X4L - wzmacniacz z DSP z serii X
Biznes „nagłośnieniowy” – w porównaniu z innymi dziedzinami techniki (np. przemysłem samochodowym, czy ...
A jeśli już jest świadomość, to brakuje szczegółowej wiedzy. Efektem tych braków jest dorabianie ideologii, a czasem wręcz religii, do zjawisk relatywnie prostych i w podstawowym użytkowaniu nie całkiem trudnych.
Mowa tu o falach elektromagnetycznych o częstotliwościach radiowych (w skrócie RF – Radio Frequency), wykorzystywanych do transmisji sygnałów audio bez plątania kabli. Coraz większe wymagania, coraz więcej sprzętu, coraz bardziej rygorystyczne obostrzenia nie ułatwiają pracy z urządzeniami bezprzewodowymi.
Skupimy się tu na tylko jednym problemie – zniekształceniach intermodulacyjnych (IMD – Intermodulation Distortion). Wiedza z tego zakresu może znacząco poprawić jakość pracy z systemami bezprzewodowymi i zmniejszyć wpływ „niezbadanych wyroków” na stabilność transmisji.
Z ŻYCIA WZIĘTE
Jakiś czas temu zostały wypożyczone systemy bezprzewodowe od pewnej firmy. Było tego niemało, choć również nie strasznie dużo. Kiedy rack z urządzeniami pojawił się na scenie i został podłączony do prądu, części osób zrobiło się gorąco i ugięły nogi. Było bardzo mało czasu, a odbiorniki (a co za tym idzie i nadajniki) nastrojone były bardzo estetycznie – 796 MHz, 797 MHz, 798 MHz, 799 MHz, 800 MHz, 801 MHz, 802 MHz…
Ten artykuł jest dla tych, którym nie robi się gorąco na myśl, że sami mogliby dostać „nastrojony” w ten sposób system.
ZNIEKSZTAŁCENIA
Nie będziemy się skupiać na głębokiej matematyce, bo to nie o to chodzi. Konieczna jest jednak pewna podstawa, żeby wiedzieć, o czym mówimy.
Wprowadzamy prosty podział urządzeń ze względu na charakter generowanych przez nie zniekształceń – liniowe i nieliniowe. W pierwszym przypadku dopuszczamy, aby sygnał na wyjściu urządzenia różnił się od sygnału na wejściu tylko amplitudami i fazą poszczególnych składowych. Kondensator połączony szeregowo między źródłem a odbiornikiem generuje właśnie zniekształcenia liniowe. Zmniejsza poziom poszczególnych składowych oraz zmienia widmo fazowe. Tak samo zadziała również korektor (graficzny lub parametryczny), wzmacniacz (nawet jeśli ma ograniczone pasmo), głośnik (o ile nie próbujemy przekroczyć xMAX), a nawet regulator tłumienia czy przycisk MUTE. Zakładamy, że wszystkie urządzenia są sprawne. Z kolei układ nieliniowy powoduje powstanie nowych, do tej pory nieobecnych składowych w sygnale. Każde przesterowanie (czy to celowe, czy nie) powoduje powstanie składowych, których wejście nie widziało. Efekty modulacyjne również będą powodowały takie zniekształcenia.
Teraz możemy podzielić zniekształcenia nieliniowe na harmoniczne (gdzie nowo powstałe składowe mają częstotliwości będące wielokrotnościami częstotliwości podstawowej) oraz nieharmoniczne (gdzie nowe składowe mają bardziej skomplikowany charakter).
Zniekształcenia intermodulacyjne zaliczają się właśnie do zniekształceń nieharmonicznych. Stwórzmy prosty sygnał złożony z dwóch składowych. Przebieg czasowy (x(t)) będzie wyglądał tak:
gdzie:
A1, A2 – amplitudy poszczególnych składowych
f1, f2 – częstotliwości poszczególnych składowych
φ1, φ2 – fazy poszczególnych składowych
Tak długo jak w ramach tego sygnału układ, przez który on przechodzi, będzie zmieniać wartości A i φ, będziemy traktować to zjawisko jako zniekształcenia liniowe. No, chyba że zabierzemy się za eksperymenty na prawdziwym urządzeniach i dobierzemy wartość A przekraczającą możliwości urządzenia…
Jeśli jednak układ, przez który przechodzi sygnał będzie nieliniowy, pojawią się nam dodatkowe składowe. Zniekształcenia harmoniczne spowodują powstanie składowych o częstotliwościach będących wielokrotnościami częstotliwości podstawowych, czyli na przykład 2f1, 3f1, 4f1, itd. W przypadku zniekształceń nieharmonicznych pojawią się składowe o częstotliwościach będących kombinacją sum i różnic poszczególnych składowych i ich harmonicznych. Brzmi ciężko (jak i same zniekształcenia), ale zaraz uprościmy.
