Digitális hibrid vezeték nélküli rendszerek

Bevezetés

A lejátszó rendszerek hangminőségének növekedése a színházakban és otthon a produkciós készülékek és technikák fejlődéséhez vezetett, hogy eleget tudjanak tenni a magasabb elvárásoknak. A vezeték nélküli mikrofon rendszerek javát szolgálják a DSP (digitális jelfeldolgozás) terén folyó fejlesztések, de hasonló módon sokat nyernek ebből a keverő, felvevő és lejátszó rendszerek. A DSP-k olyan funkciókkal és szolgáltatásokkal bővítették a vezeték nélküli mikrofon rendszereket, amelyek az analóg tartományban nem lennének megvalósíthatók.

A Lectrosonics Digital Hybrid Wireless System innovatív technológiát alkalmaz, kombinálva a digitális audió előnyeit az analóg rádiófrekvenciás átvitellel, így a digitális audió rendszerek kiváló hangminőségét egyesíti az analóg vezeték nélküli rendszerek remek RF működésével. Egy saját algoritmus kódolja a digitális audió információt analóg formátumra, amelyet aztán erőteljes módon továbbítanak analóg FM vezeték nélküli kapcsolaton keresztül. A vevők a legkorszerűbb szűrőkkel, RF erősítőkkel, keverőkkel és detektorokkal rendelkeznek a kódolt jel vételéhez, amelyből aztán a DSP visszanyeri az eredeti digitális hangot.

A digitális/analóg hibrid technikának van néhány nagyon előnyös tulajdonsága. Miután az információ digitálisan kódolt formában kerül továbbításra, a zajjal szembeni védettség sokkal jobb, mintha kompandert és zajszűrést alkalmaznánk. Mivel a kódolt audiót analóg módon küldjük, a teljesítmény, a hatásfok, valamint a működési tartomány nem kerül veszélybe.

Gyenge rádiófrekvenciás körülmények között a vétel az analóg rendszerre jellemzően jelentősen romlik, ám a hang ugyanolyan használható marad, mint maximális térerő esetén.

Ehhez az értekezéshez a vezeték nélküli mikrofon rendszereket felépítésük szerint három általános kategóriába soroljuk:

  • Analóg
  • Tisztán digitális
  • Digitális hibrid

Egy vezeték nélküli rendszer működésének alapfeltétele a megbízható RF kapcsolat megléte az adó és a vevő között. Amennyiben a rádió kapcsolat problematikus, a rendszer további szolgáltatásai és jellemzői lényegében értelmüket vesztik. Tehát az egyik legfőbb szempont a rádiófrekvenciás kapcsolat megbízhatósága.

Amíg a rádió spektrum óriási frekvencia tartományt fed le, a digitális hibrid vezeték nélküli rendszerek különösen alkalmasak a televíziós csatorna kiosztáson belüli (470 és 862 MHz) működésre.

Foglalt sávok

A kormányrendeletek csaknem minden országban korlátozzák a vezeték nélküli átvitel által elfoglalható sávszélességet. Az amerikai és európai lefedettségi spektrum jó példa erre.

Az amerikai és európai TV csatornákon működő vezeték nélküli mikrofon rendszerek lefedettségi spektruma

Az analóg FM átvitel szűk sávra koncentrálja a teljesítményt, minimális sávon kívüli zajjal a vivőfrekvencia felett és alatt.

Analóg FM és digitális hibrid adók

A digitális modulációs módszereket nagyobb sávszélességen belüli sugárzásra lehet tervezni, vagy a keskeny sávú TV csatornákhoz igazítani. Sok esetben az audió frekvencia felső tartományát fel kell áldozni annak érdekében, hogy az elfoglalt sávszélesség beleférjen a lefedettségi spektrumba.

Zaj szóródás – Keskeny sávú digitális adó (nem Lectrosonics)

Az átvitel által elfoglalt sávszélességnek a használható lefedettségi spektrumon belül kell maradnia.

