Systemy bezprzewodowe cz. II - Interferencje i zniekształcenia

Zakres VHF ma szereg zalet w stosunku do UHF. Z racji długości fale VHF są m.in. znacznie mniej podatne na odbijanie się od powierzchni rozmaitych przedmiotów, pochłanianie przez ciało ludzkie, a straty mocy w otwartej przestrzeni są niższe. Rodzi się w takim razie pytanie – po co nam właściwie ten UHF? Otóż chodzi przede wszystkim o zapewnienie odstępu od tzw. zakłóceń przemysłowych – im częstotliwość radiowa jest wyższa, tym mniejsze jest ryzyko, że transmisja zostanie zakłócona przez jakieś urządzenie przemysłowe lub podobne czynniki.

INTERFERENCJE, ZNIEKSZTAŁCENIA INTERMODULACYJNE, HARMONICZNE…

Interferencje i zniekształcenia intermodulacyjne oraz ich skutki należą do największych trudności, z jakimi musi walczyć operator systemów bezprzewodowych. Mechanizm ich powstawania Paweł opisał posługując się obrazowo przykładem fal, jakie pojawiają się na powierzchni wody, gdy wrzucimy doń kilka metalowych kulek. Jeśli wrzucilibyśmy tylko jedną, wtedy rozchodząca się fala byłaby niczym niezakłócona, idealnie kolista. Jeśli jednak wrzucilibyśmy dwie takie kulki, wówczas w miejscach, w których wywołane w ten sposób fale nachodziłyby na siebie, powstałyby nowe. Oczywiście, im więcej kulek zostałoby wrzuconych, tym większe nastąpiłoby zagęszczenie fal pierwotnych, a co za tym idzie także i „produktów” ich przenikania – czyli interferencji. Czym są owe zniekształcenia intermodulacyjne (w skrócie IMD)? Są to fale, których częstotliwości stanowią wielokrotności, sumy i różnice częstotliwości źródłowych.

 

Jakkolwiek wyróżnić można produkty IMD różnego stopnia, to szczególne znaczenie w kontekście naszych rozważań mają IMD stopnia trzeciego, generowane w rezultacie „zderzania się” trzech fal lub dwóch plus harmonicznych powstałych na skutek owego zderzenia – za moment wyjaśnię to na przykładzie praktycznym. Piąte i wyższe z reguły mają już na tyle niską energię, że można je pominąć. Na jednym ze slajdów Paweł zamieścił krótki przykład wyliczania IMD dla owych trzech źródeł sygnału. A więc są to: 3 × f1, 3 × f2, 3 × f3, f1 + f2 – f3, f1 – f2 + f3, f2 + f3 – f1, (2 × f1) + f2, (2 × f1) – f2, (2 × f2) + f1, (2 × f2) i f1 itd. Tę wyliczankę można byłoby ciągnąć jeszcze długo. Produkty IMD pojawiają się na skanerach pasma i wyglądają jakby na tych częstotliwościach pracowały jakieś nadajniki, choć tak oczywiście nie jest. Należy jednak pamiętać, że im większa będzie liczba kulek, a także ich rozmiary i masa (odpowiadające w naszej metaforze mocy nadajników), tym bardziej owo „zamieszanie” zbliżać się będzie postacią do kipieli, w której nie da się już wyróżnić poszczególnych fal. To samo dotyczy fal radiowych, choć nie w tak spektakularny sposób.

