Radio FM kojarzy się z czystym dźwiękiem i znacznie mniejszą ilością szumu niż odbiór na falach średnich. Nie oznacza to jednak, że sama modulacja częstotliwości automatycznie rozwiązała każdy problem. Po demodulacji FM szum staje się szczególnie dokuczliwy w górnej części pasma akustycznego, czyli tam, gdzie znajdują się między innymi syczące głoski, talerze perkusji i drobne szczegóły nagrania.
Inżynierowie poradzili sobie z tym za pomocą prostego, ale sprytnego układu dwóch przeciwstawnych filtrów. Nadajnik celowo wzmacnia wysokie tony, a odbiornik osłabia je dokładnie według odwrotnej charakterystyki. Pierwszy proces nazywa się preemfazą, drugi deemfazą. Jeśli oba są właściwie dobrane, słuchacz nie powinien usłyszeć zmiany barwy programu. Usłyszy za to mniej szumu.
FM jest odporne na zakłócenia, ale nie jednakowo w całym paśmie
W modulacji częstotliwości chwilowa wartość sygnału dźwiękowego steruje odchyleniem częstotliwości nośnej od częstotliwości środkowej. To inny mechanizm niż w AM, gdzie informacja zmienia amplitudę fali. FM potrafi bardzo dobrze odrzucać wiele zakłóceń amplitudowych, lecz po przejściu przez demodulator poziom słyszalnego szumu rośnie wraz z częstotliwością dźwięku. Im wyżej w paśmie akustycznym, tym mniej korzystny staje się stosunek użytecznego programu do szumu.
Nie można po prostu mocno przyciąć wysokich tonów w odbiorniku, ponieważ razem z szumem zniknęłyby szczegóły muzyki i mowy. Potrzebne jest działanie wykonane wcześniej, jeszcze przed emisją. Skoro odbiornik ma później osłabić górę pasma, nadajnik najpierw musi ją podnieść. Dokumentacja przyrządów pomiarowych Keysight 8902A opisuje ten zabieg jako podbicie wysokich częstotliwości o nachyleniu 6 dB na oktawę, a następnie odwrócenie go po demodulacji.
Dwie połówki jednego rozwiązania
Preemfaza w torze nadawczym
Przed modulatorem FM sygnał audio przechodzi przez filtr preemfazy. Niskie tony pozostają niemal bez zmian, natomiast częstotliwości powyżej określonego obszaru są stopniowo wzmacniane. Nie jest to korekcja artystyczna podobna do ustawienia sopranu w mikserze. To część standardu transmisji, którą musi uwzględniać cały tor emisyjny.
Dzięki preemfazie delikatne składowe wysokoczęstotliwościowe wyruszają z nadajnika z większym zapasem względem zakłóceń, które dołączą po drodze i w odbiorniku. Ceną jest ryzyko zbyt dużej chwilowej dewiacji, gdy materiał ma dużo energii w górze pasma. Dlatego procesor emisyjny i limiter muszą kontrolować sygnał już z uwzględnieniem charakterystyki preemfazy, a nie dopiero na podstawie „płaskiego” dźwięku ze studia.
Deemfaza w odbiorniku
Po odebraniu i zdemodulowaniu sygnału radio stosuje filtr o charakterystyce odwrotnej. Wysokie tony zostają obniżone do pierwotnego poziomu, więc muzyka i mowa odzyskują właściwe proporcje. Jednocześnie osłabiany jest szum, który pojawił się już po wykonaniu preemfazy. To właśnie ta asymetria daje korzyść: program został wcześniej przygotowany do późniejszego tłumienia, a przypadkowy szum nie.
Instrukcja analizatora Rohde & Schwarz FPC określa deemfazę jako filtr powszechnie stosowany w radiofonii FM do poprawy stosunku sygnału do szumu. Ten sam dokument podkreśla, że filtr w odbiorniku odwraca działanie preemfazy wykonanej przed transmisją.
Co właściwie oznacza 50 mikrosekund?
Charakterystykę filtrów opisuje się stałą czasową, oznaczaną literą grecką tau. W europejskiej radiofonii FM wynosi ona 50 mikrosekund. Nie jest to opóźnienie programu ani czas przetwarzania pojedynczej próbki. Stała czasowa określa kształt krzywej filtra utworzonego z rezystancji i pojemności.
Dla 50 µs częstotliwość punktu charakterystycznego wynosi około 3183 Hz. Oblicza się ją ze wzoru 1/(2π·tau). Powyżej tego obszaru preemfaza coraz silniej podnosi poziom, a deemfaza odpowiednio go zmniejsza. Nie ma ostrej granicy, po której filtr nagle zaczyna działać. Zmiana jest płynna, dlatego rozwiązanie nie wprowadza wyraźnego „schodka” w barwie dźwięku.
