Tutto sul wireless: Il rumore nei sistemi RF
Benvenuti all'ottava puntata di All About Wireless. In questo numero, identificheremo diverse fonti di rumore comuni che interessano i sistemi microfonici e IEM wireless.
Interferenza elettromagnetica e interferenza a radiofrequenza
Il rumore nei sistemi RF può essere generalmente considerato come qualsiasi energia RF che non è il segnale desiderato. Due termini comunemente usati per descrivere il rumore RF sono interferenze elettromagnetiche (EMI) e interferenze a radiofrequenza (RFI). L'EMI è un rumore casuale a banda larga, mentre l'RFI è un rumore a banda stretta trasmesso a frequenze specifiche.
L'EMI è generato da dispositivi elettronici non trasmessi e da motori elettrici. Il rumore emesso da questi dispositivi è un sottoprodotto del loro funzionamento. Le EMI possono entrare in un microfono wireless o in un sistema IEM attraverso l'antenna, la linea di trasmissione o la connessione di alimentazione e l'effetto è tipicamente un rumore o una distorsione ad alta frequenza. È interessante notare che la presenza di EMI può essere osservata su un monitor CRT, dove spesso si presenta come bande verticali di punti che si muovono sullo schermo.
Tutti i dispositivi elettronici emettono una certa quantità di EMI, ma le pareti a LED sono particolarmente preoccupanti. Mentre i singoli moduli LED possono essere conformi agli standard di emissione pertinenti, l'EMI generato da un videowall completamente formato può essere considerevole. Le scansioni dello spettro sono essenziali per rilevare l'impatto di una parete video sul rumore di fondo RF.
La scansione presentata di seguito rivela l'EMI generata da una parete video alimentata, ma vuota. Senza la visualizzazione di un'immagine, la potenza media del rumore di fondo rimane inferiore a -85dBm. Tuttavia, diversi picchi di energia si estendono ben oltre questa soglia, a livelli di potenza sufficientemente elevati da interferire con i sistemi microfonici e IEM wireless.
La situazione peggiora notevolmente quando viene visualizzata un'immagine. La potenza media del rumore di fondo è aumentata di circa 6 dB, con molti picchi forti di EMI che si presentano fino a 50 dBm sopra il rumore di fondo. Come se non bastasse, la distribuzione dell'energia cambia continuamente in base al segnale video. In pratica, le frequenze a cui si trovano i picchi EMI fluttuano in modo casuale.
Questo può rappresentare un problema molto serio per il coordinamento dei sistemi microfonici e IEM wireless, in quanto il picco di energia EMI irradiato da una grande parete video può essere più forte di quello dei trasmettitori microfonici e IEM. In ambienti RF difficili come questo, la scelta e il posizionamento dell'antenna sono molto importanti. Le antenne direzionali possono essere posizionate in modo che il null point sia diretto verso la sorgente di EMI. Anche l'aumento della potenza di uscita del trasmettitore e l'inserimento di un pad equivalente all'ingresso del ricevitore possono essere un modo efficace per aumentare il rapporto segnale/rumore senza aumentare le possibilità di sovraccarico del front-end del ricevitore. In ogni caso, l'identificazione e il monitoraggio delle potenziali fonti di EMI sono fondamentali per garantire che i sistemi RF siano configurati per prestazioni ottimali.
L'RFI si differenzia dall'EMI in quanto non si tratta di energia irradiata involontariamente a livelli di potenza casuali, ma è semplicemente la presenza di segnali RF indesiderati trasmessi da trasmettitori RF. Le sorgenti di RFI possono includere altri microfoni e IEM wireless, trasmissioni radiotelevisive, sistemi di comunicazione wireless o dispositivi elettronici di consumo con funzionalità wireless. La presenza di RFI può essere notata anche su un monitor CRT, dove spesso si presenta come diverse barre orizzontali o linee ondulate sullo schermo.
