Psychoakustyka akustyczna i krzywa ISO 226 w pracy SSB

Nastavenie nízkofrekvenčnej cesty pri vysielaní jednopásmovou moduláciou (SSB) je často podceňovaným faktorom, ktorý zásadne ovplyvňuje zrozumiteľnosť a dosah signálu. Większość radioamatorów dostosowuje dźwięk do intuicji lub słuchania przez słuchawki, co prowadzi do nieefektywnego wykorzystania mocy wysokich częstotliwości. Kľúčom k profesionálne nastavenému SSB signálu je pochopenie psychoakustiky ľudského sluchu, predovšetkým normy ISO 226, który definiuje krzywe równej objętości (pierwotnie znane jako krzywe Fletchera-Munsona).

Ludzkie ucho nie odbiera jednakowo wszystkich częstotliwości akustycznych. Jego czułość jest nieliniowa i zależy od poziomu ciśnienia akustycznego. Aparat słuchowy człowieka największą czułość osiąga w paśmie od 1 kHz do 4 kHz, natomiast przy niskich częstotliwościach poniżej 300 Hz potrzebuje znacznie większej energii akustycznej, aby osiągnąć tę samą subiektywną głośność. Podczas gdy komercyjne programy radiowe mają szerokość pasma audio do 20 kHz, klasyczna praca na falach krótkich SSB jest ściśle ograniczona do szerokości kanału od 2,4 kHz do 3,0 kHz. W tym wąskim paśmie niewłaściwa dystrybucja energii akustycznej powoduje utratę zrozumiałości i zmarnowaną obwiednię mocy szczytowej (PEP) stopnia mocy nadajnika.

Przy ustawianiu korekcji nadajnika SSB konieczne jest wybranie celu operacyjnego. Z punktu widzenia widma akustycznego wyróżniamy dwa podstawowe profile: profil zapewniający komfort słuchania (Easy Listening) oraz profil zapewniający maksymalną wydajność modulacji, przeznaczony do pracy konkursowej i DX.

Profil Easy Listening jest przeznaczony do regularnych sesji lokalnych i żucia szmat z silnymi sygnałami S9+20 dB. Jego charakterystyczną cechą jest naturalny, przyjemny dźwięk bez zmęczenia akustycznego słuchacza. W analizie widmowej różnica między szczytem basu (pierwsza oktawa głosu, zwykle od 150 Hz do 220 Hz) a tłumieniem w obszarze od 900 Hz do 1 kHz wynosi około 20 dB. Odległość ta pozwala zachować naturalną barwę głosu, lecz znaczną część całkowitej mocy PEP pochłaniają składowe basowe.

Wręcz przeciwnie, profil zapewniający maksymalną wydajność jest niezbędny podczas pracy w warunkach ograniczonej mocy (QRP, SOTA), z ograniczeniami anteny kierunkowej lub podczas wymagających zakłóceń podczas zawodów. Celem jest skompresowanie tej różnicy widmowej do 0 dB i utworzenie płaskiej charakterystyki widmowej zbliżonej do białego szumu. Wzmacniacz wysokiej częstotliwości ma stałą granicę mocy szczytowej. Jeśli na ścieżkę modulacji wejdą silne częstotliwości basowe, spowodują one przedwczesne osiągnięcie wartości szczytowej stopnia wyjściowego. Dzięki obniżeniu dominującego basu dostępna moc PEP jest rozkładana równomiernie w całym paśmie przepustowym od 300 Hz do 2700 Hz. Po stronie odbiornika zarówno cyfrowy procesor sygnałowy (DSP), jak i ucho operatora mogą dekodować bardzo słaby sygnał nawet poniżej poziomu szumu.

Kształtowanie pasma przenoszenia wymaga odpowiednich narzędzi w torze audio. W nowoczesnym SDR TCVR, takie jak SunSDR2 Pro, Seria Yaesu FTDX, Kenwood TS-890 lub Icom IC-7300, wielopasmowe korektory parametryczne (EQ parametryczne) i cyfrowe procesory mowy są dostępne bezpośrednio w firmware zariadenia.

