Что такое радиомикрофон?

Что такое радиомикрофон, знают все. И действительно, эстрадный исполнитель с проводным микрофоном уже экзотика. Канули в лету курсы по обучению артистов обращению с микрофонным кабелем на сцене, а современные "фанерщики" гордо щеголяют обычным микрофоном, из которого торчит разъем XLR с обрезком кабеля в роли "антенны", "Особо одаренные" не снисходят даже до разъема... Впрочем, сегодня речь пойдет не об исполнительской этике.

Дело в том, что в нашей литературе радиомикрофоны и принцип их действия описаны недостаточно подробно. Как правило, есть две крайности: либо реклама из журналов, "не страдающая" лишними техническими подробностями, либо институтские учебники по радиотехнике, "страдающие" ими в тяжелой хронической форме. Как следствие – пользователь не видит особой разницы между радиомикрофонами за 300$ и 10000$ - тот без проводов и этот вроде бы тоже... А разница существует, и даже огромная. Конечно, и дешевые "мыльницы" находят свое применение, но для профессиональной работы не годятся.

Даже в рамках общей радиотехники радиомикрофоны - весьма специфическая область, пользователю же необходима лишь небольшая часть теории, позволяющая видеть основные "подводные камни" и уметь их избегать. Поэтому не будем стараться нажимать на технические подробности, хотя без некоторых из них все же не обойтись. Для любителей технических подробностей рассмотрим блок-схемы аппаратуры Sennheiser, поскольку она без натяжек может служить эталоном качества и надежности. Недаром "теле/видео/кино-люди" во всем мире для своей работы выбирают именно Sennheiser. Первые портативные радиомикрофоны этой марки появились в 1958 году, а 1 октября сего года в Нью-Йорке за достижения в области радиомикрофонных технологий представителям фирмы Sennheiser была вручена престижная премия EMMY, учрежденная кинопромышленностью США. Вдумайтесь: самая развитая в мире "фабрика фильмов" признала радиомикрофоны Sennheiser лучшими в мире. Конечно же, это радостное событие является закономерным итогом многих лет упорной работы и исследований фирмы в этой области.

Начнем наше путешествие в мир радиомикрофонов с теории. Сразу попрошу набраться терпения, поскольку человек, вооруженный теорией, без проблем найдет выход из любой жизненной ситуации, главное - понимать, что и почему происходит. Неграмотные же люди все валят на невиновную аппаратуру, не подозревая, что неправильно ее используют. И убедить их в этом ой как непросто...

Итак, как мы слышим? Источник звука создает колебания молекул воздуха, которые в полном согласии с волновой теорией распространяются в воздушной среде. Человеческое ухо способно улавливать эти колебания и с помощью мозга извлекать из них информацию (хотя это и не всем удается в полной мере). Все стройно и хорошо кроме одного: звук не может распространяться на очень большие расстояния в силу физических свойств воздуха. Рыбам повезло больше: в воде звук распространяется гораздо быстрее и дальше, хотя принципиально это проблемы не решает. А вот в вакууме звук и вовсе не распространяется, потому что там нет молекул, которым надо колебаться. Те, кто смотрел "Звездные войны", теперь поймут, как ловко их надули.
Между тем необходимость дальней связи на земле, а в последнее время и в космосе вынуждают пользоваться для передачи информации другим носителем. На эту роль около ста лет назад отлично подошли электромагнитные волны, для распространения которых воздух не требуется. Этот вид колебаний описывается абсолютно неудобоваримой теорией, в которую мы углубляться не будем. Важно здесь вот что: электромагнитные волны в эфире затухают с расстоянием гораздо медленнее звуковых волн в воздухе и распространяются намного быстрее и дальше. Для сравнения: скорость звука составляет примерно 330 м/сек. а скорость электромагнитной волны - примерно 300000 км/сек. Если теперь наложить на радиоволну какую-либо информацию, она может быть принята и расшифрована на очень большом расстоянии. На заре развития радиотехники такая информация представляла собой просто наличие или отсутствие радиосигнала. Именно тогда и появилась широко известная азбука Морзе, в которой буквы закодированы при помощи точек и тире. Позже появилась возможность кодировать голос для передачи по радиоканалу. Еще позже стали кодировать изображение. И теперь мы имеем возможность звонить по радиотелефону, слушать радио и смотреть по телевизору выступления любимых исполнителей, поющих в радиомикрофоны.
Давайте теперь углубимся в процесс наложения голоса на радиоволну. Это достигается при помощи процесса, называемого модуляцией. Модуляция происходит, когда какой-либо сигнал (модулирующий) управляет каким-либо параметром другого (модулируемого). Последний иногда называется несущей частотой или носителем, по-английски – carrier frequency. В нашем примере модулирующим сигналом являются электрические колебания звуковой частоты, идущие с микрофона. Несущим мы избрали вышеупомянутый высокочастотный сигнал, на котором, как на "коне" поскачет по эфиру голос исполнителя.