Az analóg FM előnyös a televíziós sávokon, mert a csúcsteljesítményt a lefedettségi spektrum tartalmazza. Az analóg adók az előírások által megengedett teljes teljesítményszinten működhetnek. A digitális adóknak csökkentett szinten kell működniük, hogy a zaj szóródást a lefedettségi spektrumon belül lehessen tartani.

Ennek ellentéteként figyeljük meg a digitális vezeték nélküli átvitel  által elfoglalt sávszélességet egy terjedési technikát használva. Ez a példa a Lectrosonics D4 rendszer. Megjegyezzük, hogy ebben a példában a sávszélesség 10 MHz.

D4 digitális adó

Másodrendű intermoduláció

Az elfoglalt sávszélesség  a terjedési technikával sokkal nagyobb, mint amennyi a televíziós csatornákon engedélyezett. A fent bemutatott modulációs burkológörbe az engedély nélkül használható 902-928 MHz-es sávban működik.

Intermoduláció

Ha két vagy több jel van jelen bármilyen szinten egy nemlineáris készülékben, például erősítőben, intermodulációnak (IM) nevezett folyamat jön létre. Az IM számos különböző jelet generál a készülék kimenetén.

Intermoduláció létrejöhet egy vevő áramkörein belül számos helyen, különösen a front end és IF erősítők területén.

A másodrendű intermoduláció hatására két bemeneti jel összege és különbsége keletkezik.

Harmadrendű intermoduláció eredményeként az egyik frekvencia második harmonikusa keveredik a másik alapfrekvenciával.

Harmadrendű intermoduláció

A harmadrendű intermoduláció a legfontosabb szempont a frekvencia koordinálás terén, mivel az általa létrehozott jelek nagyon erősek és olyan pontos többszörösökön fordulnak elő, amelyek nem teszik lehetővé az egyenletesen elosztott frekvenciákat. A keveredés intermodulációt eredményez, amely pontosan a használatban lévő frekvenciára esik, például:

625 x 2 = 1250 – 600 = 650

625 x 2 = 1250 – 650 = 600

Harmadrendű IM egyenletesen elosztott frekvenciákkal

Számos egyéb, magasabb rendű intermoduláció is keletkezik különböző szinteken. Az intermoduláció megjelenhet a vevők bármely erősítőfokozatában, de a szűrés és a nagy áramerősségű erősítők hatékonyan segítenek elnyomni ezeket.

Intermoduláció az adókban akkor jön létre, amikor egy másik készülékből származó jel belép az adó antennáján keresztül és visszajut a végerősítőbe. A végerősítő egy nagy gainnel rendelkező fokozat és az általa generált intermoduláció a valódi jelhez hasonlóan továbbításra kerül.

Néhányan úgy vélik, hogy a digitális vezeték nélküli rendszerek nem szenvednek az intermodulációtól. Az alábbi oszcilloszkóp fotó azt illusztrálja, hogy az intermoduláció meglehetősen elterjedt a példában használt digitális adókban (nem a Lectrosonics modelleknél).

Megjegyzendő, hogy a két vivőfrekvencia körülbelül 22 MHz-nyire van egymástól, amely két intermodulációs jelenséget generál a vivőfrekvencia fölött és alatt megegyező távolságban. A lényeg az, hogy az adókban generált intermoduláció nem oldható meg a nagy frekvencia távolsággal, és az intermoduláció a valóságban ugyanúgy előfordul a digitális rendszereknél, mind az analógnál. Az intermodulációs jelenségek mindössze 30 dB-lel vannak vivőjel alatt, így súlyos intermodulációs veszélyforrást jelentenek más rendszerek számára.

Ismerkedés az izolátorral

A digitális hibrid adóknál jelentkező intermodulációs probléma megoldására a Lectrosonics egy drága, de nagyon hatékony megoldást alkalmaz, melynek neve izolátor. Ez a szerkezet a kimeneti áramkörben helyezkedik el a végerősítő és az antenna között és egyirányú kapuként működik a rádiófrekvenciás jelek elfojtása érdekében, amelyek visszajutnának az adó végerősítőjébe.