W przypadku starszych TCVR lub gdy wymagane są zaawansowane modyfikacje, zewnętrzne radioamatorskie procesory audio (8-pasmowe W2IHY, UR6QW, I1WSM) lub studyjne 19-calowe obwody rack zawierające przedwzmacniacze mikrofonowe Neve 1073, korektory i kompresory wielopasmowe. Prawidłowe dopasowanie impedancji i poziomu ma kluczowe znaczenie podczas okablowania. Wejście mikrofonowe na panelu przednim nadajnika działa przy niskim poziomie miliwoltów i wymaga izolacji galwanicznej podczas korzystania z zewnętrznych zasilaczy, aby uniknąć pętli uziemienia i indukcji RFI (RFI). Drugą opcją jest wykorzystanie tylnego wejścia liniowego (ACC/DATA) lub bezpośrednia cyfrowa transmisja dźwięku przez USB rozhranie a virtuálny audio kábel (VAC).

Poleganie przy ustawianiu modulacji na własnym słuchaniu w słuchawkach bezpośrednio z nadajnika jest błędem metodologicznym. Wewnętrzne wiązanie akustyczne poprzez kości czaszki zaburza percepcję własnego głosu. Subiektywną ocenę należy zastąpić obiektywną analizą widmową.

Prawidłowa praktyka wymaga próbkowania zmodulowanego sygnału za pomocą wbudowanej w nadajnik funkcji Monitor, która zapewnia demodulowany dźwięk przed końcową transmisją, przy czym nadajnik pracuje przy sztucznym obciążeniu i nie transmituje zakłóceń w paśmie. Alternatywnie można zastosować wtórny odbiornik liniowy typu SDRplay z wyłączonym wewnętrznym AGC i płaską charakterystyką częstotliwościową. Próbkowany sygnał audio jest podawany do komputera, gdzie bezpłatne oprogramowanie Audacity przeprowadza analizę widmową przy użyciu szybkiej transformaty Fouriera (FFT). Funkcja analizy spektralnej (Plot Spectrum) jest używana w menu Audacity z rozmiarem okna FFT ustawionym na 2048 lub 4096 punktów i filtrem okna Hanninga. Da to dokładny wykres gęstości widmowej mocy w zakresie od 0 Hz do 4000 Hz.

Wielokrotne powtarzanie frazy „konkurs CQ” lub liczenie do mikrofonu jest całkowicie nieadekwatne do analizy widma. Te krótkie wyrażenia nie zawierają pełnego zakresu samogłosek i spółgłosek, co daje zniekształcony obraz średniej sprawności głosu.

Aby osiągnąć powtarzalne rezultaty, należy stosować mowę ciągłą, bogatą w częstotliwości, trwającą co najmniej 30 sekund. W inżynierii akustycznej do kalibracji mikrofonów używa się znormalizowanego wyrażenia akustycznego: „Proszę, pomarańczowy, nalegam, abyś zdjął brązowy zamek błyskawiczny z niebieskiego wysięgnika mikrofonu”. W warunkach słowackich pełnoprawnym zamiennikiem jest płynne czytanie tekstu technicznego, który łączy w sobie dźwięki dźwięczne i bezdźwięczne. Przy każdym nagraniu testowym konieczne jest zachowanie tej samej odległości ust od przetwornika mikrofonu (zwykle od 5 do 10 cm), tego samego kąta mówienia oraz stałego natężenia akustycznego głosu.

Ustawienie toru modulacji odbywa się w algorytmie cyklicznym. Pierwszym krokiem jest nagranie 30-sekundowej próbki mowy za pomocą funkcji Monitor w Audacity. Drugim krokiem jest wygenerowanie krzywej widmowej FFT. Trzecim krokiem jest porównanie zmierzonej krzywej z profilem docelowym (ISO 226 lub FLAT). Czwarty krok to korekta parametrów na korektorze. Cykl ten powtarza się, aż zmierzone widmo będzie odpowiadać pożądanemu kształtowi.