На какие параметры несущего сигнала мы можем повлиять?

Наличие или отсутствие в течение определенного времени.

Этот вариант (то есть азбука Морзе) отпадает сразу, потому что он годится только для передачи дискретных букв и цифр. Слова для песни передать еще можно, но голос - увы.

Амплитуду. Такой принцип называется амплитудной модуляцией (по-английски - Amplitude Modulation, сокращенно — AM) и лежит в основе радиопередач в диапазонах длинных, средних и коротких волн. Самая "дальнобойная" связь работает именно с таким типом модуляции. Однако все помехи в эфире также носят амплитудный характер, то есть сигнал, передаваемый в эфире, подвергается жестоким амплитудным "ударам". Естественно, ни о каком студийном звуке и речи быть не может. Напротив, спектр передаваемого сигнала специально обрезается до телефонного качества, чтобы сохранить хоть какую-то разборчивость.

Частоту. На этом принципе мы остановимся подробнее. Он называется частотной модуляцией (по-английски -Frequency Modulation, сокращенно FM), при этом процессе частота несущего сигнала изменяется пропорционально амплитуде модулирующего. Соответственно, звуковой сигнал с максимальной амплитудой вызовет максимальное отклонение несущей частоты от своего "нулевого" значения. Этот процесс в радиотехнике называется девиацией. Величина девиации ограничена специальным устройством - лимитером, который предотвращает "залезание" сигнала в соседний частотный диапазон и появление взаимных помех. Это очень важно для создания многоканальных радиомикрофонных систем. Существует несколько разрешенных частотных диапазонов для радиомикрофонов. Самый низкочастотный из них называется 8-метровым, это частоты порядка 30-50 МГц (длина волны 8 метров соответствует частоте 37,5 МГц). Далее идет диапазон VHF, это примерно 130-260 МГц. Самый высокочастотный диапазон - UHF: 450-960 МГц. который разделен на частотные "ок¬на" примерно по 24 МГц шириной. Можно также встретить стандартную разбивку UHF диапазона на телевизионные каналы (в стандарте PAL каждый такой канал занимает частотную полосу шириной 8 МГц). В диапазон 470-958 МГц соответственно умещаются телевизионные каналы с 21-го по 81-й.

В своих радиомикрофонах Sennheiser использует два принципа: широкополосную и узкополосную модуляцию. В первом случае максимальная девиация несущей равна +/- 56 кГц, а во втором - всего лишь +/- 10 кГц. Естественно, в эфире можно разместить гораздо больше узких частотных полос, но диапазон передаваемых звуковых частот в этом случае сужается до 40-12000 Гц. Так что узкополосные системы в основном используются в низкочастотных диапазонах для экскурсий и туров, синхронного перевода, связи и т.д., то есть там, где не требуется студийное качество звука. Широкополосная модуляция, напротив, обеспечивает частотную полосу 40-20000 Гц и используется в основной массе радиомикрофонов Sennheiser, предназначенных для студийной и концертной работы.