A teraz obiecany przykład… Mamy dwa mikrofony – jeden pracuje na częstotliwości 189 MHz, drugi na 196 MHz. Wyliczmy więc zniekształcenia intermodulacyjne 2 stopnia. 189+196=385 MHz, 196-189=7 MHz. Jak widać, żaden z tych produktów nam nie „nabruździ”. Ale policzmy teraz IMD trzeciego stopnia, tym razem przyjmując częstotliwości pracy 184 i 185 MHz i korzystając z odpowiednich wzorów – f1 × 2 + f2, f1 × 2 - f2, f2 × 2 + f1 i f2 × 2 - f1. W rezultacie otrzymujemy 553, 183, 584 oraz 186 MHz. Jak widzicie, pojawiły się już dwie potencjalnie problematyczne częstotliwości. Mało? Dołóżmy więc trzeci system bezprzewodowy, pracujący na częstotliwości 183. Jeśli czytacie uważnie, z pewnością zwróciliście uwagę, że nie możemy tego zrobić – jedna z IMD trzeciego stopnia z powyższego wyliczenia skutecznie utrudniłaby nam bowiem używanie tego systemu. No, myślę, że nie potrzeba już więcej „słupków”, by uzmysłowić Wam istotę i powagę problemu.

Ale jak w takim razie uniknąć całej tej masakry? Producenci systemów bezprzewodowych często dostarczają presety tzw. grup częstotliwości. Są to gotowe, dokładnie wyliczone propozycje ustawień dla iluś tam kanałów, które gwarantują, że owe kanały nie będą sobie nawzajem bruździć, albowiem częstotliwości, na których pracują, są – uwaga, trudne słowo – zharmonizowane. Inaczej mówiąc nie zakłócają się wzajemnie.

Przykład kulek nie jest tu przypadkowy. Fala na wodzie, wytworzona przez kulkę, jest praktycznie idealna – nasza kulka, wywołując powstanie idealnie kolistej fali, reprezentuje więc układ liniowy. Jednak idealnie liniowe układy nie istnieją. Odpowiednikiem układu nieliniowego, czyli urządzenia pracującego w sposób nieliniowy, a więc zniekształcającego sygnał wejściowy, mógłby być na przykład wrzucony do wody prostopadłościan – on również wywołałby powstanie fali, ale o innej, bardziej złożonej strukturze, z już zawartymi harmonicznymi. Jeśli wrzucimy dwa takie kloce, wtedy liczba harmonicznych, będących produktami wzajemnych interferencji, wzrośnie w bardzo drastyczny sposób. Oczywiście w świecie audio częstotliwości harmoniczne są bardzo mile widziane i stanowią naturalny składnik brzmienia poszczególnych dźwięków, dzięki któremu owe dźwięki rozpoznajemy. Jednak dla systemów radiowych mogą być źródłem wielu problemów.

Kolejną zatem przyczyną naszych zmartwień są zniekształcenia powstające na skutek nieliniowości układów elektronicznych. O co chodzi? Weźmy na przykład mikrofon z nadajnikiem – sam z siebie nie wytwarza on sygnału o częstotliwości iluś tam megaherców. Częstotliwość ta, będąca częstotliwością fali nośnej, uzyskiwana jest poprzez zwielokrotnienie częstotliwości pracy generatora. Zajmują się tym układy elektroniczne, tzw. powielacze, które z natury są układami nieliniowymi. W efekcie ich pracy powstają więc zniekształcenia nieliniowe, które są wzmacniane na kolejnych etapach zwielokrotniania częstotliwości, a z tych z kolei ich harmoniczne. Te zaś zniekształcają oryginalny sygnał. Można to wytłumaczyć na przykładzie fal dźwiękowych. Akustyczna fala sinusoidalna, występująca w zasadzie wyłącznie w postaci wytwarzanej przez generatory i raczej niespotykana w naturze, nie wytwarza żadnych harmonicznych. Jest to tzw. ton czysty. Jeśli jednak falę tę zmodulujemy inną, choćby również sinusoidalną, zaczną pojawiać się częstotliwości harmoniczne, których liczba i poziom zależą od kilku czynników.

