A ktualizováno v dubnu 2020
Zkoumání audio spektra pomocí zvukové karty a programu pro PC
Úvod Měření v akustickém spektru je jednou z nejdůležitějších disciplín v radioamatérské praxi. Pro příjem velmi slabých signálů se často používají programy, které dekódují signály z akustického spektra. Přijímací souprava s analyzátorem akustického spektra se rovněž dá použít k jiným druhům měření, např. ke zjištění šumového čísla LNA. Programy pro analýzu spektra Jak už to bývá, jsou programy a h(s)račky. Vertikální stupnice Dobré programy umožňují zobrazit spektrum na veliké obrazovce a ve vysokém rozlišení. To znamená, že na vertikální škále jste schopni rozlišit rozdíl v úrovni vizuálně od 0.5 dB do 1 dB a s použitím nějakého matematického algoritmu v desetinách dB. Dobré programy umožňují nastavit minimální a maximální úroveň signálu, který bude zobrazen. Některé umí nastavit např. jen minimální úroveň signálu a ty nepoužitelné, bohužel, zobrazují celý rozsah, např. -130 dB až 0 dB, což se k měření nehodí. Horizontální stupnice Horizontální stupnice slouží k zobrazení frekvenční oblasti analyzovaného spektra. Některé programy neumožňují spektrum zůžit např. na šířku kolem 3 kHz a zobrazují spektrum od několika HZ do více než 20 kHz. Je více, než užitečné, aby programy umožnily alespoň nastavení logaritmické, ve kterém bude oblast akustických kmitočtů TCVRů rozprostřena na více než polovinu obrazovky. Zobrazení grafu Pro některá měření se hodí čárový graf. Takové zobrazení jsem použil u příkladu srovnávání dvou předzesilovačů LNA a pro stanovení šumového čísla druhého LNA, pokud známe hodnotu NF (dB) u prvního, viz předchozí odkaz. Na analyzátor zvukového spektra si poměrně rychle zvykneme, častější prací získáme užitečné návyky a začneme se zajímat o jeho přesnější využití a nebo využití užitečných matematických funkcí. U analyzátorů se objevují jiná zobrazení, než je čárové spektrum. Užitečné je např. zobrazení spektra pomocí sloupcového grafu. U lepších programů lze nastavit počet sloupců grafu na oktávu. |
Nastavovací menu Program Spectralissime Například program Spectralissime umožňuje použít dva druhy analýz (Fast a RTA) a umožňuje rozdělit akustické pásmo na 20 až 240 oblastí. Menu Options V menu Options (obrázek vpravo) se nastavuje několik důležitých věcí, například, že si přeji zobrazovat hodnotu Spectral RMS, měřit RMS, používat škálu dělenou po 10 dB, zobrazovat dělení stupnice po 1 nebo 2 dB (sub unit). Radioamatéři obvykle pracují (na rozdíl od hudebníků) se signály, pro které je typický malý odstup signál/šum. V takovém případě se hodí možnoat nastavit alespoň minimální úroveň signálu, např -70 dB. Radioamatéři obvykle pracují s omezeným rozsahem kmitočtů v audiospektru. V menu zde popisovaného programu lze nastavit alespoň logaritmickou škálu (Frequency Scale x 10). |  |
