V poslední době se na diskusní emailové konferenci ČAV strhla diskuse o srovnání komunikační účinnosti CW a SSB. Zastánci CW provozu na KV většinou mají za to, že tvrzení uvedená zde jsou správná, ostatní  diskutující si tím nejsou jisti. Zkusme se na věc podívat blíže:

Není sporu o tom, že většinou je CW provoz o něco účinnější, než provoz SSB. Ale jak tomu je skutečně? Dá se tento rozdíl nějak definovat? Dá se přínos CW provozu vyčíslit početně?
 

Na výše uvedených stránkách je uveden tento obrázek, který se snaží návštěvníkům QRP stránek vsugerovat, že přínos CW oproti SSB je 13 dB, tedy že je vlastně možné při CW provozu používat pro stejnou komunikační účinnost výkon 20x menší, než v případě provozu SSB.

Tento názor je samozřejmě nesprávný! V zásadě se dá spíše říci, že je hloupoučce naivní a všem, kdo již na amatérských pásmech strávili nějaký čas a o tom, co dělají, také přemýšlí, je věc jasná. Uvedený obrázek sice může vulgarizací uvedené otázky pomoci popularizaci QRP provozu (ostatně proč ne - QRP provoz na KV má jistě své kouzlo), ale je poměrně vzdálený realitě.

Především si je třeba položit otázku: CO TO JE "KOMUNIKAČNÍ ÚČINNOST" ???

Většina z vás si asi odpoví, že komunikační účinnost je míra "snadnosti" dovolání se, či udržení spojení. Ovšem umíte tuto "snadnost" definovat fyzikálně? Asi ne, že... Uvedená míra "snadnosti" se totiž může podstatně lišit pro jednotlivé specifické podmínky.

a) Příjem slabého signálu na úrovni šumu:

