Alex Milne,

W kolejny artykuł dotyczący umieszczania anten systemów bezprzewodowych audio swój wkład ma nasz gość – Alex Milne z firmy RF Venue, Inc. Firma, w której pracuje, jest amerykańskim producentem wielu innowacyjnych produktów, dzięki którym dźwiękowe systemy bezprzewodowe działają i brzmią znacznie lepiej. W celu uzyskania dodatkowych informacji na temat Alexa Milne zachęcamy do poznania jego biografii, która znajduje się na końcu tego artykułu.

Wireless-Audio-Antenna-Placement-blog

1. Przygotowanie i zapewnienie pracy w zasięgu wzroku:

W terminologii radiowej w przypadku produkcji wydarzeń rozrywkowych, praca w zasięgu wzroku odnosi się do fal radiowych, które biegną prosto i bezpośrednio między anteną nadajnika a anteną odbiornika. Kluczową sprawą jest to, aby anteny różnego typu było rozmieszczone w taki sposób, aby zapewniona była bezpośrednia widoczność między wykonawcami a sprzętem rack, w konfiguracji, która minimalizuje obecność przeszkód w linii bezpośredniej widoczności.

Niestety nie zawsze możliwe jest zapewnienie bezpośredniej widoczności urządzeń radiowych. Nawet w przypadku, gdy wszystko jest dobrze rozmieszczone, ruch wykonawców na scenie nieuchronnie co pewien czas prowadzi do pojawiania się ciał lub elementów scenografii między antenami. W takiej sytuacji antena odbiorcza chwilowo traci kontakt z sygnałem przekazywanym przez falę radiową, która dociera do niej w sposób bezpośredni, a wówczas odbiornik przechwytuje następny najsilniejszy sygnał na ustawionej częstotliwości transmisji. Zazwyczaj tym sygnałem jest fala, która uległa wielokrotnym „odbiciom” od ścian i innych materiałów, i pochodzi z tego samego nadajnika – mikrofonu radiowego wykonawcy lub też zamontowanego w skrzyni rack nadajnika systemu odsłuchu dousznego (IEM).

Fale wielodrogowe przekazują sygnał, który zawiera tę samą informację audio, ale ponieważ są one pochłaniane i wielokrotnie odbijane przez różne materiały i przeszkody znajdujące się w budynku lub na wolnym powietrzu, mają słabszą amplitudę niż fale, które docierają bezpośrednio.

Prawdopodobieństwo pojawienia się zjawiska interferencji w przypadku fal wielodrogowych (gdy dwie fale o podobnej amplitudzie docierają do odbiornika i są niezgodne w fazie o 180 stopni), jest znacznie większa, gdy anteny odbiorcze systemu różnicowego są w zasięgu wielu odbitych fal o podobnych amplitudach, w porównaniu do jednej silnej fali odbieranej przy bezpośredniej widoczności i towarzyszących jej relatywnie słabych falach odbitych. Nowoczesne odbiorniki dobrze radzą sobie z propagacją wielodrogową ze względu na znakomitą czułość i inteligentne obwody przełączania różnicowego. Jednakże nawet najlepsze odbiorniki, niezależnie od tego ile kosztują, muszą uwzględniać istotę praw fizyki i będą narażone na częste zaniki sygnału, jeśli nie będzie zapewniona bezpośrednia widoczność między nadajnikiem a odbiornikiem.

2. Przygotowanie i zapewnienie pracy w zasięgu wzroku

Poważnie. Jest to bardzo ważne i ma zastosowanie do wszystkich anten nie tylko do anten zewnętrznych typu paddles oraz śrubowych. Zapewnienie stałej bezpośredniej widoczności jest najważniejszą procedurą w projektowaniu rozmieszczenia anten w celu uzyskania minimalnych zaników sygnału oraz zakłóceń. Zasłanianie i przerywanie bezpośredniej widoczności jest jednym z największych zagrożeń dla zapewnienia niezawodnego dźwięku bezprzewodowego.

Niektóre z najczęściej popełnianych błędów związanych z zapewnieniem bezpośredniej widoczności:

  • Anteny biczowe/dipolowe umieszczone na tylnej ścianie racka, w zamkniętej obudowie lub szafce na sprzęt. W takich przypadkach nie ma mowy o bezpośredniej widoczności
  • Podniesienie anten do takiej wysokości, aby zapewnić bezpośrednią widoczność w przypadku pustych przestrzeni prezentacji lub audytorium, ale już niżej niż wysokość stojącej widowni po rozpoczęciu wydarzenia. Ludzkie ciała pochłaniają fale radiowe jak gąbka. W miejscach, gdzie publiczność może stać, anteny należy umieścić na statywach na wysokości przynajmniej dwóch metrów (siedmiu stóp) lub też anteny należy zamontować na bokach obiektu na suficie lub podestach czy kratownicach lub w lewym lub prawym skrzydle.
  • Elementy anteny znajdujące się w kontakcie z metalami lub innymi przewodzącymi materiałami (a także w ich pobliżu). Jeśli nawet pojedynczy niewielki element anteny (odsłonięte wydłużenie, które rezonuje z energią RF) będzie mieć kontakt z jakimkolwiek metalem, który znajduje się obok niego, jak np. kratownica, wówczas antena będzie działać bardzo nieprzewidywalnie, albo wcale, ponieważ wzór energii będzie deformowany przez metalową strukturę, która jest w kontakcie z tym elementem.

