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Praktischer Umgang mit drahtlosen Mikrofonsystemen SHURE Europe GmbH Headquarters Europe, Middle East & Africa Applications Wannenäckerstraße 28 D-74078 Heilbronn Tel: +49-7131-7214 - 0 Fax: +49-7131-7214 - 14 Email: [email protected] Funktionsblöcke Sender Mikrofonvorverstärker bei Shure Bestandteil der abnehmbaren Mikrofonkapsel Pegel- und Impedanzanpassung Gleichspannung für Kondensatorelemente “Pre-emphasis” (Vorverzerrung / Höhenanhebung) für Rauschunterdrückungssystem Pre-Emphasis zur Rauschunterdrückung Ein typisches Audiosignal enthält mehr tieffrequente Energie. Im Gegensatz dazu enthält typisches Rauschen mehr Energie im hochfrequenten Bereich. Der Signal-Rausch-Abstand nimmt bei höherer Frequenz ab Sender: Pre-Emphasis Höhenanhebung um besseren Signal-RauschAbstand zu erreichen Sender: Kompressor Erster Teil des "companding"-Systems Ursprüngl. Dynamikbereich 2:1 Kompression Reduzierter Dynamikbereich Ziel ist eine Anhebung des Trägersignals gegenüber dem Rauschpegel im HF Schaltungsteil Kompressor - Expander Funktionsblöcke Sender Limiter Begrenzung von Spitzen im Audiosignal. Sitzt mit dem Compander in einer Rückkopplungsschleife und verhindert so die Übermodulation des Senders. Funktionsblöcke Sender Zwei Möglichkeiten zur Generierung der Trägerfrequenz: Frequenzsynthesizer bzw. PLL Schaltkreis Quarzgesteuert PLL = Phase Locked Loop „Nachlaufsynchronisation“ Die Sendefrequenz wird so eingestellt, dass sie mit einer Referenzfrequenz übereinstimmt. Änderungen der Sendefrequenz (Temperatur, Rauschen, ...) werden automatisch nachgeregelt. Funktionsblöcke PLL Sender VCO (Voltage Controlled Oscillator) Erzeugt das FM Signal mit Hilfe einer einstellbaren Kapazität (Kapazitätsdiode), die Teil eines Schwingkreises ist. Die Kapazität wird über einen OP geregelt, der vom Frequenz Synthesizer angesteuert wird. stabilisierte Spannung Audio Ausgangsstufe buffer amp Dividierer Operationsverstärker Eingang für dividierte Frequenz Referenz-Quarz Ausgang mit Differenzsignal Quarzgesteuerter Sender Schwingquarz zur Erzeugung der Basisfrequenz (ca. 15 - 30 MHz) In diesem Schwingkreis sitzt eine Kapazitätsdiode über die die Frequenzmodulation realisiert wird. Frequenzmultiplizierer Erhöhen der Basisfrequenz auf Sendefrequenz Meist Verdoppler oder Verdreifacher Frequenzmultiplizierer Frequenzvervielfacher Übersteuerte Verstärkerstufe, die harmonische Oberschwingungen der Grundfrequenz erzeugt. Diese Oberschwingungen können herausgefiltert und der nächsten Stufe zugeführt werden. Es sind meist mehrere Vervielfacher hintereinander geschaltet, um die endgültige Trägerfrequenz zu erzeugen. Funktionsblöcke Senders HF Ausgangsverstärker/Filter Versorgt die Antenne mit entsprechender Ausgangsleistung (10 bis 50mW) Filtert das Ausgangssignal, um Nebenaussendungen gering zu halten. Quarz PLL Quarzgesteuert: PLL: Referenzschwingung wird durch einen Quarz erzeugt; Quarzoszillator schwingt im Bereich 15-30 MHz. VCO kontrolliert direkt Ausgangsfrequenz; Teil des Ausgangssignals durchläuft