Гибридные радиомикрофоны от Lectrosonics

Цифровые радиомикрофоны обладают вульгарно-грубым звуком и не могут конкурировать с прозрачным, музыкальным звучанием аналоговых радиосистем. Изменить ситуацию взялась группа фанатиков из американской компании Lectrosonics. Занявшись селекций, они вывели новый тип радиомикрофонов – гибридный (Digital Hybrid Wireless^®)!

В процессе гибридизации цифровым радиомикрофонам были привиты лучшие черты аналоговых систем. Но что же не устраивало специалистов в исходных продуктах? Разберемся, оценив свойства гибридов и чистокровных представителей радиоэфира в естественной среде обитания.

Ширина занимаемой полосы частот

Радио, ТВ, GSM, МЧС, ФСО, ПВО, Wi-Fi – желающих выйти в эфир предостаточно. Во избежание хаоса и анархии в каждом Государстве создается Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ). ГКРЧ распределяет частоты, задает стандарты и определяет правила игры, и выполнение решений этой комиссии обязательно, невыполнение карается законом.

Концертным радиомикрофонам ГКРЧ отвела частотный диапазон, плотно забитый ТВ каналами. И чтобы концерты не мешали сериалам, комиссия строго регламентировала многие параметры, в числе которых допустимые границы излучаемого спектра — спектральная маска (рис. 1). Центральная часть спектральной маски задает границы основного излучения, а напоминающее юбку основание – границы внеполосного излучения. Посмотрим, как спектр излучения радиомикрофонов разных типов укладывается в заданные границы.

Рис. 1. Спектральная маска

В основе работы радиомикрофонов любых типов лежит процесс модуляции. В аналоговых и гибридных радиосистемах применяется аналоговая частотная модуляция (ЧМ, FM). Спектры излучений передатчиков практически идентичны: энергия сосредоточена в узком диапазоне частот, внеполосное излучение выражено незначительно (рис. 2).

Рис. 2. Спектр излучения гибридного передатчика

В цифровых системах применяется цифровая модуляция (ЧМн, FSK, QAM и тд). Методы цифровой модуляции рассчитаны на более широкую рабочую полосу частот. Для примера на рис. 3 показан спектр излучения бескомпромиссной цифровой радиосистемы Lectrosonics D4, использующей технологию расширенного спектра. Излучение столь широкого спектра никак не укладывается в заданные границы, поэтому работает D4 только в США в нелицензируемом диапазоне выше 900МГц.

Рис. 3. Спектр излучения цифрового передатчика Lectrosonics D4

Значит, чтобы упаковать излучаемый спектр в границы спектральной маски, производители цифровых радиосистем вынуждены прибегать к разным ухищрениям, например, уменьшению цифрового потока путем ограничения воспроизводимого частотного диапазона, как правило, высокочастотного. Другая проблема – сам процесс цифровой модуляции порождает внеполосное излучение, сопоставимое с основным излучением (рис. 4), и чтобы поместиться в спектральную маску, приходится сильно снижать мощность передатчика.

Рис. 4. Спектр излучения цифрового передатчика (не Lectrosonics)

Достоинства и недостатки систем хорошо видны на рис. 5. Гибридные и аналоговые передатчики могут работать на полную мощность, не выходя за дозволенные границы, цифровым же передатчикам приходится оперировать гораздо меньшими мощностями.

Рис. 5. Огибающие спектров

Интермодуляция

Бич многоканальных радиосистем – интермодуляция. При близком расположении антенн нескольких передатчиков, часть мощности одного передатчика через антенну второго передатчика проникает в выходной каскад оконечного усилителя (ОУ). В результате на выходе ОУ полезный сигнала взаимодействует с сигналом «мешающего» передатчика, образуя новые сигналы (интермодуляционные искажения), которые поступают в эфир (рис. 6).