Skąd wiemy, czy układ jest liniowy, czy nieliniowy? To dobre pytanie, niełatwo nam na nie odpowiedzieć. Pamiętajmy, że każdy układ liniowy możemy doprowadzić do nieliniowości. Wystarczy trochę fantazji i odrobina wzmocnienia. Zakładamy więc, że w przypadku obsługi urządzeń bezprzewodowych stosowanych w technologii nagłośnieniowej możemy zupełnie przypadkiem przejść do pracy nieliniowej, nawet o tym nie wiedząc. Co gorsze, urządzenie się do tego nie przyzna, a efekty tej nieliniowości będą rzutowały na naszą pracę. O szczegółach technicznych później, zajmijmy się podstawami.
ZNIEKSZTAŁCENIA INTERMODULACYJNE
Wróćmy do naszego przykładu z dwiema składowymi. Stworzony w ten sposób sygnał trafia na układ nieliniowy, gdzie następuje zjawisko intermodulacji. Na wyjściu otrzymujemy, oprócz f1 i f2, pewną liczbę składowych o częstotliwościach opisanych w ten sposób:
gdzie:
ka, kb – dowolne liczby całkowite, dodatnie i ujemne.
Otrzymujemy w ten sposób nowe składowe o częstotliwościach: 2f1 + f2, 2f1 – f2, 2f2 + f1, 2f2 – f1, 3f1 – 2f2, 3f2 – f1 i tak dalej. Widzimy jednak, że część z tych częstotliwości jest znacząco wyższa niż pasmo, w którym pracujemy, i w większości przypadków nie będzie nam przeszkadzała.
Określmy jeszcze rząd intermodulacji:
Czyli 2f1 – f2 to intermodulacja trzeciego rzędu, a 3f1 – 2f2 to intermodulacja piątego rzędu.
Kiedy zbierzemy razem częstotliwości podstawowe i te powstałe w wyniku zniekształceń intermodulacyjnych, otrzymamy coś takiego, jak przedstawia rysunek 1.
Wow! Dwa nadajniki, a w paśmie pojawia się osiem nośnych!
No dobrze, trochę straszę. W zasadzie składowe wyższych rzędów nie są strasznym problemem. W podstawowej pracy musimy się tylko skupić na składowych trzeciego rzędu (czyli 2f1 – f2 i 2f2 – f1), ponieważ każda kolejna będzie miała niższą amplitudę. Ale to i tak daje dwa dodatkowe sygnały, przy dwóch wyjściowych. A co kiedy w paśmie pojawią się trzy nadajniki (rysunek 2)?
Ale to nie koniec kłopotów. Składowe intermodulacyjne mogą interferować ze sobą (rysunek 3)!
To się nazywa spustoszenie! 3 nadajniki i większa część pasma zajęta.
Dobrze, po tym wstępie wiemy już, że nie da się nastroić systemów bezprzewodowych. Jednak jakoś się to udaje i nie raz liczba współpracujących ze sobą systemów przekracza 20. Czyli jednak można.
JAK TO JEST NAPRAWDĘ
Pierwszą rzeczą jest prawidłowe dobranie pasm, w których urządzenia mają pracować. Nie uda się nam prawidłowo skonfigurować 40 nadajników średniej, a nawet przyzwoitej klasy w paśmie od 795 do 820 MHz. Musimy poszukać innych pasm.
Kolejną rzeczą jest bardzo rzetelne wykonanie instalacji antenowej, z możliwie niskimi stratami sygnału, ale i bez zbyt dużych wzmocnień (układy wejściowe RF przesterowują się łatwiej niż piec gitarowy). Nie jest to temat dzisiejszych rozważań, napomknę tylko o sensowności stosowania spliterów antenowych, prawidłowym rozmieszczeniu anten i nie przesadzaniu z ich kierunkowością, szczególnie kiedy to nie jest konieczne.
Najważniejsze jednak jest zapoznanie się z materiałami dostarczonymi przez producenta, jak choćby instrukcja obsługi czy oprogramowanie dedykowane do urządzeń. Może niektórym trudno w to uwierzyć, ale producenci urządzeń bezprzewodowych posiadają pewien zasób wiedzy odnośnie technologii i fizyki RF, wiedzą też (a przynajmniej przypuszczają) jak i do czego urządzenia te będą wykorzystywane.
W starszych lub mniej rozbudowanych modelach w instrukcji obsługi są tabele, w których zasugerowane są częstotliwości, na których określona liczba urządzeń może pracować. Można było znaleźć nawet arkusz kalkulacyjny, który po wpisaniu proponowanych przez użytkownika częstotliwości wskazywał potencjalne konflikty i niebezpieczeństwa.
Bardziej rozbudowane odbiorniki w większości mają opcję automatycznego strojenia. Połączone w sieć odbiorniki potrafią same wyszukać wolne częstotliwości, określić, które będą bezpieczne, i tak się nastroić. Są również skłonne podzielić się z nami informacjami o wolnych (i bezpiecznych) częstotliwościach, dzięki czemu możemy dostroić do nich kolejne urządzenia.
