Dlaczego przyszłość systemów bezprzewodowych jest cyfrowa

Tuomo Tolonen, menedżer w Shure UK Pro Audio Group wyjaśnia, co napędza rozwój cyfrowych systemów bezprzewodowych i jak mogą one skorzystać z nowoczesnej inżynierii częstotliwości radiowych.

Na początku odsłońmy część historii. W profesjonalnej branży audio dobrze znany jest fakt, że czyste widmo dostępne dla mikrofonów bezprzewodowych oraz monitorów dousznych kurczy się. W kolejnych latach po przejściu na telewizję cyfrową (DSO) zauważamy, że ilość spektrum dostępnego dla naszej branży została znacznie zmniejszona. Najpierw, w 2012 roku, było pasmo 800 MHz (790-862 MHz), które otworzyło drogę dla następnej generacji szerokopasmowej telefonii komórkowej (4G). W kolejnym kroku OfCom ogłosił plan oczyszczenia pasma 700 MHz w najbliższych latach. 17 października 2016 OfCom ogłosił, że użytkownicy PMSE muszą zwolnić pasmo 700 MHz do maja 2020. W krótkim czasie zostanie nam odebrany dostęp do prawie 50% użytecznego widma. Warto zauważyć również, że wprowadzane dodatkowe rozwiązania obejmowały przyznanie tak zwanym urządzeniom „białych plam” zezwolenia na działanie jako drugorzędni użytkownicy w paśmie UHF – co spowodowało wprowadzenie nielicencjonowanych użytkowników i tym samym mało przewidywalnych źródeł potencjalnych zakłóceń. Krótko mówiąc, następuje coraz większe zagęszczenie fal radiowych, ponieważ technologia bezprzewodowa jest coraz szerzej wykorzystywana przez różnego typu branże, które potrzebują więcej zasobów do zapewnienia funkcjonowania naszego cyfrowego życia.

Ten wzrost zapotrzebowania na spektrum bezprzewodowe i wynikające z tego jego intensywne wykorzystywanie wywarły wyraźny nacisk na producentów systemów bezprzewodowych i skłoniły ich do opracowania nowej technologii pozwalającej na utrzymanie dotychczasowego poziomu ich wydajności w coraz trudniejszych warunkach wynikających z ograniczania widma.

Wejdź w świat cyfrowych systemów bezprzewodowych

Technologia dostępna do zaprojektowania profesjonalnej jakości cyfrowych systemów bezprzewodowych obecnie osiągnęła poziom, który pozwala na wykorzystanie większej liczby kanałów w mniejszym zakresie widma. Zwiększona wydajność sprowadza się do bardziej przewidywalnego odchylenia cyfrowych sygnałów bezprzewodowych w porównaniu do sygnałów analogowych modulowanych częstotliwościowo. Dzięki temu możliwe jest zmniejszenie odległości między poszczególnymi kanałami – częstotliwościami transmisji bezprzewodowej. W wielu przypadkach systemy cyfrowe mogą zapewnić prawie dwukrotnie większą liczbę kanałów w takiej samej szerokości pasma w porównaniu do analogowych odpowiedników. Jednocześnie nie powinniśmy upraszczać całego zagadnienia i myśleć, że skoro system jest cyfrowy, oznacza to, że jest bardziej efektywny. Niezwykle istotnym kryterium w określeniu wydajności transmisji w kontekście wykorzystania widma jest liniowe działanie nadajnika oraz skuteczność pracy filtrów w odbiorniku. Z reguły im wyższa cena systemu, tym lepsza wydajność jego pracy. I na koniec, właściwa koordynacja częstotliwości radiowych oraz stosowanie się do wytycznych sprawiają, że duże systemy bezprzewodowe mogą działać bez większych problemów.

Stale kurczące się czyste widmo oraz rosnące z każdym dniem wymagania wobec mikrofonów bezprzewodowych oraz systemów odsłuchu dousznego sprawiają, że cyfrowa technologia bezprzewodowa będzie odgrywać coraz bardziej istotną rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa przyszłości mikrofonów bezprzewodowych podczas ważnych wydarzeń. Argument odnoszący się do widma radiowego jest jasny, ale co z dźwiękiem? Jakie jest brzmienie systemów cyfrowych w porównaniu do ich analogowych odpowiedników?