Přijmeme-li názor, že definicí uvedené "snadnosti" je rozeznatelnost signálu na, nebo pod úrovní šumu, je CW nepochybně (podobně, jako i jiné druhy binární modulace) velmi účinným nástrojem. Přenáší se pouze dvoustavová informace (signál je, či není). Poměr komunikační účinnosti tak můžeme (oproti hovorovému SSB signálu) na první pohled téměř nekonečně zvětšovat snižováním šířky telegrafního filtru. Pokud použijeme telegrafní filtr o šířce 100Hz, jako je na obrázku, dosáhneme při určité úrovni C/N (carrier to noise) za detektorem odstup S/N (signal to noise, někdy také označovaný SNR) například 0 dB = tedy výkonová úroveň signálu je stejná, jako výkon šumu, přijatý ve spektru daném šířkou filtru (předpokládáme, že výkon šumu je ve spektru rozložen bez výkonových shluků - tedy má stejnou výkonovou úroveň na jednotku šířky pásma), tedy řečeno jinak, že poměr (C+N)/N je právě 3 dB (CW operátor v takovém případě obvykle dává report 539 až 559, hi). Potom si představme, že budeme zužovat šířku uvedeného filtru - například na dvacetinu. Bude-li přijímaný signál (a také místní oscilátor přijímače, hi) dostatečně stabilní a udrží se tedy trvale v pásmu takového 5 Hz širokého filtru, odstup S/N se zvýší z 0 dB na 13dB, protože zatímco užitečný signál bude stejně silný, celkový výkon šumu procházející filtrem se zmenší 20 krát. Zdálo by se tedy, že výše uvedený obrázek v principu platí, a že nejlepších výsledků v komunikační účinnosti (v tomto případě minimálního rozeznatelného signálu) dosáhneme použitím co nejužšího filtru. Zužování filtru skutečně pomáhá v případě extrémně nízkých odstupů C/N - například v případě příjmu signálů EME a je pochopitelně použitelné pouze pro binární signál (například CW). V praxi se toho také využívá. Má to ovšem několik omezení - šířku filtru totiž nelze snižovat nekonečně:
    - naráží se na prakticky dosažitelné stability kmitočtů (aby se to do filtru vždycky "strefilo")
    - minimální šířka filtru má vztah k rychlosti přenosu (pro běžný CW provoz by měl mít filtr vždycky šířku alespoň několik Hz)
    - odstup C/N se nesmí příliš blížit k nule, protože potom začne filtr buzený šumem "znít" - což je vlastně odezva laděných obvodů (vysoké Q) filtru na šumový signál a
      to prakticky znemožňuje vyhodnocení užitečného signálu sluchem
Mnozí z nás ovšem mají praktickou zkušenost se dvěma paradoxy: za prvé - čím je užší šířka filtru, tím mnozí z nás slyší slabý signál hůře a hůře, až se jim ztratí signál v šumu. Za druhé - stejně silný (nebo spíše slabý) signál slyšíme na svém zařízení lépe, než na zařízení, které přinesl kamarád a které má třeba lepší vlastnosti a užší filtr. Jak je to možné? Odpovědí na tuto otázku je schopnost lidského mozku filtrovat neužitečný signál. Nejlepší DSP processor totiž máme mezi svýma ušima! Trénovaný mozek (a že ho radioamatéři trénovaný dlouhým posloucháním na pásmu mají!) je totiž schopen zkalkulovat spektrální rozložení šumu a rozeznat, že v některém místě je fyzikálně nahodilé rozložení šumu narušeno signálem, který se pod šumem skrývá, potom podvědomě potlačit neužitečný šum a tak ze šumu "vytáhnout" užitečný signál, který se v šumu skrývá ! Mozek je úžasný počítač a tak je schopen v reálném čase vytáhnout signál, který je výkonově až 100 krát slabší než šum (Otestujte si !!!  Má to ovšem ale svá ale ! Signál skrývající se pod šumem musí být stabilní ! (Ti, kteří znají nestability některých, zejména mikrovlnných zařízení, ví, o čem mluvím - v případě nestabilního signálu bývá signál na úrovni šumu často nečitelný). Spektrální rozložení šumu musí být víceméně přesně to, na které je mozek naučen ! To vysvětluje zhoršování schopnosti příjmu při zužování filtru, nebo změně zařízení - v takovém případě má totiž šum ve sluchátkách jiné spektrální rozložení a filtrační schopnost mozku  je výrazně snížena - a stačí třeba i jen jiná strmost hran (a jiné zvlnění) filtru a třeba i jen jiná sluchátka, či jiný NF zesilovač...
Pokud tedy má úspěšně fungovat filtrační  schopnost mozku a umožnit tak úspěšné vyhodnocení CW signálu "pod šumem", nesmí být telegrafní filtr příliš úzký, aby nějaký ten šum mohl pro funkci mozku "nabrat". Pokud bychom tedy běžně široký filtr 500Hz zaměnili za filtr 250 Hz, pomůžeme si "fyzikálně" o 3 dB, ale individuální filtrační schopnost mozku se může zhoršit třeba o 6 dB i více. Proto se v praxi tam, kde je nutné přijímat skutečně slabé signály (EME, VKV) obvykle neužívají extrémně úzké filtry, ale typicky jsou používány filtry 500, či 250 Hz.

Podívejme se teď na příjem signálu SSB: není žádným tajemstvím, že hovorový signál nese značnou míru informační nadbytečnosti (redundance). Proto také je možno tento signál do značné míry zkreslit, aniž by to způsobilo ztrátu srozumitelnosti - ba naopak. Zvýšením míry komprese je možno výrazně (až 40 krát - tedy až o 16dB) zvýšit střední hodnotu  úrovně řečového signálu a tím na přijímací straně také zlepšit odstup signál/šum. Při příjmu hovorového signálu ještě funguje jeden další trik - díky značné míry redundance informačního obsahu řečového signálu je cvičený mozek operátora na přijímací straně schopen v reálném čase rekonstruovat chybějící informace (například v těch místech řečové modulace, kdy je úroveň nižší, než hladina šumu) a doplnit si je. Pochopitelně to opět předpokládá zkušený, vytrénovaný mozek...

