Systemy bezprzewodowe. Zniekształcenia intermodulacyjne, nadajniki, odbiorniki i anteny

Korzystający z takiego systemu wykonawca może swobodnie poruszać się w określonym obszarze, bez konieczności ciągnięcia za sobą niewygodnego przewodu, jednocześnie nie narażając jakości dźwięku na szwank.

Elastyczność systemów bezprzewodowych, w połączeniu z atrakcyjną ceną, rozmiarami urządzeń i jakością brzmienia, to główne czynniki, które pozwalają im bez skrupułów konkurować z tradycyjnymi systemami przewodowymi. Każdy z podstawowych elementów systemu — nadajnik i odbiornik — dostępny jest w różnych formach, co pozwala wybrać najodpowiedniejszy sprzęt do określonego zastosowania, na przykład filmu, sprawozdań sportowych czy też nagłaśniania koncertów.

TRANSMISJA BEZPRZEWODOWA

Wszystkie radiowe (RF) bezprzewodowe systemy mikrofonowe działają w oparciu o tę samą zasadę, według której sygnały audio są zawsze rozsyłane przez nadajnik. Nadajniki dostępne są w wielu różnych formach urządzeń przenośnych, na przykład ręcznych mikrofonów bezprzewodowych, mikroportów i nadajników osobistych, ale miewają też postać urządzeń stacjonarnych, np. w systemach IEM. W większości przypadków transmisji bezprzewodowej stosowana jest modulacja częstotliwości (FM), która pozwala polepszyć jakość dźwięku na szereg różnych sposobów.

Ścieżka sygnału audio rozpoczyna się w momencie, gdy nadajnik przetwarza oryginalny sygnał audio i umieszcza go na nośnej. Proces ten nazywamy modulacją. Następnie sygnał wędruje poprzez antenę nadajnika, która rozsyła go na określonym obszarze lub odległość, po przebyciu której dociera on do elementu docelowego — anteny odbiorczej. Odbiornik ustawiony na częstotliwość nośną odizolowuje — czyli demoduluje — sygnał, przetwarza go i przywraca jego pierwotną formę.

PRE- I DEEMFAZA

Jest to metoda statyczna, stosowana w większości systemów transmisji FM. Zwiększenie poziomu wysokich częstotliwości audio po stronie nadajnika pozwala na podwyższenie stosunku sygnału do szumu, ponieważ poziom sygnału użytecznego przewyższa poziom zakłóceń własnych łącza radiowego.

KOMPANDER

Kompander to synonim połączenia „kompresora”, pracującego po stronie nadajnika, z „ekspanderem”, działającym po stronie odbiorczej. Kompresor pozwala podnieść najniższy poziom sygnału audio powyżej poziomu szumu RF. Z kolei ekspander wykonuje czynność odwrotną, przywracając sygnałowi pierwotną charakterystykę dynamiczną. Opisana metoda pozwala uzyskać stosunek sygnału do szumu na poziomie płyty CD. W przypadku gdy nadajnik nadmoduluje sygnał (gdy np. jego czułość jest zbyt wysoka), wówczas użycie ogranicznika, czyli limitera, pozwala utrzymać poziom odchyleń sygnału w granicach pasma RF.

ZASIĘG

Zasięg transmisji RF zależy od wielu czynników. Moc RF, częstotliwość operacyjna, konfiguracja anteny nadawczej i odbiorczej, warunki środowiskowe, a nawet sposób trzymania czy zaczepienia nadajnika, to wszystko są czynniki wpływające na całkowitą efektywność transmisji.

Jeśli antena nadajnika dotyka ciała noszącej go osoby, wówczas następuje rozstrojenie anteny, w efekcie czego moc RF drastycznie maleje. Jeżeli dana osoba jest spocona, efekt ten ulega pogłębieniu. Nazywamy go absorpcją RF przez ciało. Podobne skutki przynosi chwycenie anteny dłonią.

Gdy częstotliwość nośna rośnie, dla zachowania jednakowego zasięgu konieczne jest zwiększenie mocy RF. Niższe częstotliwości nośne nie wymagają tak dużej mocy RF, ale przekaz taki jest bardziej wrażliwy na obecność przeszkód, takich jak budynki i ściany, ponieważ wydłużenie fali nośnej powoduje zwiększenie siły odbić. Zwiększenie mocy wyjściowej RF może w niektórych przypadkach pomóc, ale w innych bywa niekorzystne.