Jednym z najbardziej emocjonujących tematów w branży jest porównywanie dźwięku analogowego z dźwiękiem cyfrowym. Chociaż wnioski są w większości przypadków subiektywne dla różnych urządzeń (miksery, procesory, HiFi, itp.), w rzeczywistości systemy bezprzewodowe są nieco inne. W przypadku mikrofonów bezprzewodowych główna różnica między domeną analogową a cyfrową tkwi w sposobie modulowania częstotliwości nośnej. Większość analogowych systemów bezprzewodowych wykorzystuje modulację częstotliwości (Frequency Modulation – FM). Chociaż praktyka pokazała, że jest to bardzo dobry i zapewniający dobre rezultaty sposób bezprzewodowej transmisji dźwięku, istnieją pewne ograniczenia dla FM. W porównaniu do nich systemy cyfrowe mają możliwość działania w środowisku o znacznie gorszym stosunku nośnej do szumów, co oznacza, że nawet w niekorzystnych środowiskach radiowych można uzyskać czysty dźwięk.

W celu zapewnienia wysokiego zakresu dynamiki, systemy analogowe wykorzystują proces określany jako „companding”. Polega on na tym, że dźwięk jest kompresowany w nadajniku w celu dostosowania do ograniczonego zakresu dynamiki transmisji radiowej, a następnie w odbiorniku następuje jego dekompresja. Ten proces, choć prawie nie do wykrycia w większości wysokiej jakości systemów analogowych, może cały czas wprowadzać słyszalne artefakty – takie jak „pompowanie” czy „oddychanie”. Cyfrowe systemy bezprzewodowe dokonują konwersji dźwięku na sygnał cyfrowy, który moduluje nośną w krokach dyskretnych (w kodzie binarnym – zer i jedynek). Ponieważ transmisja sygnału cyfrowego nie wymaga użycia kompandera, możliwe jest uzyskanie dźwięku o szerszej i płaskiej charakterystyce częstotliwościowej. Inaczej mówiąc, cyfrowy sygnał audio dociera do odbiornika w stanie niezmienionym przez połączenie radiowe.

Wydajność w zakresie wykorzystania widma oraz klarowność dźwięku są głównymi zaletami cyfrowych systemów bezprzewodowych, ale korzyści, które oferują, na tym się nie kończą. Operatorzy cyfrowych systemów bezprzewodowych mogą również spodziewać się większej żywotności baterii, jak również zapewnienia wyższego poziomu prywatności dzięki szyfrowaniu transmisji. Ma to szczególne znaczenie w przypadku wydarzeń, gdzie poufność informacji ma ogromne znaczenie, np. podczas konferencji w firmach.

Podsumowanie

Najważniejsze w tym wszystkim jest to, że cyfrowa technologia bezprzewodowa osiągnęła punkt, w którym możemy wykorzystać wiele zalet, aby sprostać wyzwaniu, jakie stawia nasze nowoczesne środowisko radiowe. I chociaż systemy analogowe nie będą wprowadzać opóźnienia sygnału, to nawet pewna wada systemów cyfrowych w tym zakresie (opóźnienie krótsze niż trzy milisekundy w systemach cyfrowych Shure) nie jest na tyle istotna, aby przeciwstawiać ją ogromnym zyskom w obszarze wydajności widmowej. Co więcej, nic nie wskazuje, aby sytuacja uległa poprawie. Komunikacja bezprzewodowa (w szczególności mobilna) jest już mocno zakorzeniona w naszym codziennym życiu i będzie się rozwijać w szybkim tempie. Konsumenci będą nadal oczekiwać większej liczby rozwiązań bezprzewodowych, połączonej z funkcjonalnością plug-and-play, a wszystko to powinno działać w coraz to bardziej ograniczonym widmie. Kontynuowanie rozwoju cyfrowych systemów bezprzewodowych o dużej wydajności spektralnej jest jednym z kluczowych sposobów, dzięki któremu będzie można działać na poziomie, którego oczekuje publiczność w stale pogarszających się warunkach pracy.

Dalsze informacje o częstotliwościach

O autorze:

Tuomo Tolonen

Tuomo is Pro Audio Group Manager at Shure UK. He has a great interest in all things RF and often is on-site at events to assist with RF co-ordination. In his spare time Tuomo still talks about RF and recently entered the Guinness Book of Records for talking about wireless for 72 hours straight.

Being from Finland but having lived in Germany, the U.S. and now the U.K. Tuomo is an Arsenal and Bayern Munich fan, and switches his support throughout the season. In addition he is German during world cups, Finnish during Winter Olympics, and English between June and September when the weather is good.