3. Bliżej znaczy lepiej:

Zapewnienie najlepszego stosunku sygnału do szumu (SNR) jest jednym z ważnych celów większości wdrożeń systemów antenowych. Ponieważ fale radiowe rozpraszają się w sposób nieliniowy zgodnie z prawem odwróconego kwadratu, zmniejszenie odległości między anteną odbiorczą a nadawczą znacząco poprawia SNR.

W przypadku środowiska związanego z dźwiękiem realizowanym na żywo antena FOH umieszczona w odległości 15 metrów od sceny przy stanowisku inżyniera dźwięku będzie odbierać czterokrotnie niższy poziom energii niż ta sama pozycja FOH, która ma, powiedzmy, anteny 7 dBd typu paddle umieszczone 7,5 metra bliżej sceny i podłączone do odbiornika przy użyciu niskostratnego przewodu koncentrycznego o długości 7,5 metra.

Anteny o bardzo wąskim zakresie kierunkowości mogą mieć zbyt zawężony zasięg, aby można było umieszczać je zbyt blisko nadajników. Anteny z zyskiem przekraczającym 10 dBd mogą nie zapewniać wystarczającego pokrycia dla całej przestrzeni, jeśli będą znajdować się zbyt blisko obszaru, w którym pracują nadajniki. Wykonawcy będą skutecznie wychodzić poza obszar odbioru sygnału, za każdym razem, gdy będą oni przechodzić na skrajnie lewą lub prawą stronę sceny. Kąt wiązki wzdłuż poziomego oraz pionowego azymutu, parametr przedstawiany przez większość producentów anten, jest używany do zgrubnego oszacowania prawidłowej odległości od sceny w oparciu o wzór zasięgu. Może być on porównany do „kąta pokrycia” teleobiektywu aparatu fotograficznego lub teleskopu. Im ten kąt jest mniejszy, tym bardziej zawężony i skupiony wzór zasięgu.

4. Zrozumienie ERP:

W taki sam sposób, w jaki wzmocnienie sygnału audio musi być zarządzane pomiędzy poszczególnymi urządzeniami i połączeniami w systemie dźwiękowym, struktura wzmocnienia w systemie RF musi być również zaprojektowana bardzo starannie.

Użyteczną koncepcją w projektowaniu systemów radiowych jest „ERP” (Effective Radiated Power – skuteczna moc promieniowania). Zasady ERP są proste. Jest to moc wyjściowa lub moc otoczenia pochodząca od nadajnika, plus zysk anteny minus tłumienie i straty powodowane przez przewody i połączenia między anteną a urządzeniem odbiorczym. Ważne jest to, aby wiedzieć jak działa ERP, ponieważ musimy zrozumieć, jakie relacje występują między siłą sygnału, zyskiem anteny oraz stratami w przewodach koncentrycznych, aby dokładnie znać zmiany w wielkości wzmocnienia lub straty sygnału RF przez antenę, przewody oraz inne akcesoria wykorzystywane do dystrybucji sygnału antenowego.

Wzmocnienie (zysk) sygnału radiowego jest mierzone w tych samych jednostkach co wzmocnienie sygnału audio – decybelach. Jest to uproszczone stwierdzenie, ale możliwe do przyjęcia z powodu „bezwymiarowej” jakości decybela jako jednostki miary, co jest odrębnym tematem na inną okazję.

Zysk RF w decybelach reprezentuje amplitudę, czyli siłę wzmocnienia lub tłumienia sygnału radiowego, jaką dane urządzenie lub połączenie dodaje lub odejmuje w torze sygnałowym lub też amplitudę sygnału RF mierzonego w środowisku w danym punkcie łańcucha urządzeń.

Gdy korzystamy ze zdalnych anten oraz systemu dystrybucji sygnału antenowego, wyjście nadajnika (bez względu na to, czy nadajnikiem jest mikrofon znajdujący się na scenie czy też jest to nadajnik systemu IEM w racku) jest tylko pierwszym punktem. Fizyczne urządzenia oraz interfejsy – przewody, złącza, anteny oraz wzmacniacze – również mają wpływ na ilość „skutecznej” mocy elektromagnetycznej, która jest promieniowana w przestrzeń lub w przypadku systemów odbiorczych – ilość efektywnej mocy wykrywanej przez odbiornik po przejściu sygnału przez wszystkie elementy w systemie dystrybucji sygnału antenowego.

