Звуковые преимущества
цифровых радиосистем
Маркус Райл
EEWeb Pulse, номер 60, август 2012
Перевод с английского
От переводчика: Представляю вашему вниманию статью основателя компании Line6 и опытного инженера, создавшего множесто культовых девайсов Oberheim, Alesis, Digidesign, Dynacord. В 2008 году Line 6 купили компанию X2, пионеровв в области цифровых радиосистем для музыкантов, и с тех пор занимают лидирующие позиции в этой области.
Радиопомехи
Любой человек, знакомый с традиционным FM-радиоприёмником, сталкивался со многими типами интерференционных помех. Когда две радиостанции находятся близко друг к другу по частоте, иногда можно услышать сочетание обеих радиостанций одновременно. Или при ручной настройке радиоприёмника на частоту, на которой нет вещания, можно услышать шум, возникающий в результате побочных электромагнитных волн, которые всегда окружают нас.
В аналоговых радиосистемах любые помехи, вызывающие звуковые помехи, могут нарушить работу системы. Причинами помех являются препятствия (люди, стены, оборудование), отражения радиоволн (приводящие к приёму сигнала по нескольким маршрутам) и телевизионное вещание.
Любые помехи, изменяющие приём звуковой модуляции несущей частоты, могут привести к появлению нежелательных звуковых помех. Один из способов, с помощью которого аналоговая беспроводная связь пытается уменьшить количество помех от превращения радиоволн в звук, - это использование пилот-тона и системы шумоподавления.
Основная задача схемы шумоподавления - отключить звук, когда сигнал передатчика не принимается. Без этого приёмник выдавал бы высокоамплитудный шум из-за случайных радиоволн, которые он принимает. Но когда сигнал передатчика принимается, система должна каким-то образом попытаться отличить нужный сигнал от любого мешающего сигнала. Один из методов заключается в том, чтобы передатчик всегда передавал пилот-тон вместе со звуком. Этот тон обычно имеет очень высокую звуковую частоту и отфильтровывается до того, как звук будет выведен с приёмника. Если приёмник не видит пилот-тона на ожидаемом уровне, то включается цепь шумоподавителя, чтобы отключить звук. Поскольку из-за помех, при определенных обстоятельствах могут возникать модулированные сигналы, нежелательный звук все же может пройти через систему.
Цифровые радиосистемы, как и все цифровые системы передачи связи, полагаются на "правильность" данных, то есть ноль - это всегда ноль, а единица - это всегда единица. Однако шум или помехи в сигнале не влияют на интерпретацию данных приемником, если только они не достаточно значительны, чтобы сделать данные нечитаемыми. Когда аналоговый аудиосигнал имеет шум или помехи, результат становится слышимым, поскольку он сочетается с предполагаемой формой звуковой волны, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1
Когда цифровой сигнал имеет шум или помехи до определенного уровня, данные всё равно могут быть правильно интерпретированы как единицы и нули без каких-либо изменений в звуке, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2
Сигналы низкого и высокого уровня (нули и единицы) могут быть прочитаны без каких-либо слышимых помех.
Значительные радиопомехи могут повлиять на способность цифрового приёмника правильно интерпретировать нули и единицы. Но преимущество цифровых технологий заключается в том, что они могут включать дополнительную информацию, которая помогает приёмнику определить правильность данных. Это называется обнаружением ошибок и обычно используется в большинстве цифровых систем хранения информации и систем связи. Обычно это происходит путём добавления дополнительных данных к каждому пакету информации, которые могут быть математически проверены для подтверждения правильности или неправильности всего пакета данных.
Диверсификация
Термин "true diversity" часто используется для описания особенностей многих аналоговых радиосистем, в которых используются две антенны и две приёмные схемы. Поскольку две антенны находятся на расстоянии друг от друга, они принимают радиочастотный сигнал относительно своего местоположения. Когда сигнал на одной антенне слабый (из-за препятствия или мультипомех), сигнал на другой антенне может быть не таким слабым. Эти радиосистемы имеют схему, которая выбирает сигнал от приемника, имеющего более сильный уровень. Шум при переключении встречается, но обычно он достаточно мал, чтобы не мешать (Рисунок 3).