Рис. 6. Интермодуляционные искажения

Интермодуляционные (ИМ) искажения делятся на четные и нечетные. ИМ искажения 2-го порядка проявляются в виде суммы и разности входных сигналов ƒ1±ƒ2:

ИМ искажения 3-го порядка рассчитываются по формулам 2׃1±ƒ2, 2׃2±ƒ1:

Учет ИМ искажений 3-го порядка особенно важен при выборе рабочих частот, поскольку равномерно распределив частоты в заданном диапазоне, вы столкнетесь с ситуацией, когда продукты ИМ 3-го порядка будут приходиться строго на выбранные частоты (рис. 6). Например:

Рекламные проспекты ряда производителей уверяют, что от ИМ страдают только аналоговые радиомикрофоны, цифровые же напрочь лишены подобных проблем. Но на рис. 7 мы видим как два цифровых передатчика создают две равноудаленные ИМ помехи. Конечно, амплитуда ИМ помех почти на 30дБ меньше амплитуды полезных сигналов, и в нормальных условиях процедура коррекции ошибок легко справится с напастью. Но стоит передатчику оказаться в неблагоприятных условиях, и ИМ даст о себе знать: приемник запросто может переключиться с полезного сигнала на продукт ИМ.

Рис. 7. Интермодуляционные искажения в цифровых передатчиках

И раз уж проблема существует, инженеры Lectrosonics не стали закрывать на нее глаза. В гибридных передатчиках Lectrosonics применяет дорогое, но очень эффективное решение – изолятор (рис. 8). Устройство располагается в выходном каскаде между выходным ОУ и антенной, и работает как гейт, препятствующий проникновению сигналов соседних передатчиков через антенну в ОУ.

Рис. 8. Изолятор на плате передатчика Lectrosonics HM

Изоляторы очень дороги и имеют немалые размеры, поэтому не встречаются в ординарных радиомикрофонах. Но высокая стоимость и размеры с лихвой окупаются при эксплуатации многоканальных систем в неблагоприятных условиях мегаполисов.

Врожденная помехоустойчивость

FM радиоприемники обладают уникальной особенностью: из двух сигналов, принимаемых на одной частоте, приемник выберет (детектирует) более сильный сигнал, а слабый сигнал будет игнорироваться. Данный феномен называется явлением захвата и присущ только приемникам частотной модуляции. Минимальная разница между сильным

Рис. 9. Коэффициент захвата FM приемника

сигналом и слабым называется коэффициентом захвата, и у гибридных систем Lectrosonics составляет 3-4дБ (рис. 9). Что это дает? Во-первых, высокую помехоустойчивость без дополнительных технических ухищрений. Во-вторых, значительное увеличение дальности приема. Поскольку мощность передаваемого сигнала падает пропорционально расстоянию, приемник и передатчик гибридной (аналоговой) системы можно разнести гораздо дальше, приемник будет работать, пока сигнал хотя бы на 3дБ превосходит шум. Для устойчивой работы цифрового приемника разница между сигналом и шумом должна быть не менее 12-14дБ.

Дальнобойность гибридных систем наглядно продемонстрирована в ролике, снятом инженерами Lectrosonics во время испытаний на автобане. Да-да, на автобане! Дистанции в концертных залах слишком простая задача для этих систем.

Видео 1. Тестирование радиосистемы на автобане

В зоне неуверенного приема

В зоне неуверенного приема сигнал передатчика падает до уровня шумов (рис. 10). Приемники разных типов ведут себя в данной ситуации по-разному.

Рис. 10. Зона неуверенного приема

В цифровых приемниках звук либо резко пропадает, либо из-за «выпадения» данных на выходе прорывается цифровой шум (рис. 11).

Аналоговые приемники за счет явления захвата будут продолжать работать, воспроизводя звук пусть и более низкого качества, с большим уровнем шумов, но не обрывая его, пока не сработает пороговый шумоподавитель (рис. 11).

Гибридные приемники продержатся еще дольше. Однако, подобно аналоговым системам, жертвовать качеством звука в угоду дальности приема гибриды не могут. Наступит момент, когда звук резко пропадет из-за большого количества ошибок в цифровом потоке. Пальму первенства по дальности приема держат цифровые системы с технологией расширенного спектра, например упоминавшаяся ранее система Lectrosonics D4 (рис. 11).

Рис. 11. График зависимость качества приема от расстояния

Для того, чтобы выжать из канала передачи все возможное, в гибридных приемниках применяется не пороговая, а адаптивная система шумоподавления – SmartSquelch. Алгоритм подавителя непрерывно анализирует аудиосигнал, цифровой поток и уровень радиосигнала, определяя момент запирания канала. Адаптивный шумоподавитель в гибридных системах работает автоматически, без специальных настроек и установок.

