Systemy bezprzewodowe cz. I - Teoria i praktyka

Nas oczywiście najbardziej interesują zastosowania estradowe i to przede wszystkim na nich będę się tu koncentrował.

A impulsem do napisania tego artykułu było szkolenie z zakresu prawnych i technicznych podstaw korzystania z „bezprzewodów”. Odbyło się ono 15 lutego w siedzibie Polsoundu, i choć firmował on imprezę swoją nazwą, a w rolę prelegenta wcielił się Paweł Danikiewicz (który jest nie tylko dyrektorem ds. handlowych w Polsoundzie, ale też doświadczonym praktykiem, jeśli chodzi o użytkowanie systemów bezprzewodowych, co niewątpliwie stanowiło o dużej wartości merytorycznej szkolenia), to jednak „siłą sprawczą” był Jakub Krzywak, czyli Redaktor Naczelny portalu realizator.pl. Dziękujemy Ci, Kuba!

Okazało się przy tym, że szkolenie takie było bardzo potrzebne, a temat wzbudził duże zainteresowanie. Warto przy tym wspomnieć, że mimo szalejącej śnieżycy i katastrofalnych warunków na drogach sala wypełniona była niemal do ostatniego miejsca. Oczywiście, nie zamierzam zamieszczać tu stenogramu z całej prelekcji, a jedynie jej najważniejsze – w moim mniemaniu – punkty.

A teraz do rzeczy…

Podstawy prawne i realia techniczne

Zasady wykorzystania częstotliwości radiowych, które mają bezpośredni związek z użytkowaniem i korzystaniem z systemów bezprzewodowych – i nieważne czy chodzi o mikrofony bezprzewodowe, bodypacki, czy systemy odsłuchu osobistego – reguluje w Polsce (podobnie jak w całej Unii Europejskiej) odpowiedzialny za to urząd na szczeblu rządowym. W Polsce taką rolę spełnia Urząd Komunikacji Elektronicznej, w skrócie UKE. Wszystkie zarządzenia dotyczące planu wykorzystania częstotliwości radiowych są dostępne na oficjalnej witrynie internetowej pod adresem www.uke.gov.pl.

Zakres dostępnych dla nas częstotliwości, bez konieczności rejestrowania nadajników, określają przepisy zawarte w „Rozporządzeniu Ministra Transportu w sprawie urządzeń radiowych nadawczych lub nadawczo- -odbiorczych, które mogą być używane bez pozwolenia radiowego” z dnia 3 lipca 2007 roku. I choć w kwestii ich respektowania i stosowania panuje dość duża swoboda, to jednak warto o owym rozporządzeniu przynajmniej mieć jako takie pojęcie.

Przede wszystkim wspomniane rozporządzenie – a w zasadzie aneks nr 10 – wskazuje zakresy częstotliwości, w jakich nasze systemy bezprzewodowe mogą działać. W rozporządzeniu tym wyszczególnionych zostało osiem pasm, przy czym nas najbardziej interesuje zakres 470-862 MHz. Paweł przestrzega przy tym przed korzystaniem z innego dostępnego pasma, 863-865 MHz. Dlaczego? Ano dlatego, że w paśmie tym działają wszystkie tanie, plastikowe mikrofony z hipermarketu. Jest to więc pasmo odpowiednie dla amatorów, do zabawy. Dodatkową przesłanką ku unikaniu owego pasma jest to, iż urządzenia pracujące w tym zakresie częstotliwości nie mogą pracować z mocą większą niż 10 mW. Jakkolwiek w większości sytuacji scenicznych jest to wartość w zasadzie wystarczająca, to jednak bywają przypadki, gdy konieczne jest użycie wyższej mocy – 50 mW. Jednak o tym będzie mowa za moment.

Ciekawa sytuacja panuje też w przypadku pasma 174-216 MHz. W rozporządzeniu, o którym była mowa wyżej, ustalono limity 10 i 50 mW. To dobra wiadomość dla użytkowników starych systemów VHF, pod warunkiem jednak że są to bezprzewodowe mikrofony przypinane (chodzi tu o mikroporty), gdyż tylko dla nich dopuszcza się moc 50 mW. Problem polega bowiem na tym, że przy długości fali w zakresie VHF moc 10 mW jest dalece niewystarczająca. I tu docieram do kwestii mocy 50 mW, która we wszystkich czterech pasmach przeznaczonych do użytku profesjonalnego dopuszczana jest wyłącznie dla „mikrofonów przypinanych”, tudzież mikroportów czy bodypacków. Chodzi po prostu o specyfikę warunków, w jakich urządzenia te pracują. A z racji swej natury pracują w tak dużej bliskości ciała użytkownika – które tłumi sygnał radiowy z nadzwyczajną skutecznością – że z mocą 10 mW zwyczajnie miałyby poważne problemy z „przebiciem” się.