Měření Na obrázku dole mám zobrazení spektra oscilátoru (kmitočet kolem 432.120 MHz, TCVR Kenwood TS-2000) pomocí sloupcového grafu. Na oscilátoru jsem nastavil úroveň tak, aby byla asi 30 dB nad úrovní šumu vstupních obvodů. Hlavním ladicím knoflíkem jsem si projel spektrum a nejvyšší úroveň jsem nastavil tak, aby byla kolem kmitočtu 1 kHz (na obrázku jde o sloupec těsně pod, program uvádí kmitočet 944 Hz. Změřená úroveň signálu byla -37.9 dB. Hodnota byla stabilní a bylo jí dosahováno opakovaně. Na dalším obrázku jsem hlavním knoflíkem odladil signál z 944 Hz na 500 Hz. Zapnul jsem jsem si dvě užitečné funkce, které byly při minulém měření vypnuté (Show Max Level a Hold Max Level). Tyto funkce se velice hodí pro práci s šumovým pozadím. Zatímco užitečný signál si drží svou úroveň, šumové spektrum si poskakuje nahodile o několik dB. Zjištění šumového pozadí V předchozí úloze jsem při měření poměrů S/N v čárovém grafu nabádal k získání určitých návyků, abychom odečítali šumové pozadí vždy stejně. U těchto sloupcových grapů pracuji nepatrně jinak. Zapnu Hold Max Level a odečtu ji. Na kmitočtu 944 Hz je tato úroveň tam, kde je čára kurzoru myši a takto zjištěná hodnota úrovně šumu je -65.9 dB. |
Odstup signál / šum Odstup S/N jsem vypočítal ručně. Některé programy mají paměti a umí provést i takové výpočty. Rozdíl, tj. odstup S/N = 65.9 - 37.9 = 28 dB. Odstup S/N stanovený touto metodou je pravděpodobně stanoven přesněji, než při použití metody, kterou jsem používal s čárovým grafem. Poznámky 1. Při experimentu jsem použil jiný generátor, který se vyznačuje vyšším odstupem S/N, než při předchozím měření šumových čísel. I tak se velkou částí podílí na vstupním šumu přijímacího řetězce. Proto opět platí, že pokud děláme srovnávací měření, používáme stejný generátor, stejné nastavení, stejné zapojení. To proto, aby i vstupní šumové spektrum při měření různých přijímaču, různých LNA bylo identické. Jen tak je metoda přímého zjišťování šumového čísla z odstupů S/N použitelná. 2. Program Spectralissime je při použití tzv. "nadšenci" zpoplatněn drobným poplatkem (donationware).
Alternativy TrueRTA program 1. Výbornou alternativou pro měření spektra je program TrueRTA od firmy trueaudio.com 2. Placené verze disponují filtry od 1/3 oktávy (asi USD 40) do 1/24 oktávy (asi USD 100). 3. Program umožňuje nastavení horního a dolního limitu na škálách dB i frekvence v potřebném rozsahu. 4. Program má další užitečné funkcionality, např. vestavěný generátor (hezky fungující) atd. 5. Neplacená verze má však jen oktávové filtry. To je pro použití pro účely analýzy šumových vlastností přijímačů s ULNA předzesilovači hrubé - viz obrázek dole. To znamená naprosto nepoužitelné. |
Visual analyser Visual analyser jsem stáhnul a vyzkoušel v 64 bitové Beta verzi z roku 2019. Program je zadarmo. 1. Program se nemusí nikam instalovat. Do adresáře stačí zkopírovat soubor VA64.exe, který není nijak objemný (asi 17 MB). 2. Program má "přeumělkované" menu, což se možná leckomu líbí, ale já to rád nemám. To je spíš pro ty hudebníky. 3. Program umí docela dost funkcí, ale já jsem se zaměřil na analýzu audiospektra. Tu zvládá dobře, proto jsem právě tento program použil pro analýzy vlastností přijímačů s LNA. Na škále dB lze samozřejmě nastavit (roztáhnout) rozlišení 1 dB na několik mm na velkém monitoru, lze nastavit odpovídajícím způsobem škálu frekvence, atd. |
