Alex Milne,

W jaki sposób anteny zewnętrzne poprawiają stosunek sygnał/szum

Jeśli chodzi o jakość bezprzewodowego sygnału audio, to nic nie jest ważniejsze niż utrzymanie doskonałego stosunku sygnału do szumu (SNR). Nic!

Utrzymywanie możliwie najlepszego stosunku sygnału do szumu (SNR) jest najbardziej efektywnym (chociaż nie jedynym) ze sposobów ograniczenia zaników sygnału oraz zakłóceń w przypadku wszelkiego typu urządzeń bezprzewodowych. Istnieje wiele sposobów poprawy SNR, jednakże starannie dobrane miejsce oraz ustawienie zdalnych anten może być najprostszym i ogólnie dostępnym z tych sposobów.

Na początku zdefiniujmy SNR

Stosunek sygnał/szum to stosunek amplitudy sygnału użytecznego do amplitudy szumu otoczenia lub innych sygnałów, które można traktować jako konkurencyjne. Pomiary SNR są stosowane w wielu różnych systemach i komponentach w łańcuchu sygnału audio, takich jak mikrofony oraz wzmacniacze, ale w przypadku łączności bezprzewodowej mamy na myśli stosunek sygnału do szumu amplitudy sygnału radiowego (pochodzącego z mikrofonu bezprzewodowego lub nadajnika systemu IEM) w porównaniu do amplitudy otaczających szumów radiowych i mierzonych na stopniu wejściowym odbiornika (wejściu antenowym).

Zewnętrzne anteny poprawiają SNR na jeden z dwóch sposobów, co może zapewnić korzyści użytkownikowi zarówno niezależnie, jak również w ich połączeniu.

(Tutaj powinniśmy zatrzymać się, aby zdefiniować „antenę zewnętrzną„ lub „antenę zdalną” jako każdą antenę podłączoną do kabla koncentrycznego i umieszczoną w miejscu innym niż bezpośrednie podłączenie do portu antenowego odbiornika lub rozdzielacza sygnału antenowego, niezależnie od tego, czy przewód ma długość jednego czy stu metrów.)

Zewnętrzne anteny poprawiają SNR dzięki mniejszej odległości między elementami systemu.

W przypadku przesyłania sygnałów radiowych w powietrzu, ich amplituda (siła sygnału) jest tłumiona zgodnie z prawem odwrotności kwadratu. Jeśli odległość między nadajnikiem zostanie podwojona, amplituda sygnału odbieranego przez odbiornik będzie czterokrotnie mniejsza.

Prawo odwrotności kwadratu

Ponieważ zdalne anteny przekazują sygnały radiowe za pośrednictwem kabla koncentrycznego do odbiornika, a nie za pośrednictwem powietrza, większa część sygnału odbieranego przez antenę jest dostarczana do odbiornika. W wyniku takiego rozwiązania stosunek sygnału do szumu w odbiorniku jest zwykle bardziej korzystny, jeśli zdalna antena jest umieszczona gdzieś bliżej mikrofonu bezprzewodowego lub odbiornika IEM i połączona z odbiornikiem za pośrednictwem kabla koncentrycznego.

Tutaj należy przybliżyć dość ważne kwestie. Przewody koncentryczne (współosiowe) również powodują utratę siły sygnału, które będziemy nazywać „tłumieniem linii” lub „stratami w linii transmisyjnej”. Stopień utraconego sygnału w przewodzie zależy od rodzaju użytego przewodu koncentrycznego, a także od innych czynników jak częstotliwość sygnału, złącza, a także występujących uszkodzeń przewodu. Przewód 50-omowy RG8X, który jest branżowym standardem, powoduje stratę sygnału wynoszącą około 10 dB przy długości 100 stóp. Często dodatkowy zysk wynikający z zastosowania zewnętrznej anteny jest w stanie zrekompensować tę stratę. Jeśli jednak przewody koncentryczne mają długość przekraczającą 30 metrów, zalecane jest użycie przewodów o mniejszym poziomie tłumienia linii lub też użycie wzmacniaczy sygnału antenowego typu in-line. W przypadku zastosowania tych wzmacniaczy należy zachować szczególną ostrożność, ponieważ zmniejszają też one SNR przez wprowadzanie dodatkowych szumów, a także mogą doprowadzić do łatwego przeciążenia stopnia antenowego odbiornika.

(Niedogodności związane z tłumieniem linii przewodów koncentrycznych można zniwelować przez użycie niedrogiego systemu konwersji sygnału RF do przesyłania go światłowodem, takiego jak platforma RF Venue OPTIX. Urządzenia „RF over fiber-optic” konwertują fale radiowe na fale świetlne i przesyłają sygnały mikrofonów bezprzewodowych oraz systemów IEM za pośrednictwem jednomodowego światłowodu, który praktycznie nie wprowadza żadnych strat w linii przesyłowej.)

Anteny poprawiają SNR dzięki kierunkowości swojego działania

Anteny są w stanie w istotny sposób kształtować i koncentrować pole energii fal radiowych, które są przesyłane między nadajnikiem a odbiornikiem. Antena, która w dużym stopniu koncentruje energię radiową, jest określana jako „kierunkowa”. Antena kierunkowa ma zwiększoną czułość na fale radiowe z jednego kierunku i zmniejszoną czułość w innych kierunkach. Kierunkowość jest zwykle określana w decybelach (dB) i opisywana jako „zysk anteny”. W związku z tym antena o wysokim zysku (zazwyczaj 6 dB lub więcej) jest bardziej kierunkowa niż antena o niskim zysku (zazwyczaj 6 dB lub mniej), ale ma bardziej zawężony i skoncentrowany obszar zasięgu niż w przypadku anteny o niskim zysku, która to odbiera energię radiową bardziej równomiernie ze wszystkich kierunków.