Nie chciałbym tu nikogo namawiać do złego, ale bywają przypadki – np. koncerty szczególnie ważnych artystów – gdy trzeba mieć absolutną pewność, że sygnał z mikrofonu gwiazdy, albo w jej odsłuchu dousznym, będzie stabilny i ani przez chwilkę nie zaniknie, a scena jest wyjątkowo duża. Czy nie mając do dyspozycji anten kierunkowych możemy zrobić coś więcej, jak przejść na moc 50 mW? Chyba tylko paciorek. Zgodnie z przepisami powinniśmy najpierw wystąpić do UKE o uzyskanie licencji. Problem leży jednak w tym, że byłby to proces dość, hm… trudny. Więc włączamy 50 mW… bo realia w Polsce są wyjątkowo korzystne dla łamiących tę regułę. I możemy to zrobić bez większej obawy, że ktoś nas „nakryje”. No, chyba że naprawdę poważnie komuś nabruździmy.

Kłopot innego rodzaju pojawia się natomiast w odniesieniu do systemów bezprzewodowych pracujących w paśmie 1.805 MHz. I jest to kłopot bardzo poważny. Wynika on stąd, iż w paśmie tym pracują sieci LTE, które już w Polsce działają. To sprawia, że z systemów pracujących powyżej 1.805 MHz w naszym kraju nie da się efektywnie korzystać.

Wracając do kwestii prawnych musimy pamiętać, że z pasma 470-865 MHz korzystają też rozmaite służby państwowe, a także lotnictwo. My użytkujemy je na zasadzie „służb drugiej ważności”. Dlatego też planując użycie systemów bezprzewodowych w określonym miejscu należy upewnić się, że nie zakłócą one działania systemów komunikacji tychże służb. Jakkolwiek raczej rzadko zdarzają się sztuki w bezpośrednim sąsiedztwie lotniska czy np. ścieżki podejścia do niego, to jeśli już się nam przytrafią, zobowiązani jesteśmy do zgłoszenia imprezy odpowiednim władzom, wraz ze wskazaniem częstotliwości, z jakich chcemy korzystać. Należy też liczyć się z możliwością odmowy.

Ważną z naszego punktu widzenia datą będzie 1 lipca 2013 roku. W dniu tym bowiem zaprzestaną działalności stacje nadawcze telewizji analogowej. Z jednej strony oznacza to, że uwolnione zostanie dość dużo przestrzeni radiowej, określonej jako tzw. dywidenda cyfrowa, co z kolei wiąże się z uruchomieniem tzw. multipleksów cyfrowych, w skrócie MUX-ów. Są to nadajniki naziemnej telewizji cyfrowej, działające w znacznie szerszym paśmie, niż nadajniki analogowe. Owo pasmo muxowe jest na tyle szerokie, a sygnał na tyle silny, że nie da się go tak łatwo obejść, jak miało to miejsce w przypadku pasm analogowych. Taka natura muxów wynika stąd, że nadają one sygnał nie jednej, a wielu stacji telewizyjnych, łącznie z zakodowanymi informacjami EPG (ang. Electronic Program Guide), co wymaga szerokiego pasma do przesłania informacji cyfrowych. Należy się też liczyć z tym, że uwolniona przestrzeń nie będzie leżała odłogiem i wkrótce pojawią się chętni na jej zagospodarowanie. Przykładem ich ekspansywności może być np. pasmo 790-862 MHz, do którego już się przymierzają operatorzy LTE, planując stopniowe jego zajęcie już od połowy 2013 roku i wykorzystanie części tego pasma dla kanałów uplink i downlink. To praktycznie będzie oznaczało koniec istnienia tego pasma dla mikrofonów bezprzewodowych. Rzeczone pasmo jest zresztą kłopotliwe z jeszcze jednego powodu – korzysta z niego również nasza dzielna armia. I dopóki nie otrzyma sprzętu pracującego w innych pasmach, z tego raczej się nie wyniesie.