Proto i spektrum, které zobrazím nejen na velikém monitoru, ale i na notebooku je zobrazené v použitelné podobě. Tímto programem (na monitoru s rozlišením 1920 x1080) jsem měřil odstupy signál/šum (S/N) na zařízení Kenwood TS-2000 s LNA předzesilovači v pásmu 432 MHz, viz související články. Na obrázku dole je měřený odstup S/N zobrazený na monitoru notebooku (rozlišení 1366 x 768 bodů). Obrázek zde uvádím proto, že měření je velice subjektivní a roli hrají i zkušenosti. O maximální úrovni signálu oscilátoru nebude nikdo vést diskuzi (-36 dB), označil jsem ji horní vodorovnou čárou. U úrovni šumu poblíž užitečného signálu už to není tak jednoznačné. Signál tohoto oscilátoru není znehodnocen jen šumem, ale i parazitními kmitočty ve spektru. Jedno parazitní, možná intermodulační spektrum, které má vedle sebe další spektra jsem označil oválkem v obrázku. Pro měření jsem považoval za rozhodující šumovou úroveň v rozmezí kmitočtů cca 100 až 200 Hz kolem spektrální čáry (tj. od 900-950 do 1050-1100Hz). A nad tímto pozadím jsem udělal druhou čáru (úroveň -69 dB). Okótoval jsem odstup signál/šum. S/N = 33 dB:
Nic nového, vše jsem už popsal při zjišťování šumového faktoru RX. Jenže tento program umí nastavování tzv. Custom Spectrum Settings - viz menu vpravo. Provedl jsem toto: 1. Přidal jsem jmenovitý kmitočet, na kterém TX vysílá, tj. 1000 Hz po všech konverzích TCVRu. 2. Přidal jsem kmitočty 900, 950, 1050 a 1100 Hz, tedy šířku 100 Hz z každé strany. V této oblasti jsem přeci stanovoval šumové pozadí v předchozím diagramu při měření S/N. 3. Přidal jsem ještě kmitočty 500, 800 a 1500 Hz, abych analyzoval ještě něco navíc kolem kmitočtu. 4. Spustil jsem měření, změřil a zakótoval odstup S/N - viz obrázek dole: |
5. V pohodě jsem nastavil čáry úrovní nahoře na "bednu" filtru užitečného signálu, dole mezi horní úrovně "beden" šumového pozadí, protože nebyly úrovně na obou stranách kolem kmitočtu stejné. Rozdíl S/N odečítám ručně. Kupodivu, 9.5 dB + 23.5 dB dává stejné S/N = 33 dB. Závěry Řekli bychom, očekávali jsme shodný výsledek. V případě měření spektra, kde je důležitý šum (a ten je u příjmu slabých signálů vždy důležitý), to však není jednoznačné. Metody odečtu úrovní nejsou u šumu stejné. Musím konstatovat, že osobně nepreferuji jednu metodu zobrazení bez druhé. 1. U metody, kde zobrazujeme úroveň signálu křivkou obvykle přesně vidíme, kde jsou spektrální čáry měřeného oscilátoru a kde jsou např. parazitní kmitočty, intermodulační produkty, rušení a šum. Nevýhodou metody je, že stanovujeme subjektivně úroveň šumu. Pokud subjektivně, dělejme to vždy stejněv (nebo podle stejných zásad s ohledem na to, co měříme), abychom mohli srovnávat odstup signál/ šum u různých testovaných zařízení. 2. Metoda se sloupcovým zobrazením je lákavá, na první pohled se nám zdá, že se zbavujeme subjektivního stanovení šumového pozadí, ale není to pravda. V posledním příkladu jsem docílil stejných výsledků odstupu S/N, ale uvědomme si proč? Z předchozího zobrazení spektra jsem viděl, kde jsem si stanovil, že bude šumové pozadí. A tam na ty kmitočty jsem dal pomocí Custom Spectrum Settings filtry, které mi měřili úroveň toho postranního spektra. Proto je výsledek stejný. 3. S ohledem na předchozí bod musím konstatovat, že pro praxi radioamatéra, který se věnuje nastavování svých RX na nejlepší šumový faktor, je třeba pracovat s oběma metodami zobrazení nebo používat SW, který alespoň umí dělení filtrů na velmi jemné zlomky oktávy. 