MOC WYJŚCIOWA RF

Wyjaśnijmy teraz nieporozumienia na temat nadajników bezprzewodowych.

Użycie bezprzewodowych nadajników radiowych o właściwej mocy wyjściowej RF ma zasadnicze znaczenie dla efektywności transmisji. Panuje tu powszechne, aczkolwiek błędne przekonanie, że im owa moc jest wyższa, tym lepiej. Jednak w wielu przypadkach nadmierna moc może powodować powstawanie zniekształceń intermodulacyjnych (IM), które stają się przyczyną słyszalnych zakłóceń.

Po pierwsze, zastosowana moc wyjściowa RF musi być dostosowana do ograniczeń, jakie nakłada ustawodawstwo. W większość krajów europejskich wartość ta nie przewyższa 50 mW, a w Japonii obniżona jest nawet do 10 mW. Mimo takich obostrzeń w Japonii często stosuje się systemy bezprzewodowe. Wymaga to jednak zwrócenia bacznej uwagi na takie czynniki jak pozycja anteny, użycie przewodów powodujących niskie straty sygnału, czy też struktura wzmocnienia RF w systemie dystrybucyjnym.

Oczywiście, istnieją sytuacje, w których wykorzystanie maksymalnej mocy RF jest jak najbardziej wskazane – dobrym przykładem mogą być relacje z zawodów sportowych, gdzie często system bezprzewodowy musi obejmować swym zasięgiem duże połacie terenu. W takich przypadkach stosuje się zazwyczaj jednak kilka mikrofonów, które rozmieszczone są w dość dużych odległościach.

ZNIEKSZTAŁCENIA INTERMODULACYJNE

Jeśli nadajniki o wysokiej mocy wyjściowej RF pracują zbyt blisko siebie, wówczas zwykle powstaje zjawisko określane mianem intermodulacji. Gdy tylko element nieliniowy, jak np. tranzystor, wystawiony zostaje na działanie dwóch lub więcej sygnałów o wystarczająco dużej sile, to następuje jego nasycenie, w efekcie czego pojawiają się częstotliwości harmoniczne, mogące mieszać się z użytecznymi częstotliwościami transmitowanymi z mikrofonu bezprzewodowego. Podobny efekt zaobserwować można we wzmacniaczach, w tym również wzmacniaczach wyjściowych w nadajnikach, „dopalaczach” antenowych i wzmacniaczach wejściowych odbiorników.

Jednocześnie rośnie poziom zakłóceń RF w nośniku — w tym przypadku jest nim pole elektromagnetyczne. Chodzi o to, że kiedy nadajnik pracuje w bezpośredniej bliskości innego nadajnika, to transmituje nie tylko sygnał własny, ale też odbiera sygnał obcy, wprowadzając go do własnego, na etapie wzmacniania RF.

Na wyjściu stopnia nieliniowego mogą się pojawić następujące częstotliwości intermodulacyjne:

Częstotliwości podstawowe: F1 oraz F2
Drugiego rzędu: 2F1, 2F2, F1±F2, F2-F1
Trzeciego rzędu: 3F1, 3F2, 2F1±F2, 2F2±F1
Czwartego rzędu: 4F1, 4F2, 2F1±2F2, 2F2±2F1
Piątego rzędu: 5F1, 5F2, 3F1±2F2, 3F2±2F1
Kolejne, wyższe rzędy…

Na szczęście wraz ze wzrostem rzędu amplituda IM maleje. Dlatego też harmoniczne IM powyżej piątego rzędu można, praktycznie rzecz biorąc, zignorować. W przypadku korzystania z wielokanałowych systemów wysokiej jakości często próg ten obniżony jest do trzeciego rzędu.

Jeśli chodzi o systemy wielokanałowe (np. ponad 30 kanałów), poziom zniekształceń intermodulacyjnych może w istotny sposób wzrastać, a do obliczenia częstotliwości od nich wolnych stosuje się specjalne oprogramowanie. Jeśli wziąć pod uwagę jedynie zniekształcenia w systemie wielokanałowym, wywoływane przez trzecią harmoniczną, to liczby częstotliwości intermodulacyjnych wyglądałyby następująco:
Przy dwóch kanałach – 2
Przy trzech kanałach – 9
Przy czterech kanałach – 24
Przy pięciu kanałach – 50
Przy sześciu kanałach – 90
Przy siedmiu kanałach – 147
Przy ośmiu kanałach – 225

W systemie 32-kanałowym liczba częstotliwości intermodulacyjnych trzeciego rzędu wyniosłaby 15.872.