Итак, когда мы передаем частотно-модулированный сигнал через эфир, он также подвергается амплитудным "нападениям" со стороны помех, но частоту сигнала никакие помехи изменить не в силах, то есть информация, наложенная на высокочастотную несущую, остается нетронутой. От сигнала требуется, чтобы он достиг приемной антенны не очень ослабленным, иначе детектор приемника не сможет его расшифровать. Именно такой принцип и лежит в основе высококачественной радиопередачи. В основном, коммерческие радиостанции вещают в диапазоне 65-108 МГц, разбитом на две части, отличающиеся друг от друга способом кодирования стереосигнала. Так что, слушая свою любимую FM радиостанцию, знайте, что это стало возможным именно благодаря частотной модуляции.

Как любая система радиосвязи, радиомикрофонный канал состоит из нескольких основных частей (рис. 1). Перечислим их по порядку:

1. Источник звукового сигнала. Это может быть голос вокалиста или какой-либо музыкальный инструмент.

2. Преобразователь звуковых волн в электрические колебания. Это может быть любой микрофон, но только со специальным разъемом для подключения к радиопередатчику. Иногда микрофон и передатчик составляют одно целое, такая конструкция по-английски называется handheld (то есть его держат в руке) и чаще используется на сцене и при интервью. Иногда маленький микрофон крепится к одежде, а провод от него идет к передатчику, находящемуся на поясе или в кармане. Это удобно, когда руки чем-либо заняты, например, в мюзиклах или шоу. Такая конструкция называется lavalier или clip-on (русский вариант - "петличка"). Исполнители, одновременно пляшущие и поющие, часто применяют радиомикрофоны со специальной, надеваемой на голову гарнитурой, в сочетании с карманным вариантом передатчика.

Функциональная схема радиомикрофонного тракта практически идентична схеме, скажем, радиотелефона. Они действительно близкие родственники за исключением того, что радиомикрофон передает звук со студийным качеством, а телефон преследует цель добиться хотя бы приемлемой разборчивости. Так   вот, большинство дешевых систем радиомикрофонов ушли недалеко по качеству звука от радиотелефонов, так как в них используются дешевые микрофонные элементы и некачественные микрофонные усилители. Внешним проявлением этого обычно служат повышенные искажения, шумы и малый запас по перегрузке.

3. Радиопередатчик. Это устройство преобразует электрические колебания звуковой частоты в радиосигнал, то есть в высокочастотные колебания, на которые соответствующим образом "наложен" звук. Передатчики отличаются друг от друга конструктивным исполнением, выходной мощностью, рабочей частотой и продолжительностью работы на одном комплекте батарей.

Выходная мощность портативных передатчиков обычно измеряется в милливаттах (у радиомикрофонов Sennheiser -от 30 до 250). Радиомикрофоны с мощностью 250 милливатт обычно применяются при наличии сильных помех или когда приемник находится далеко от передатчика.

Рис. 1. Структурная схема канала радиопередачи.

Для оценки передатчиков существует ряд качественных параметров. В первую очередь - спектр излучения. Дело в том, что ни один передатчик не способен излучать только одну частоту. В его излучении в той или иной мере неизбежно присутствуют другие, ненужные частоты. В хороших передатчиках доля такого "мусора" ничтожно мала, а в плохих – весьма ощутима. Это делает почти невозможным создание многоканальных систем, а также создает помехи, далеко выходящие за разрешенный рабочий диапазон, что может мешать работе другого оборудования.
Еще один важный параметр - стабильность работы. В дешевых системах этого понятия в принципе не существует, поскольку минимальная цена накладывает свой отпечаток. Такой передатчик может легко "уехать" по частоте и по выходной мощности при изменении температуры или по мере разрядки батарей.

Фирма Sennheiser, напротив, применяет кварцевые задающие генераторы с температурной стабилизацией, а также стабилизированное питание внутри передатчиков. Такой передатчик не только абсолютно стабилен в любых условиях, но и выдает паспортную мощность "до последнего вздоха" своих батарей. Кроме того, он может передавать на приемник информацию о степени разрядки элементов питания. Более дешевые системы, конечно же, лишены таких удобств, поэтому они, как правило, выдают паспортную мощность лишь в первые 15 минут своей работы, о чем (можно биться об заклад) многие владельцы не догадываются. Это может не проявиться до тех пор, пока не возникнет какой-либо дестабилизирующий фактор, и тогда работающая система превращается в неработающую.