4. Někde na pásmu jsem slyšel, že šumové číslo neposlouchá. Tož, je to pravda jen zčásti. Pokud budeme mít spektrum zasrané od parazitních a intermodulačních produktů, nebudeme dobře přijímat užitečný signál. Pokud budeme mít užitečný signál utopený v šumu, protože jsme prostě nebyli schopni najít, kde se nám ty parazity a intermodulační produkty ve spektru vzaly a vyřešili jsme to snížením prahové citlivosti RX, nebudeme slyšet také nic. Příklady z praxe Rád provozuji digimódy. Používám asi 3 TCVRy, každý má možnost nějakým způsobem nastavovat šířku pásma. Momentálně mám instalovaný Kenwood TS-2000, který používá standardního principu heterodynu, ale demodulaci dělá pomocí DSP. Má rovněž softwarově nastavitelné filtry, o kterých nemám valné mínění. Zda se nějak podílí na schopnosti detekovat signály tak, abych viděl rozdílný S/N jsem se mohl jen domnívat. Je namístě experiment. Na dvou obrázcích níže jsou zachycené obrazovky spektra programu wsjt-x v takové velikosti, jako je vidím na monitoru. Pro široký filtr a pro maximálně zůžený filtr. To jde u TS-2000 u SSB jen na šířku od 1000 do 1400 Hz. O měření filtru TCVRu TS-2000 mám ještě tento článek. Zaměřil jsem se na spektrum stanice pracující na 1100 Hz, to je v propustném pásmu obou filtrů. Zdá se mi, že na úzkém filtru vidím lepší odstup S/N. Zda to je pravda, netuším. Zdání někdy klame. Zapojil jsem tedy ještě Visual Analyser, provedl jeho nastavení (viz popis výše - Custom Spectrum Settings) a viděl jsem toto: Z druhého obrázku vidíme, že pod kmitočtem 1000 Hz významně poklesla úroveň šumů, protože filtr takové kmitočty tlumí. Zprava (nad 1 kHz ) to není relevantní, protože můj signál ruší druhá stanice, která jede hned vedle. Spíš jsem nepředpokládal, že u experimentu, pro který jsem si nevybral dobré podmínky, ale běžnou praxi, kdy se spektra stanic překrývají a signály různě ruší, že obhájím experimentem lepší poměr S/N. Ale nebylo tomu tak. Odpovězme si na otázky 1. Jak vidí naše signály SW, který je dekóduje? 2. Považujeme parametr S/N u našich přijímačů za důležitý? 3. Víme, co můžeme pro lepší S/N udělat?
Jak vypadá na Kenwood TS-2000 signál o síle S9? Informaci uvádím pro demonstraci měřicí metody. Generátor nastaven atenuátorem na úroveň S9 podle S metru transceiveru. Kmitočet generátoru: cca 432,12 MHz doladěno knoflíkem TCVRu tak, aby zázněj byl kolem 1 kHz Úroveň: nastavena výstupním atenuátorem generátoru tak, aby S metr ukazoval S9 Generátor: typ DDS Filtr rádia: 300 až 3000 Hz, nastaveno knoflíky na TCVRu Spektrum měřeno digitalizací pomocí zvukové USB karty levného typu. Použitý SW: Visual Analyser Měření na této signálové úrovni nemá praktický význam při příjmu slabých signálů. Zobrazení spektra - obrázek pod textem. Odstup S/N je asi 60 dB, pravděpodobně vlivem zašuměného spektra generátoru. |
Související články Měření filtru TRX Kenwood TS-2000 pomocí šumu, zvukovky a programem Visual Analyser Definice šumového čísla (NF v dB) a šumového faktoru (F) podle pana Friise Orientační metoda pro ověření šumového čísla pomocí signálního generátoru a SW spektrálního analyzátoru ke zvukové kartě PC |
TU 73, Mira, ok1ufc