Ostateczne ustawienie wzmocnienia mikrofonu (mic Gain) i procesora mowy (Speech Processor/Compressor) następuje dopiero po ukształtowaniu krzywej częstotliwości. Kluczową zasadą jest prawidłowe działanie obwodu automatycznej regulacji wzmocnienia (ALC). Wskaźnik ALC musi poruszać się wyłącznie w zaznaczonym polu liniowym w szczytowych momentach mowy. Jeżeli obwód ALC nie jest aktywny, występuje twarde ograniczenie obwiedni sygnału. Wynikiem wybudzenia ALC nie jest większa głośność, ale zniekształcenie fazowe, produkty intermodulacji wyższego rzędu (IMD), poszerzenie zajętego pasma i rozpryski, które rażąco zakłócają działanie stacji na sąsiednich kanałach.

Przy dopasowywaniu korektora do modulacji SSB obowiązują określone zasady elektroakustyczne dotyczące ustawiania poszczególnych pasm.

Pierwszym krokiem jest ścisłe obcięcie częstotliwości subbasowych poniżej 100 Hz do 150 Hz za pomocą filtra górnoprzepustowego. Częstotliwości te nie wpływają na zrozumiałość mowy, ale powodują niepotrzebne przeciążenie stopnia nagłośnieniowego i mogą powodować szum sieci energetycznej o częstotliwości 50 Hz lub oscylacje akustyczne wentylatora.

Drugi krok polega na wycięciu drugiej harmonicznej tonu podstawowego głosu za pomocą wąskiego filtra wycinającego (Notch Filter). W przypadku głosu męskiego ta druga harmoniczna mieści się zazwyczaj w zakresie od 200 Hz do 220 Hz (na przykład 216 Hz). Wytłumienie go usuwa dudniący i niejasny charakter dźwięku.

Trzecim krokiem jest wykonanie tłumienia widmowego w paśmie od 900 Hz do 1000 Hz. Wytłumienie tego obszaru eliminuje pudełkowaty i nosowy ton mowy.

Czwartym krokiem jest wytworzenie lekkiego podniesienia przy częstotliwości 1500 Hz (1,5 kHz). Obszar ten ma kluczowe znaczenie dla powstawania formantów odpowiedzialnych za zrozumiałość spółgłosek.

Piąty krok polega na ustawieniu opadającego nachylenia o wartości około -3 dB na oktawę od 1500 Hz do odcięcia górnego pasma (2700 Hz do 3000 Hz). Niekontrolowane podkreślanie wysokich częstotliwości powyżej 2 kHz stwarza wrażenie ostrego sygnału, jednak podczas długotrwałego słuchania powoduje znaczne zmęczenie słuchu, a przy nieprawidłowym fazowaniu zwiększa ryzyko przebudzenia szczytowego.

Żądanie raportów o modulacji od stacji w tym paśmie nie dostarcza obiektywnych danych. Otrzymany raport uzależniony jest od charakterystyki głośnika stacji przeciwnej, akustyki jej pomieszczenia oraz ustawionego filtra DSP odbioru.

Jedynym niezależnym sposobem weryfikacji w rzeczywistej propagacji jest wykorzystanie sieci odbiorników KiwiSDR i WebSDR zlokalizowanych w różnych odległościach.

Przy małej mocy transmisji do prawdziwej anteny nagrywaj własny sygnał na zdalnym odbiorniku SDR. Wizualizacja na spektrogramie (kaskadzie) od razu pokaże, czy sygnał jest czysty widmowo, czy nie przekracza pasma przenoszenia 2,7 kHz i czy na szczytach nie powstają niepożądane produkty uboczne. Zaimportowanie nagranego pliku audio z WebSDR do programu Audacity i późniejsza analiza widmowa potwierdzi, czy modulacja zachowała zadaną krzywą nawet po przejściu przez kanał jonosferyczny i obwody AGC odbiornika.