Akustická psychoakustika a křivka ISO 226 v SSB provozu

Nastavenie nízkofrekvenčnej cesty pri vysielaní jednopásmovou moduláciou (SSB) je často podceňovaným faktorom, ktorý zásadne ovplyvňuje zrozumiteľnosť a dosah signálu. Většina radioamatérů přizpůsobuje zvuk intuici nebo odposlechu přes sluchátka, což vede k neefektivnímu využití vysokofrekvenčního výkonu. Kľúčom k profesionálne nastavenému SSB signálu je pochopenie psychoakustiky ľudského sluchu, predovšetkým standardu ISO 226, který definuje křivky stejné hlasitosti (původně známé jako Fletcher-Munsonovy křivky).

Lidské ucho nevnímá všechny akustické frekvence stejně. Jeho citlivost je nelineární a závisí na hladině akustického tlaku. Nejvyšší citlivosti dosahuje lidský sluchový aparát v pásmu od 1 kHz do 4 kHz, zatímco na nízkých frekvencích pod 300 Hz potřebuje výrazně vyšší akustickou energii k dosažení stejné subjektivní hlasitosti. Zatímco komerční rozhlasové vysílání disponuje audio šířkou pásma až 20 kHz, klasický krátkovlnný SSB provoz je striktně omezen na kanálovou šířku 2,4 kHz až 3,0 kHz. V tomto úzkém pásmu způsobuje nesprávné rozložení akustické energie ztrátu srozumitelnosti a plýtvání špičkovým obálkovým výkonem (PEP) koncového stupně vysílače.

Při nastavování ekvalizace SSB vysílače je třeba zvolit provozní cíl. Z hlediska akustického spektra rozlišujeme dva základní profily: profil pro pohodlný poslech (Easy Listening) a profil pro maximální modulační efektivitu určený pro contest a DX provoz.

Profil Easy Listening je určen pro běžné lokální pořady a ragchewing při silných signálech S9+20 dB. Jeho charakteristickým znakem je přirozený, přednesově příjemný zvuk bez akustické únavy posluchače. Ve spektrální analýze se vyskytuje rozdíl přibližně 20 dB mezi basovým vrcholem (první oktáva hlasu, typicky 150 Hz až 220 Hz) a potlačením v oblasti 900 Hz až 1 kHz. Tento odstup zachovává přirozenou barvu hlasu, avšak basové složky spotřebovávají značnou část celkového PEP výkonu.

Naopak profil pro maximální efektivitu je nezbytný při práci v podmínkách omezeného výkonu (QRP, SOTA), při směrových anténních omezeních nebo v náročném contestovém rušení. Cílem je zmáčknout tento spektrální rozdíl směrem k 0 dB a vytvořit plochou spektrální charakteristiku blízkou bílému šumu. Vysokofrekvenční zesilovač má pevný limit špičkového výkonu. Pokud do modulační cesty vstupují silné basové frekvence, vybudí koncový stupeň do špičky předčasně. Vypuštěním dominantních basů se dostupný PEP výkon rovnoměrně rozloží napříč celým propustným pásmem 300 Hz až 2700 Hz. Na straně přijímače tak digitální signálový procesor (DSP) i ucho operátora dokáží dekódovat velmi slabý signál i pod úrovní šumu.

Formování frekvenční charakteristiky vyžaduje vhodné nástroje v audio řetězci. V moderních SDR TCVR, jako jsou SunSDR2 Pro, Yaesu FTDX série, Kenwood TS-890 nebo Icom IC-7300, jsou k dispozici vícepásmové parametrické ekvalizéry (Parametric EQ) a digitální řečové procesory přímo ve firmware zariadenia.

Pro starší TCVR nebo při požadavku na pokročilé úpravy se používají externí radioamatérské audio procesory (W2IHY 8-Band, UR6QW, I1WSM) nebo studiové 19palcové rackové obvody obsahující mikrofonní předzesilovače Neve 1073, ekvalizéry a vícepásmové kompresory. Při zapojení je kritické správné impedanční a úrovňové přizpůsobení. Mikrofonní vstup na čelním panelu vysílače pracuje s nízkými úrovněmi v miliVoltech a vyžaduje galvanické oddělení při použití externích napájených zdrojů, aby se předešlo zemnícím smyčkám a indukci VF vysílání (RFI). Druhou možností je využití zadního linkového vstupu (ACC/DATA) nebo přímý digitální přenos audia přes USB rozhranie a virtuálny audio kábel (VAC).

Spoléhat se při nastavování modulace na vlastní odposlech ve sluchátkách přímo z vysílače je metodická chyba. Vnitřní akustická vazba skrze kosti lebky zkresluje vnímání vlastního hlasu. Subjektivní odhad je třeba nahradit objektivní spektrální analýzou.

Správný postup vyžaduje odběr modulovaného signálu pomocí zabudované funkce Monitor ve vysílači, která poskytuje demodulované audio před finálním vyzařováním, přičemž vysílač pracující do umělé zátěže nevysílá rušení do pásma. Alternativně lze použít sekundární lineární přijímač typu SDRplay s vypnutým interním AGC a plochou frekvenční charakteristikou. Odebraný audio signál se přivádí do počítače, kde bezplatný software Audacity provede spektrální analýzu pomocí Rychlé Fourierovy Transformace (FFT). V menu Audacity se používá funkce Spektrální analýza (Plot Spectrum) s nastavením velikosti FFT okna na 2048 nebo 4096 bodů a Hanningovým okénkovým filtrem. Tím získáte přesný graf spektrální hustoty výkonu v rozsahu 0 Hz až 4000 Hz.