Praktyka korzystania z systemów bezprzewodowych

Druga część szkolenia skoncentrowana była na praktycznych aspektach używania „bezprzewodów”. Na początek Paweł powiedział co nieco o fizyce fal radiowych, rozgraniczając jednak ich zachowanie się w zależności od długości. Jakkolwiek były to rozważania teoretyczne, to jednak mają duże znaczenie praktyczne. Należy bowiem pamiętać, że im częstotliwość fal jest wyższa, a co za tym idzie długość mniejsza, tym bardziej są one podatne na zakłócenia wynikające z obecności przeszkód na ich drodze. To z kolei oznacza, że zwłaszcza pracując z systemami bezprzewodowymi UHF powinniśmy zwracać uwagę na „higienę” sceny, inaczej mówiąc pilnować, by pomiędzy nadajnikami i odbiornikami nie znajdowały się przeszkody mogące zakłócać transmisję i powodować zaniki sygnału, a urządzenia „widziały się” wzajemnie.

Niestety, nie zawsze to wystarcza. Zanik sygnału może nastąpić nawet w pozornie idealnych warunkach. Jak to możliwe? Całkiem prosto. Dokładnie tak samo, jak ma to miejsce z tłumieniem częstotliwości audio w pomieszczeniach. Otóż fale radiowe, podobnie jak dźwiękowe, odbijają się od ścian. W obszarze transmisji mogą więc występować takie punkty, że wysyłana z nich fala radiowa odbija się od ściany, po czym z przesunięciem fazowym (im bliższe 180 stopni, tym gorzej) trafia do odbiornika. Następuje wówczas typowe znoszenie się fal bezpośredniej i odbitej.

 

Ratunkiem w takiej sytuacji są systemy diversity, wykorzystujące dwie anteny. Działanie takiego systemu polega na tym, że sygnał pobierany jest z tej, na której ma on większą moc.

Jednak tu ważna uwaga. Anteny nie powinny być ustawione byle jak. Po pierwsze nie powinny się krzyżować – jeśli więc mamy odbiornik z antenami wyprowadzonymi np. na przednim panelu, to nie powinniśmy ich pochylać „do środka”, a ustawiać pionowo lub rozchylać na zewnątrz. Najlepiej jest, jeśli ustawimy je pod kątem 45 stopni względem pionu. Jest to związane z pewną cechą fal radiowych, czyli polaryzacją. Polaryzacja zaś decyduje o tym, jak fala pada na antenę odbiornika. Pochylenie anteny pozwala uniknąć strat mocy sygnału.

Po drugie pamiętajmy, że gniazda antenowe w nadajnikach czy odbiornikach rozmieszczone są w takiej, a nie innej, odległości nie dlatego, że tak się projektantowi przyśniło, a dlatego, że dystansem dzielącym anteny rządzą pewne reguły. Pokrótce mówiąc odległość pomiędzy antenami powinna być równa co najmniej ćwierci długości fali, a optymalnie od 1 do pełnej długości. Dla pasma 800 MHz jest to więc od 18,75 do 37,5 cm, zaś w paśmie 600 MHz od 25 do 50 cm. Jeśli więc rozstawilibyśmy anteny zbyt szeroko, wówczas nici z naszego „diversity” – po prostu odbiornik będzie pracował w zasadzie jak dwa odbiorniki jednoantenowe na tej samej częstotliwości. Innymi słowy w takiej sytuacji nie mamy pewności, że unikniemy zaników sygnału. Oczywiście jedną z większych bolączek anten dookolnych jest to, że zbierają wszystkie śmieci z okolicy. Paweł przytoczył przykład jednej z bardziej niekomfortowych sytuacji – festiwal w Opolu. Ci, którzy kiedykolwiek byli w opolskim amfiteatrze wiedzą, że za jego „plecami” znajduje się budynek urzędu miejskiego. Ponieważ instytucja taka musi mieć łączność z wieloma innymi, toteż dach budynku wprost najeżony jest rozmaitymi antenami. I choć nadajniki pracują na innych częstotliwościach, niż sprzęt używany na estradzie, to jednak ich działanie wytwarza bardzo silne tło radiowe, które powoduje poważne interferencje. Rozwiązaniem w takiej niekorzystnej sytuacji okazało się zastosowanie anten kierunkowych skierowanych „plecami” do urzędu. Dzięki temu zbierane były wyłącznie sygnały użyteczne, a zakłócające uległy odrzuceniu.

Pozostańmy jeszcze przez chwilę w temacie

Anten

których dobór jest kluczem do uzyskania właściwego zasięgu i parametrów odbioru, a do interferencji wrócimy za… miesiąc.

