Перевод RF Venue - Три основные концепции беспроводного аудио. Часть 1.
Концепция первая: Отношение сигнал/шум
Отношение сигнал/шум (SNR / Signal-To-Noise Ratio) - это отношение амплитуды интересующего сигнала к амплитуде окружающего шумового фона или конкурирующих сигналов. Измерения SNR в цепи аудио сигнала используются во многих системах и компонентах, таких как микрофоны и усилители, но здесь мы говорим об отношении сигнал/шум амплитуды радиосигнала (поступающего с беспроводного микрофона или передатчика IEM) по сравнению с амплитудой окружающего радиошума при измерении на выходе антенны.
В беспроводной системе уровень радиочастотного шума фактически является внешним по отношению к самой системе (хотя, как вы увидите, существует множество способов изменить то, как ваша система воспринимает этот внешний фактор). Радиочастотная шумовая полка - это средний уровень сигналов и посторонних радиоволн в конкретном месте и в данной полосе частот, создающий "шумовой пол" радиочастотной энергии. Разница (как бы вы ее ни измеряли, дБм, мВт и т. д.) между уровнем шума и амплитудой полезного сигнала (вашего сигнала) - это отношение сигнал/шум. Вычисление фактического соотношения редко помогает профессионалам в области аудио и видеотехники. Что действительно важно, так это использовать любую возможность увеличения соотношения SNR между вашим сигналом и окружающими его посторонними сигналами и шумами.
Соотношение сигнал/шум - без сомнения, важнейшее понятие в беспроводном аудио.
На первый взгляд, SNR кажется простой вещью. И концептуально это так. Даже если вы раньше не сталкивались с идеей SNR, вы, вероятно, догадываетесь что это, основываясь только на его названии. Но базового концептуального понимания SNR недостаточно для реального улучшения беспроводной аудио связи. Чтобы добиться значимых изменений, вы должны понимать SNR изнутри и снаружи, а также понимать, как различные технологии и методики изменяют SNR.
SNR и эффект захвата
SNR нельзя обсуждать в контексте беспроводных микрофонов, не обсуждая также эффект FM-захвата, потому что почти все беспроводные микрофоны используют частотную модуляцию (FM) для передачи звука по радиоволнам.
На любой заданной частоте беспроводные микрофонные приемники и другие FM-радиоприемники всегда будут принимать и демодулировать (демодулировать = превращать радиочастоты обратно в звук) самую сильную радиоволну — даже если это окажется шумом или посторонним, полезным, сигналом, который тебе не нужен. RF-инженеры называют это «эффектом захвата».
Вы можете услышать эффект захвата, когда слушаете радиостанции во время длительной поездки на автомобиле. Станция начинает терять прием не постепенно, а сразу. Приемник внезапно переключается с музыки одной станции на музыку другой, или две станции быстро переключаются между собой. В отличие от приемников с амплитудной модуляцией (АМ), в которых сигналы смешиваются друг с другом и звучат одновременно.
Эффект захвата возникает при очень маленькой разнице между интересующим нас сигналом и конкурирующим FM- сигналом.
Эта разница зависит от типа и качества приемника, но эмпирическое правило гласит, что между двумя сигналами должно быть 3-4 дБ, чтобы приемник демодулировал один из них. Иногда производители публикуют спецификацию «коэффициента захвата» в дополнение к спецификации чувствительности и отношения сигнал/шум.
Вот что нужно знать об SNR и эффекте захвата: в зонах с множеством конкурирующих FM-сигналов работа FM-приемника определяется не силой сигнала, а тем, слышит ли приемник нужный сигнал или не слышит. Либо приемник захватывает один сигнал, либо часть энергии конкурирующего передатчика проникает в процесс демодуляции, вызывая помехи, при изменении соотношения между амплитудами сигналов. Разница всего в несколько дБ, то есть немного лучшее соотношение сигнал/шум, может означать разницу между уверенным приемом или помехами в радиопередачи.
SNR и закон обратного квадрата
Расстояние оказывает более сильное влияние на силу сигнала, чем кажется на первый взгляд. По мере удаления от источника (передатчика), радиоволны теряют интенсивность по нелинейной схеме. Интенсивность радиоволн с расстоянием подчиняется закону обратных квадратов, который гласит, что интенсивность обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника.
