Systemy bezprzewodowe cz. III - Squelch i diversity

 

A zatem pozwolicie, że przyjmując takie założenie zrezygnuję ze szczegółowego opisu sposobu funkcjonowania bramki. Wystarczy, jeśli powiem tylko tyle, że sednem owego funkcjonowania jest zamykanie toru audio w chwilach, gdy na jego wejściu nie pojawia się sygnał użyteczny, a zamiast niego mogą pojawić się „śmieci”. Odpowiednikiem bramki w systemach bezprzewodowych jest funkcja

SQUELCH

Stosuje się ją nie tylko w „bezprzewodach”, ale też w radiach CB i radiostacjach stosowanych np. w lotnictwie czy na statkach. Choć działanie tej funkcji bardzo przypomina typową bramkę audio, to jednak istnieje tu pewna istotna różnica. Otóż rzeczona typowa bramka szumów (ok, pozostańmy już przy tym obiegowym określeniu) daje możliwość ustalenia nie tylko progowego poziomu dla użytecznego sygnału audio (threshold), poniżej którego zostaje zamknięta, ale także czasów reakcji (attack) i powrotu (release). Dzięki odpowiedniemu zdefiniowaniu tych parametrów można uniknąć obcinania transjentów oraz końcówek dźwięków użytecznych, jak również migotania lub trzepotania bramki (gdy naprzemian otwiera się ona i zamyka – zazwyczaj wynika to stąd, że poziom progowy został ustawiony zbyt nisko, czyli zbyt blisko poziomu zakłóceń w tle). Funkcja squelch zazwyczaj takich możliwości – poza regulacją progu – nie oferuje. Zdarza się też, że poziom progowy ustawiony jest na stałe. Jak więc w tym przypadku zapobiec owemu trzepotaniu? Przecież np. wokalista, który korzysta z systemu IEM, zazwyczaj non-stop porusza się po estradzie i nie ma czasu ani głowy do tego, by gmerać przy odbiorniku i właściwie ustawić sobie threshold.

Sprawę rozwiązuje tzw. sygnał pilotujący. Jest to sygnał nadawany wraz z sygnałem audio, ale o częstotliwości (zwykle) ponadakustycznej, czyli np. 32 kHz. Nikt go więc nie słyszy – poza samym odbiornikiem. A więc dopóki odbiornik odbiera sygnał pilota, dopóty bramka squelch pozostaje otwarta. Jak wiemy, zaniki sygnału w odbiorniku mogą mieć różnorakie przyczyny – mogą nimi być np. silne zakłócenia radiowe albo pojawienie się przeszkód na drodze fal radiowych. Należy przy tym pamiętać – o czym zresztą wspominałem w pierwszej części artykułu – że przyczyną taką może być również zbyt restrykcyjne, czyli zbyt wysokie, ustawienie poziomu progowego. Owszem, daje to większy odstęp od zakłóceń, ale też czyni system bardziej podatnym na przerwy w transmisji i pojawianie się „dziur” w obszarze działania. A zatem, kiedy sygnał pilotujący zanika, odbiornik zamyka tor audio. Gdy pilot na powrót pojawia się, tor audio zostaje otwarty. Chciałbym przy okazji zwrócić uwagę na pewną kwestię, będącą często obiektem nieporozumień. Zauważcie bowiem, że zamykany jest nie tor radiowy – odbiornik cały czas odbiera sygnały – a tor audio. Przy okazji warto też wspomnieć, że w niektórych przypadkach nadajników ręcznych bądź osobistych wraz z sygnałem pilota transmitowane są informacje m.in. o stanie baterii zasilającej, ustawieniu mocy czy wzmocnienia sygnału, dzięki czemu operator systemu może obserwować te parametry zdalnie.

Inne rozwiązanie, którego zadaniem jest regulowanie pracy odbiornika, opiera się na fakcie, iż zakłócenia radiowe niosą zwykle znacznie większą energię w zakresie wysokich częstotliwości akustycznych, niż typowy sygnał akustyczny. Zasada działania układu „noise squelch” polega więc na ciągłym porównywaniu energii owych częstotliwości z zadanym progowym poziomem woltażu. Innymi słowy, układ ów bazuje na „zawartości syg nału”, a nie jego intensywności.

SYSTEMY DIVERSITY

Po „naszemu” są to systemy z odbiorem różnicowym. Jednak system systemowi nierówny i dlatego warto wiedzieć, który wybrać, a który omijać szerokim łukiem. Najprostszy system diversity, który tak naprawdę nim jednak nie jest, a już z całą pewnością nie należy do grupy „true diversity”, to tzw. „passive diversity”, czyli pasywny. Jego istota polega na tym, że system jest po prostu wyposażony w dwie (czasem trzy) anteny, które dają mu niejako większą skuteczność w wyłapywaniu fal radiowych. Niemniej jednak – zgodnie z określeniem – system przetwarza sygnały pasywnie, to znaczy nie dokonuje porównań siły sygnału ani tym podobnych operacji, a zwyczajnie go sumuje. Wiąże się to z zagrożeniem, że sygnał będzie odbierany przez obie anteny z przesunięciem fazowym, w efekcie czego po jego zmiksowaniu pojawi się kancelacja, czyli wzajemne wytłumianie obu sygnałów z tychże anten. W rezultacie tego system wcale nie jest bardziej odporny na zaniki sygnału, a w pewnych sytuacjach nawet mniej. Można tu zresztą wysnuć prostą zasadę logiczną – każdy system diversity wyposażony jest w dwie anteny, lecz nie każdy system z dwiema antenami automatycznie staje się systemem diversity.