A WYGLĄDA TO TAK
Dzięki pomocy i uprzejmości Wojtka Krzywickiego możemy Wam pokazać na obrazkach proces powstawania zniekształceń intermodulacyjnych oraz opisać konieczne ku temu warunki.
Na pierwszym zdjęciu widać widmo dwóch sygnałów o poziomie -30 dBm, podanych na wejście 20 dB wzmacniacza liniowego. Częstotliwości tych sygnałów to 120 MHz i 122 MHz, podziałka wyświetlania to 1 MHz/div. Tłumienie analizatora wynosi 20 dB, stąd poziom -30 dBm na skali, pomimo zastosowania wzmacniacza po drodze. Wszystko jest w porządku, żadnych zniekształceń nie ma.
Kolejnym krokiem w naszym eksperymencie było zwiększenie wzmocnienia o kolejne 20 dB. Zaczynają się pojawiać zniekształcenia intermodulacyjne trzeciego rzędu.
Kiedy zmienimy rozdzielczość do 2 MHz/ działkę, widzimy również produkty intermodulacji wyższych rzędów. One tam naprawdę są!
Zmniejszenie poziomu wejściowego o 10 dB spowodowało znaczący spadek intermodulacji. Produkty trzeciego rzędu są o 40 dB słabsze niż składowe podstawowe.
Ostatnim krokiem było zwiększenie sygnału wejściowego o 10 dB, ale zmniejszenie wzmocnienia o 20 dB. Problem zniknął.
Dla tych, którzy uważają, że 2 MHz to duża odległość pomiędzy nośnymi wykonany, został ostatni pomiar – odległość pomiędzy nośnymi zaledwie 50 kHz. Sygnały te nie zakłócają się, ponieważ nie powodują nieliniowej pracy żadnego z elementów toru radiowego.
Skąd się więc bierze problem? Czy producenci nie wiedzą, jakie poziomy i wzmocnienia powinny występować w ich konstrukcjach? Wiedzą, bardzo dobrze wiedzą. Mają jednak świadomość, że sprzęt będzie pracował w bardzo różnych warunkach i z bardzo różnymi operatorami.
Żeby wyjaśnić, skąd się biorą te problemy, przeanalizujmy, co się dzieje w prostym systemie bezprzewodowym, na przykładzie konkretnego urządzenia wysokiej klasy uznanego producenta. Urządzenie to ma dwa przestrajane filtry na wejściu RF i p. cz oraz wzmacniacz 20 dB. Przy podaniu na wejście tego odbiornika sygnału o poziomie -70 dBm zapalą się wszystkie diody na wskaźniku wysterowania. Żeby jednak zapaliła się dioda oznaczająca przesterowanie, trzeba podać mu sygnał -25 dBm. Podając więc na wejście 10 sygnałów, każdy o poziomie -70 dBm, lampka przesteru się nie zaświeci, ale układ wejściowy będzie już pracował w sposób nieliniowy i generował całą masę zakłóceń. Do poprawnego działania urządzenia wystarcza poziom -90 dBm (7 μV), co i tak jest sporym sygnałem.
Przyjmijmy, że poziom zniekształceń intermodulacyjnych trzeciego rzędu jest o około 40 dB niższy niż nośnej. Jeśli na wspomniany wyżej odbiornik trafi sygnał o poziomie -30 dBm, to poziom intermodulacji -70 dBm będzie dla odbiornika pełnym wysterowaniem, choć tak naprawdę sygnału tam nie ma! Proponuję zrobić prosty eksperyment: nastroić dwa nadajniki bezprzewodowe na 800 MHz i 801 MHz (lub inną parę w dostępnym paśmie). Odbiornik natomiast należy nastroić na którąś z częstotliwości intermodulacyjnych – 799 MHz lub 802 MHz. Czy wskaźnik wysterowania odbiornika coś pokazuje? Często udaje się nawet odebrać sygnał audio z mikrofonów… Jeśli jeszcze weźmiemy pod uwagę zysk anteny kierunkowej oraz wzmocnienie splitera lub wzmacniacza zainstalowanego po drodze, to robi się coś tak strasznego, że nie podejmujemy się tego opisać matematycznie.
Przemyślmy więc konieczność stosowania anten kierunkowych na scenach, dodatkowych wzmacniaczy oraz przestawiania nadajników na tryb dużej mocy. Sprawdźmy, jakie faktycznie wzmocnienie jest konieczne, nie próbujmy robić lepiej.
Jeśli jednak ktoś bardzo chce nastroić sobie równo co megaherc (lub pół) – 797, 798, 799, 800 itd., to oczywiście wolno mu. Może też pozakładać aktywne anteny kierunkowe i wzmacniacz (chociaż nadajnik nie opuszcza sceny). Ale niech nie szuka problemów i zakłóceń w otaczającym go świecie i kosmosie, tylko w popełnionym właśnie przez siebie śmietniku radiofonicznym.
Piotr „ZiKE” Zajkiewicz
Wielkie dzięki dla Wojtka Krzywickiego za wykonane pomiary, zdjęcia oraz jego wiedzę!