На языке обывателей это означает, что если вы удвоите расстояние, сила принимаемого сигнала будет в четыре раза меньше. Это работает и в обратную сторону: расстояние уменьшается вдвое, а мощность принимаемого сигнала увеличивается в четыре раза. Поэтому, хотя вы не всегда можете свободно перемещать приемник так близко, как вам хочется, сокращение расстояния всего на несколько футов могут, как ни странно, дать значительно лучший SNR из-за обратной квадратичной зависимости в сочетании с эффектом захвата.
Мощность приема на расстоянии 25 футов (7,62 метра) составляет -27 дБм = 1600 нановатт. Ровно в четыре раза мощнее, чем...
Полученная мощность на расстоянии 50 футов (15,24 метра) -33 дБм = 400 нановатт. Ровно в четыре раза мощнее, чем...
Полученная мощность на расстоянии 100 футов (30,48 метра) -39 дБм = 100 нановатт.
Расстояние в футах.
SNR и физический уровень
Соотношение сигнал/шум — наиболее важная концепция в беспроводном аудио, поскольку положительное изменение SNR дает наиболее выраженное улучшение качества сигнала, и это переменная, которую конечный пользователь в наибольшей степени может контролировать.
Никогда не бывает ситуации, когда более низкий SNR обеспечивает лучшую производительность по сравнению с более высоким SNR при прочих равных условиях. Никогда.
И все же, при всей своей важности, поскольку большая часть "шума" в соотношении сигнал/шум беспроводной передачи обычно выходит за электрическое аудио и RF систем, манипулирование SNR — это то, что должно - и фактически может - быть сделано только путем манипулирования того, что сетевые инженеры называют "физический уровень".
Терминология "физический уровень" унаследована от модели сетевой архитектуры OSI. Обычно она используется для описания способа и материалов, с помощью которых необработанные биты информации транспортируются из одного места в другое в компьютерной сети.
В беспроводном аудио существует аналогичный физический уровень, включающий аппаратные компоненты, которые перемещают электроны и электромагнитные волны, составляющие аудио и радиосигнал, а также обрабатывают цифровые биты. Аналоговые модуляторы, излучающие и приемные антенны, коаксиальные кабели и фильтры — все это примеры компонентов физического уровня. В то время как встроенное ПО (программное обеспечение и логика) в интегральных схемах, отвечают за "осмысление" процессов происходящих на физическом уровне, и перевод в информацию, которую может воспринимать человек.
Физический уровень работает с сигналом, более высокие уровни — с данными. В тот момент, когда сигнал (аналоговый или с цифровой модуляцией) превращается в поток данных, сигнал физического уровня преобразуется в символьные данные более высокого уровня. Беспроводные микрофоны, даже цифровые, очень активно используют физический уровень. Аналоговые беспроводные микрофоны практически полностью состоят из физического уровня, за исключением некоторых интегральных схем, которые используются для управления сигналом, проходящим через физический уровень.
Сам радиочастотный спектр можно рассматривать как переменную в инфраструктуре физического уровня. В настоящее время не существует программного обеспечения, обновления прошивки или волшебной кнопки, которую можно нажать на базе беспроводного микрофона, чтобы улучшить соотношение сигнал/шум там, где это имеет наибольшее значение — на входе антенны. Это особенно актуально при работе с аналоговыми системами.
Программное обеспечение и микропрограммы способны только наблюдать, анализировать и переводить в символы то, что они находят на физическом уровне. Но это не значит, что это не полезно и так просто. Цифровая обработка сигналов (DSP) сегодня является важным этапом в каждой цепочке беспроводного аудио сигнала. DSP может привести к значительному улучшению качества звука и подавлению радиочастотного шума.
Но DSP и другие микропрограммные и программные средства, пытающиеся устранить проблемы ВЧ, могут работать только с тем, что они получают. DSP может улучшить качество звука, применяя алгоритмы, которые отделяют, извлекают или очищают сигнал от окружающего шума, попадающего через антенну, до или после модуляции. DSP не может фактически изменить исходное соотношение между шумом и сигналом, которое антенна извлекает из окружающего спектра.