Frequenzteiler und wird mit einem Referenzsignal verglichen. Feste Frequenz Schaltbare Frequenzen Einfache und preiswerte Methode Komplexer und teurer Abstrahlung ungewollter Frequenzen Deutlich saubereres Signal Funktionsblöcke eines Empfängers Funktionsblöcke Empfänger Eingangssektion Verstärkt nur die Trägerfrequenzsignale Filtert Fremdsignale aus Funktionsblöcke Empfänger Interner Oszillator (LO = Local Oscillator) Schwingt in einem festen Abstand über oder unter der Trägerfrequenz (z.B. VHF: 10,7MHz unter der Trägerfrequenz; PSM700: 110,6 MHz über der Trägerfrequenz) Wird entweder Quarz- oder PLL- gesteuert gebildet Funktionsblöcke Empfänger Mischer Kombiniert das empfangene HF-Signal mit der Oszillatorfrequenz Erzeugt Summen- (HF+LO) und Differenzsignale (HF-LO = ZF = Zwischenträgerfrequenz) Zwischenträgerfrequenzfilter (ZF-Filter) Läßt nur Differenzsignal (ZF) passieren Filtert Summensignal aus Zwischenträgerfrequenz (ZF) Generierung der ZF Antenne 200 MHz Mischer Summe: 389,3 MHz & Differenz: 10,7 MHz ZF-Filter 10,7 MHz 10,7 MHz 189,3 MHz Legt Empfangsfrequenz fest! Oszillator Funktionsblöck Empfänger ZF-Verstärker Verstärkt ZF-Signal auf hohen Pegel Begrenzt Signal zur Anpassung an den Detektor Detektor/Demodulator Trennt Audiosignal vom ZF-Signal Demoduliert das Audiosignal Funktionsblöcke Empfänger Expander Zweiter Teil des "companding "- Systems (Umkehrung des Kompressors im Sender) 1:2 Expansion zur Rekonstruktion des ursprünglichen Dynamikbereiches Funktionsblöcke Empfänger Audioverstärker Pegel- und Impedanzanpassung “De-emphasis” (Nachentzerrung / Höhenabsenkung) innerhalb des Rauschunterdrückungssytems Funktionsblöcke Empfänger De-Emphasis Emphasis Durch die Pre- / De-Emphasis kann der SignalRausch-Abstand um bis zu 13 dB verbessert werden. ANTENNA Front End Mixer ZF Filter ZF Amp FM Detector Local Oscillator Audio-Signal Audio Amp Expander Stereoübertragung Die meisten In Ear Monitoring Systeme übertragen ein Stereo-Signal. Dies wird mit dem so genannten StereoMultiplex-Signal realisiert Aus der Historie muss das MPX-Signal MonoKompatibel sein. Stereo-MPX Signal Erzeugung eines Stereo-MPX Signal Amplitudenmodulation Dekodierung eines Stereo-MPX Signal Berechenbare Störungen Intermodulationseffekte Ursprung: Ein Signal in einem nicht linearen Übertragungssystem produziert Vielfache seiner Eigenfrequenz (Oberschwingungen, Harmonische) Mehrere Signale rufen zusätzlich Summen- und Differenzsignale hervor. Die Harmonischen können ihrerseits mit den Summenund Differenzsignalen weitere Kombinationen bilden. Übertragungssysteme linear nicht linear Output Output Input Input Nichtlineares System Erzeugung von harmonischen Schwingungen Intermodulationseffekte Intermodulationseffekte “2. Ordnung”: werden durch zwei Signale produziert oder sie sind das zweifache (zweite Harmonische) der Grundfrequenz: - z.B.: f1 + f2 = fintermod - oder f1 + f1 = 2 • f1 = fintermod Intermodulationseffekte Intermodulationseffekte “3. Ordnung”: werden - entweder durch drei Signale hervorgerufen z.B.: f1 + f2 - f3 = fintermod - oder durch Signale und Harmonische verursacht z.B.: 2 • f1 - f2 = fintermod - oder sie sind das dreifache (dritte Harmonische) der Grundfrequenz Intermodulation 2. Ordnung Beispiel: Summen- und Differenzsignal bei zwei Frequenzen 800 MHz 801 MHz nicht linearer Schaltkreis Summe 1601 MHz Differenz 1 MHz Intermodulation 3. Ordnung Signale bei zwei Frequenzen 800 MHz 801 MHz nicht linearer Schaltkreis (800x2+801) (800x2-801) (801x2-800) (801x2+800) 2401 MHz 799 MHz 802 MHz 2402 MHz Intermodulation Einspeisung zweier Sender in einen Empfänger 800 MHz 800 MHz 801 MHz 801 MHz 802 MHz 801 x 2 = 1602 1602 – 800 = 802 ! 802 MHz Intermodulation bei Sendern Eng benachbarte Sender können ineinander Intermodulationseffekte hervorrufen. Das Intermodulationsprodukt wird zusammen mit dem Originalsignal gesendet. Instabilität oder Verstimmung des Ausgangs stört den Sendebetrieb. Intermodulation 3. Ordnung Abhängigkeit vom Abstand zweier Sender IM3 Produkt Abstand [m] Intermodulation Konsequenzen IM-Produkte können in - Sendern, - Antennenverstärkern und - Empfängern generiert werden. IM-Produkte 3. Ordnung sind am kritischsten IM-Produkte sind vorhersehbar Intermodulation Anzahl der Intermodulationsprodukte 3. Ordnung: Verwendete Frequenzen IntermodulationsProdukte N(N – 1) 1 0 2 2 3 6 4 12 5 20 6 30 7 42 Intermodulation bei Sendern Abhilfe: Gut abgeschirmte Sender benutzen Enges räumliches Platzieren von Sendern vermeiden. (Sender immer mindestens 0,5 m voneinander entfernt platzieren) Weitere Effekte Störstrahlungen Summen- und Differenzprodukte zwischen Harmonischen der Basis- oder Quarzfrequenz (15-30 MHz) und “Resten” der Basisfrequenz werden unbeabsichtigt in den Vervielfacherstufen erzeugt Jene Harmonische knapp über- und unterhalb der Trägerfrequenzen sind kritisch Empfänger, welche auf diese Harmonische abgestimmt sind, werden empfindlich gestört Störstrahlungen von Quarzschwingungen Weitere Effekte Abhilfen Moderaten Abstand zwischen Sender und Empfangsantennen einhalten “Harmonische” bei der Auswahl der Trägerfrequenzen vermeiden Kompatibilität der Trägerfrequenzen durch Rechnerprogramm überprüfen lassen Störungen bei Empfängern Interferenzen mit dem internen Oszillator: Oszillator eines Empfängers (LO = Local Oscillator) schwingt z.B. 10,7 MHz unterhalb der Trägerfrequenz LO-Frequenz wird aus diesem Empfänger abgestrahlt Übersprechen in anderen Empfänger, welcher auf dieser Frequenz arbeitet Störungen bei Empfängern Interner Oszillator streut in benachbartes Gerät Störungen bei Empfängern Abhilfen Empfänger getrennt aufstellen Empfangsantennen räumlich getrennt aufstellen Aktive Antennensplitter benutzen, um Antennenanschlüsse voneinander zu isolieren Spiegelfrequenz Spiegelfrequenz Spiegelfrequenz = Oszillatorfrequenz - ZF Falls ein Sender exakt auf dieser Spiegelfrequenz arbeitet, entsteht in der Mischerstufe ein Differenzsignal, welches durch den ZF-Filter gelangt. Kann von breitbandigen Empfänger empfangen werden Spiegelfrequenz Abhilfen Selektive / schmalbandige Empfänger verwenden Mögliche Spiegelfrequenzen beim