Trochę lepsze rezultaty zapewnia rozwiązanie polegające na przełączaniu anten, czyli „antenna switching diversity”. Polega ono na zastosowaniu procesora, który dokonuje przełączania aktywnej anteny, czyli wybiera tę, która lepiej odbiera sygnał. Zaletą tego rozwiązania jest to, że uwalnia nas ono od groźby pojawienia się kancelacji sygnału, gdyż sygnały z anten nigdy nie są łączone. Do wad należy natomiast zaliczyć artefakty, które mogą pojawiać się w chwili przełączania anten. Ponieważ w każdym momencie system korzysta wyłącznie z jednej anteny, toteż jego zasięg jest dokładnie taki sam, jak w przypadku systemu jednoantenowego.

Nieco bardziej zaawansowanym jest system typu „antenna phase switching”, czyli działający na zasadzie przełączania biegunowości sygnału z jednej z anten. Zajmuje się tym układ odwracający jego biegunowość, współpracujący z jedną z anten, oraz procesor, którego zadaniem jest kontrolowanie przesunięcia fazowego. W ten sposób zapobiega się zanikom sygnału. Ponieważ system przez cały czas korzysta z dwóch anten, toteż jego zasięg może być nieco większy, niż w przypadku systemów z jedną anteną.

W obu powyższych przypadkach przełączanie odbywa się w oparciu o jakość sygnału docierającego do odbiornika i analizowanego przez procesor przełączający. Duże znaczenie ma tu szybkość owego przełączania – zbyt szybkie może powodować słyszalne zakłócenia, z kolei zbyt powolne może prowadzić do zaników sygnału. Należy przy tym zauważyć, że oba te systemy pracują z pojedynczym odbiornikiem.

Lepszym jest kolejne rozwiązanie, również oparte na przełączaniu, ale tym razem nie anten, a odbiorników. A skoro o przełączaniu odbiorników mowa, to jasnym jest, że muszą one być dwa. I tak też w systemach typu „receiver switching diversity” rzeczywiście jest. W tym przypadku jednak porównywaniu podlega nie jakość sygnału radiowego, a audio. Oczywiście nie jest to rozwiązanie idealne, bo wciąż mogą występować zakłócenia podczas przełączania, ale są one znacznie mniej dokuczliwe i słyszalne. Istnieje jeszcze metoda, którą stosuje się w systemach z wyższej półki cenowej, o nazwie „ratio combining diversity”. Po naszemu można by określić ją jako metodę „łączenia proporcjonalnego”. Jej istota polega bowiem na tym, że sygnały audio z dwóch niezależnych odbiorników są łączone proporcjonalnie do ich jakości.

Jednak najlepsze rezultaty zapewniają systemy oparte na technologii predictive diversity. Słowo „predictive” oznacza w języku angielskim predykcję czyli przewidywanie. Jest to w zasadzie odmiana technologii „antenna switching”. Najprościej mówiąc polega to na tym, że wyspecjalizowany mikrokontroler na bieżąco obserwuje zmiany parametrów sygnału z obu anten i na podstawie tej obserwacji optymalizuje proces przełączania. Optymalizacja ta opiera się na porównywaniu średniego bieżącego oraz maksymalnego ostatnio zaobserwowanego poziomu sygnału. Procesor uwzględnia przy tym typowe charakterystyki, jakie towarzyszą zanikom. Owa przeprowadzana na bieżąco analiza zmian siły sygnału pozwala procesorowi „przewidzieć”, która antena będzie odbierała lepszy sygnał i zawczasu dokonać jej przełączenia. To oczywiście bardzo uproszczony opis, ale pozwala przekonać się, że jest to rozwiązanie złożone, a w związku z tym stosowane raczej w systemach bezprzewodowych lepszej jakości.

Do najlepszych i najskuteczniejszych w działaniu rozwiązań w grupie systemów diversity bez wątpienia należy

MARCAD

MARCAD (MAximum Ratio Combining Audio Diversity) jest opatentowanym przez Shure, i tylko przez tę firmę wykorzystywanym, systemem diversity, należącym do grupy najbardziej zaawansowanych pośród omawianych tu rozwiązań. MARCAD nie jest oparty na technologii przełączania anten, a bardziej na technice łączenia proporcjonalnego. Cechuje się najwyższą skutecznością w minimalizowaniu groźby pojawiania się zaników transmisji, zapewniając przy tym najwyższe parametry odbioru oraz reprodukcji sygnału audio. Jego działanie polega na monitorowaniu sygnałów z obu sekcji odbiorczych i sumowaniu wyprowadzanych z nich sygnałów audio, ale oczywiście nie ot tak, po prostu, a z zastosowaniem bardzo zaawansowanych algorytmów. Zajmuje się tym wyspecjalizowany procesor, współpracujący z sumatorem audio.

Bardzo pragnąłem opisać Wam tu działanie MARCAD-a w szczegółach, ale z jakichś przyczyn niemożliwością okazało się znalezienie dokładniejszych informacji na jego temat. Jeśli jednak uda mi się to, z pewnością powrócę do tego zagadnienia. Tymczasem na koniec, zamiast podsumowania,…

ZASTRZEŻENIA

Chciałbym poinformować Was, że jeden z naszych Czytelników podzielił się ze mną swoimi zastrzeżeniami, co do treści artykułu, głównie w zakresie intermodulacji fal radiowych oraz powstawania częstotliwości harmonicznych. Jednak tą kwestią zajmę się w „suplemencie” do artykułu. Jak widzicie, potwierdza się prawdziwość powiedzenia „nigdy nie mów nigdy”. Sądziłem bowiem, że niniejsza część będzie ostatnią, jednak temat okazuje się na to zbyt szeroki.

Marek Korbecki

---

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