Shrneme-li tedy zde uvedené, vidíme, že porovnávat "komunikační účinnost" pouze na základě srovnání šířek dvou jakýchsi imaginárních filtrů je nesmyslné, zavádějící a hloupé. Komunikační účinnost CW a SSB vůči šumu nelze v praxi exaktně porovnat a vyčíslit, protože závisí na stupni komprese SSB modulace, šířce a tvaru filtrů, zařízení a zejména na zkušenosti a vytrénovanosti operátora !  A to ani nehovořím o tom, jaké informace se právě předávají, protože pokud operátor ví, jakou informaci očekává, je úspěšnost příjmu rozhodně vyšší. A to ani nehovořím o tom, že s ohledem na dlouhodobou trénovanost mozku v prostředí "hladkého šumu" bez rušení  jsou v příjmu slabých signálů obvykle lepší operátoři s VKV, než KV zkušeností.

Komunikační srovnání CW a SSB je z hlediska šumu tedy pouze na empirické úrovni a ze zkušenosti je možno ji ohodnotit (při srovnání CW a SSB zkomprimovaného signálu) na cca 6 až 7 dB.  Ovšem pozor!  Takové srovnání platí jen tehdy pokud je přijímaný signál i šum stabilní (EME, nebo spojení VKV na relativně krátké vzdálenosti za předpokladu použití zařízení QRP - odtud tedy to úsměvné hecování, že telegraf je berlička neschopného konstruktéra, hi). Tato premisa ovšem neplatí v případě běžného pozemského provozu. Za předpokladu dostatečně výkonných vysílačů na obou stranách korespondujících stanic mají slabé signály spíše charakter "třepotání", jejich úroveň je nestabilní a úspěšnost příjmu není dána zdaleka pouze odstupem S/N, ale mění se s časem - a právě tehdy, pokud je signál v maximu, je třeba přenést co nejrychleji maximum informace - a tehdy nastupuje příležitost pro SSB... Pokud bychom tedy měli vyhodnotit srovnání komunikační účinnosti  CW a SSB na úrovni šumu v praktickém provozu, opět není možné tento poměr exaktně vypočítat a je nutno přijmout empirický odhad - nejspíše někde okolo 3 dB.

Je to málo, nebo hodně?  3, resp. 6 dB sice nejsou 13 dB reklamního poutače QRP, uvedeného výše, ale otevřeně - ekvivalentem 3 dB je dvojnásobný výkon na straně vysílače - a tento poměr velmi často rozhoduje o tom, zda spojení se podaří poměrně hladce dokončit, nebo nikoli. Znalost CW tedy operátorovi, který často zpracovává signály na úrovni šumu (což je typické pro VKV) otevírá celý nový svět a rozhoduje mezi průměrným a špičkovým výsledkem v závodě. A to tedy rozhodně málo není ! Znalost CW je podmínkou nutnou (avšak zdaleka ne dostačující !) k tomu, aby se operátor provozující stanici na jakémkoli kmitočtu mohl nazývat dobrým, neřkuli jednou špičkovým.


b) Příjem signálu v rušení:

Jestliže jsme nebyli schopni v případě signálů na úrovni šumu exaktně porovnat komunikační účinnost CW a SSB signálů, o to horší je to ještě v případě rušení.  Všichni z nás víme, že je rušení a rušení ! Pokud budeme předpokládat, že poměr úrovní užitečného signálu a rušení není příliš odlišný (to je na KV víceméně pravidlem), rušení má periodický charakter (zejména signály mnoha jiných stanic) je přechod na CW spojený s použitím úzkého telegrafního filtru téměř zázrakem - rušící signály padnou mimo propustné pásmo filtru a to umožńuje navázat/dokončit spojení, které by v podmínkách širokého filtru nebylo možné.Tento rozdíl může být často i více, než nahoře deklarovaných 13 dB - záleží to na poměru úrovní užitečného a rušivého signálů (signálů), strmosti boků filtru a jeho útlumu - proto jsou navíc na moderních transceiverech ještě ty hejbly typu posunu propustného pásma filtru a výřezových filtrů, proto ta honba za telegrafními filtry s co nejstrmějšími hranami. Pokud bychom pro jednoduchost připustili, že rušivé signály jsou na pásmu rozloženy rovnoměrně, zůžením filtru na 1/4 zmenšíme 4 krát pravděpodobnost, že nám do filtru padne rušení. To je ovšem komunikační přínos úzkého telegrafního filtru oproti filtru SSB, nikoli přínos CW provozu oproti provozu SSB !!! Pokud bychom s provozem CW chtěli pracovat s použitím SSB filtru, CW provoz by oproti SSB modulaci prakticky žádnou výhodu neměl, protože extrémně slabé signály jsou na KV pásmech spíše výjimkou, než pravidlem.