Obowiązująca rekomendacja ITU-R BS.450-4 definiuje dla radiofonii FM stałe 50 lub 75 µs i zaznacza, że w Europie stosuje się 50 µs, a w Stanach Zjednoczonych 75 µs. Dla 75 µs punkt charakterystyczny leży niżej, około 2122 Hz, więc przy tej samej częstotliwości wysokie tony są przed emisją wzmacniane mocniej.
Dlaczego Europa i Ameryka używają innych wartości?
Oba warianty realizują ten sam pomysł, lecz powstały w różnych systemach normalizacyjnych. Różnica nie oznacza, że jeden kontynent nadaje „lepszy” dźwięk. Wartość 75 µs zapewnia silniejsze działanie, ale jednocześnie stawia większe wymagania ograniczaniu szczytów wysokoczęstotliwościowych. Wartość 50 µs daje łagodniejszą korekcję i została przyjęta w europejskim planie radiofonii FM.
Najważniejsza jest zgodność nadajnika i odbiornika. Radio przeznaczone na rynek europejski powinno stosować deemfazę 50 µs, a urządzenie dla Ameryki Północnej 75 µs. Współczesne układy cyfrowe mogą wybierać charakterystykę programowo, ale w starszym sprzęcie wyznaczały ją konkretne elementy RC. Zmiana regionu oznaczała więc czasem zmianę wartości rezystora lub kondensatora.
Jak brzmi źle dobrana deemfaza?
Jeżeli europejski sygnał z preemfazą 50 µs zostanie odtworzony przez tor 75 µs, odbiornik za mocno osłabi górę pasma. Dźwięk będzie przytłumiony i mniej wyraźny. W odwrotnej sytuacji, gdy transmisję przygotowaną dla 75 µs odbierze układ 50 µs, deemfaza okaże się zbyt słaba. Program zabrzmi jaśniej, mogą też wyraźniej ujawnić się szum i sybilanty.
To dobry przykład systemu, którego nie da się oceniać po jednym urządzeniu. Sam filtr w nadajniku celowo zniekształca równowagę tonalną. Sam filtr w odbiorniku również. Dopiero połączenie obu tworzy tor o prawidłowym paśmie i lepszych parametrach szumowych. Jeśli ktoś mierzy wyjście tunera przed deemfazą, zobaczy i usłyszy coś innego niż na zwykłym wyjściu audio.
Preemfaza dotyczy także sygnału stereo
W stereofonicznym FM nie wysyła się po prostu dwóch niezależnych stacji obok siebie. Tworzony jest sygnał sumy kanałów oraz sygnał ich różnicy, a odbiornik rekonstruuje z nich lewy i prawy kanał. Standard ITU-R przewiduje preemfazę zarówno dla części zgodnej z odbiorem mono, jak i dla informacji niezbędnej do odtworzenia stereo. Dzięki temu odbiornik monofoniczny nadal może poprawnie odtworzyć główny program.
Preemfaza nie zastępuje jednak procesora dynamiki ani ogranicznika dewiacji. Mocno zaakcentowane talerze perkusji, syczące głoski lub przesterowane nagranie mogą po podbiciu zajmować zbyt duży zapas modulacji. Tor nadawczy musi więc pilnować szczytów tak, aby korzyść szumowa nie prowadziła do przekroczenia parametrów emisji. ITU-R BS.450-4 określa nie tylko charakterystykę preemfazy, lecz również dopuszczalną dewiację i budowę sygnału stereofonicznego.
Dlaczego w streamingu zwykle się tego nie spotyka?
Preemfaza 50 µs rozwiązuje konkretny problem analogowej transmisji FM. W streamingu dźwięk jest zamieniany na dane, kompresowany kodekiem i przesyłany w pakietach. Szum typowy dla analogowego demodulatora FM nie narasta tam w ten sam sposób, więc nie ma potrzeby stosowania tej pary filtrów jako obowiązkowej części kanału.
Podobnie cyfrowe systemy radiowe korzystają z innych metod ochrony sygnału: kodowania, korekcji błędów i algorytmów kompresji dźwięku. Mogą mieć własne narzędzia kształtowania widma, lecz klasyczne 50 lub 75 µs nie jest uniwersalną receptą na każdy sposób transmisji.
Niewidoczny układ, który słychać głównie wtedy, gdy go zabraknie
Preemfaza i deemfaza działają w milionach odbiorników, choć na panelu radia nie ma ich przycisku. To rozwiązanie z epoki analogowej, które nadal pozostaje częścią standardu FM. Nadajnik na chwilę zmienia proporcje dźwięku, odbiornik je przywraca, a przy okazji tłumi część szumu najbardziej dokuczliwego dla wysokich tonów.
Najlepszym dowodem skuteczności jest jego dyskrecja. Przy zgodnym standardzie nie słyszymy „efektu preemfazy”, lecz po prostu program o naturalnej barwie i mniejszej ilości szumu. Dopiero źle dobrana stała czasowa, pominięty filtr albo błędnie ustawiony tor emisyjny pokazują, jak wiele zależy od tych niepozornych kilkudziesięciu mikrosekund.