Так что самый большой недостаток непрофессиональных систем - их непредсказуемость, когда звукорежиссер не знает, будет ли его радиомикрофон работать в данном месте и в данное время.

Теперь поговорим о базовой структуре передатчика Sennheiser (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема передатчика.

После того, как звук преобразован микрофоном в электрический сигнал, он усиливается микрофонным предусилителем. Следующим в цепи находится кодер компандерной системы HiDyn plus.

Об этом расскажем подробнее. Дело в том, что применение частотной модуляции обеспечивает передачу широкого спектра частот. Но это еще не все. Если мы будем уменьшать сигнал, то на каком-то этапе он станет сравним с собственным шумом канала передачи и потеряется в нем. Это нижний предел. Если мы начнем увеличивать сигнал, то рано или поздно перегрузим систему. Это верхний предел. Разница между этими двумя пределами называется динамическим диапазоном системы и измеряется в децибелах. Канал высококачественной передачи звука должен иметь достаточно большой динамический диапазон.

Но в отличие от проводной линии динамический диапазон самого FM канала – всего лишь около 60 дБ. Это немного, если учесть, что у хорошего профессионального оборудования эта цифра превышает 100 дБ. Чтобы привести все в соответствие, фирма Sennheiser разработала систему шумопонижения HiDyn plus, которая основана на компандере (компрессор + экспандер). Принцип ее действия показан на рис. 5. Сигнал перед прохождением через радиомикрофонный тракт особым образом компрессируется, то есть слабые сигналы усиливаются таким образом, чтобы "сжать" динамический диапазон до 60 дБ. Этим самым гарантируется, что тихие звуки не "утонут" в собственных шумах канала. На приемной стороне сигнал экспандируется, то есть происходит обратный процесс: слабые сигналы ослабляются до своего первоначального уровня. Подобные схемы широко применяются в аналоговой записи на магнитную ленту (системы dolby и dbx). Общим результатом является расширение динамического диапазона тракта минимум до 110 дБ (взвешенное значение), и это реально измеренные цифры. Такие характеристики уже соответствуют высшему студийному стандарту, и HiDyn plus по праву считается одной из лучших в мире систем шумопонижения для радиомикрофонов.

Рис. 5. Принцип действия системы шумопонижения.

Для того, чтобы такая система работала нормально, необходима точная согласованность характеристик компрессора и экспандера и стабильность их параметров в процессе эксплуатации. Это возможно только при высочайшей культуре производства, что мы и наблюдаем в изделиях фирмы Sennheiser.
В дешевых системах тоже применяется нечто подобное, но это скорее пародия на шумопонижение. Поскольку используются дешевые компоненты низкого качества, ни о какой стабильности и идентичности характеристик не может быть и речи. Поэтому достигается лишь небольшое расширение динамического диапазона, сопровождаемое букетом разнообразных побочных эффектов, таких как: нелинейность амплитудных характеристик, шумовые выбросы, искажения и т.д.

После кодера HiDyn plus (теперь мы знаем, что это специализированный компрессор) в передающем тракте находится лимитер, ограничивающий размах звукового сигнала, а следовательно, девиацию несущей.

Затем следует высокочастотный генератор/модулятор. В этом блоке рождается высокочастотный сигнал, который модулируется звуковым сигналом.

Особенностью данного участка схемы является то, что кварцевые резонаторы для частот свыше 100 МГц становятся слишком тонкими и хрупкими, и это сильно снижает надежность работы. Поэтому в аппаратуре Sennheiser модуляция производится на более низких частотах, а нужная рабочая частота достигается потом путем умножения. В большинстве пере- датчиков Sennheiser используется принцип ФАПЧ, что также упрощает процесс переключения с одной частоты на другую.

"Замыкает процессию" выходной радиочастотный каскад, который усиливает радиосигнал до требуемой для передачи мощности. Мощность, которая генерируется выходным каскадом, всегда несколько больше, чем мощность, излучаемая в эфир. Это связано с эффективностью передающей антенны. Специальные фильтры на выходе передатчика очищают выходной спектр от нежелательных гармоник.

