Формирование качественного SSB сигнала
Формирование качественного сигнала SSB, с использованием профессиональной аппаратуры звуковой обработки.
Часть 1. Вступление.
В данной статье попробуем разобраться, как сделать качественный сигнал в однополосной модуляции, с применением дополнительной аппаратуры звуковой обработки. Существует в разных источниках информации, да и просто в эфире при обсуждении этого вопроса много названий таких сигналов, - это HI-FI SSB, ESSB, RUSSB и так далее. Мы поступим проще, будем говорить о качественном SSB. Под этим многогранным понятием подразумевается такое формирование звука в узкой полосе однополосной модуляции, при котором в эфире сигнал звучит неординарно, ярко и сочно, с явным наличием приятных на слух обработок и отличается от стандартных рядовых сигналов. Такие сигналы всегда притягивают внимание радиолюбителей, да и в последние годы все больше людей стремятся сделать модуляцию своего передатчика лучше. На мой взгляд, качественный сигнал должен обладать особыми свойствами и приятно восприниматься на слух при разных уровнях на приемной стороне. Ставим задачу так: попробуем сформировать сигнал в полосе частот от 60 до 3000 Гц, который при уровнях на приемной стороне 5.9 и выше звучал как сигнал с явной качественной обработкой, а при слабых уровнях, не терял свою информативность при проведении штатной радиосвязи. Сигнал должен сохранять свою информативность и естественность голоса оператора на передающей стороне, при использовании стандартных узких фильтров на приемной стороне. Данная тема особенно интересна еще и тем, что при наличии большого объема информации по обработке звука в широком диапазоне частот, она практически отсутствует, когда вопрос стоит о качественном голосовом вещании в узкой полосе 3 кГц. Та информация, что есть по этому вопросу на популярных сайтах NU9N и WZ5Q, не дает конкретных практических ответов на конкретные вопросы, возникающие у радиолюбителей при настройки отдельных узлов и эффектов.
О частотах звукового диапазона.
Для удобства общения введем понятие о частотах передаваемого сигнала, разобьем весь частотный диапазон сигнала на три части:
1. Низкая частота – частоты от 60 до 200 Гц;
2. Средняя частота – частоты от 200 до 1500 Гц;
3. Высокая частота – частоты от 1500 до 3000 Гц.
Во всем звуковом спектре частот есть очень важные участки и отдельные частоты, которые отвечают за качественную передачу речи и наоборот вносят в голосовое вещание ненужный нам призвук глухоты, неразборчивости, скрежетания, подзвона и так далее. Вообще по большому счету одна из наших главных задач, это задача сформировать сигнал с «правильными» уровнями на определенных частотах. В противном случае и происходят все неприятности.
Итак, обращаем особое внимание на следующие частоты:
- Низкая частота. Здесь хочется остановиться поподробнее. Очень важные частоты, это диапазон 80-130 Гц. Именно эти частоты в голосе оператора создают приятный теплый «домашний» призвук. Но при этом, забегая вперед, отмечу, что одна из главных встречающихся ошибок, это чрезмерное усиление этих частот. Этого делать нельзя, иначе при слабых уровнях на приемной стороне будет слышаться только уханье, при практически полном отсутствии информативности в сигнале. Как показывают эксперименты, уровень сигнала на этих частотах не должен превышать 15-20 дБ по отношению к другим частотам однополосного сигнала. К тому же большая часть энергетики передатчика расходуется именно на передачу этих частот. Что получиться при неправильном формировании – качаем мощность, а в итоге нас не принимают!
Далее очень важная частота 160 Гц. Именно в этом участке голосового спектра скрыта глухое звучание сигнала или как говорят «подушечный» звук. 160 Гц стараются сразу же вырезать доступными методами, для этого как правило применяют соответствующий фильтр в эквалайзере с высокой добротностью, скажем 1/3 октавы.
Очень важный момент. Чтобы низкие частоты красиво и глубоко звучали в эфире, необходимо формировать сигнал до модулятора передатчика как минимум с двойным запасом по полосе частот. То есть, если мы хотим качественно передать частоты 60-130 Гц, то спектр частот в формирующем АЧХ эквалайзере должен начинаться как минимум с частоты 30- 75 Гц. В противном случае неестественное звучание по низким частотам обеспечено. То же самое относиться и к высоким частотам, качественное звучание на частотах 2500-3000 Гц должно быть обеспечено соответствующей полосой эквалайзера в области 5000-6000 Гц, иначе высокие частоты будут звучать безжизненно, неярко и весь сигнал будет звучать «плоско» и невыразительно. В литературе это объясняется таким понятием, как фазовые искажения звука, но мы не будем сейчас обсуждать эти серьезные вопросы.