Opakované mluvení fráze „CQ contest“ neboli počítání do mikrofonu je pro spektrální analýzu naprosto nedostačující. Tyto krátké výrazy neobsahují celou škálu vokálů a konsonantů, čímž poskytují zkreslený obraz o průměrném výkonu hlasu.

K dosažení reprodukovatelných výsledků je třeba použít souvislý, frekvenčně bohatý mluvený projev v trvání minimálně 30 sekund. V akustickém inženýrství se ke kalibraci mikrofonů používá standardizovaná akustická věta: „Please orange, I insist that you remove the brown zipper from the blue microphone boom“. Ve slovenských podmínkách je plnohodnotnou náhradou plynulé čtení technického textu, který kombinuje znělé i neznělé hlásky. U každého testovacího záznamu je nutné zachovat stejnou vzdálenost úst od mikrofonního měniče (typicky 5 až 10 cm), stejný úhel mluvení a konstantní akustickou intenzitu hlasu.

Nastavení modulační cesty probíhá v cyklickém algoritmu. Prvním krokem je záznam 30-sekundového vzorku řeči přes funkci Monitor do Audacity. Druhým krokem je vygenerování FFT spektrální křivky. Třetím krokem je srovnání naměřené křivky s cílovým profilem (ISO 226 nebo FLAT). Čtvrtým krokem je korekce parametrů na ekvalizéru. Tento cyklus se opakuje, dokud naměřené spektrum neodpovídá požadovanému tvaru.

Teprve po vytvarování frekvenční křivky následuje finální nastavení zisku mikrofonu (mic gain) a řečového procesoru (Speech processor / Compressor). Klíčovým pravidlem je správná činnost obvodu automatického řízení zisku (ALC). Indikátor ALC se u špičk řeči musí pohybovat výhradně ve vyznačeném lineárním poli. Pokud je ALC obvod probuzen, dochází k tvrdé limitaci obálky signálu. Výsledkem probuzení ALC není vyšší hlasitost, ale fázové zkreslení, vznik intermodulačních produktů vyšších řádů (IMD), rozšíření zabrané šířky pásma a postranní prskání (splatter), které hrubě ruší stanice na sousedních kanálech.

Při úpravě ekvalizéru pro SSB modulaci platí konkrétní elektroakustická pravidla nastavení jednotlivých pásem.

Prvním krokem je striktní oříznutí sub-basových frekvencí pod 100 Hz až 150 Hz pomocí hornoprůpustného filtru (High-Pass Filter). Tyto frekvence nepřispívají ke srozumitelnosti řeči, ale způsobují zbytečné přetěžování PA stupně a mohou obsahovat síťové brum 50 Hz nebo akustické kmity ventilátorů.

Druhým krokem je vyříznutí druhé harmonické frekvence základního tónu hlasu pomocí úzkého zářezového filtru (Notch Filter). Pro mužský hlas se tato druhá harmonická nachází typicky v rozmezí 200 Hz až 220 Hz (například 216 Hz). Jejím potlačením se odstraní dunivý a nepřehledný charakter zvuku.

Třetím krokem je provedení spektrálního potlačení v pásmu 900 Hz až 1000 Hz. Potlačení této oblasti eliminuje krabicový a nazální zabarvený tón řeči.

Čtvrtým krokem je vytvoření mírného zdvihu na frekvenci 1500 Hz (1,5 kHz). Tato oblast je kritická pro tvorbu formantů zodpovědných za srozumitelnost konsonantů.

Pátým krokem je nastavení klesajícího sklonu s hodnotou přibližně -3 dB na oktávu směrem od 1500 Hz k hornímu oříznutí pásma (2700 Hz až 3000 Hz). Nekontrolované zdůraznění výšek nad 2 kHz sice vytváří dojem ostrého signálu, avšak při delším poslechu způsobuje výraznou únavu sluchu a při nesprávném fázování zvyšuje riziko špičkového probuzení.

Žádání o modulační reporty od stanic na pásmu neposkytuje objektivní údaje. Přijatý report podléhá vlastnostem reproduktoru protistanice, akustice jeho místnosti a nastavenému přijímacímu DSP filtru.

Jediným nezávislým způsobem verifikace v reálném šíření je využití sítě KiwiSDR a WebSDR přijímačů rozmístěných v různých vzdálenostech.

Při nízkém vysílacím výkonu do reálné antény si zaznamenejte vlastní signál na vzdáleném SDR přijímači. Vizualizace na spektrogramu (waterfall) okamžitě odhalí, zda je signál spektrálně čistý, či nepřekračuje propustné pásmo 2,7 kHz a zda u špičk nevznikají nežádoucí postranní produkty. Import nahraného audio souboru z WebSDR do programu Audacity a následná spektrální analýza potvrdí, zda si modulace zachovala stanovenou křivku i po průchodu ionosférickým kanálem a AGC obvody přijímače.