Anteny kierunkowe nie są podstawowym rodzajem anten. Stosujemy je tylko wtedy, gdy konieczne jest opanowanie jakieś konkretnej, kłopotliwej sytuacji – jak w powyższym przykładzie. Innym przykładem zastosowania anteny kierunkowej jest konieczność zwiększenia jej zasięgu. To tak, jakbyśmy użyli mikrofonu typu shotgun, który niejako „koncentruje się” na odbiorze sygnału ze ściśle wyznaczonego kierunku.

Anteny kierunkowe są antenami aktywnymi. Oznacza to, że integralnym ich elementem jest wzmacniacz sygnału radiowego. Wzmacniacz ów natomiast to – co jest bardzo ważne i ma duże znaczenie w kontekście dalszych, przyszłomiesięcznych rozważań – układ nieliniowy, który sam z siebie wprowadza do sygnału zniekształcenia. Stąd płynie oczywisty wniosek, iż anten aktywnych należy używać tylko wtedy, gdy jest to niezbędne. W pozostałych przypadkach stosujmy anteny pasywne. Mało tego, nie należy przedobrzać, stosując zbyt duże anteny. W większości przypadków na scenie wystarczą anteny półfalowe, mające długość kilkunastu centymetrów.

Anteny kierunkowe są zazwyczaj wyposażone w przełącznik wzmocnienia sygnału służącego do kompensacji długości przewodu antenowego (w przypadku anten Shure jest to wzmocnienie o 3 dB/10 dB). Wiadomo chyba każdemu, że im ów kabel jest dłuższy, tym większe następują na nim straty sygnału. Wspomnianym przełącznikiem możemy włączyć podbicie wzmocnienia, w zależności od tego, jak długim przewodem podłączona jest antena. Należy przy tym pamiętać o jednej ważnej rzeczy – włączenie zbyt mocnego podbicia powoduje przemodulowanie sygnału, co jest znacznie gorsze, niż jego niedemodulowanie. Oznacza to bowiem, że wraz z sygnałem użytecznym do odbiornika trafia cała masa śmieci, i to powyżej poziomu zadziałania squelcha, czyli układu blokady szumów.

Każda antena pasywna przeznaczona jest do pracy w określonym paśmie, czyli „zbiera” dane pasmo częstotliwości. Nie jest więc tak, że antenę od systemu VHF da się podłączyć do systemu UHF. To znaczy może się i da, ale efekty będą mizerne. Zazwyczaj pasmo działania jest opisane na korpusie anteny. Szczególnym przypadkiem są anteny szerokopasmowe, jak na przykład pokazana przez Pawła Shure UA860, które dają sobie radę ze znacznie szerszymi pasmami, niż zwykłe „baty”, i można je „żenić” z różnymi systemami. Tak czy owak planując użycie takiej czy innej anteny należy sprawdzić, czy jest ona dopasowana do pasma pracy danego urządzenia.

Ostatnim typem anten, o których wspomniał Paweł, są anteny heliakalne. Działają one w stosunkowo szerokim paśmie (np. 480-900 MHz, jak w przypadku Shure HA-8089) i przeznaczone są do odbioru sygnału ze szczególnie dużych odległości. Z tego też względu raczej nie miewają zastosowania w typowych sytuacjach estradowych.

Na koniec tej części jeszcze kilka słów o tym, o co chodzi z tymi antenami półfalowymi czy ćwierćfalowymi. No więc dana antena ćwierćfalowa, mimo że dopasowana jest do tego samego pasma, co dana antena półfalowa, odbiera sygnał ze skutecznością niższą o 3 dB. Cóż to oznacza z praktycznego punktu widzenia? Otóż dzięki temu możemy skuteczniej dopasować efektywność odbioru sygnału do odległości pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Hm, można powiedzieć, że 3 dB to niedużo, ale w domenie dystansu daje to różnicę kilku metrów.

Na dziś wystarczy

Temat wzmacniaczy antenowych zostawię sobie już na drugą część artykułu. Wydaje mi się jednak, że już to, co do tej pory napisałem, dało Wam wyobrażenie, jak dużą dawkę wiedzy można było wchłonąć podczas opisywanego szkolenia. Kto nie był, niech żałuje. Mam jednak nadzieję, że artykuł ten zachęci Was do udziału w kolejnej edycji, o ile nadarzy się taka sposobność. A tymczasem, oczekując na tę edycję, zapraszam do lektury drugiej części w przyszłym wydaniu LSI.

Marek Korbecki

---

Marek Korbecki jest Zastępcą Redaktora Naczelnego Live Sound & Installation. Kontakt: marek.korbecki@livesound.pl.