A zatem częstotliwości intermodulacyjne należy wykluczać, jako że działają one jak wirtualne nadajniki. Obowiązuje fundamentalna zasada, by nigdy nie używać dwóch nadajników pracujących na tej samej częstotliwości. Siłę zniekształceń intermodulacyjnych determinują: poziom mocy RF oraz odległość pomiędzy nadajnikami. Jeśli dwa nadajniki pracują blisko siebie, wówczas ryzyko wystąpienia takich zniekształceń staje się bardzo wysokie.

Wraz ze zwiększaniem dystansu pomiędzy nadajnikami poziom zniekształceń intermodulacyjnych maleje. Biorąc to pod uwagę należy uznać, że fizyczna odległość między dwoma lub więcej transmiterami ma zasadnicze znaczenie. Jeśli wykonawca musi nosić dwa nadajniki jednocześnie, to zaleca się, by pracowały one na różnych częstotliwościach oraz aby antena jednego skierowana była w górę, a drugiego w dół.

ODBIORNIKI

Odbiornik jest bardzo ważnym elementem bezprzewodowego systemu mikrofonowego. Jego działanie polega na przechwytywaniu sygnału i zawartych w nim informacji w postaci impulsów elektrycznych, a następnie zamianie ich do postaci sygnału audio, który da się wzmocnić i skierować do głośników. Zrozumienie podstaw konstrukcji odbiornika, zasad przetwarzania sygnału audio, działania układów blokady szumów oraz układu diversity ułatwia optymalne zestrojenie systemu.

Praktycznie rzecz biorąc wszystkie nowoczesne odbiorniki mają architekturę superheterodynową, która pozwala wydzielić częstotliwość nośną z szeregu sygnałów odbieranych przez antenę. Odfiltrowany sygnał jest wzmacniany i mieszany z częstotliwością lokalnego oscylatora, w rezultacie czego powstaje częstotliwość pośrednia. Częstotliwość tę łatwiej poddaje się dyskryminacji (czyli wyodrębnieniu) i wzmocnieniu przed demodulacją sygnału i odtworzeniu pierwowzoru, z zachowaniem wszystkich jego charakterystyk.

Proces przetwarzania sygnału przez odbiornik przebiega odwrotnie niż w nadajniku. Przetwarzanie w nadajnikach często realizowane jest z użyciem preemfazy (podbijania wysokich częstotliwości), a także kompresji. Odbiornik musi odwrócić efekty ich zastosowania, do czego służą mu obwody deemfazy i ekspandera.

W otoczeniu obecny jest naturalny szum radiowy. Ustawienie blokady owego szumu powinno przewyższać jego poziom. Blokada ta działa niczym bramka szumów, która wycisza wyjście audio, gdy poziom sygnału RF spada poniżej poziomu progowego. W ten sposób zapobiega wybuchom białego szumu poprzez system PA w chwilach całkowitego zaniku sygnału RF. Jeśli blokada szumu ustawiona jest zbyt nisko, wówczas odbiornik może odbierać szum i będzie on słyszalny w głośnikach. Z kolei zbyt wysokie ustawienie progu zadziałania blokady powoduje zredukowanie zakresu działania mikrofonu bezprzewodowego.

Zabezpieczeniem jest tutaj funkcja Pilot Tone Squelch, której działanie polega na wykorzystaniu sygnału pilotażowego. Dopóki odbiornik odbiera sygnał Pilot Tone, dopóty jego wyjście audio pozostaje otwarte. Kiedy odbiornik przestaje odbierać ów ton, wyjście audio zostaje wyciszone. Ton pilota ma bardzo wysoką częstotliwość, spoza zakresu odbieranego przez ludzkie ucho (bardzo często jest to częstotliwość 32 kHz). Po wykryciu tonu przez odbiornik wyjście audio jest otwierane.

FUNKCJA DIVERSITY

Sygnał radiowy (RF) wędruje pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem różnymi drogami. Sygnały odbite od ścian i różnych obiektów docierają do odbiornika z pewnym opóźnieniem w stosunku do sygnału bezpośredniego. Owa różnica w czasie, w jakim sygnał bezpośredni i odbity docierają do odbiornika, powoduje, że w punkcie, w którym znajduje się antena, są one przesunięte w fazie. Oba sygnały sumują się w antenie.

