Cómo utilizar inteligentemente
la energía disponible en audio y RF en equipos de comunicaciones
(2014-04-26 - Ultima actualización
2014-05-05)
Por Miguel R. Ghezzi - LU6ETJ
En la literatura profesional y académica
(y la mayoría de la seria escrita para aficionados) leeremos que la gama de
frecuencias de audio que es capaz de transportar mejor la inteligencia se sitúa
alrededor de los 300 a 2700 Hz pero... ¿cómo se arribó a este valor? ¿cuáles son
las ventajas y desventajas de ampliarlos hacia arriba o hacia abajo? ¿hay
realmente información útil fuera de este rango?
Conviene tener presente que apenas unas décadas
atrás las comunicaciones telefónicas y radiotelefónicas eran el equivalente a la
Internet de hoy: columna vertebral de los negocios. la guerra y la cultura del siglo XX. Se
invirtió muchísimo dinero, esfuerzo, investigación científica y técnica para
extraer toda la eficacia posible de esos sistemas de comunicaciones. Para
conseguirla se realizaron exhaustivas experiencias, mediciones y comprobaciones
para conocer acabadamente las variables
involucradas incluyendo desde luego las introducidas por nuestro aparato fisio-sico-neurológico de percepción y producción de sonidos.
Quizás un día el lector se tiente a trasmitir o recibir
fonía con amplios anchos de banda de audio; en tal caso, mejor que optar entre
variadas opiniones -la mayoría de las veces subjetivas y acientíficas- que se
escuchan a menudo en el éter, le será contar con algunos datos y experiencias que le den
cierta posibilidad de formarse un juicio educado para decidir sus acciones.
Por ejemplo: ¿sabía el lector que las notas más altas
que en fundamental puede producir una soprano rondan los 1300 Hz y las
de un tenor los 525 Hz (Do de pecho o sobreagudo)? (aunque
los sobretonos responsables del timbre puedan alcanzar frecuencias más
altas).
Pruebas intensivas en laboratorio y campo permitieron descubrir que
no es necesario trasmitir todas las frecuencias
presentes en la música y la voz.
Un estudio realizado1 da cuenta de
resultados interesantes: Los sujetos de prueba fueron radioescuchas de
broadcasting promedio; ellos marcaron sus preferencias cuando se les pidió
juzgar
material de programa empleando bandas de audio, angosta (120 a 4000 Hz), media
(60 a 6000 Hz) y ancha (30 a 10000 Hz). El material no era únicamente vocal
como nuestras trasmisiones radiotelefónicas sino general, incluyendo
música. Las conclusiones fueron:
- Los oyentes prefirieron el rango angosto a
medio más que el ancho.
- La mayoría continuó prefiriendo ese rango
aún cuando fueron informados que la condición que preferían era de
relativamente baja fidelidad y que la de rango amplio era de alta
fidelidad.
Aunque el tono particular de las vocales varía
de un individuo a otro normalmente alcanza por el lado inferior los 85 Hz
para una voz de varón profunda hasta unos 300 Hz por el lado superior
para una voz chillona femenina (algunos cantantes llegan a producir sonidos
de baja frecuencia del orden de los 60 Hz), esto es importante porque las notas principales y
con más energía media de la voz son justamente las vocales y produciría la
impresión -para lo que veremos en el siguiente punto del trabajo- que esas
frecuencias bajas son necesarias; sin embargo no lo son pues su contenido
armónico permite producir la impresiòn de presencia de ellas pues nuestro sistema perceptivo reconstruye
la fundamental a partir de esas armónicas aunque estén ausentes (el mismo fenómeno que nos
permite percibir sonidos de baja frecuencia que los parlantes pequeños comunes no
reproducen con energía suficiente).
Las semivocales y consonantes están por debajo
de 3 kHz mientras que
las sibilantes, fricativas y explosivas se sitúan por encima de los 2 kHz, esto nos indica que la totalidad
de lo sonidos en fundamental producidos por nuestro sistema vocal y que no
suenan como chasquidos o sibilantes está por debajo de 3 kHz, eso es fácil de
advertir con las salpicaduras laterales de emisiones que trasmiten o inclusive
realzan esas altas frecuencias pues con cualquier receptor suficientemente
selectivo puede observarse claramente que básicamente se escuchan como chasquidos similares al
sonido producido por un falso contacto y hay poco o nada de las las armónicas que
supuestamente determinarían la "calidad" del timbre vocal. Esto significa que los
esfuerzos para ampliar la respuesta de audio por encima de esa frecuencia se
traducirán fundamentalmente como ruidos en las frecuencias adyacentes.