Podobnie rzecz się ma z układami elektronicznymi, które modulując się nawzajem powodują, że zakłócenia przedostają się do sygnału już na samym początku wędrówki, nawet zanim jeszcze wyjdą w eter. Oczywiście intensywność zniekształceń nieliniowych zależy w tym przypadku od jakości toru sygnałowego i radiowego. Drogie systemy charakteryzują się minimalnymi zniekształceniami, ale nie istnieją takie, które nie wprowadzałyby ich w ogóle. Biorąc powyższe pod uwagę wyobraźmy sobie teraz, co się dzieje w eterze, gdy na scenie pracuje dwadzieścia systemów radiowych, a przecież w praktyce zdarza się, że jest ich o wiele więcej, i każdy z nich emituje sygnał w jakimś stopniu zniekształcony. Ogarnięcie tego staje się bardzo skomplikowane. Jednym z środków zaradczych, choć nie likwidującym problemu, jest ograniczanie mocy nadajników. Należy też w miarę możliwości dbać o to, by nadajniki nie pracowały zbyt blisko siebie. I to nie tylko ze względu na interferencje radiowe. Jak każde urządzenie elektroniczne nadajniki wytwarzają określone pole elektromagnetyczne, poprzez które na siebie wzajemnie mogą oddziaływać, w rezultacie czego powstają zniekształcenia nadawane wraz z sygnałem i będące przyczyną jego degradacji.

To dotyczy także odbiorników, które również pracują w oparciu o generatory częstotliwości, do której muszą zostać dostrojone. Odbiorniki (jeśli nie korzystamy z dystrybutorów antenowych) należy umieszczać w taki sposób, by znajdowały się co najmniej 50 centymetrów od siebie, a także od wszelkich procesorów efektowych, pogłosowych, laptopów, odtwarzaczy, samplerów (generalnie też wszystkiego, na czym znajduje się naklejka FCC), zasilaczy impulsowych itd. itp. Nie należy też montować urządzeń radiowych na samym dole raka, no, ale o tym chyba nie trzeba nawet wspominać. Niestety, nie na wszystko możemy mieć wpływ. Istotnym źródłem zakłóceń są też np. urządzenia zasilające, oświetleniowe – dimmery, lampy fluorescencyjne i szereg rozmaitych urządzeń wysokonapięciowych i wysokoprądowych. To samo dotyczy nadajników mikrofonowych i przypinanych. Trzeba pamiętać o zachowaniu odległości minimum 20 centymetrów między nimi.

To jest dobry czas i miejsce, by przekazać Wam kolejną opowieść „z życia wziętą”, którą podzielił się z uczestnikami szkolenia Paweł Danikiewicz. Tym razem chodziło także o festiwal, organizowany pod egidą jednej z największych komercyjnych stacji telewizyjnych w naszym kraju. Organizacja imprezy przewidywała m.in. to, że jury festiwalowe, posługujące się ręcznymi mikrofonami bezprzewodowymi, będzie miało swoją „lożę” wśród publiczności, a na dodatek loża ta zostanie otoczona gustowną ramką z multimediów (które także stanowią „niezawodne” źródło zakłóceń). Dodatkowy problem wynikał stąd, że odległość pomiędzy stanowiskiem jury i odbiornikami wymuszała ustawienie mocy nadajników na 50 miliwatów. Pomimo tych przeszkód wszystko udało się poprawnie nastroić i nic nie zapowiadało komplikacji.

Na pół godziny przed rozpoczęciem imprezy Paweł pojawił się na stanowisku odbiorników, spojrzał na skaner i… no cóż, musi chyba mieć mocne nerwy, skoro to, co zobaczył, nie przyprawiło go o palpitację serca. Na skanerze ujrzał jedną wielką czerwoną górę, zupełnie tak, jak gdyby gdzieś w pobliżu ustawiono bombę radiową (bardzo silne, szerokopasmowe urządzenie zakłócające). Cóż się okazało? Otóż koledzy Pawła po skończeniu strojenia systemu spakowali wszystkie pięć nadajników, nie wyłączając ich jednak, do walizeczki i postawili ją tuż obok odbiorników. Wzajemne interferencje pomiędzy nadajnikami stały się tak silne, że wywołały powstanie czegoś, co w naszej „metaforze kulkowej” określiliśmy jako kipiel. Na szczęście sprawa szybko się wyjaśniła, ale przypadek ten stanowi doskonałą ilustrację tego, co się dzieje, kiedy nadajniki pracują w zbyt małych odległościach od siebie, a na dodatek z wysoką mocą. Oczywiście dochodzi tu jeszcze kwestia dystansu pomiędzy nadajnikami i odbiornikami, jednak w kontekście tej opowieści ma ona mniejsze znaczenie.