W gorszym przypadku oba sygnały mogą mieć całkowicie przeciwną fazę, w efekcie czego następuje ich wzajemne znoszenie się, co jest równoznaczne z zanikiem sygnału RF docierającego do anteny. W takim ekstremalnym przypadku na wyjściu audio odbiornika pojawiają się nieprzewidywalne zakłócenia. Prawdopodobieństwo, że zjawisko to zaistnieje jednocześnie w dwóch różnych punktach, na dwóch różnych antenach, jest bardzo niewielkie.

Istnieje szereg koncepcji rozwiązania tego problemu. Jednym z nich jest Antena Switching Diversity, polegająca na wykorzystaniu dwóch anten i jednego obwodu odbiorczego. Kiedy poziom sygnału na jednej antenie spada poniżej ustawionego progu, wówczas odbiornik przełącza się na odbiór z drugiej anteny. Jest to rozwiązanie bardzo ekonomiczne, ale niezapobiegające ryzyku, że poziom sygnału odbieranego przez druga antenę okaże się jeszcze niższy.

Problemowi temu zaradzić może zastosowanie innej architektury, z dwiema antenami i tyluż niezależnymi odbiornikami. Rozwiązanie takie określa się mianem True Diversity. Pozwala ono zwiększyć efektywność odbioru sygnału RF nawet o 30 dB. Minimalna odległość pomiędzy antenami jest często tematem zażartych dyskusji. Jako minimum przyjmuje się odcinek równy ¼ długości fali i wydaje się to być słuszną koncepcją. W zależności od częstotliwości, za najmniejszy dopuszczalny dystans uznać należy 12 do 15 cm. Ogólnie rzecz biorąc, im odległość pomiędzy antenami jest większa, tym lepiej. Bardzo efektywnym rozwiązaniem bywa umieszczenie anten po obu stronach sceny.

 

ANTENY

Pozycja anteny oraz prawidłowe wykorzystanie pozostałych komponentów systemu — kabla radiowego, wzmacniaczy antenowych, tłumików i systemów dystrybucyjnych — to klucze do bezproblemowej transmisji sygnału z mikrofonu bezprzewodowego. Anteny są „oczami” odbiornika i dlatego najlepsze rezultaty osiąga się, kiedy antena odbiorcza „widzi” antenę nadawczą.

Na rynku istnieje szeroki wybór anten dla systemów bezprzewodowych – zarówno anteny nadawcze, jak i odbiorcze dostępne są w wariantach kierunkowych oraz wszechkierunkowych.

Jeśli chodzi o anteny odbiorcze, to często zaleca się, by w pomieszczeniach zamkniętych stosować warianty wszechkierunkowe, a to z uwagi na fakt, że są one w stanie odbierać sygnał radiowy odbijający się od ścian i sufitu. Jeśli system pracuje na zewnątrz, wtedy użyte powinny być anteny kierunkowe, gdyż odbicia sygnału w plenerze są znikome, zaś kierunkowość anteny wpływa na jego stabilność. Ogólnie rzecz ujmując, warto zaopatrzyć się w zestaw anten „na każdą okazję”, złożony z anten jednego i drugiego typu.

Anteny wszechkierunkowe rozsyłają i odbierają sygnał z jednakową mocą z każdej strony, ale tylko w jednej płaszczyźnie, którą jest zwykle równoległa do płaszczyzny ziemi. Antena wszechkierunkowa nie ma określonego kierunku działania i dlatego nie pozwala na odseparowanie sygnału właściwego od niepożądanego.

Z kolei antena kierunkowa transmituje lub odbiera sygnał z kierunku, w którym jest zwrócona. Najczęściej spotykanymi typami takich anten są yagi oraz logarytmiczno- periodyczna, często będące antenami szerokopasmowymi, pokrywającymi pełne spektrum częstotliwości UHF. Poprawne użycie i umiejscowienie takiej anteny w otwartym terenie pozwala na odbiór transmitowanego sygnału z jednoczesnym odseparowaniem, w pewnych granicach, sygnału telewizyjnego. Anteny kierunkowe, podobnie jak wszechkierunkowe, transmitują i odbierają sygnał w jednej płaszczyźnie.

