Wszystko o systemach bezprzewodowych: szumy w systemach RF

Witamy w ósmym odcinku cyklu „Wszystko o systemach bezprzewodowych". W tym numerze omawiamy najczęstsze źródła szumów wpływających na działanie bezprzewodowych systemów mikrofonowych i IEM.

Zakłócenia elektromagnetyczne i zakłócenia częstotliwości radiowych

Szum w systemach RF można ogólnie określić jako każdą energię RF, która nie jest pożądanym sygnałem. Do opisu szumów RF najczęściej używa się dwóch pojęć: zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) oraz zakłócenia częstotliwości radiowych (RFI). EMI to szum szerokopasmowy o charakterze losowym, natomiast RFI to szum wąskopasmowy emitowany na określonych częstotliwościach.

EMI jest generowane przez nienadawcze urządzenia elektroniczne i silniki elektryczne.Emitowany przez nie szum jest ubocznym efektem ich działania. EMI może przedostawać się do bezprzewodowego systemu mikrofonowego lub IEM przez antenę, linię transmisyjną lub zasilanie, powodując zazwyczaj szumy wysokiej częstotliwości lub zniekształcenia. Co ciekawe, obecność EMI można zaobserwować na monitorze CRT, gdzie objawia się zazwyczaj jako pionowe pasy poruszające się po ekranie.

Wszystkie urządzenia elektroniczne emitują pewną ilość EMI, jednak szczególne zagrożenie stanowią ściany LED.Choć pojedyncze moduły LED mogą spełniać odpowiednie normy emisji, EMI generowane przez kompletną ścianę wideo może być znaczące. Skany widmowe są niezbędne do oceny wpływu ściany wideo na poziom szumów RF.

Poniższy skan pokazuje EMI generowane przez włączoną, ale niewyświetlającą obrazu ścianę wideo. Bez wyświetlanego obrazu średni poziom szumów własnych pozostaje poniżej -85 dBm. Jednak wiele pików energii wyraźnie przekracza ten próg, osiągając poziomy wystarczające do zakłócania bezprzewodowych systemów mikrofonowych i IEM.
 

Sytuacja wyraźnie się pogarsza w momencie wyświetlania obrazu.Średni poziom szumów własnych wzrasta o około 6 dB, a wiele silnych pików EMI pojawia się nawet 50 dBm powyżej poziomu szumów. Co więcej, rozkład energii zmienia się nieustannie wraz ze zmieniającym się sygnałem wideo. W praktyce oznacza to, że częstotliwości, na których występują piki EMI, zmieniają się losowo.
 

Może to stanowić poważny problem przy koordynacji bezprzewodowych systemów mikrofonowych i IEM, ponieważ szczytowe EMI emitowane przez dużą ścianę wideo może być silniejsze niż sygnały nadajników mikrofonowych i IEM.W trudnych środowiskach RF dobór i rozmieszczenie anten nabierają szczególnego znaczenia. Anteny kierunkowe można ustawić tak, by ich punkt zerowy był skierowany w stronę źródła EMI.Zwiększenie mocy wyjściowej nadajnika i wstawienie tłumika na wejściu odbiornika może być skutecznym sposobem na poprawę stosunku sygnału do szumu bez ryzyka przeciążenia wejścia odbiornika. W każdym przypadku identyfikacja i monitorowanie potencjalnych źródeł EMI są kluczowe dla optymalnej konfiguracji systemów RF.

RFI różni się od EMI tym, że nie jest energią emitowaną przypadkowo na losowych poziomach mocy, lecz po prostu obecnością niepożądanych sygnałów RF nadawanych przez nadajniki RF. Źródłami RFI mogą być inne mikrofony bezprzewodowe i systemy IEM, nadawanie radiowe i telewizyjne, systemy łączności bezprzewodowej lub urządzenia elektroniki użytkowej z modułem bezprzewodowym. Obecność RFI można również zaobserwować na monitorze CRT, gdzie zazwyczaj objawia się jako kilka poziomych pasów lub falistych linii na ekranie.