Jest to o wiele łatwiejsze do pokazania niż opisania. Poniżej jest przedstawiony wzór obliczenia ERP dla konfiguracji IEM:

erp-rf-transmission

Bardziej powszechnym scenariuszem jest konfiguracja odbioru sygnału mikrofonów radiowych. Również tutaj ma zastosowanie ERP, ale w tym przypadku literę „R” w nazwie ERP można interpretować jako efektywną odbieraną moc (Effective Received Power).

erp-rf-reception

Należy zauważyć, że antena odbiorcza z zyskiem +9 dB jest korzystnym rozwiązaniem w przypadku używania niskostratnego przewodu koncentrycznego o długości 15 metrów, ponieważ zysk wprowadzany przez antenę przekracza poziom tłumienia sygnału przez wspomniany przewód, a wynoszący tylko 3 dB. Antena o wysokim poziomie zysku zapewnia dodatkowe 9 dB. W ostatecznym bilansie uzyskuje się poprawę o 6 dB w sile sygnału w miejscu anteny.  

Jednak po przekroczeniu określonej długości przewodu koncentrycznego, straty sygnału, które w nim występują, stają się większe niż zysk wprowadzany przez antenę, co eliminuje większość korzyści wynikających z użycia anteny o dużym zysku.

rf-signal-loss

W przykładzie powyżej odbiornik otrzymuje mniej energii niż to, co było dostępne w lokalizacji zdalnej anteny z powodu nadmiernych strat wynikających z użycia przewodu o długości 45 metrów.

Jest to powszechny problem, który można rozwiązać kilkoma sposobami.

  • Zmniejszenie odległości między wszystkimi elementami systemu (łącznie z rackiem), między wykonawcami a anteną, bez zmiany długości przewodów. Na przykład można przesunąć stanowisko FOH do przodu o kilka rzędów.
  • Użycie anteny o większym zysku.
  • Użycie wzmacniacza typu in-line w celu zrekompensowania strat przewodu. (Wzmacniacze in-line oraz anteny „aktywne” zawsze powinny być użyte z rozwagą. Powodują one wzmocnienie sygnału RF, ale równocześnie powodują też wzmocnienie szumów tła, co prowadzi do zmniejszenia stosunku SNR, a także może prowadzić do łatwego przeciążenia urządzeń odbiorczych, jeśli zostanie wprowadzony zbyt wysoki poziom wzmocnienia sygnału.)
  • Użycie przewodów koncentrycznych o bardzo niskim poziomie strat, jak np. LMR-400 lub LMR-800.
  • Użycie systemu RFoF oraz światłowodów w systemie dystrybucji sygnału antenowego, który zapewnia nieistotny poziom tłumienia sygnału w połączeniach.

5. Rezygnacja z farmy anten:

Z farmą antenową mamy do czynienia wtedy, gdy wiele standardowych anten biczowych/dipolowych znajduje się blisko siebie, zazwyczaj za rackiem.

Farma antenowa jest złym rozwiązaniem z dwóch powodów. Po pierwsze, gdy farmy antenowe znajdują się z tyłu racka, są one izolowane od wykonawcy przez samą obudowę oraz znajdujące się w niej urządzenia elektroniczne. Nawet w przypadku anten zamontowanych na panelu przednim, te zwykle znajdują się na wysokości kolan, a nie jest to właściwe rozwiązanie, ponieważ niezwykle ważne jest zapewnienie bezpośredniej widoczności między nadajnikiem a antenami odbiorczymi! Po drugie, duża liczba anten wszechkierunkowych w małej przestrzeni powoduje wiele potencjalnych konsekwencji elektrycznych i w częstotliwościach radiowych, szczególnie w przypadku anten transmisyjnych. Zniekształcenia intermodulacyjne, interakcje bliskie pola, bliskość zasilaczy sieciowych oraz inne źródła zakłóceń, to główne powody, dla których powinniśmy zrezygnować z farmy antenowej.

Farmy antenowe można łatwo zastąpić systemem dystrybucji sygnału antenowego, który pozwala sygnałom systemów wielokanałowych być przesyłanymi tylko przez dwie lub trzy anteny. Takie rozwiązanie pozwala wyeliminować zasilacze naścienne, listwy zasilające oraz niezliczone przewody, które tworzą bizantyjskie spaghetti kablowe znajdujące się za rackami ze sprzętem bezprzewodowym. Niewątpliwą zaletą jest to, że właściwie skonfigurowany system dystrybucji sygnału antenowego prawie zawsze poprawia jakość i niezawodność dźwięku bezprzewodowego.

O autorze:

Alex Milne jest autorem artykułów publikowanych na łamach Audio Gloss, blogu 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.

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.