Esto puede verificarse fácilmente con un receptor con una respuesta de su filtro suficientemente empinada como para sintonizarlo de manera que deje
pasar únicamente frecuencias que estén situadas por encima de 3 o 4 kHz de la
portadora (presente o ausente) de la estación que trasmite "hi fi", o dicho de
otro modo: sintonizar por ejemplo con un equipo de BLU en BLI correctamente (zero
beat) una señal y luego correrlo hacia arriba exactamente la cantidad de kHz a
partir de la cual queremos verificar el contenido de altas frecuencias de la
señal.
Pruebas de articulación e inteligibilidad2
Las pruebas de articulación son más exigentes
que las de inteligibilidad. Para hacerlas se generan sonidos vocales que no
conllevan inteligencia pero que deben reconocerse en el receptor mientras que
las de inteligibilidad miden la perfección de la recepción de sonidos que
trasmiten ideas. Aunque estos test dependen de la intensidad del sonido, se
verifica que estas variables no dependen demasiado de la intensidad, tolerándose
amplias variaciones en ella (del orden de los 60 dB respecto del nivel de referencia del estudio)
sin afectar significativamente la articulación.
La relación entre la articulación y las gama de
frecuencias trasmitidas es mucho más estrecha. Para comprobarlo se emplearon
filtros pasabajos y pasaaltos de manera de limitar los rangos trasmitidos y
establecer su capacidad para producir una buena articulación. Como resultado
puede verse en la gráfica que si solo se permite el paso de las frecuencias que
están por encima de 1000 Hz la articulación es de alrededor del 86% (bastante
buena) mientras que la energía necesaria para producirla es solamente un 17% del
total, esto significa que aún con poca energía esa zona es capaz de producir una
articulación aceptable, por el contrario si solo se deja paso a
frecuencias debajo de los 1000 Hz se empleará el 83% de la energía disponible,
pero la articulación será de solamente 42; con esto se ve que las altas frecuencias contribuyen
más a la inteligibilidad demandando poca energía mientras que las bajas lo hacen
notablemente menos demandando la mayoría de la energía disponible.
Estas pruebas llevaron a que en telefonía comercial se empleara una banda de
aproximadamente 250 a 2750 Hz que es la típica de nuestros buenos
equipos de comunicaciones en fonía (modernamente estos límites se
ampliaron en la telefonìa corriente hasta un rango de unos 200 a 3500 Hz para proveer algo más de
inteligibilidad y un sonido vocal natural).
Las normas actuales para broadcasting en amplitud
modulada en ondas medias permiten un ancho de banda máximo del orden de 18 a 20 kHz
totales (incluyendo ambas bandas laterales), limitando la
respuesta de audio a no más de 9 a 10 kHz. Debe notarse que ese ancho de banda
se emplea para proveer buena fidelidad a una programación con
contenido musical. La buena práctica de radioaficionados de fonía aconseja
lo que en nomenclatura moderna se indica como 8K00A3E, es decir que el
ancho de banda en RF total de la emisión sea 8 kHz, incluyendo ambas bandas laterales,
debiendo reducirse a 6 kHz o menos cuando la banda se encuentra muy ocupada.
Para emisiones de broadcasting de onda corta, la recomendación ITU-R BS
640-3 para las emisoras de broadcasting en BLU previstas a partir de 2015
establece un ancho de banda de audio máximo de 4,5 kHz,
que en modo A3E (amplitud modulada) implicaría un ancho de banda máximo ocupado
por ambas bandas laterales,
de 9 kHz.
Habilitar nuestro emisor para la trasmisión de frecuencias bajas de audio o peor
aún, aumentar su amplitud relativa artificialmente demandará del trasmisor la
mayoría de la potencia de modulaciòn que no se traducirá en significativa mejora
en la naturalidad o fidelidad (menos aún en alcance
o inteligibilidad)) y a menudo dará lugar a inconvenientes cos vibraciones
provenientes de automóviles, motocicletas, zumbidos, etc.