- Средняя частота. Очень важный диапазон в речевом спектре, который отвечает за разборчивость, информативность и индивидуальность голоса. Естественность и основу голосового спектра формируют частоты 250-500 Гц. Звукооператоры называют эти частоты голосовой базой.
Здесь нужно конечно стремиться выдержать достаточно ровную характеристику АЧХ. Частоты 700-1200 Гц еще один очень важный диапазон. Как показывает статистика, у большинства людей имеется характерный провал в голосе на частоте примерно 700-900 Гц. Этот недостаток придется компенсировать эквалайзером. При наличии больших провалов на этих частотах (15-20 дБ) голос оператора становиться, как отмечают многие радиолюбители «гундявым», это особенно заметно при прослушивании такого сигнала при включенной узкой полосе приемника (2400 Гц и ниже). Однако надо отметить, что при больших уровнях (10 дБ и более) по отношению к соседним частотам в АЧХ сигнала частот 1000-1500 Гц создадут неприятный «металлический» звук.
- Высокие частоты. Эти частоты практически не влияют на разборчивость речи, но придают ей характерное сочное и яркое звучание согласных и шипящих звуках в голосе оператора. Здесь все достаточно просто, при относительно ровной АЧХ в диапазоне 1500-3000 Гц формируем небольшой подъем (2-3 дБ) на частотах 2400-2700 Гц.
Примерно так.
О передатчиках.
Учитывая вышесказанное, определяем требование к передающей аппаратуре. А их собственно два основных.
Первое - передатчик должен обеспечивать в режиме SSB необходимую полосу передаваемых частот 60- 3000 Гц.
Второе – не вносить дополнительные нелинейные искажения в сигнал, при отключенном компрессоре, возникающие при неправильной работы смесителей и оконечного каскада передатчика.
По первому требованию все решается относительно просто. Современные цифровые трансиверы имеют, как правило, достаточно широкую допустимую полосу передаваемых частот. Заявленные полосы передаваемых частот в режиме передачи как правило составляют 100- 3000 Гц ( у разных фирм производителей этот параметр несущественно отличается). Но особенность работы цифровых фильтров основной селекции современных передатчиков заключается в том, что при использовании эквалайзера легко можно сформировать на передачу по уровню -6 дБ сигнал с низкой частотой вплоть до 50 Гц без заметных нелинейных искажений. Немного сложнее стоит вопрос с передачей высоких частот. Исходя их тех же особенностей, надо отметить, что у большей части выпускаемых трансиверов, цифровые фильтры очень подвержены к формированию искажений на высоких частотах при даже незначительной перекачки сигнала в этой области. Особенно это заметно на трансиверах, выпускаемых фирмами YAESU и KENWOOD. Вывод – сформированный сигнал должен иметь с этой точки зрения соответствуюшую АЧХ.
Для выполнения второго требования, необходимо убедиться, что выходной каскад и драйвер платы PA работают в стандартном для SSB модуляции режиме АВ. Как показывает практика, это требование для большого числа выпускаемых трансиверов фирмами производителями не соблюдается. Иногда приходиться увеличивать значения начальных токов в выходных каскадах передатчика в 2-3 раза. И здесь безусловный лидер фирма YAESU. Честно говоря, мне не очень понятна эта политика экономии электроэнергии. Гораздо реже возникает проблема с неправильной работой смесителей передатчиков. На их оптимальную работу прежде всего влияют уровни подаваемых сигналов с гетеродинов и опорных генераторов. При наличии соответствующей измерительной техники и квалификации радиолюбителя эти вопросы решаются относительно просто.
С аналоговыми трансиверами задача усложняется только тем, что не во всех трансиверах имеется возможность включить в режиме передачи качественный широкополосный кварцевый фильтр. По понятным причинам не обсуждается в рамках данной темы применение пьезокерамических фильтров и фильтров ЭМФ в аналоговых трансиверах для формирования качественного SSB, так как требования эти очень высоки. Это прежде всего коэффициент прямоугольности фильтра (не хуже 1.5), полоса пропускания (не менее 2.8 кГц по уровню -6 дБ) и неравномерности в полосе прозрачности (не более 3 дБ). Учитывая все это можно остановиться на применении таких кварцевых фильтров, как:
ICOM FL-96, FL-257 (на 455 кГц).
