Nella fonia digitale la qualità audio non dipende soltanto dal segnale radio.
Una parte fondamentale è svolta dal codec, cioè dall’algoritmo che comprime la voce prima della trasmissione e la ricostruisce alla ricezione.
Codec differenti possono usare la stessa quantità di dati producendo risultati molto diversi.
Perché comprimere la voce?
Una registrazione audio non compressa richiede molti dati.
Un canale radio digitale stretto non può trasmettere continuamente una quantità così elevata. Il codec deve quindi conservare le informazioni più importanti per l’intelligibilità e scartare quelle meno utili.
I codec vocali non cercano necessariamente di riprodurre un suono musicale fedele. Cercano di rendere comprensibili le parole con pochi bit al secondo.
Codec waveform e vocoder
Un codec waveform tenta di rappresentare direttamente l’andamento del segnale audio.
Un vocoder cerca invece di modellare il modo in cui la voce viene prodotta, stimando parametri come:
- frequenza fondamentale;
- periodicità;
- spettro;
- energia;
- risonanze;
- componenti sonore e rumorose.
Il ricevitore genera una voce sintetica sulla base dei parametri ricevuti.
Questa è una delle ragioni per cui l’audio digitale può assumere una caratteristica metallica o artificiale.
AMBE
AMBE è una famiglia di vocoder proprietari molto diffusa nei sistemi radio digitali.
Viene utilizzata in numerosi apparati DMR e in altre tecnologie di fonia digitale.
Punti di forza:
- bitrate ridotto;
- buona intelligibilità;
- ampia diffusione;
- implementazioni hardware dedicate;
- ottimizzazione per comunicazioni radio.
Limiti:
- tecnologia proprietaria;
- minore libertà di modifica;
- dipendenza da licenze e implementazioni;
- qualità influenzata fortemente dal microfono e dal pretrattamento audio.
Lo standard DMR definisce il trasporto di 216 bit di payload vocale ogni 60 millisecondi, ma lascia fuori dalla propria specifica i dettagli del vocoder.
Codec2
Codec2 è un codec vocale open source progettato per comunicazioni a bassa velocità, con modalità comprese approssimativamente tra 700 e 3.200 bit/s.
È stato sviluppato con particolare attenzione alle comunicazioni HF, VHF e radioamatoriali.
Punti di forza:
- codice aperto;
- possibilità di studio e modifica;
- assenza di dipendenza da un unico fornitore;
- bitrate molto ridotto;
- integrazione in progetti sperimentali.
Limiti:
- qualità differente dalle soluzioni commerciali;
- maggiore sensibilità ad alcuni microfoni e segnali;
- necessità di ottimizzare filtraggio e livelli;
- minore presenza negli apparati commerciali tradizionali.
M17
M17 è un protocollo radio digitale open source che utilizza Codec2 per la voce.
La specifica prevede modalità vocali a differenti bitrate e modalità che combinano voce e dati. Il protocollo utilizza modulazione 4FSK e nasce con l’obiettivo di offrire una piattaforma completamente sperimentabile dalla comunità radioamatoriale.
Questo permette di studiare:
- codec;
- framing;
- correzione degli errori;
- modulazione;
- metadati;
- gateway;
- apparati;
- firmware.
Perché due codec suonano diversi?
Le differenze dipendono da:
- bitrate;
- dimensione dei frame;
- modello della voce;
- prefiltraggio;
- gestione delle consonanti;
- stima del pitch;
- soppressione del rumore;
- perdita dei frame;
- strategia di concealment;
- equalizzazione;
- risposta del microfono.
Un codec può privilegiare la naturalezza, un altro l’intelligibilità in condizioni difficili.
Il ruolo del microfono
Il codec lavora sui dati che riceve.
Se il microfono produce:
- bassi eccessivi;
- distorsione;
- vento;
- saturazione;
- rumore ambientale;
- volume troppo basso,
il risultato sarà peggiore, indipendentemente dalla qualità teorica dell’algoritmo.
Codec2, per esempio, concentra le risorse sulla porzione spettrale più importante per l’intelligibilità e può essere influenzato da risposte audio anomale nelle bande meno utili.
Errori radio e perdita dei frame
Il codec non lavora isolatamente. I suoi dati vengono inseriti in frame radio protetti da sistemi di correzione.
Quando alcuni bit sono errati, il decoder può:
- correggerli;
- stimarli;
- ripetere il frame precedente;
- attenuare l’audio;
- produrre artefatti;
- interrompere il suono.
Codec e protocollo devono quindi essere valutati insieme.
Qualità o apertura?
AMBE offre una soluzione consolidata e ampiamente implementata.
Codec2 offre la possibilità di studiare, modificare e migliorare ogni parte dell’algoritmo.
La scelta non riguarda soltanto quale audio sia più piacevole. Riguarda anche:
- interoperabilità;
- costi;
- libertà di sviluppo;
- disponibilità del codice;
- potenza di calcolo;
- destinazione d’uso.
Conclusione
La voce digitale non è semplicemente “accesa o spenta”.
Il suono finale nasce dall’interazione tra:
- microfono;
- filtri;
- codec;
- protocollo;
- correzione degli errori;
- collegamento radio;
- altoparlante.
AMBE e Codec2 rappresentano approcci differenti. Il primo è ampiamente adottato e proprietario; il secondo è aperto e orientato alla sperimentazione.
Per il radioamatore, questa differenza è importante quanto la qualità percepita dell’audio.