Esta potencia innecesaria en bajas frecuencias se restará de la disponible para
trasmitir frecuencias más útiles porque sumadas vectorialmente a ellas se
determinan los picos de tensión capaces de sobremodular la estación. Una prueba
ad hoc para estimar aproximadamente la eficacia de un trasmisor de
comunicaciones de AM (A3E) en tal sentido consiste en sintonizar la estación con un receptor de BLU (su
menor ancho de banda no importa pues estaremos analizando el espectro de audio
de baja frecuencia) y desplazar un poco la sintonía para comparar a oído el
nivel de audio detectado con el del tono heterodino, si es comparable y más o
menos comprensible debido a su intensidad la trasmisión es bastante eficiente,
si en cambio es difícil de oír puede deberse a dos cosas: insuficiente nivel de
modulación general (< 100%) o insuficiente energía en las frecuencias más
útiles para la trasmisión de inteligencia.
A veces a las respuestas de los
trasmisores obtenidas mediante refuerzos de graves y agudos se la pretende
asociar con un sonido de "calidad", pero el término calidad
implica un juicio valor por lo que conviene preguntarse cuál es el valor de emitir sonidos
cosméticos que no
trasmiten inteligencia y tampoco dan lugar a fidelidad o naturalidad de la
modulación o que, por el contrario, frecuentemente hacen la trasmisión
ininteligible en presencia de estáticos e interferencias, aún con señales
consideradas convencionalmente "fuertes" (además de perturbar el espectro que
están usando o podrían usar aficionados en frecuencias adyacentes).
Una forma visual de evaluar en este aspecto las
emisiones es emplear algún receptor
SDR remoto en la Web (disponibles vía
www.websdr.com) o bien uno propio con un programa capaz de mostrar el
espectro, preferiblemente en el modo cascada; con estas poderosas
herramientas podrá verificar fácilmente lo apuntado al tiempo que resultará más evidente la distribución de energía en el espectro de audio y su efecto en la
inteligibilidad en las estaciones visualizadas.
Estos receptores suelen tener capacidad para variar el ancho de su banda pasante y así puede
verificarse la conveniencia o no de emitir ciertas frecuencias sintonizando
estaciones con anchos de banda excesivos; también observar los efectos innecesariamente
perturbadores de las frecuencias por encima de las que otorgan naturalidad a
vocales y consonantes. Puede observarse el efecto en la inteligibilidad de la
existencia de energía suficiente o insuficiente en frecuencias superiores a
aproximadamente 800 Hz (pero inferiores a los 2 o 3 kHz) y verificar que la noción de "agudos" propia de la reproducción musical no
se aplica adecuadamente a la telefonía por lo que los controles de tono comunes
diseñados para uso en equipos musicales casi no actúan sobre las frecuencias "agudas" vocales.
Estos receptores ayudan también a evaluar los efectos en el espectro debidos a distorsión en amplificadores lineales de BLU sobrecargados ya sea por
desajuste casual o intencional del control automático de nivel (ALC) o
sobreexcitación de un amplificador lineal externo de alta potencia (con algunos
hay que tomar ciertos recaudos en la interpretación del sonido debidos a un
fenómeno conocido como aliasing que puede producirse en su respuesta de
audio). Una clave importante de la clara superioridad en cuanto alcance e
inteligibilidad de los equipos de BLU estándar respecto de los construidos
artesanalmente con ciertos criterios de "alta fidelidad" la da la simple
comparación de la distribución de energía visible en la cascada en unos y otros.
Prácticamente todos los prejuicios
acerca de la exagerada inferioridad de los trasmisores de AM de doble
banda lateral con portadora
completa (la AM común) respecto de los de BLU con portadora suprimida derivan de una ineficaz respuesta de audio de los
primeros.
Ruido
De lo anterior se deduce que para trasmitir voz
no solamente no es necesario gran ancho de banda sino que cuando pensamos en una trasmisión con "calidad broadcasting"
no debemos perder de vista que las emisoras de broadcasting de AM
emiten música por lo que emplear anchos de banda en trasmisión o recepción
mayores que los imprescindibles para voz (que contiene un menor rango de
frecuencias que la música) no produce casi beneficio
a la inteligibilidad y agrega poco a la naturalidad vocal.