Istnieje szereg typów anten kierunkowych i wszechkierunkowych, przeznaczonych do użycia w określonych warunkach. Antena teleskopowa jest anteną wszechkierunkową i często pozwala działać w szerokim zakresie częstotliwości (450-960 MHz). Jeśli używa się anten teleskopowych, to powinny one być umieszczone w polu widzenia anteny przeciwnej. Nie należy ich montować, na przykład, wewnątrz metalowych, zamykanych racków, które w znacznym stopniu redukują siłę sygnału z nadajnika, a tym samym degradują jakość transmisji.

Efektywność przekazu można znacząco zwiększyć, stosując anteny zdalne, stanowiące element oddzielony od nadajnika czy odbiornika. Anteny takie można umieścić na statywie, na przykład mikrofonowym. Pozwala to na istotne polepszenie jakości transmisji radiowej. Jednakże stosując takie anteny należy też brać pod uwagę pewne reguły. Także i w tym przypadku anteny powinny się nawzajem „widzieć”.

W przypadku użycia anteny kierunkowej bardzo ważną rolę odgrywa jej ustawienie oraz odległość od sceny. Jednym z powszechnie stosowanych rozwiązań jest skierowanie obu anten, nadawczej i odbiorczej, w kierunku środka estrady. To kolejny przypadek, w którym wzajemna widzialność anten jest najlepszym środkiem optymalizacji warunków transmisyjnych. Każda antena, kierunkowa bądź wszechkierunkowa, działa w określonej płaszczyźnie, poziomej lub pionowej. Jeśli polaryzacja przeciwległych anten jest różna, to zazwyczaj staje się to powodem znacznego spadku poziomu odbieranego sygnału RF. Niestety, nie zawsze daje się zachować jednakową polaryzację anten. W zastosowaniach teatralnych na przykład antena nadawcza znajduje się w pozycji pionowej dopóty, dopóki aktor chodzi po scenie. Jeśli zgodnie ze scenariuszem aktor musi się w którymś momencie pochylić lub położyć, oznacza to zmianę pozycji anteny.

W takich przypadkach ratunkiem może być użycie anten o polaryzacji kołowej. Anteny takie potrafią odbierać sygnał radiowy z jednakową mocą, bez względu na ustawienie. Z powodu tak dużego znaczenia polaryzacji i z uwagi na fakt częstego stosowania anten teleskopowych, nie zaleca się używania nadajników z antenami, które działają w ściśle poziomej lub pionowej płaszczyźnie. Lekkie pochylenie anten pozwala zachować pewność, że polaryzacja obu anten, nadawczej i odbiorczej, nie okaże się całkowicie przeciwna.

PASMA ZAKAZANE

Na koniec słów kilka o temacie, który ostatnimi czasy wzbudza wielkie zainteresowanie i emocje – chodzi o pasma częstotliwościowe, które „wypadają” z listy dostępnych dla „zwykłych śmiertelników” (jak my), co jest spowodowane wykupieniem tych pasm przez firmy dystrybuujące internet LTE 800.

Na początek trzeba powiedzieć, że w przypadku jakichkolwiek niejasności wszelkich informacji, które pasma są dozwolone, a które nie, można uzyskać dzwoniąc do UKE, czyli Urzędu Komunikacji Elektronicznej. W dużym skrócie wygląda to tak, że – z prawnego punktu widzenia – od 1 stycznia nie można używać systemów bezprzewodowych w zakresach od 791 MHz do 821 MHz i od 832 MHz do 862 MHz. W zakresie 800 MHz pozostają tylko wąziutkie „pasemka”: 823-826 MHz, 826- 832 MHz i 863-865 MHz, w których raczej trudno będzie bezpiecznie wystroić więcej niż dwa lub trzy równolegle działające systemy. To nie koniec złych wieści – w związku z planowanym wdrożeniem LTE 700 najprawdopodobniej od 2020 roku zniknie w Polsce pasmo 700 MHz (od 694 MHz w górę) – w innych krajach Europejskich pasmo to będzie niedostępne nawet wcześniej. Tak więc inwestycje w mikrofony należy robić od 470 MHz do maksymalnie 694 MHz lub… w systemy pracujące w paśmie 2,4 GHz. Albo w systemy cyfrowe, które mają tę przewagę nad analogowymi, iż mogą pracować w dużo większej liczbie w tej samej przestrzeni radiowej.

Marian Ortyl