Компандер

Динамический диапазон аудиосигнала значительно шире динамического диапазона радиоканала. Во избежание потерь слабых сигналов и для более эффективного заполнения канала передачи во всех аналоговых радиомикрофонах применяются компандеры (рис. 12). Сигнал перед прохождением через радиотракт компрессируется, то есть слабые сигналы усиливаются, а сильные ослабляются. На приемной стороне экспандер восстанавливает исходный динамический диапазон.

Рис. 12. Принцип работы компандера

Однако обработка аудиосигнала однодиапозонным компандером приводит к искажению звука, поскольку НЧ, СЧ и ВЧ сигналы очень разные и требуют индивидуального подхода. Избежать проблем позволяют многополосные компандеры, но они не применяются в радиомикрофонах.

В цифровых системах компандеры не применяются вообще, а вот о гибридных поговорим позднее.

Частотный диапазон

Мы уже обсуждали, что ограничения, накладываемые спектральной маской на внеполосные излучения, вынуждают производителей цифровых радиомикрофонов искать баланс между мощностью передатчиков и плотностью цифрового потока. Консенсус чаще всего заключается в сокращении ВЧ диапазона до 15-17кГц.

Аналоговые и гибридные системы передают весь частотный диапазон без изменений. На рис. 13 представлена АЧХ гибридной радиосистемы Lectrosonics R400.

Рис. 13. АЧХ гибридной радиосистемы Lectrosonics R400

Обрезные НЧ фильтры применяются по усмотрению пользователя в зависимости от условий эксплуатации. Например, репортаж с улицы с оживленным автомобильным трафиком сопровождается большим количеством низких частот, и обрезной фильтр поможет избежать перегрузки микрофона.

Итоги

Можно признать: гибридизация явно пошла радиомикрофонам на пользу. Очевидные преимущества гибридных систем:

• Возможность использования передатчика на полную мощность
• Высокая естественная помехоустойчивость
• Отсутствие компандера в тракте и, как следствие, отсутствие искажений
• Адаптивная система шумоподавления
• Плоская АЧХ
• Передача полноценного диапазона частот (40—20000Гц)
• Обратная совместимость с системами

Обратная совместимость с системами означает, что все гибридные радиомикрофоны Lectrosonics могут работать как в гибридном, так и в аналоговом режиме со всем ранее выпускавшимся Lectrosonics оборудованием.

Как же работает гибридная система

Гибридную систему очень упрощенно можно представить симбиозом цифрового аудио и аналогового радио трактов. Но как инженерам Lectrosonics удалось адаптировать оцифрованный звуковой поток к передаче методом частотной модуляции? Ответ – мощный процессор и алгоритм предсказаний.

Схема работы примерно такова: входящий звуковой сигнал оцифровывается с частотой 88,2кГц и преобразуется в 24-битный цифровой поток. Процессор анализирует цифровой поток и предсказывает структуру каждого последующего фрагмента. Предсказанный вариант сравнивается с действительным и если есть различия, генерируется сигнал расхождения, если различий нет … ничего не генерируется.

Сигнал расхождения кодируется DA конвертером, пропускается через компандер и передается с использованием широкополосной частотной модуляции. Обратите внимание - компандер применяется только к сигналу расхождения, но не применяется к исходному аудиосигналу. Внутри приемника DSP восстанавливает 24-битный цифровой поток и преобразует в аналоговый аудиосигнал.

Подобное решение позволило значительно сократить количество передаваемой информации, без малейшего вмешательства в исходный цифровой сигнал. Кстати сказать, алгоритмы предсказаний часто применяются в цифровой технике. Например, модуль предсказания переходов в современных процессорах Intel^® предельно сокращает время простоя процессора, ведь точность современных методов предсказания более 90%!

Работа гибридного передатчика выглядит несколько странно на анализаторе спектра. Например, когда передается чистая синусоида, алгоритм предсказаний работает со 100% достоверность, и мы видим только сигнал несущей частоты. Когда гибридные системы были только представлены миру, на фабрику Lectrosonics поступил звонок с одной из ТВ станций, в числе первых внедривших новинку. Для калибровки системы инженер подал на передатчик тестовый сигнал 1кГц. Затем взглянул на экран анализатора и был крайне удивлен, увидев только полосу несущей частоты, при том, что приемник без проблем выдавал тестовый сигнал. В недоумении инженер обратился на фабрику за комментариями.

Конечно, возникает вопрос, сколько времени требуется на обработку сигнала подобными методами? Оказывается совсем немного. Суммарная задержка сигнала при прохождении через гибридную систему составляет порядка 3,2мс.