Пояснює доктор Себастьян Георгі

Доктор Себастьян Георгі є одним із конструкторів WMAS, нової бездротової багатоканальної аудіосистеми, що її наразі розробляє компанія Sennheiser. Більш ніж 10 років він займається поглибленим дослідженням в області технологій бездротового широкосмугового зв’язку, а також розробкою методів практичного їх застосування для вирішення відповідних задач у сфері професійного аудіо. Георгі має ступінь доктора філософії у галузі технології мультиплексування з ортогональним частотним поділом каналів (OFDM) Гамбурзького технологічного університету (Німеччина), також надзвичайно захоплюється музикою, грає на фаготі й навіть виступає у складі невеликого ганноверського напівпрофесійного оркестру.

Вступ
З сучасних бездротових радіосистем більшість працюють на основі технології широкосмугового зв'язку. Чому так, ми зараз пояснимо у цій нашій публікації на прикладі бездротових мікрофонних систем професійного рівня. Нові бездротові багатоканальні аудіосистеми (WMAS) нарешті виділені до окремого розділу в останній редакції стандарту ETSI EN 300 422-1, тож виробники відтепер офіційно мають змогу надавати користувачам усю інформацію про переваги нових технологій широкосмугового зв'язку.

Отже, сучасні бездротові мікрофонні системи працюють у діапазоні ТБ-УВЧ (TV-UHF), зазвичай використовуючи для передачі сигналу модульовану смугу пропускання шириною B = 200 кГц. При цьому у більшості робочих ситуацій дальність дії таких систем не вимагає дистанцій більше 100 метрів.

Дальність
Для початку визначмо, наскільки правильним і доречним у цьому випадку є термін "дальність дії". Для цього розрахуємо дальність розповсюдження сигналу типової бездротової мікрофонної системи у вільному просторі. Припустимо, що коефіцієнт шуму приймача такої системи становить NF = 10 дБ, а схема передачі вимагає співвідношення сигнал/шум SNR = 10 дБ. Значить, чутливість приймача становитиме:

Далі, при типовій потужності передачі Ptx = 10 dBm, а загальний бюджет лінії зв'язку (допустимі втрати потужності сигналу) становить Ptx - Psens = 111 дБ, то показник втрати сигналу при розповсюдженні у вільному просторі розраховується наступним чином:

Отже, при показнику несучій частоті fc = 500 МГц дальність поширення радіосигналу становить:

Модель радіочастотного каналу
Як бачимо на даному прикладі, дальність дії d системи складає майже 17 кілометрів, навіть без застосування спрямованої антени. Одначе сьогодні ніхто бездротові мікрофони на такій відстані чомусь не використовує. І ми робимо висновок, що дальність розповсюдження сигналу у вільному просторі для бездротової мікрофонної системи не є обмежуючим фактором. А що ж тоді таким фактором є?

Лише деякі бездротові системи (зокрема системи супутникового зв'язку та радіорелейні станції) працюють у режимі справжньою прямої видимості. Переважна ж більшість бездротових систем потерпають від так званого багатопроменевого розповсюдження, спричиненого віддзеркаленнями. Оскільки до приймача такої системи радіохвилі навіть від одного й того ж джерела надходять з різних напрямків, фактично перешкоджаючи одна одній, тобто створюючи інтерференцію.

За певних умов радіохвилі мають однакову фазу, завдяки чому створюється конструктивна інтерференція, а інколи, здебільшого через різну довжину шляху променя, хвилі мають протилежні за знаком фази, і тоді інтерференція стає деструктивною. Втім навіть коли бездротова система працює просто неба на відкритому з усіх сторін місці, радіохвилі на приймач все одно надходять щонайменше двома шляхами: прямим, від джерела сигналу, та непрямим, із відбиваннями від землі. Відповідно, у більшості локацій, де є ще якісь поверхні окрім землі, кількість непрямих шляхів надходження сигналу, а значить, і кількість перешкод збільшуються кратно.