Izolátor a Lectrosonics HM adóban

Izolátorokat ritkán találunk a vezeték nélküli mikrofonok adójában magas költségük és jelentős méretük miatt. Minél kisebbek, annál szűkebb a sávszélességük, ami határt szab a használhatóságuknak. Az előnyök azonban jelentős túlsúlyban vannak a korlátokkal szemben olyan alkalmazásoknál, ahol több adót kell üzemeltetni egymáshoz közel.

Többcsatornás képességek

Az analóg FM rendszerek összpontosítják az energiát és alacsony zajszórást produkálnak a csatorna felett és alatt. Korszerű és előre meghatározható a frekvencia koordinálásuk az analóg és digitális hibrid vezeték nélküli rendszerek esetében, miután mindkét típus analóg FM rádiókapcsolatot használ.

A digitális vezeték nélküli átvitel nagyon széles sávban történő zajszórást produkál a csatorna felett és alatt, amely más rendszerek zajküszöbét emeli még akkor is, ha azok frekvencia szempontjából jól elkülönítettek. Míg az intermodulációs jelenség előre meghatározható, addig a szélessávú zaj keletkezésének kiszámításával a frekvencia-koordinációs szoftver nem foglalkozik.

Miután az intermoduláció és más típusú interferencia pontos előrejelzéséhez rengeteg kalkuláció szükséges, egy számítógépes programot fejlesztettek, hogy ésszerű időn belül eredményeket érjenek el. Az egyik legjobb elérhető szoftvercsomag neve IAS (Intermodulation Analysis Software). további információkat a weboldalukon lehet találni: http://www.professionalwireless.com/ias/

Még alapos szoftveres elemzés ellenére is igazi tesztet kell lefolytatni a sokcsatornás vezeték nélküli rendszer megbízhatóságának ellenőrzésére, mivel egy aktuális produkcióban a külső forrásból származó jelek meglétét nem lehet előre megjósolni. Az alapos vizsgálat magában foglalja annak ellenőrzést, hogy minden vevő zajmentes csatornára van-e hangolva, az adókat egyenként bekapcsolva meg kell bizonyosodni, hogy a hozzájuk tartozó vevő reagál-e, végül az adókat egyenként kikapcsolva ellenőrizni kell, hogy a kapcsolódó vevő megfelelően némít-e.

Viselkedés a vételi határövezetben

Egy adó jelének erősségét normál használat mellett nagyban befolyásolja a távolság, az akadályok és a többszörös visszaverődés. Amikor a jel alacsony szintre esik a vevő antennájánál, a vevő zajjelenségeket vagy sistergést produkál, mielőtt a squelch némítaná a hangot.

A mérés digitális hibrid vevőkön történt a bejövő jel erősségének jelzésére.

Jól érzékelhető különbség van a különböző felépítésű vevők viselkedésében, amikor az adó jele a vételi határövezetbe lép. A digitális rendszerek hirtelen elnémítják a hangot, vagy durranás hallatszik, ami azt jelzi hogy a jelfolyam nem képes tovább hangot produkálni. Az analóg FM rendszereknél a vétel romlásával a jel/zaj viszony folyamatos csökkenése megy végbe, végül némítás következik be a beállításoknak megfelelően.

A digitális hibrid vezeték nélküli rendszereknek van egy előnyük a keskenysávú tisztán digitális rendszerekkel szemben a vételi határövezetben való viselkedésük szempontjából, mivel FM analóg rádiófrekvenciás kapcsolatot használnak, amely természeténél fogva jobban tűri a zajos jelet a jelbefogás hatékonyságának (Capture Effect) köszönhetően.

A minden digitális hibrid rendszerben megtalálható mikroprocesszor által vezérelt SmartSquelch™ rendszer elemzi az audió tartalmat, a rádiófrekvenciás jelszintet, értékeli az RF szint változását és a legutóbbi squelch történéseket, és ennek alapján határozza meg az audió némítását.

Amikor az adó jele általánosságban véve kevés, de az audió tartalom megfelelő szinten van jelen hogy elfedje a háttérzajt, a squelch küszöbértéke csökkentésre kerül annak érdekében, hogy a rendszer továbbra is szállítani tudja a hangot és megnöveli a működési tartományt.