Рисунок 3
В цифровых радиосистемах используется аналогичный подход к этому типу диверсификации (также известный как "spartial diversity"). Используются две антенны и два приёмника, но вместо переключения сигнала цифровые данные с обоих приёмников сравниваются, и используется тот, в котором обнаружено меньше всего ошибок. Поскольку данные принимаются и буферизируются на обоих приёмниках, решение о том, какие данные использовать, может происходить непрерывно и без прерывания звука при переключении.
Дополнительная диверсификация, которую обеспечивают цифровые радиосистемы Line 6, - это частотная диверсификация. Частотная диверсификация использует несколько несущих радиочастот для передачи различных частей аудиоданных. Это значительно снижает влияние других радиочастотных сигналов, поскольку помехи, скорее всего, будут присутствовать не на всех используемых частотах.
Благодаря обнаружению ошибок, частотной диверсификации и кодированию данных свойства цифровой беспроводной связи позволяют беспроводным системам Line 6 2,4 ГГц работать в сильно перегруженных радиочастотных средах без необходимости наличия свободного канала, гарантируя при этом, что через приёмник будет проходить только аудиосигнал, передаваемый передатчиком.
Выбор канала
Во многих аналоговых радиосистемах каждая отдельно выбираемая частота называется "каналом". Эта терминология может ввести в заблуждение, поскольку большинство таких каналов, как правило, не могут использоваться одновременно. Частоты аналоговых радиосистем должны быть разнесены друг от друга, как правило, не менее чем на 1 МГц, чтобы они работали с минимальными помехами. Но частоты выбираемых каналов на многих устройствах могут быть разнесены друг от друга всего на 25 кГц. Тонкое разрешение настройки обеспечивается для того, чтобы повысить вероятность нахождения частот с минимальными помехами. Из-за промежутка, необходимого между одновременно работающими каналами, число реально используемых каналов примерно в десять раз меньше, чем число выбираемых частот.
В цифровых радиосистемах, работающих в ISM-диапазоне, все каналы всегда доступны. Это связано с тем, что в этом пространстве не разрешены конкурирующие мощные передатчики. Общее число выбираемых каналов - это число каналов, которые могут использоваться одновременно. Кроме того, такие диапазоны ISM, как 2,4 ГГц, можно использовать во всём мире независимо от распределения местных телевизионных каналов.
Динамический диапазон
Обычный динамический диапазон необработанного аудиосигнала, передаваемого по FM, составляет около 50 дБ. Это связано с тем, что динамический диапазон аудиосигнала прямо пропорционален величине частотной модуляции, которая может быть применена к несущей, а величина модуляции ограничена, чтобы она не накладывалась на соседние полосы частот.
Для достижения 100 дБ динамического диапазона, который считается минимальным для высококачественного звука, аналоговые радиосистемы сжимают 100 дБ входного динамического диапазона в соотношении 2:1, чтобы он уложился в 50 дБ. Это сжатие достигается с помощью "VGA", или усилителя с переменным коэффициентом усиления (Variable Gain Amplifier), усиление которого регулируется в зависимости от среднего уровня входного сигнала. Уровень более громких сигналов уменьшается, и/или уровень более тихих сигналов увеличивается, так что общий динамический диапазон сужается.
К сожалению, компрессия создает некоторые звуковые искажения. В зависимости от постоянных времени, используемых для анализа уровня сигнала и "принятия решения" об усилении, на которое настроен VGA, изменения усиления могут быть слышны, создавая звук, который часто называют "придыханием". Наиболее отчётливо это слышно при возникновении громкого переходного звука, заставляющего усиление VGA быстро снижать уровень для сжатия сигнала. После прохождения переходного процесса усиление VGA постепенно возвращается в "нормальное" состояние, и в это время можно услышать, как любой другой звук или шум увеличивается в громкости или "придыхает". Кроме того, экспандер в приёмнике не имеет представления об исходном входном сигнале, поэтому его способность восстановить исходный динамический диапазон зависит от точности согласования производителем постоянных времени и регулировки усиления между передатчиком и приемником (рисунок 4).