Питание всех передатчиков Sennheiser стабилизировано, что обеспечивает надежную и предсказуемую работу независимо от степени разрядки элементов питания.

4. Передающая антенна. Она излучает радиоволны, которые переносятся по эфиру и попадают в приемники. Здесь можно провести аналогию с усилителем и громкоговорителем. Если передатчик - это усилитель, то антенна -громкоговоритель. От ее конструкции зависит КПД всей системы в целом, то есть какое количество энергии передатчика преобразуется непосредственно в электромагнитную волну (полезный сигнал), а какое расходуется вхолостую. Антенны бывают разных типов. Но радиомикрофон должен быть небольшим и легким, поэтому передающие антенны и сами передатчики этого типа очень компактны, что ведет, конечно же. к некоторому снижению КПД. Впрочем, современная наука предлагает достаточно эффективные решения этой проблемы.

5. Окружающая среда. Не надо думать, что радиоволны везде проходят беспрепятственно. Окружающая среда полна неожиданностей и является полноправным участником радиомикрофонного тракта. Если снять розовые очки, то мы увидим, что пространство между передающей и приемной антеннами стремится не допустить прохождения радиосигнала через себя. Для этой цели оно использует четыре явления: дифракцию, отражения, поглощение и помехи.

Дифракция — это огибание волнами препятствий. Именно дифракция световых волн образует тень, которую отбрасывают предметы под солнцем. Для радиоволн тоже существуют препятствия, которые точно так же отбрасывают радиочастотную "тень". Ее конечно не видно, но трудностей она добавляет. Теория гласит: чем больше длина волны по сравнению с препятствием, тем легче волна его огибает. Если не принимать во внимание всевозможные нестабильные атмосферные явления, дальность высокочастотной FM передачи всегда ограничена прямой видимостью. Это связано с дифракцией, то есть когда радиоволны небольшой длины не могут преодолеть препятствия в виде кривизны поверхности земного шара. Но для радиомикрофона это несущественно, так как рабочие расстояния между передатчиком и приемником, обычно не больше 200 м.

Представьте себе, что у вас есть воздушный шарик с диаметром, равным длине волны, излучаемой вашим передатчиком. Этот шарик-радиоволна должен проследовать по прямой линии от передающей антенны к приемной и ни на что не наткнуться. Длина электромагнитной волны l=c/f. где с - скорость света (как уже говорилось, приблизительно 300000 км/сек, a f – частота. Для примера, длина радиоволны с частотой 300 МГц составит 1 м. Нетрудно заметить, что чем ниже частота, тем больше длина волны, тем соответственно большее препятствие создает помеху для распространения волны. На первый взгляд, это неплохо. Однако, чтобы эффективно излучать очень длинную волну, длина передающей антенны должна быть соизмерима с длиной волны. В противном случае ее КПД катастрофически падает.

Поэтому радиомикрофоны обычно работают на частотах в десятки и сотни мегагерц, причем проблема дифракции особенно актуальна в верхней части UHF диапазона. Итак, если вышеупомянутый воздушный шарик с диаметром 1 м встретит на своем пути препятствие с размером 10x10 мм, он его практически не заметит и "пролетит мимо". Если препятствие будет размером 1x1 м, что сравнимо с длиной волны, образуется весьма заметная "тень", впрочем, с грехом пополам шарик еще протиснется. При увеличении же препятствия до 100x100 м радиоволна не сможет его обогнуть и будет вынуждена разделиться на две части.

Одна из них отразится от преграды. Именно это явление лежит в основе реверберации, когда звуковые волны отражаются от стен помещения, горных вершин и т.д. При работе с радиомикрофоном в помещении отражения радиоволн от стен бесполезны и даже вредны, т.к. отраженный сигнал уже является помехой для прямого. Поэтому следует избегать применения слишком мощных передатчиков при работе в закрытых помещениях. Обычно для борьбы с этим явлением используются двухканальные diversity приемники (о них ниже).