На самом деле, если вы используете физический уровень для снижения амплитуды внешнего радиочастотного шума и повышения амплитуды вашего полезного сигнала (например, перемещая антенну), многие из этих технологий верхнего уровня становятся ненужными.
Поскольку они затрагивают физический уровень, методы улучшения соотношения радиочастотного сигнала к шуму легко понять и они вполне подвластны оператору радиосистем. Внесение изменений или добавление компонентов на физический уровень для улучшения SNR между уровнем окружающего шума и интересующим нас сигналом не только возможно, но и относительно просто, в то время как о перепрограммировании программного обеспечения или микропрограмм, работающих в беспроводных аудиосистемах, не может быть и речи.
Настройка компонентов физического уровня для улучшения SNR
- Сократите расстояние между передатчиком и приемником.
Самый эффективный метод улучшения приема — просто переместить приемник ближе к передатчику. Да. Самая эффективная техника — это просто, а не сложно.
Вы можете решить огромный процент всех проблем беспроводной связи, вызванных мешающими сигналами, уменьшив расстояние между приемником и передатчиком, поскольку расстояние зависит от принимаемой мощности (и от закона обратного квадрата). Теоретически вы можете устранить их все. Насколько близко нужно подойти для полного устранения мешающих сигналов, зависит от силы радио перегруза приемника (RF overload), а также от некоторых других факторов.
- Используйте антенну с большим коэффициентом усиления.
Коэффициент усиления антенны подробно рассматривается в следующем разделе. Вкратце, при использовании приемной антенны с высоким коэффициентом усиления можно увеличить силу принимаемого сигнала за счет фокусировки (перераспределении) радиочастотной энергии в определенной области антенны, тем самым увеличив силу полезного сигнала в сравнении с другими сигналами в конкретном радио поле с точки зрения приемника. При использовании передающей антенны с высоким коэффициентом усиления, проецируется более узкий и интенсивный луч радиочастотной энергии, что дает аналогичный эффект.
- Для размещения удаленных антенн используйте высококачественный коаксиальный кабель с малыми потерями и без повреждений.
Коаксиальный кабель передает высокочастотные сигналы через центральный проводник, расположенный между тонкими проводниками из оплетки или сплошного металла, называемым экраном. Изоляция между центральным проводником и экраном не дает двум проводникам соприкасаться друг с другом. Вокруг всего узла устанавливается дополнительная оболочка (обычно из черного пластика). Экранирование не позволяет посторонним радиочастотным шумам вмешиваться в сигнал внутри кабеля, но может использоваться и для других целей, например для заземления, удаленного питания или передачи дополнительных сигналов. Поскольку форма и состояние экрана и проводника имеют большое значение, небольшие дефекты могут привести к резкому снижению качества сигнала и его падению.
- Блокируйте или уменьшайте шум и конкурирующие сигналы.
Большинство из вас уже делают это: здания ослабляют (понижают) сигналы и шумы извне. Работая с беспроводным микрофоном внутри физической структуры (особенно металлической) вы не допускаете проникновения значительной части окружающего радиошума в ваше помещение, что снижает уровень шума и улучшает соотношение сигнал/шум на приемнике.
- Используйте передовые методы при размещении удаленных антенн.
Размещение удаленных антенн подробно рассматривается в следующем разделе.
- Увеличьте мощность передатчика.
У этой техники есть ограничения, поскольку FCC регулирует мощность передачи. Нелицензированные пользователи не могут передавать сигнал мощностью более 50 мВт, а лицензированные (часть 74) пользователи имеют ограничение в 250 мВт. «Дословный перевод RF Venue. Для России другие нормы и стандарты»
К этому также следует прибегать в крайнем случае. Увеличение мощности нескольких передатчиков может вызвать больше шума и интермодуляционных искажений, чем тот, которого вы пытаетесь избежать. Кроме того, увеличение мощности передатчика подчиняется закону обратных квадратов: удвоение мощности передатчика увеличит дальность только примерно в 1,4 раза.
Большинство систем профессионального уровня оснащены функцией, позволяющей пользователю самостоятельно определять, какая мощность будет подаваться через передатчик. Если уровень сигнала является проблемой, обратитесь к руководству пользователя, чтобы узнать, есть ли у вас возможность увеличить мощность.
Конец первой части перевода.