Кроме того, динамический диапазон исходного аудиосигнала может превышать 100 дБ. Чтобы учесть это, передатчик обычно имеет возможность регулировки уровня сигнала пользователем. Если певец перегружает вход, то уровень сигнала передатчика должен быть отрегулирован в сторону уменьшения, а уровень приёмника - пропорционально в сторону увеличения для поддержания одинакового усиления. Типичные FM-передатчики также включают дополнительную секцию обработки звука, называемую "лимитером". Эта функция предотвращает перегрузку аудиосигнала, которая может привести к искажениям. Лимитер также предотвращает "перемодуляцию" (чрезмерное отклонение частоты) радиосигнала. В результате перемодуляции отклонение радиосигнала выходит за пределы полосы пропускания приемника, что приводит к дополнительным искажениям. Лимитер не позволяет аудиосигналу превысить заданный максимальный уровень.
Динамический диапазон в аналоговых устройствах ещё больше уменьшается на высоких частотах из-за техники, называемой преэмфазис/деэмфазис. Преэмфазис - это усиление высоких частот в звуковом диапазоне, а деэмфазис - это уменьшение уровня высоких частот в звуковом диапазоне. Эти методы используются для улучшения соотношения сигнал/шум при передаче. Усиление высоких частот приводит к большему отклонению несущей радиочастоты, создавая тем самым более высокий уровень сигнала по сравнению с существующим уровнем радиочастотного шума. После получения сигнала деэмфазис уменьшает уровень высоких частот, также уменьшая в процессе шум.
В результате уменьшается остаточный шум, присутствующий в аналоговых FM-радиосистемах, но ценой снижения динамического диапазона на высоких частотах из-за более высокого усиления этих частот на передатчике.
Цифровые радиосистемы способны передавать цифровой аудиосигнал без сжатия или лимитирования, а также без предварительного усиления/уменьшения амплитуды. Кроме того, они могут принимать более широкий динамический диапазон входного сигнала, устраняя необходимость в регулировке уровня. В результате входной сигнал точно воспроизводится на приёмной стороне (Рисунок 5).
Рисунок 4
Рисунок 5
Частотная характеристика
Частотная характеристика аналоговой беспроводной системы ограничена как на низких, так и на высоких частотах. На низких частотах необходимо подавить частоты, которые будут мешать работе схемы компандирования. Например, частота 20 Гц достаточно медленная, чтобы коэффициент усиления изменялся с каждым циклом формы сигнала. Поэтому низкие частоты отфильтровываются. Высокие частоты ограничены рамками аналоговой FM-технологии, которая обычно не может воспроизводить частоты выше 15 кГц. На следующем графике показана частотная характеристика беспроводной связи двух популярных брендов (Рисунок 6).
Рисунок 6
Высокочастотная характеристика цифровой радиосистемы является функцией частоты дискретизации, а не каких-либо аспектов радиочастотной передачи.
Кроме того, поскольку отсутствует компандер, низкие частоты не нужно сворачивать. В результате цифровая радиосистема может передавать ровные сигналы в диапазоне от 10 Гц до 20 кГц (Рисунок 7).
Рисунок 7
Эти графики представляют частотную характеристику радиосистем, не зависящую от частотной характеристики микрофонного элемента. Каждый микрофон имеет свою собственную тональную характеристику, которая может определять характер его звучания. Если радиосистема имеет плоскую частотную характеристику, она позволяет характеристикам тонального отклика микрофона оставаться неизменными.
Резюме
Цифровая технология Line 6 привносит ряд преимуществ в мир радиосистем. Преодолевая ограничения аналоговых систем, радиосистемы теперь можно использовать со всей надёжностью, простотой и звуковыми преимуществами проводных микрофонов.
Если вам понравился перевод и вы хотите читать и новые публикации, вы можете поддержать развитие сайта, воспользовавшись формой, расположенной в самом низу страницы (справа).
ПОДДЕРЖАВ GUITARBLOG.RU ДОНАТОМ