W dużych konfiguracjach bardzo często odbiorniki umieszczane są we wspólnych rakach. Jednym z poważniejszych błędów jest w takiej sytuacji użycie ich anten indywidualnych, pracujących w minimalnych odległościach, gdyż powstawanie wzajemnych zniekształceń interferencyjnych jest w zasadzie nieuniknione. Dlatego w przypadku dwóch odbiorników lepiej, aczkolwiek nie jest to absolutnie konieczne, stosować pasywne splittery antenowe, a dla większej ich liczby dystrybutory antenowe. To samo, ale w dużo większym stopniu, dotyczy nadajników, tyle że w miejsce dystrybutorów używa się combinerów antenowych.

ROZEZNANIE W TERENIE

Instalując się z naszymi „bezprzewodami” w danym miejscu należy upewnić się, że nie będziemy nikomu zakłócać transmisji. Oczywiście w szczególności chodzi o – jak już wspominałem w poprzedniej części artykułu – różnego rodzaju służby państwowe, lotnictwo itp. Ale trzeba też zwrócić uwagę, czy nasze systemy nie pracują na częstotliwościach zbyt bliskich tym, na których nadawane są kanały telewizyjne. Jakkolwiek w Polsce, jeśli spowodujemy, że komuś tam na ekranie telewizora, w środku kolejnego odcinka „M jak miłość”, pojawią się smugi, prążki i tym podobne „atrakcje”, niewiele nam się stanie, to już na przykład w Niemczech (a zdarzają się przecież w naszej branży „występy gościnne”) może to ściągnąć na nas poważne problemy. Nie zajmujemy się tu jednak problematyką międzynarodową, więc wróćmy do realiów polskich. W jaki więc sposób możemy sprawdzić, jakie częstotliwości są danym rejonie wykorzystywane? Bardzo pomocna nam w tym będzie witryna www.radiopolska.pl. Otwieramy sobie tę witrynę, klikamy opcję Wykaz i wybieramy wyszczególnienie stacji radiowych (te bardziej z ciekawości, bo operują na częstotliwościach potencjalnie „niegroźnych”) lub telewizyjnych, w tym analogowych bądź naziemnych cyfrowych DVB-T.

Ponadto na wspomnianej stronie znajdziemy także dokładne współrzędne GPS poszczególnych nadajników, dzięki czemu nie będziemy musieli rozglądać się po okolicy w poszukiwaniu anten. Przyjmijmy teraz, że trafiła nam się „sztuka” w Olsztynie. Okazuje się, że przyjdzie nam pracować w pobliżu dwóch MUX-ów, z których jeden, o mocy 100 kilowatów, nadaje na częstotliwości 570 MHz, drugi zaś, znacznie słabszy, bo tylko 2,5-kilowatowy, pracuje na częstotliwości 658 MHz. Ale to jeszcze nie wszystko! Oprócz tego pracują tu też systemy nadawcze poszczególnych stacji telewizyjnych, np. TVP2. Nadajnik „dwójki” okupuje w Olsztynie częstotliwość 511,25 MHz, a jego moc jest niebagatelna – 400 kW! Warto zatem sprawdzić „sąsiedztwo” zawczasu.

Warto też zbadać teren pod kątem obecności systemów komunikacyjnych typu interkom, pracujących w paśmie 400 MHz, które dla systemów bezprzewodowych, działających na 800 megahercach, mogą być problemem, mimo iż oba te pasma dzieli pozornie ogromna różnica. Osobną kategorię problemów tworzą użytkownicy innych systemów i urządzeń radiowych, którzy korzystają z nich mimo braku pozwolenia. Z takimi niesfornymi trzeba załatwiać sprawy krótko i skutecznie, jak to opisał Paweł w kolejnej „przypowiastce”.