Auswahlprozeß der Trägerfrequenzen vermeiden Spiegelfrequenzempfang idealer Filter Antennentechnik Antennen absorbieren einen Teil der elektrischen Feldlinien (T3 Demo) Antennenanzahl minimieren Antennen - Accessoires Antennenspitter UA845 UA220 Richtantennen „logarithmischperiodisch“ UA870 Antennencombiner Wie viel bringt eigentlich ein Antennencombiner ? T-Stück ?!? UA220 ?!? PA765 ?!? Vergleichsmessung Absetzbare Antennen Antennen brauchen immer einen Massebezug. Deshalb sind nur Antennen mit integriertem Massebezug abgesetzt werden. Richtcharakteristik von Antennen Wie Mikrofone haben auch Antennen unterschiedliche Richtcharakteristiken Typische VHF Antenne Typische UHF Antenne Richtantennen Aktive Richtantenne UA870 LogarithmischPeriodische Dipolanordnung Gewinn etwa 7 dB 3 dB Strahl-breite: 100° (±50°) - Supernierencharakteristik Verstärkung einstellbar (3 oder 10 dB) Richtantennen Richtantenne PA705 620 - 870 MHz 7 dB mehr Gewinn als λ /4 - Antenne Stativadapter ( 5/8 in. ) im Lieferumfang Richtantenne Aufstellung Antennenpolarisation Ähnlich wie bei Lautsprecher Arrays, gibt es auch bei Antennen Polarisationseffekte Für uns interessant: Horizontale Polarisation Vertikale Polarisation Abgestrahlte Leistung Die im Datenblatt angegebene abgestrahlte Leistung ist kein oder nur ein sehr bedingtes Maß für die Reichweite Angaben meist in mW, im HF Bereich sind aber Angaben in dB sinnvoller. Häufige Fehler beim Betrieb RECEIVER RECEIVER Antennen in Vertikale oder 45° Position bringen Häufige Fehler beim Betrieb RECEIVER RECEIVER WA470 RECEIVER RECEIVER Passive Antennenweiche bei zwei Empfängern verwenden Häufige Fehler beim Betrieb WA440 WA404E RECEIVER RECEIVER RECEIVER RECEIVER RECEIVER RECEIVER RECEIVER RECEIVER Aktive Antennenweiche bei mehreren Empfängern verwenden Häufige Fehler beim Betrieb RECEIVER RECEIVER Minimalen Abstand (¼ λ) zwischen abgesetzten Antennen in Diversity Systemen nicht unterschreiten: – Optimal ist 1/2 bis 1 Wellenlänge λ des Signals: – Beispiel VHF: 0,9 m - 1,8 m bei 170 MHz 0,65 m - 1,3 m bei 230 MHz Bei zu großen Abständen der Antennen geht der Diversity-Effekt verloren, die zweite Antenne ist keine Alternative mehr. Immer hochwertige Antennenkabel verwenden Häufige Fehler beim Betrieb RECEIVER RECEIVER Empfänger möglichst weit oben im Rack montieren Häufige Fehler beim Betrieb RECEIVER Abstand zu Störquellen maximieren DIGITAL PROCESSOR COMPUTER LIGHT CONTROLLER RECEIVER DIGITAL PROCESSOR COMPUTER LIGHT CONTROLLER Sender auf gleicher Frequenz Niemals zwei Sender gleichzeitig auf identischen Frequenzen betreiben. Abstand Antennen zu Metall Mindestabstand der Antennen zu Metallkonstruktionen Traversen, Stahlbetonwände: 1m min. 1 m Sender Empfänger Abstand immer geringst möglich, aber nicht näher als 3m. Sonst können vermehrt IM-Produkte generiert werden. min. 3m Praktischer Umgang mit drahtlosen Mikrofonsysteme SHURE Europe GmbH Headquarters Europe, Middle East & Africa Applications Wannenäckerstraße 28 D-74078 Heilbronn Tel: +49-7131-7214 - 0 Fax: +49-7131-7214 - 14 Email: [email protected]