Amikor az adó jele közel van a vevő antennájához és a jel általánosságban véve erős, a SmartSquelch™ sokkal agresszívebbé válik és némítja a hangot a zaj megelőzésének érdekében, amelyet a rövidebb kihagyások okozhatnak.

A squelch adaptív viselkedése a digitális hibrid vevőkben automatikusan megnöveli a működési tartományt és csökkenti a zajt, ehhez nincs szükség speciális beállításra.

Jelbefogás

Amikor több rádió jel érkezik a vevőhöz, a legerősebb lesz a hangkimenet forrása, a gyengébb jel figyelmen kívül lesz hagyva, vagy el lesz nyomva.

Ezt jelbefogásnak (Capture Effect) nevezzük. Másként fogalmazva a legerősebb jel „fogja be“ a vevőt.

Ez az egyik oka annak, amiért egy FM vevő természeténél fogva jobban tűri a bejövő jelben található zajt.

Az analóg FM és a digitális hibrid vevők az adóból érkező jel esetében a zajnál alig 3 vagy 4 dB-lel nagyobb jelet igényelnek ahhoz, hogy használható jel/zaj viszonyú audió jelet hozzanak létre.

A tisztán digitális vevők jellemzően 12-14 dB, vagy ennél is erősebb adóból érkező jelet igényelnek a zaj  és interferencia elfedéséhez.

Amennyiben a zaj és az interferált jel elég nagy ahhoz, hogy elérje az adóból származó jel nagyságát, a vevő úgymond érzéketlenné válik, mivel többé nem képes hangot produkálni a bejövő rádiójelből, amely egyébként elég erős lenne a normál működéshez.

Hangminőség

Zajcsökkentés

Az analóg vezeték nélküli rendszerek szenvednek a rádiófrekvenciás kapcsolatban kialakuló zajképződéstől, ezért zajcsökkentő technológiák alkalmazása válik szükségessé a jó minőségű hang létrehozásának érdekében. A leghatékonyabb technika a kompander. A hang az adóban kompresszálásra kerül, hogy nagyobb átlagos modulációt (jobb jel/zaj viszonyt) lehessen elérni a rádiófrekvenciás kapcsolatban, azután expandálás történik a vevőben, hogy vissza lehessen állítani a hang eredeti dinamika tartományát.

Az egysávos kompander a teljes audió sávszélességet kompresszálja és expandálja, amely rontja a hangminőséget, mivel a magasabb frekvenciák attack és decay ideje jelentős mértékben különbözik a mélyebb frekvenciákétól a torzítás alacsonyan tartásának érdekében. Ezért a Lectrosonics kétsávos kompandert fejlesztett ki a probléma megoldására.

Megjegyzés: a digitális hibrid és tisztán digitális rendszerek nem alkalmaznak kompandert.

Frekvencia átvitel

A kiváló hangminőség elérésére tervezett tisztán digitális vezeték nélküli rendszerek gyakran szembesülnek a teljes audió sáv 20 Hz-től 20 kHz-ig terjedő tartományához szükséges sávszélesség problémájával. A magas frekvenciájú hangok sokkal nagyobb bitrátát igényelnek a felső frekvencia tartományhoz, ezért kompressziót alkalmaznak és néhány esetben a felső frekvencia határt alacsonyabban, például 15 kHz-ben szabják meg. Vitatható, hogy ez nem okoz hallható eredményt, hiszen csaknem az összes egyéb professzionális audió berendezés tökéletesen kezeli a felső frekvenciákat legalább 20 kHz-ig.

A digitális hibrid vezeték nélküli rendszerek egyenes frekvenciamenetet produkálnak 20 kHz-ig, mint az a következő ábrán látható.

A mély frekvenciák vágása az egyéni igényeknek, vagy a produkcióban jelenlévő zajnak megfelelően beállítható. Egy mozgó járműben például a mélyfrekvenciás energia nagyon uralkodó, tehát a mélyvágást erősebbre állíthatjuk, hogy csökkentsük a jelenlétét a mikrofon által felvett hangban. Csendes környezetben, mint például egy filmstúdióban a mélyvágást csökkenthetjük annak érdekében, hogy teljes sávszélességű hangot tudjunk rögzíteni.

