnostiam reproduktora protistanice, akustike jeho miestnosti a nastavenému prijímaciemu DSP filtru.

Jediným nezávislým spôsobom verifikácie v reálnom šírení je využitie siete KiwiSDR a WebSDR prijímačov rozmiestnených v rôznych vzdialenostiach.

 

Pri nízkom vysielacom výkone do reálnej antény si zaznamenajte vlastný signál na vzdialenom SDR prijímači. Vizualizácia na spektrograme (waterfall) okamžite odhalí, či je signál spektrálne čistý, či neprekračuje priepustné pásmo 2,7 kHz a či pri špičkách nevznikajú nežiaduce postranné produkty. Import nahraného audio súboru z WebSDR do programu Audacity a následná spektrálna analýza potvrdí, či si modulácia zachovala stanovenú krivku aj po prechode ionosférickým kanálom a AGC obvodmi prijímača.