隨著各國政府紛紛拋售用于無線話筒和IEM的部分頻譜,音頻工程師越來越需要深入了解無線話筒和IEM系統設計與配置。因此,舒爾攜手Entertainment Technology Asia推出12部分的系列刊物,涵蓋射頻工程理論和最佳實踐。目的是為讀者提供成功配置和操作無線系統所需的知識。
該系列刊物涵蓋各種主題,例如射頻波傳播、天線類型和定位準則、信號分配技術、傳輸線理論、噪聲源和降噪技術、IEM系統混音、模擬與數字無線系統、頻譜管理和頻率協調。在第一期文章中,我們首先介紹電磁波和電磁譜,以及為何要調制無線傳輸信號。
電磁波由兩個振蕩場組成,即電場和磁場。電磁波有兩個重要特征。首先,電場波形和磁場波形之間不存在相移。其次,電場和磁場極化以及傳播方向正交,即互成90°。此外,電磁波傳播不需要介質。與聲波不同的是,電磁波在真空中能夠進行最有效地傳播。
電磁波
電磁譜只是電磁波傳播的頻率范圍。有關電磁譜的一個有趣的事實是,不同的頻率范圍通常容納不同類型的信號,其用途往往也大相徑庭。例如,AM無線電通常是介于550kHz到1640kHz的廣播,而FM無線電通常在88MHz到108MHz的頻率范圍中運行。可見光只是429THz到750THz的電磁輻射。人眼能夠察覺該頻率范圍內的電磁輻射,所以我們才能感知光和顏色。人類還能察覺紅外線范圍內僅次于可見光的頻率范圍,因此我們能感知熱量。
無線話筒和IEM運行最常用的頻率范圍是450MHz到698MHz的UHF頻段、1.9GHz的DECT頻段和2.4GHz頻段,但不同地區對這些范圍中可以合法使用的部分可能有特定限制。還有一些VHF或UHF頻譜區間可以使用,如902MHz到928MHz,但操作這些頻率的合法性也因地區而異。
每種范圍內的操作都面臨獨特的挑戰。450MHz到698Mhz的范圍通常適合高通道數系統,或所需操作范圍超過約30米的系統。挑戰在于這個范圍通常也用于地面移動無線通信、公共安全和電視廣播,而它們的發射功率通常遠遠超過無線話筒和IEM系統。因此,無線話筒和IEM系統必須避開這些現有的服務,而這在可用頻譜有限的地區成為一大挑戰。
最近,2.4GHz頻段吸引了一些無線話筒應用。此頻段的潛在優勢包括使用較小的天線,沒有可導致其他干擾的高功率發射裝置,無需授權即可在全球大部分地區使用,政府不施加帶寬和調制限制。遺憾的是,除了ISM(工業、科研和醫療)用戶,這些優勢也已經吸引了相當數量的藍牙和Wi-Fi設備流量。表面看來,2.4GHz頻譜似乎很適合取代450MHz到698MHz的范圍;在某些應用中確實如此。但在大多數國家/地區,450MHz到698MHz的范圍是最大連續塊譜,因此,盡管特殊2.4GHz調制方案在一定程度上可以降低干擾風險,450MHz到698MHz的范圍仍是高通道數系統的最佳選擇。
頻譜
現在我們已經對無線話筒和IEM運行的常用頻率有了基本了解,大部分音頻工程師提出的第一個問題是:為什么需要將音頻信號轉換為高頻射頻信號,然后進行無線傳輸?
有兩個同等重要的原因。首先,以原有頻率20Hz到20kHz傳輸音頻信號基本不可能,因為有效傳播所需的天線可能長達幾英里。第二,即使天線長短不是限制因素,以20Hz到20kHz的頻率傳輸的射頻也會被干擾破壞。如果使用高頻載波進行無線傳輸,便可以設計更小的天線,有助于避免干擾。
“調制”一詞指將基帶信息疊加到高頻信號的過程,以實現有效的無線傳輸。例如,在IEM系統中,發射裝置接收音頻輸入信號,將該信號調制為高頻載波,然后通過天線將該信號作為電磁波傳播出去。腰包式接收裝置則使用相反的過程;高頻電磁波被接收天線檢測到之后,進行解調,恢復原始的音頻信號。
模擬與數字調制方案種類眾多。雖然本系列教程不會詳細剖析任何特定的調制方案,但會概述每種方案的利弊。
|