INRAD (под конкретный трансивер INRAD выпускает соответствующий фильтр с полосой 2800 Гц).
Приведу примерный перечень трансиверов, ведущих фирм производителей, которые можно рекомендовать без значительных доработок для решения наших задач:
- KENWOOD TS-850, TS-870S, TS-950SDX, TS-2000
- ICOM IC-746PRO, IC-756PROII, IC-756PROIII, IC-7600, IC-7700, IC-7800
-YAESU FT-1000MP, FT-1000MARKV, FT-1000FIELD, FT-950, FT-2000, FT-5000, FT-9000.
- FlеxRadio Systems SDR.
В скором времени в продаже появятся новые трансиверы KENWOOD TS-590S и IC-9100, но о них пока очень мало информации.
О методах формирования качественного SSB.
Сразу определимся в главном. Качество модуляции - это по большому счету чисто субъективный параметр. Конечно, такие искажения сигнала как девиация и ограничение в нашем случае не обсуждаются. О вкусах спорить не будем, поэтому определимся, какие принципиальные подходы к обработке звука можно применить, какими при этом на слух свойствами будут обладать сами сигналы?
Подход 1. Мягкая, бархатистая, приятная на слух модуляция, в сигнале присутствуют все частоты, вплоть до самых низких (до 30 Гц), как говорят – студийный сигнал. Классический пример такой модуляции - известная запись американского радиолюбителя и профессионала в звукорежиссуре Donald N2VU, правда в очень широкой полосе частот.
Audio Donald N2VU (mp3)
Такие сигналы, как правило, имеют практически ровную АЧХ во всем спектре частот. Для формирования такого сигнала обязательно применяют устройства, как гармонайзеры. При обработке практически не используют экспандеры и гейты. Структурная схема включения блоков обработки выглядит примерно так:
1. Студийный микрофон;
2. Микрофонных предусилитель;
3. Компрессор с небольшим уровнем компрессирования;
4. Гармонайзер;
5. Эквалайзер;
6. Микшерский пульт.
Однако надо отметить, что такие сигналы быстро теряют свою красоту и информативность, при уменьшении отношения сигнал/шум на приемной стороне при наличии большого уровня помех или просто при плохом прохождении радиоволн. Большая часть энергетики передатчика расходуется, так сказать, для передачи богатой низкочастотной части сигнала.
Подход 2. Для увеличения информативности, приходиться идти на компромисс - применять дополнительную обработку сигнала по низкой частоте, с частичной потерей качества звука. Очень интересные наработки по этому вопросу имеются у известного итальянского радиолюбителя Тони IK1JUO. Он давно и не безуспешно применяет различные дополнительные методы обработки сигнала, для практического решения этого вопроса. Отметим наиболее интересные из них. Несколько лет назад, он предложил дополнительно обрабатывать сигнал эффектом PHASER. При такой обработке происходит сдвиг фазы основного сигнала при выбранной скорости изменения фазы, с последующим микшированием полученного с основным сигналом. Причем синхронизация для запуска эффекта применяется внешняя, по огибающей приходящего сигнала. Звук при этом становиться упругим и чем-то напоминает эффект «пружины». Особенно влияние этого эффекта оказывает на звучание низких частот в сигнале. В последнее время Тони экспериментирует с модным в настоящее время эффектом AUTO TUNE, широко применяемым многими известными эстрадными исполнителями. Данный эффект аналогичен по действию эффекту PHASER, но сдвигает не фазу, а частоту исходного сигнала по заданному алгоритму.
Audio Tony Focusrite (mp3)
Известная американская фирма ANTARES выпускает продукцию с этим эффектом, как в виде готового устройства вокального процессора, так и виде софта.
Для примера, попробуйте наложить на любую запись сигнала Тони IK1JUO и Дональда N2VU сигнал белого шума с уровнем близкой к основному сигналу. Догадайтесь, чей сигнал при этом будет более информативным? Правильно, даже можно не экспериментировать.