L'aspetto positivo dell'RFI, a differenza dell'EMI, è che spesso può essere accettato in quanto le frequenze di interferenza rimangono generalmente costanti. Le stazioni televisive locali, ad esempio, sono ragionevolmente facili da identificare ed evitare. I trasmettitori mobili non autorizzati rappresentano una sfida maggiore, in quanto possono essere difficili da localizzare fisicamente. Gli ingegneri RF degli eventi radiotelevisivi, ad esempio, devono spesso rintracciare le squadre ENG sul posto che trasmettono su frequenze interferenti e assegnare loro frequenze coordinate da utilizzare al loro posto. I prodotti di distorsione di intermodulazione (IMD) sono un'altra fonte primaria di RFI, che sarà oggetto dell'articolo del mese prossimo.
Oscillatore locale e frequenze intermedie
Una fonte di rumore di disturbo meno comunemente riconosciuta può essere attribuita al circuito di demodulazione del ricevitore. L'oscillatore locale (LO) e le frequenze intermedie (IF) generate all'interno del ricevitore possono causare distorsioni, sia all'interno del ricevitore stesso che negli altri ricevitori del sistema. Se gli ingressi RF di due ricevitori sono in grado di interagire elettronicamente, un ricevitore può interferire con l'altro se la frequenza operativa di uno è uguale alla frequenza LO dell'altro.
Ad esempio, un ricevitore FM supereterodina standard a conversione singola sintonizzato su una frequenza operativa di 600,7 MHz avrebbe il suo LO operativo a 590,0 MHz. Se non è isolato elettronicamente, un secondo ricevitore sintonizzato su una frequenza operativa di 590 MHz potrebbe subire interferenze dal LO del primo, soprattutto se il livello di potenza ricevuto dal trasmettitore del microfono a 590 MHz è basso. Un'unità di distribuzione dell'antenna (ADU) isola elettronicamente gli ingressi RF del ricevitore, riducendo al minimo il rischio di interferenze LO indotte. Anche in presenza di un ADU, si raccomanda comunque di coordinare le frequenze portanti per evitare le frequenze LO di almeno 250 kHz.
La frequenza dell'immagine è un'altra potenziale fonte di interferenze generate internamente. In un ricevitore FM a conversione singola, a seconda del progetto, il LO può essere superiore o inferiore alla frequenza operativa sintonizzata di 10,7 MHz. Quando le frequenze operative e LO sintonizzate vengono applicate alla sezione mixer del ricevitore, una delle uscite del mixer è la frequenza di 10,7 MHz. Se un'altra portante a 10,7 MHz di distanza dal LO e a 21,4 MHz di distanza dalla frequenza operativa sintonizzata entra nel circuito di demodulazione del ricevitore, il risultato sarà una seconda uscita di interferenza dallo stadio mixer a 10,7 MHz. Si tratta di un'immagine della frequenza operativa sintonizzata. Sebbene i ricevitori professionali incorporino filtri per sopprimere questo fenomeno, si raccomanda di coordinare le frequenze operative ad almeno 250 kHz di distanza da qualsiasi potenziale frequenza di immagine.
È importante comprendere l'effetto che i dispositivi che producono rumore avranno sul rumore di fondo RF, in modo da poter effettuare una valutazione consapevole del loro impatto sui nostri sistemi microfonici e IEM wireless. Come illustrato in precedenza, un rumore di fondo RF più elevato si traduce tipicamente in una riduzione della portata operativa. Nei sistemi analogici, un rumore di fondo crescente produrrà quantità crescenti di rumore udibile nel segnale demodulato fino al raggiungimento del punto di squelch. I sistemi digitali non presentano questo comportamento: in genere demodulano l'audio pulito al punto che gli errori indotti dal rumore causano il silenziamento del sistema. Ciò è vantaggioso in quanto l'impatto di un aumento del rumore di fondo RF non è immediatamente udibile. Tuttavia, se non si identifica un rumore di fondo elevato, la conseguente riduzione della gamma operativa può essere una sorpresa sgradita per l'ingegnere RF. La scansione dello spettro è la chiave per identificare e gestire il rumore nei sistemi RF.
Il mese prossimo ci concentreremo in particolare su una forma di RFI: la distorsione di intermodulazione. Impareremo come e perché vengono generati i prodotti IMD e come gestire l'IMD nei sistemi multicanale.
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