Zaletą RFI w porównaniu z EMI jest to, że można go zazwyczaj wyeliminować, ponieważ zakłócające częstotliwości z reguły pozostają stałe. Lokalne stacje telewizyjne są stosunkowo łatwe do zidentyfikowania i ominięcia. Większym wyzwaniem są mobilne nadajniki RF, które bywają trudne do fizycznej lokalizacji. RF Managerowie na przykład podczas transmisji na żywo często muszą namierzać ekipy ENG pracujące na miejscu, które nadają na zakłócających częstotliwościach, i przydzielać im skoordynowane częstotliwości zastępcze. Produkty zniekształceń intermodulacyjnych (IMD) to kolejne istotne źródło RFI, któremu poświęcony będzie artykuł w przyszłym miesiącu.

Oscylator lokalny i częstotliwości pośrednie

Rzadziej rozpoznawanym źródłem zakłóceń jest obwód demodulacji odbiornika. Oscylator lokalny (LO) i częstotliwości pośrednie (IF) generowane wewnątrz odbiornika mogą powodować zniekształcenia zarówno w samym odbiorniku, jak i w innych odbiornikach w systemie. Jeśli wejścia RF dwóch odbiorników mogą oddziaływać na siebie elektrycznie, jeden odbiornik może zakłócać drugi - jeśli częstotliwość robocza jednego z nich jest równa częstotliwości LO drugiego.

Przykładowo standardowy jednokonwersyjny odbiornik superheterodynowy FM dostrojony do częstotliwości roboczej 600,7 MHz będzie miał LO pracujący na 590,0 MHz. Jeśli drugi odbiornik dostrojony do 590 MHz nie jest elektrycznie izolowany, może odbierać zakłócenia od LO pierwszego - szczególnie gdy poziom mocy odbieranej od nadajnika mikrofonowego 590 MHz jest niski. Jednostka dystrybucji anten (ADU) elektrycznie izoluje wejścia RF odbiorników, minimalizując ryzyko zakłóceń generowanych przez LO. Nawet przy zastosowaniu ADU zaleca się, by częstotliwości nośne były koordynowane z zachowaniem odstępu co najmniej 250 kHz od częstotliwości LO.

Częstotliwość obrazu to kolejne potencjalne źródło zakłóceń wewnętrznych. W jednokonwersyjnym odbiorniku FM, w zależności od konstrukcji, LO może śledzić dostrojoną częstotliwość roboczą z przesunięciem o 10,7 MHz w górę lub w dół. Gdy dostrojona częstotliwość robocza i LO są podawane na sekcję miksera odbiornika, jednym z sygnałów wyjściowych miksera jest właśnie 10,7 MHz. Jeśli do obwodu demodulacji odbiornika dotrze inna nośna oddalona o 10,7 MHz od LO i o 21,4 MHz od dostrojonej częstotliwości roboczej, na wyjściu stopnia miksera pojawi się drugi zakłócający sygnał o częstotliwości 10,7 MHz. Zjawisko to jest określane jako obraz dostrojonej częstotliwości roboczej. Choć profesjonalne odbiorniki stosują filtry tłumiące to zjawisko, zaleca się koordynację częstotliwości roboczych z zachowaniem odstępu co najmniej 250 kHz od potencjalnych częstotliwości obrazu.
 

Zrozumienie wpływu urządzeń generujących szumy na poziom szumów RF jest istotne dla rzetelnej oceny ich oddziaływania na bezprzewodowe systemy mikrofonowe i IEM. Jak pokazano powyżej, wyższy poziom szumów RF zazwyczaj przekłada się na zmniejszenie zasięgu roboczego. W systemach analogowych rosnący poziom szumów powoduje narastanie słyszalnych zakłóceń w demodulowanym sygnale, aż do osiągnięcia progu zadziałania squelcha.Systemy cyfrowe zachowują się inaczej - zazwyczaj demodulują czysty sygnał audio aż do momentu, gdy błędy powodowane przez szumy wywołują wyciszenie systemu. Jest to korzystne, ponieważ wpływ podwyższonego poziomu szumów RF nie jest od razu słyszalny. Jeśli jednak wysoki poziom szumów nie zostanie wcześniej zidentyfikowany, wynikające z niego zmniejszenie zasięgu roboczego może zaskoczyć menedżera RF Skanowanie widmowe jest kluczem do identyfikacji szumów w systemach RF i zarządzania nimi.

W przyszłym miesiącu skupimy się na jednej z form RFI - zniekształceniach intermodulacyjnych. Dowiemy się, jak i dlaczego powstają produkty IMD oraz jak zarządzać nimi w systemach wielokanałowych.

Aby być na bieżąco z tym i innymi materiałami edukacyjnymi, zapisz się na naszą listę mailingową.