Jaký je tedy přínos CW provozu vůči SSB provozu z hlediska rušení ? Žádný ! Přínosem je použití úzkých filtrů oproti filtrům širokým a je tedy pouze tou shodou okolností, že úzký filtr je nepoužitelný pro SSB.

Tolik tedy k málo pravděpodobnému víceméně idealizovanému, statickému modelu rušení. Ovšem šedá je každá teorie, zelený strom života ! Rušení není ani rovnoměrně roložené a už vůbec nikdy (snad s výjimkou QRN, PLC apod.) není statické v čase ! Provozní realita je tedy spíše taková, že rušení je velice podmíněno časem a v běžné radiové komunikaci existují někdy jen krátké okamžiky, kdy je sdělovací kanál otevřen a má poměrně velmi slušný C/N, zatímco většinu času otevřen není, protože je zahlcen rušením. Zde přichází ke slovu jiná otázka - je možné i v takových podmínkách úspěšně navázat / dokončit spojení ? Jistě to možné je - a zde přichází ke slovu operátorská zručnost na obou stranách sdělovacího kanálu - a s tím také souvisí volba nejvhodnější modulace, která umožní rychlý přenos podstatné části informace (značky, reportu, čísla spojení, soutěžního kódu atd...). V takových podmínkách může kralovat SSB, nebo, pokud je sdělovací kanál užší, HSCW.

Jaký je tedy přínos CW provozu vůči SSB z hlediska rušení v reálném provozu ? Je zde nepochybně korelace se šířkou filtru, ale podstatný vliv má spíše operátorská zručnost a správné použití nejefektivnější modulace, která dokáže co nejrychleji přenést co největší informační obsah v okamžiku, kdy je komunikační kanál právě otevřen. Troufnete si tyto faktory oznámkovat mírou toho, kolikrát by měl mít vysílač SSB větší výkon, aby se vyrovnal CW vysílači v takových podmínkách ? My ne... Ale ten poměr jistě v průměru nebude větší, než 6 dB.

Závěrem:

Srovnávat komunikační účinnost CW a SSB je v praktickém provozu (s vyloučením speciálních druhů, jako je EME) víceméně nemožné. Rozhodně nelze říci, že je to 13 dB, jak se nám snaží do hlavy vtlouci příznivci QRP ve své zjednodušené analýze. Asi jediným způsobem, jak tuto věc otestovat, by byly dlouhotrvající subjektivní testy, kdy by se řada stejně zkušených operátorů snažila ve srovnatelných podmínkách  praktického provozu na přeplněných radiových pásmech přenést z místa A do místa B nějakou rozsáhlejší informaci (například obsah knihy), přičemž operátoři SSB by postupně používali výkon větší, než CW operátoři, např. ve stupních po 3 dB... V jednom okamžiku by se jistě statisticky prokázalo, že rychlost (a chybovost) přenosu informace s použitím SSB je stejná, či lepší, než u CW. Osobně si nemyslíme, že by k takovému vyrovnání došlo při rozdílu výkonů větším, než 3 až 6 dB.

Ale to je již jiná otázka. Abychom vyloučili spekulace, musel by to někdo v praxi zkusit - a autoři tohoto článku se necítí dostatečně fundováni k tomu, aby takový test provedli.

73!  OK1VPZ a OK1TEH

Praha 2.11.2005

Více o problematice QRO na VKV zde, zde, zde a zde.

Dodatek z 7.11:  - to, co je uvedeno v dodatku, jsem napsat nechtěl, ale bohužel musel. Příznivci CW provozu na KV proto ať raději dál nepokračují.