С учетом вышесказанного, структурная схема включения блоков обработки выглядит примерно так:
1. Студийный микрофон;
2. Микрофонных предусилитель;
3. Компрессор;
4. Процессор эффектов (PHASER или AUTO TUNE);
5. Эквалайзер;
6. Микшерский пульт.
Подход 3. Многополосная обработка. Очень интересный и современный подход к обработке звука. Он предусматривает отдельную обработку низкой, средней и высокой частоты, с последующим микшированием. Именно такой подход многоканальной обработки применяется на многих профессиональных студиях и вещательных станциях. Это связано с тем, что каждая из этих групп частот должна обрабатываться по определенным и вполне конкретным параметрам, задаваемых в компрессорах, левеллерах и других устройств динамической и психоакустической обработки звука. А эти параметры могут существенно отличаться на разных частотах, поскольку обычный компрессор и лимитер вносят в сигнал искажения и могут испортить частотный баланс, полученный на этапе эквализации. Практического опыта в этой области достаточно немного, и есть, над чем работать. Как пример, сигнал Валерия UR5EK.
Audio UR5EK (mp3)
Примерная структурная схема может выглядеть так:
1. Студийный микрофон;
2. Микрофонных предусилитель;
3. Эквалайзер;
4. Кроссовер;
5. Компрессоры или один многополосный компрессор;
6. Эквалайзеры;
7. Энхансер (бас – процессор)
8. Микшерский пульт.
Подход 4. Бюджетный. Он заключается в том, чтобы попытаться сформировать достаточно качественный сигнал, не применяя большого количества различных блоков обработки звука, выбрать один из эффектов, позволяющий добиться максимальной «плотности» звучания голоса оператора, растянуть его по времени звучания, приблизить виртуально голос оператора на передний план. Здесь все методы хороши – можно применить такие устройства как максимайзеры, левеллеры, процессоры эффектов с функцией DELAY и SHORT ECHO. Очень, на мой взгляд, эффективно работают такие устройства, как максимайзеры. Максимайзер (цифровой пиковый лимитер) - это прибор динамической обработки, повышающий уровень звукового сигнала на этапе обработки. Громкость звука зависит не только от уровня звука (или звукового давления), но и от его спектрально-временного состава. Если частотный баланс уже определен и менять его нежелательно, то для повышения громкости звучания, нужно повышать уровень сигнала. Зачем повышать громкость? На это есть две причины. Первая из них заключается в том, что громкая речь и музыка чаще всего кажется "красивее", чем тихая, и больше привлекает внимание. Вторая причина повышения громкости - желание наиболее полно использовать динамический диапазон, чтобы звук не тонул в шумах эфира. Отношение пикового уровня сигнала к ее среднеквадратичному уровню (RMS) называется пик-фактором (crest-factor, кросс-фактор). Прямоугольная волна (меандр) имеет единичный пик-фактор 0 дБ. Пик-фактор синусоиды равен 3 дБ. Сигнал с широкой динамикой или резкими пиками обладают высоким пик-фактором (20 дБ и более), а сильно компрессированные сигналы - низким пик-фактором (10...15 дБ). Ясно, что при ограниченной пиковой мощности, сигнал с меньшим пик-фактором может достичь более высокой громкости. С целью уменьшения пик-фактора сигнала и применяют устройства динамической обработки. Качество работы таких приборов очень просто оценить по осциллоскопу известной программы WAVE LAB. Ниже приводятся примеры неудачной (первый рисунок) и качественной обработки сигнала (второй рисунок), с точки зрения уменьшения значения пик-фактора.
Применение процессора эффектов с функцией DELAY для обработки голоса предусматривает установку задержки сигнала в диапазоне от 1 до 30 миллисекунд и используется для уплотнения обрабатываемого звука. Уши и мозг не в состоянии уловить разницу между прямым и отраженным сигналом в случае, когда время задержки менее 30 миллисекунд - в этом случае мы слышим один звук, но как бы более плотный. – качественный и приятный эффект - возможно, потому, что он вообще не воспринимается, как эффект.
Audio RX3FM delay (mp3)
Структурная схема включения блоков обработки выглядит примерно так:
1. Студийный микрофон;
2. Микрофонных предусилитель;
3. Эквалайзер;
4. Максимайзер или левелер или процессор эффектов (DELAY и SHORT ECHO);
5. Микшерский пульт.
Валерий R5FM (ex RX3FM)