Tu możemy też wrócić jeszcze raz do „scenariusza kulkowego”. Wspominana idealna fala kolista powstałaby tylko wówczas, gdyby woda była nieruchoma, a jej tafla zupełnie gładka. Co by się jednak stało, gdyby nagle powiał silny wiatr? Otóż spowodowałby on powstanie niezliczonych pofałdowań powierzchni wody, które w skuteczny sposób zakłócałyby rozchodzenie się fali wywołanej przez kulkę. To do takiego właśnie wiatru można porównać zakłócenia, o których mówię. Im większą moc miałby ów powiew, tym mniejszą siłę przebicia miałaby fala pochodząca od kulki. W tym kontekście moc MUX-a można by przyrównać co najmniej do szkwału. Czy ta nasza nieduża kulka byłaby w stanie wytworzyć wyraźnie widoczną falę? Z całkowitą pewnością nie.

Drugim etapem jest przeskanowanie pasma, z którego zamierzamy korzystać. Wszak nie tylko nadajniki telewizyjne mogą nam przeszkadzać. W niedużej odległości od miejsca koncertu mogą działać jakieś inne nadajniki, które – choć pracować będą na innych częstotliwościach, niż nasze systemy – z uwagi na swoją moc mogą powodować zakłócenia transmisji. Skanowania można dokonać za pomocą samego systemu bezprzewodowego, o ile tylko jest w taką opcję wyposażony (jak np. opisywany dwa miesiące temu na naszych łamach system Shure PSM-1000). Alternatywą może być dedykowany skaner, współpracujący z komputerem, który analizuje i wyświetla wyniki. Taki skan pokaże nam wyraźnie te częstotliwości, których powinniśmy unikać.

DOBÓR LICZBY SYSTEMÓW BEZPRZEWODOWYCH

To także bardzo ważne zagadnienie. Jak zapewne jasno zrozumieliście z tych rozważań, im mniej „bezprzewodów” zostanie użytych, tym lepiej. Przecież nie każdego muzyka czy wykonawcę musimy wyposażać czy to w bezprzewodowy mikrofon, czy też system odsłuchu IEM. Mikrofon przeznaczony np. dla gitarzysty przez cały czas będzie przecież zamontowany na statywie, dlatego z powodzeniem może to być zwykły przewodowiec. To samo dotyczy omikrofonowania wszelkich instrumentów, wzmacniaczy, chórków itd. Równie selektywnie należy podchodzić do kwestii przydziału „uszu”. Owszem, główny wokalista – jak najbardziej – na nie zasługuje. Jeśli jednak artysta ten nie lubi wtykać sobie niczego do ucha, nie zmuszajmy go do używania odsłuchu osobistego, jednocześnie ów zbędny system dezaktywując. Bez wątpienia będzie to z korzyścią dla obu stron. Gitarzystę, o ile udziela się wokalnie, też możemy takim odsłuchem obdarować. Ale bębniarza? Albo klawiszowca? Po co?

Właściwą praktyką jest też wyłączanie tych systemów, które w danym momencie nie są potrzebne. Sytuacja taka może mieć np. miejsce podczas imprez, na których występuje kilku wykonawców, kilka zespołów o różnych składach i oczekiwaniach. Oczywiście, pamiętanie o tym, by włączyć w odpowiednim momencie to, co jest potrzebne, stanowi pewną komplikację, ale potencjalne zakłócenia pomiędzy systemami jeszcze większą. Rachunek jest więc prosty.

ZAKOŃCZENIE

Sądziłem, że tematykę systemów bezprzewodowych uda mi się zamknąć w dwóch częściach, ale nieco się przeliczyłem. Pozostało jeszcze co nieco do omówienia, dlatego w przyszłym miesiącu możecie się spodziewać ciągu dalszego. Opowiem Wam wówczas m.in. o funkcji squelch i nieco szerzej o systemach diversity – na czym polega ich działanie, które są lepsze i dlaczego – a także postaram się sypnąć garścią przydatnych porad praktycznych. A zatem do zobaczenia w maju!

Marek Korbecki

---

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