A digitális hibrid vezeték nélküli megoldás

Az adóba bekerülő audió jelről először 88,2 kHz-es mintavétel történik és 24-bites digitális audió jelfolyammá konvertálják. A digitális audió jelet egy DSP-alapú algoritmussal elemzik, amely megpróbálja előre megjósolni a következő frame-et a folyamatosság alapján. A becslés azután összehasonlításra kerül az aktuális audió jelfolyammal és egy különbségi (hiba) jel jön létre.

A hibajel az adó kimenetére kerül és széles eltérítésű FM moduláció útján kerül továbbításra. A hibajelhez egy kompandert alkalmaznak a rádió kapcsolat jel/zaj viszonyának javítása érdekében, de a direkt hang nem kap kompandert.

A vevőben ugyanez a prediktív algoritmus működik. Veszi a hibajelet, aztán a becsült audió jelfolyamhoz adja hogy visszaállítsa az eredeti digitális audió jelfolyamot. A 24-bites digitális audió ezután visszakonvertálva az analóg hangkimenetre kerül.

A digitális hibrid átvitel eltérő viselkedést mutat, ha spektrum analizátorral vizsgáljuk. Például ha egy egyszerű szinuszhullám hang kerül az adóra, az előrejelzés tökéletesen működik és alapvetően nincs moduláció az FM vivőfrekvencián, mivel nincs továbbítandó hibajel.

Amikor a digitális hibrid rendszer először megjelent, a gyárban egy televízió állomástól érkező telefonhívást kaptak, amely egyike volt az elsőknek akik kiértékelték az új rendszert. Az állomás mérnöke egy jelgenerátort kapcsolt az adóra, beadott egy 1 kHz-es hangot és a bemenetet teljes modulációra állította. Aztán egy spektrum analizátoron ránézett a rádió jelre és nagy meglepetésére csak egy függőleges vonalat látott, amely a vivőfrekvenciát mutatta moduláció nélkül, viszont a hang teljes hangerővel jött a vevőből. Tanácstalanságában a gyárat hívta magyarázatért. Bár a magyarázat után is gyanakvó maradt, mégis el kellett fogadnia hogy a rendszer nagyon jól működik és nagyon jól szól.

Amikor véletlenszerű zajforrás, mint például fehér zaj, emberi beszéd vagy zene kerül átküldésre a rendszeren, megtörténik az FM vivőjel modulációja, mivel az előrejelző jelentős hibajelet küld.

A digitális hibrid folyamat általános késése körülbelül 3,2 ms. Ez nagyjából egyenlő azzal az idővel, amennyi alatt a hang megtesz 1 métert a levegőben.

A Digital Hybrid Wireless® a Lectrosonics Inc. bejegyzett védjegye a 7,225,135 USA szabadalom szerint.

Mikor találták fel a vezeték nélküli rendszert?

A vezeték nélküli mikrofon koncepciója már jó ideje megvan és a broadcast hangfelvételi és lejátszási technika, a film és az élő audió alkalmazások fejlődésével együtt alakult ki.

Az első működőképes vezeték nélküli mikrofon komponensek és rendszerek az 1950-es évek végén és az 1960-as évek elején lettek kifejlesztve. Az internetes keresés és a Wikipedia néhány érdekes dokumentumot hoz fel a vezeték nélküli mikrofon történetéből.

A vicc kedvéért vessünk egy pillantást az alábbi rajzra. A grafika egy 1917-ben kiadott angol szabadalom része, amely a kép és a hang rádió kapcsolaton keresztül történő egyidejű felvételének koncepcióját mutatja, amellyel a színpadi kábelek kellemetlenségeit szándékoztak megszüntetni.

Figyeljük meg az antennát a színész fején a lábaihoz levezetett földelőkábellel, amint azt a 2. ábra részletezi.

Az elemeket a kamerán elhelyezett vevő kapcsolási rajzán és a színész által viselt adó csomagon láthatjuk. Ne legyenek kétségeink, a csomagok mérete és súlya alighanem tetemes lehetett.

Follow me!

Leave a Reply