En la discusión precedente no se mencionó la relación señal-ruido pues fueron
estudios para determinar cuáles son las frecuencias donde la energía de audio es
más útil para trasmitir el material de programa de una manera eficaz, sin
embargo con equipos de comunicaciones aparece de dramáticamente el problema del
ruido pues raramente comunicamos con relaciones señal-ruido equivalentes a las
del área de servicio de una emisora de onda media.
La emisión de señales de AM con exceso de ancho
de banda presume que del lado del receptor se emplea uno equivalente (de lo
contrario no tendría sentido promoverlo o utilizarlo), pero mientras el nivel de
ruido recibido en el receptor es estadísticamente uniforme a lo largo de su
banda pasante no sucede lo mismo con la energía vocal útil que es muy pequeña en
las frecuencias altas, así, al aumentar el ancho de banda de recepción abrimos
una gran ventana que para dejar pasar pequeñísimas cantidades de energía de
audio de poca o ninguna utilidad se facilita el ingreso de gran cantidad de
energía de ruido constante.
En estas condiciones, para soslayar el significativo deterioro en la relación
señal ruido será
necesario un importante aumento en
la potencia de portadora del emisor si es de telefonía en AM con portadora completa
(A3E) o el
equivalente en bandas laterales para conseguir silenciar el receptor lo
suficiente.
Los realces artificiales en la curva de respuesta del modulador, no solamente
promueven un desperdicio potencia innecesario, sino que presumen ¡que el oyente
no cuenta con controles de tono para elegir su respuesta preferidos..! controles
comunes que darían lugar el mismo resultado estètico si fueran deseados por el
interlocutor.
Con programas de procesamiento de audio disponibles gratuitamente (por ejemplo DSP Filter de Makoto Mori -JE3HHT) se pueden
ensayar filtros de audio que permitirán reproducir algunas de las
experiencias citadas en la referencia 1; por ejemplo, puede programar un filtro
pasaaltos y oír qué se oye en la banda de frecuencias situada por encima de los
2 o 3 kHz en una trasmisión de fonía de exagerado ancho de banda... (si lo hace,
en la pantalla "Filter Designs-User-x" tilde la opción "NONE" en el cuadro "Oversampling"
para que el programa admita frecuencias mayores que 3 kHz). Otro programa más
simple de utilizar es VA3AGM DSP filter de Mircea Popa.
"Dudosos consejos..."
Quizás haya notado recorriendo la Web que
quienes en diferentes latitudes impulsan grandes anchos de banda suelen emplear
estaciones con potencias más o menos elevadas, ello es natural pues sin recurrir
a ellas la relación señal-ruido en el receptor de gran ancho de banda que
acompaña a esa práctica es pobre. Lógicamente quien la disponga promoverá más
fácilmente las "virtudes" de esas respuestas de audio que a veces hacen lucir voces aterciopeladas y
profundas (aunque más a menudo modulaciones empastadas y carentes de energía en
las zonas del espectro que ofrecen claridad y nitidez), si no nos percatamos de esto y lo
intentamos con un modesto equipo pronto descubriremos que mientras el potente equipo puede lucir su
"presencia" en el éter a nosotros nos escucharán razonablemente
bien únicamente nuestros vecinos radialmente muy
próximos...
Referencias en el texto:
1.
Chinn, H. A. - Pinsenberg, P. Tonal-Range and sound intensity
Preferences of Broadcast Listeners. Proceedings del IRE, Setiembre 1945, Vol
33, N° 9.
2.
Castner T. G. - Carter, C. W. Development in the application of
Articulation Testing. Bell Systems Technical Journal, Julio 1933 Vol. 12.
Literatura consultada:
Albert,
A. L. Electrical Communications. 3rd Ed. (1954). John Willey &
Sons Inc. (principal)
Pender H. - McIlwain, K. Electrical engineers Handbook, 3rd Ed
Rewritten => "Effects on articulation of removing portions of speech frequency
range". Wiley Engineering Systems .
Baranek, Leo L.. Acustica. Ed. H.A.S.A.
1961.
Terman
Frederick E. Electronic and Radio Engineering. 4th Ed. McGraw-Hill
Book Co. Inc.