Вторая часть сигнала проникнет сквозь преграду, при этом, естественно некоторая часть энергии будет поглощена препятствием. Радиоволны с легкостью проникают через дерево и стекло, но металл для них является трудным препятствием. Пример из жизни: прутья арматуры в железобетонной стене образуют решетку, которая с точки зрения радиоволны является зеркалом: чем гуще сетка арматуры внутри стены, тем лучше радиоволны от нее отражаются. Чем меньше длина волны, тем легче она проникает сквозь металлическую решетку. В реальных помещениях UHF радиоволны умудряются "просачиваться" через стыки стен и места укладки кабелей. Так что одновременная работа двух радиомикрофонов с одинаковыми частотами в соседних помещениях недопустима, несмотря на защиту железобетонных стен. Также нежелательно, чтобы радиомикрофон и приемник находились в разных комнатах. Впрочем, на помощь могут прийти обычно мешающие отражения. Если есть хоть какой-то путь к приемнику, пусть даже не прямой, то, в конце концов, одно из отражений достигнет приемной антенны. Однако делать ставку на это явление в профессиональной работе весьма неразумно. Отсюда правило: передающая и приемная антенны всегда должны находиться в прямой видимости относительно друг друга.

Соотношение между отраженным и поглощенным сигналом определяется физическими свойствами преграды. Строителям "хрущоб" удалось достигнуть особых успехов в минимизации потерь при проникновении звуковых волн сквозь стены, поэтому можно разговаривать с соседями, не повышая голоса.

Весьма неприятное явление - помехи со стороны других волн. Попробуйте сказать что-нибудь шепотом в металлопрокатном цехе, и сразу поймете суть проблемы. Эфир полон помех типа грозовых разрядов, искровых разрядов от электросварки, троллейбусов и трамваев и прочих "отходов" человеческой жизнедеятельности. Собственно, помехи препятствуют не столько распространению волн, сколько извлечению из них полезной информации. Они смешиваются с полезным сигналом, и отделить их уже не удается, как нельзя выделить ложку дегтя из бочки меда. В реальной жизни чаще приходится говорить о ложке меда в бочке дегтя, поэтому для зашифровки аудиосигналов в радиомикрофонах применяются специальные методы (частотная модуляция и компандирование сигнала). На сцене, хотя и редко, могут возникать проблемы с излучением от компьютеров, сервоприводов осветительных систем, клавишных инструментов, не говоря уже о сотовых телефонах. На слух это может быть похоже на свист, щелчки и "чириканье". От таких помех не всегда удается избавиться переключением на другую частоту. Единственный выход в таком случае - "найти и обезвредить" прибор, излучающий помеху. И уж совсем досадно, когда возникают радиопомехи со стороны "скорой помощи", милиции и других спецслужб. Плотность "населения" эфира в последнее время сильно возросла и продолжает упорно расти, соответственно, все труднее и труднее пользоваться низкочастотными VHF диапазонами и все более и более возрастает популярность UHF радиосистем. Несмотря на несколько большую стоимость, они легко отстраиваются от помех, потому что, как правило, могут работать на 16 и более переключаемых частотах.

Впрочем, помехи в этом диапазоне пока редкость. Кроме того, именно в UHF диапазоне намного легче организовать радиосистему с большим количеством каналов.

6. Приемная антенна. Как следует из названия, она предназначена для преобразования электромагнитной волны в электрический сигнал. Здесь ограничения по массе и размерам не столь строгие, хотя существуют миниатюрные приемники со встроенными антеннами для установки на видеокамеру.
Антенны особенно эффективны, когда их длина кратна длине принимаемой волны. Из-за компактности в основном применяются антенны с длиной 1/2 или 1/4.
Приемная антенна может располагаться либо непосредственно на миниатюрном приемнике, либо (в стационарных системах) на специально отведенном для нее месте и соединяться с приемником специальным 50-омным кабелем. Последний тоже вносит ослабление в радиосигнал, поэтому нужно тщательно выверять его длину. Очень важный момент: потери в кабеле сильно возрастают с повышением частоты (см. табл.).