Відповідно, й користувачі бездротових мікрофонних систем, виконуючи попередні перевірки робочої локації, майже завжди стикаються з періодичною втратою зв'язку, спричиненої згасанням сигналу, і чим далі розташований бездротовий мікрофон від стаціонарної антени, там більше буде збоїв.

Схема 1: Приклад багатопроменевого поширення сигналу.  Схема 2: Конструктивна (зліва) та деструктивна інтерференція.

У приміщеннях же, де кількість поверхонь значно більша, аніж у відкритих локаціях, передача по радіочастотному каналу ускладнюється ще більше. Аж до того, що регулярні згасання аж до обривів сигналу трапляються навіть безпосередньо біля стаціонарних антен.

Таким чином, ми робимо ще один висновок: для бездротових мікрофонних систем проблемою є не дистанція розповсюдження сигналу, а швидке його згасання, спричинене багатопроменевим поширенням. Чи можна цьому якось запобігти?

Так, можна. Одним з найбільш ефективних контрзаходів є застосування системи диверсифікаційного (рознесеного) прийому. Це коли користувачі сучасних бездротових мікрофонних систем покладаються на ймовірнісну надію, що коли на одній антені приймача виникає деструктивна інтерференція, то необхідний SNR (співвідношення сигнал/шум) у цей час забезпечить друга його антена. Та як ми всі добре знаємо з практики, вдається таке не щоразу.

Саме тому набагато ефективнішим рішенням проблеми є використання широкосмугових сигналів. Річ у тому, що рівень перешкод дуже залежить від частоти використовуваної несучої хвилі. І як ми вже зазначили, деструктивна інтерференція виникає тоді, коли радіохвилі, що надходять на антену, мають протилежні фази. Та коли сигнал складається з досить широкого діапазону частот, конструктивні та деструктивні інтерференції розподіляються по всій, значно ширшій смузі пропускання, завдяки чому потужність сигналу на прийомі ніколи не спадає до нуля і не зникає повністю.

Вузькосмуговий чи широкосмуговий
Так от, згадана смуга B = 200 кГц - це яка смуга, вузька чи широка? Щоб правильно відповісти на це запитання і надалі правильно розрізняти ці два різновиди поводження бездротового сигналу, потрібно зазначити, що ширина - це важливий, але не єдиний його параметр. Ще один, не менш важливий, називається "смуга когерентності бездротового каналу" (скорочено позначається буквами Bc). Якщо коротко і дуже спрощено, то Bc показує, в якій смузі пропускання передавальна функція радіочастотного каналу можна вважати рівною.
Обидва ці параметри сигналу - ширина і смуга когерентності - мають свої аналоги у часовому вимірі: модульована смуга пропускання приблизно відповідає довжині кожного модульованого символу Ts.

А це означає, що чим швидше передаються інформаційні пакети, тим ширшу смугу займає сигнал. Смуга ж когерентності обернено пропорційна до максимального розкиду затримок (τmax) сигналу на всіх шляхах, якими поширюється радіохвиля. А отже, чим більше шляхи її розповсюдження відрізняються затримками, тим швидше передавальна функція каналу змінюється залежно від частоти. До речі, на професійному сленгу звукорежисери ще називають τmax - часом реверберації.

Тож, повертаючись до нашого запитання, якщо модульована смуга пропускання значно менша за смугу когерентності B<<Bc, або ж тривалість символу значно більша за максимальний розкид затримок Ts>>τmax, то канал поводиться, як вузькосмуговий. У такому випадку радіочастотний канал характеризується лише одним мультиплікативним коефіцієнтом, що робить еквалізацію на стороні приймача досить простою. Й разом з тим, такий сигнал характеризується регулярними згасаннями, та постійними обривами сигналу.

Коли ж модульована смуга пропускання значно більша за смугу когерентності B>>Bc, або тривалість символу значно менша за максимальний розкид затримок Ts<<τmax, то радіочастотний канал поводиться, як широкосмуговий. У такому випадку конструктивні та деструктивні перешкоди у різних частинах модульованого спектра відбуваються одночасно з сигналом прийому. Відповідно, згасання стає частотно-селективним, а ризик виникнення обриву сигналу значно знижується. З іншого боку виникає необхідність застосування більш складних методів вирівнювання та кодування каналів, тому процес реалізації такої системи значно ускладнюється.