Najpopularniejsze zewnętrzne anteny kierunkowe, które są obecnie używane, to anteny LPDA (również znane jako antena „paddle” lub „płetwa rekina”) oraz anteny spiralne (przykładem może tu być antena Shure PASSIVE paddle oraz RF Venue CP Beam). Te obydwa typy anten o wysokim zysku mogą być rozpatrywane jako tworzące wiązki odbioru lub transmisji, które są bardziej skoncentrowane niż w przypadku anten o niskim zysku. Gdy są one skierowane na wykonawcę, to powodują one zwiększenie siły sygnału nadajników w tym kierunku i zmniejszenie siły sygnałów oraz szumów z innych kierunków. Jeśli więc te anteny zostaną prawidłowo umieszczone, a przewód koncentryczny będzie miał rozsądną długość, taka konfiguracja spowoduje radykalne polepszenie sygnału do szumu, a tym samym zwiększenie odporności systemu na zanikanie sygnału.

Anteny o niskim zysku, które cechują się wszechkierunkowym wzorem zasięgu, mogą być również umieszczane zdalnie w celu poprawy SNR (pod warunkiem, że są właściwie uziemiane). Takie anteny jak pasywna antena wszechkierunkowa Shure UA860SWB lub antena RF Venue Spotlight, które są bardzo często używane w dużej bliskości względem mikrofonów bezprzewodowych w celu poprawy SNR. Również, jeśli obszar pokrycia jest wszechkierunkowy, jak jest to w przypadku anteny Shure UA860SWB lub półkulisty, jak w przypadku anteny RF Venue Spotlight, tworzą one „bańkę” bliskiego pola pokrycia, która ma skłonność do obejmowania nadajników znajdujących się wewnątrz tej bańki i izolowania źródeł szumów oraz zakłóceń znajdujących się poza tą bańką. Zamieszczone poniżej video może przybliżyć istotę tego zagadnienia.

https://youtu.be/OldzEPEHhv4

(Na ilustracji znajdującej się poniżej znajdują się wykresy biegunowe dla anteny o niskim zysku RF Spotlight (z lewej strony) oraz anteny o wysokim zysku CP Beam (z prawej strony)).

Wykres biegunowy dla anteny o niskim zysku RF Spotlight – z lewej strony oraz anteny o wysokim zysku CP Beam – z prawej strony

Podsumowanie

Wielu profesjonalistów zajmujących się dźwiękiem jest bardzo zadowolonych z używania standardowych anten, które są podłączone do odbiorników zamontowanych w rackach. Często zdarza się, że ci profesjonaliści doświadczają niewielkich zakłóceń, ale nie stanowi to tak istotnego problemu, aby zaczęli oni korzystać z anten zewnętrznych.

Chociaż wcześniejsze stwierdzenie jest budujące, prawda jest jednak taka, że odpowiednio wdrożone anteny zewnętrzne i okablowanie poprawiają wydajność praktycznie każdego systemu bezprzewodowego. Tak więc, jeśli doświadczymy jednego lub dwóch krótkich zaników sygnału podczas występu, gdy korzystamy ze standardowych anten dipolowych, przejście na anteny zewnętrzne może je całkowicie wyeliminować. Co więcej, zarówno w USA, jak również w Wielkiej Brytanii widmo UHF, w którym działają mikrofony bezprzewodowe oraz systemy monitoringu dousznego, jest coraz mniej dostępne. W tym roku FCC planuje sprzedać całe lub większą część pasma 600 MHz, które ma być przeznaczone na potrzeby usług mobilnych. Brytyjski OFCOM niedawno potwierdził plany oczyszczenia widma 694-790 MHz najpóźniej do 2022 roku, choć zmiana ta prawdopodobnie nastąpi w roku 2019.

Nawet jeśli nasz system dzisiaj funkcjonuje dobrze, w najbliższej przyszłości ten stan może ulec zmianie. Jeśli w przyszłości profesjonaliści audio chcą nadal używać bezprzewodowych urządzeń audio w tej samej liczbie oraz z taką samą niezawodnością jak obecnie, a wszystko wskazuje, że dostępne widmo będzie jeszcze bardziej ograniczone oraz liczba różnego typu urządzeń bezprzewodowych wzrośnie niewspółmiernie, będą musieli oni nauczyć się używać wcześniej nieznanych narzędzi – takich jak anteny zewnętrzne, systemy filtracji sygnałów, analizatory widma czy programy koordynacji częstotliwości transmisji – w celu utrzymania dotychczasowego poziomu satysfakcji swoich klientów.

O naszym gościu:

Alex Milne jest autorem artykułów publikowanych na łamach Audio Gloss, bloga prowadzonego przez RF Venue, Inc., amerykańskiego producenta wielu innowacyjnych produktów, dzięki którym dźwiękowe systemy bezprzewodowe działają i brzmią znacznie lepiej. Firma ta specjalizuje się w zdalnych antenach, sprzęcie dystrybucji sygnału antenowego oraz zarządzaniu sygnałem RF, a także w systemach monitoringu dla instalacji audiowizualnych i wydarzeń związanych z dźwiękiem realizowanym na żywo.

O autorze:

Alex Milne

Alex is a guest contributor and writes full-time for Audio Gloss  (a blog by RF venue). RF Venue manufactures innovative products that make wireless audio systems work and sound better.