Если на каждый передатчик в многоканальной системе будет приходиться свой приемник с двумя антеннами, то общее количество антенн достигнет устрашающих величин. Поэтому часто устанавливаются антенные сплиттеры, то есть устройства, раздающие сигнал с двух общих антенн на каждый приемник. Естественно, в сигнал неизбежно вносится ослабление. Например, сплиттер 1:2 ослабляет сигнал примерно на 4 дБ, а сплиттеры 1:3 и 1:4, соответственно на 6 и 8 дБ.

Если суммарные потери в кабеле и на сплиттере превышают 6 дБ, для компенсации этих потерь и повышения надежности работы после приемных антенн устанавливают специальные радиочастотные усилители - иногда их называют бустерами. Однако применять их без необходимости не следует.

7. Приемник. Сигналом, поступающим непосредственно с антенны, пользоваться нельзя, потому что он, во-первых, очень слабый, а во-вторых, радиоволну услышать невозможно. Для того чтобы из радиосигнала получить достаточно сильный звуковой сигнал, нужен приемник. Как уже упоминалось выше, существуют модели миниатюрные, используемые при мобильной видео- и киносъемке, и стационарные, одно- или многоканальные.

Рассмотрим базовую структуру приемника Sennheiser (рис 3).

Рис. 3. Структурная схема приёмника Sennheiser.

Основные задачи приемника: распознать нужный сигнал в мешанине эфира и выделить из нее требуемую низкочастотную информацию.

Первым элементом приемника после приемной антенны является селективный радиочастотный предусилитель. Слово "селективный" означает, что предусилитель усиливает не все частоты, а только нужные. Эта часть цепи очень ответственна, так как напряжение на приемной антенне меняется в процессе работы на несколько порядков.

Следом идет смеситель-гетеродин. Гетеродином в радиотехнике называется генератор переменной частоты, сигнал с которого подается на нелинейный смеситель, где смешивается с входным сигналом. В результате этой операции любой входной сигнал преобразуется в сигнал с частотой 10,7 МГц, которая называется промежуточной частотой.

Весь последующий тракт приемника жестко настроен на эту частоту при помощи фильтра/усилителя промежуточной частоты, стоящего после смесителя. При перестройке гетеродина приемник всегда оказывается настроенным на частоту, которая на 10,7 МГц ниже частоты гетеродина.

Такая схема называется супергетеродинной.

Почему выбран именно такой вариант? Если бы все контуры приемника работали на одной и той же частоте входного сигнала, они неизбежно влияли бы друг на друга, вызывая сбои и паразитные возбуждения. А при таком варианте приемная и детекторная части схемы далеко разнесены по частоте. Кроме  того, при любых перестройках приемника, промежуточная частота всегда остается одинаковой. Это позволяет избежать перестройки по частоте всего остального тракта и улучшить качество звука.

За фильтром/усилителем промежуточной частоты следует демодулятор – устройство, выделяющее низкочастотный сигнал из высокочастотного с частотой 10,7 МГц. Теперь остается только вернуть сигналу прежнюю динамику декодером HiDyn plus и усилить его выходным усилителем.

В результате на выходе приемника мы получаем обычный звуковой сигнал, который, как правило, подается на микшерный пульт в зале или телестудии.

Теперь поговорим о часто встречающемся понятии diversity. Сигнал с передатчика отражается от стен помещений и прочих препятствий. Таким образом, в комнате одновременно присутствует несколько отраженных сигналов, которые складываются и вычитаются друг из друга, образуя причудливую картину распределения сигнала с ярко выраженными "пиками" и "провалами". Когда передатчик перемещается в комнате, вся эта картина тоже движется, и если вдруг приемная антенна попадает в "провал", сигнал, конечно, пропадает. Между тем длины волн радиосигналов невелики, особенно в UHF диапазоне, поэтому "пики" и "провалы" размещаются довольно тесно. Выйти из положения помогает метод diversity, когда вместо одной антенны используются две, немного разнесенные в пространстве. Почти всегда, если одна антенна в "провале", то другая - нет. Приемнику остается только выбрать ту антенну, сигнал с которой сильнее. Множество недорогих систем работает на принципе переключения антенн. Но на порядок лучших результатов можно добиться, если использовать не просто две антенны, а каждую из них подключить к своему приемнику. Таким образом, переключаются не антенны, а звуковые сигналы с выходов приемников. Такая концепция называется "true diversity", то есть "настоящее diversity". По такому принципу построены все приемники Sennheiser (рис. 4).