Технологія мультиплексування з ортогональним частотним поділом каналів (OFDM) дає змогу ефективно здійснювати просте вирівнювання навіть у широкосмугових каналах за допомогою декількох несучих:

Та й це не все. Щоб дати нарешті вичерпну відповідь на наше запитання, якою є смуга пропускання B = 200 кГц, вузькою чи широкою, необхідно ще розглянути й середовище, у якому функціонує радіочастотний канал. Система стільникового зв'язку GSM другого покоління GSM також працює з B = 200 кГц, але лише у радіусі покриття однієї комірки, що не перевищує кількох кілометрів. Тож такий бездротовий радіочастотний канал можна вважати широкосмуговим. У системі GSM 26 зі 142 бітів кожного кадру вже використовуються як навчальні послідовності для оцінки та вирівнювання бездротового радіочастотного каналу.

У бездротових мікрофонних систем, що працюють в діапазоні B = 200 кГц та з типовою відстанню дії до 100 метрів, радіочастотний канал здебільшого є вузькосмуговим, особливо, коли така система працює у відкритій локації.

Практичне тестування
Наступні дві схеми демонструють дані вимірювання у режимі реального часу параметрів роботи бездротової мікрофонної системи у відкритій локації (на вулиці). На верхніх графіках обох схем різними кольорами показані рівні потужності радіочастотного прийому (червоний означає затухання до 50 дБ) з часом (на осі X) та частотою (на осі Y).

На нижніх графіках ми бачимо рівні потужності прийому радіосигналу з часом (вісь X) для систем із різною смугою пропускання (від B = 200 кГц до B = 6 МГц), котрі налаштовані на однакову потужність передачі. Ефект частотно-селективного згасання можна побачити дуже чітко. У систем, що працюють зі смугою пропускання B = 200 кГц, страждають від глибоких завмирань. У той же час системи, що працюють на частоті B = 6 МГц, потужність прийому висока і майже стабільна.

Схема 3: Стандартний тест у русі на відкритій локації з використанням центральній частоті 482 МГц.

Схема 4: Стандартний тест у русі на відкритій локації з використанням центральній частоті 1375 МГц.

На Схемі 3 показані дані вимірювань у русі на центральній частоті fc = 482 МГц, а на Схемі 4 - дані повністю аналогічного тесту в аналогічних умовах, але на центральній частоті fc = 1375 МГц. Ефект згасання, як бачимо, подібні, лише дисперсія в часі збільшується через приблизно потроєну доплерівську частоту через однакові швидкості руху.

Висновок
Радіочастотні канали зі смугою пропускання B = 200 кГц сучасних бездротових мікрофонних систем слід вважати вузькосмуговими. Ми пояснили, чому у таких систем немає проблем із дальністю дії, а існують проблеми з швидким згасанням сигналу, спричинене багатопроменевим поширенням у більшості застосувань. Згасання може компенсуватися бюджетом каналу, а ймовірність обривів сигналу через згасання знижується застосуванням системи рознесеного прийому сигналу. При цьому, через те, що реалізація такої системи базується на схемах цифрової модуляції з однією несучою, рівень складності системи залишається невисоким.

Радіочастотні канали, наприклад як телевізійні канали зі смугою пропускання B = 6 МГц у більшості робочих сценаріїв використання бездротових мікрофонних систем мають усі властивості широкосмугових та дають змогу уникати обривів сигналу шляхом застосування зокрема технології мультиплексування з ортогональним частотним поділом каналів (OFDM), що ефективно усуває основну причину обривів - згасання сигналу. Й пропри те, що через порівняно високий рівень теплових шумів радіус широкосмугового каналу у вільному просторі менший, у реальних робочих умовах цей недолік технології зі значним запасом компенсується саме суттєво нижчою ймовірністю виникнення згасань сигналу.