Рис. 4.  Принцип работы True diversity.

По каким же характеристикам хорошие приемники отличаются от плохих? Во-первых, это избирательность.

Представьте себе, приемник настроен на какую-либо частоту, а соответствующий передатчик находится далеко. В то же время рядом работает другой передатчик с частотой, не очень отличающейся от первой. Конечно, антенна приемника примет сигналы обоих передатчиков, причем мешающий сигнал ближнего передатчика будет сильнее, нежели сигнал удаленного. В задачу приемника входит "поймать" нужную частоту и удерживать ее. Нелегкая задача, прямо скажем. Для ее решения на входах приемников Sennheiser стоят специальные фильтры, а соседние каналы разнесены по частоте минимум на 400 кГц.

Преимущества супергетеродинной схемы уже обсуждались. Теперь поговорим о недостатках. Поскольку преобразование частоты – процесс сугубо нелинейный, после смесителя в частотном спектре сигнала появляется как бы "зеркальное отражение" полезного сигнала, лежащее на 10,7 МГц выше сигнала гетеродина. Полезность этого спектрального компонента равна нулю, вследствие чего он должен быть подавлен фильтром/усилителем промежуточной частоты.

Бич многоканальных радиосистем – интермодуляция. Когда в эфире одновременно присутствуют хотя бы два достаточно сильных радиосигнала с частотами f1 и f2, входные нелинейности приемника порождают интермодуляционные составляющие с частотами, равными всем возможным суммам и разностям исходных сигналов. С увеличением количества радиосигналов начинается интермодуляция "всего со всем", в том числе и самих продуктов интермодуляции между собой. Все это приводит к тому, что частотный диапазон плотно забивается интермодуляционными составляющими, частоты которых иногда накладываются на полезные сигналы. Вероятность этого тем больше, чем больше в системе одновременно работающих радиоканалов. Например, в 13-канальной системе (а это не так уж и много) будет более 1200 интермодуляционных гармоник, с которыми надо считаться!

Если на вход FM приемника подать два сигнала с одной и той же частотой, он "схватит" сигнал с большей амплитудой. Это принципиальная особенность FM метода. Как правило, амплитуда интермодуляционных составляющих ниже амплитуды полезных сигналов. Однако стоит только передатчику оказаться в неблагоприятных условиях, интермодуляция наносит свой удар: приемник "забывает" про полезный сигнал и переключается на интермодуляционную составляющую.

Хотя UHF системы и позволяют располагать 16 частотных каналов в каждом частотном "окне" 24 МГц, интермодуляция не позволит такой системе работать стабильно даже с самой первоклассной аппаратурой. По рекомендации фирмы Sennheiser, для абсолютно безупречной работы системы в одном поддиапазоне должно работать не более 8 передатчиков.

Как можно бороться с интермодуляцией? Применением специального метода компьютерного расчета, который учитывает все возможные взаимодействия сигналов и выбирает оптимальные частоты для передатчиков. Предельное количество – 13 каналов в одном частотном "окне" достигается только таким методом, но лучше до этого не доводить и разносить передатчики в разные диапазоны. Правильно подобранная система, состоящая из 5 каналов, займет в эфире "кусок" шириной примерно в 3 МГц. При увеличении количества каналов до 15 занимаемая частотная полоса увеличивается до 20 МГц. Для еще большего количества каналов занимаемая полоса резко расширяется вследствие увеличения количества интермодуляционных гармоник.

Очень немногие фирмы способны создавать реально работающие многоканальные радиосистемы. Это сложнейшая задача, требующая тщательного расчета и высокого качества аппаратуры. Не верьте тем, кто обещает многие сотни одновременно работающих каналов. Как правило, они надеются, что их никто не будет проверять.

Никита Капустин
Опубликовано в журнале «Шоу-мастер», №8, 1996 год