4. rész: Digitális rendszerek
Tartalomjegyzék:
1. Tisztán digitális rendszerek
2. Átviteli kapacitás
3. Bitcsökkentés/CODEC-ek
4. Késés
5. A digitális információ FM modulációja
6. Magasabb rendű moduláció (digitális rendszerek)
7. A hordozók sávszélessége
8. Keskenysávú vagy szélessávú (digitális rendszerek)
9. WMAS
10. Hibrid rendszerek
Tisztán digitális rendszerek
A digitális vezeték nélküli mikrofonrendszerek kihasználják azt a tényt, hogy a digitális jel nem igényel magas jel/zaj viszonyt. Ez lehetővé teszi az állandó minőséget a vevőantenna jelentősen változó erősségű jelénél, ami tisztán analóg FM modulációval nem volna lehetséges. A jel/zaj viszony általában 100-125 dB tartományban van.
Különböző stratégiákat alkalmaznak az analóg-digitális átalakítás egyszerűsítésére. A mikrofon dinamikatartománya könnyen meghaladhatja a 100 dB-t. Tehát a stratégia lehet az analóg jelnek a konverterhez való igazítása, vagy a konverternek az analóg jelhez való igazítása. Az első esetben az analóg szint beállításával biztosítják, hogy a jel a digitális tartományban rendelkezésre álló dinamikatartományon belül működjön. A második stratégia a kaszkádkapcsolt átalakítók (halmozott átalakítók) előnyeit használja ki, így a mikrofon teljes dinamika tartománya lefedésre kerül.
A mai tisztán digitális átviteli rendszerekben a legtöbb gyártó halmozott átalakítókat használ, ami azt jelenti, hogy az adók erősítését nem kell beállítani, mivel ezeknek az átalakítóknak a dinamikus tartománya meghaladja a csatlakoztatott mikrofonok/források dinamikus tartományát. Ugyanakkor kívánatos lehet a vevő oldalon a kimenetet beállítani, hogy kompenzálja az alacsony jelet, amelyet most már korlátozás nélkül továbbíthat, de ez inkább a szintillesztés/digitális csillapítás kérdése, semmint az erősítés beállítása.
Átviteli kapacitás
Sajnos az átvihető adatmennyiségnek vannak korlátai. Az információ mennyiségét főként a digitalizált jel mintavételi frekvenciája és felbontása (bitek száma mintánként) határozza meg. Például, ha a mintavételi frekvencia 48 kHz és a felbontás 24 bit, akkor a másodpercenkénti bitek száma 48000 x 24, ami 1 152 000 bps-nek (bit/másodperc) felel meg. Vagy 1,1 Mbps-nek (megabit/másodperc).
Továbbá, bizonyos redundáns adatokra is szükség van a stabil kapcsolat biztosításához, arra az esetre, ha kimaradások történnek. Az adatok teljes mennyisége az audió adatok 1,5-szeresének felel meg. Tehát ebben az esetben a végső bitráta körülbelül 1,6 Mbps. Sajnos a jelenleg alkalmazott technológiákkal lehetetlen ennyi adatot modulálni.
A túl nagy adatmennyiség miatt több helyre van szükség, mint a hagyományos analóg modulációnál. Egy másik mellékhatás, hogy a digitális rendszer hatótávolsága csökken, ha az adatmennyiség túl nagy.
Bitcsökkentés/CODEC-ek
Az audió jel digitalizálása után bitcsökkentő algoritmusokat kell alkalmazni. A tipikus csökkentés 6:1 – 8:1 tartományban van. Ez azt jelenti, hogy az eredeti adatoknak csak egy nyolcadát vagy egy hatodát továbbítják. Általában a csökkentést perceptuális kódolással végzik. A perceptuális kódolás úgy szervezi a biteket, hogy a mellékhatások a legkevésbé legyenek hallhatók. Az MP3 egy példa a perceptuális kódolású audióra.
Egyes márkák az APT-X Live-ot alkalmazzák, amely 24 bit/48 kHz-et 144 kbps-en (1125 kbps helyett) továbbít. Más márkák saját CODEC-eket fejlesztettek ki, mint például a Sennheiser SeDAC-ja. (A CODEC a COding és DECoding kifejezések összevonása).
A legtöbb rendszer titkosítja a már digitalizált AF jelet, így megakadályozva, hogy jogosulatlan hallgatók figyeljék a kommunikációt, ha a rádióhullámok a tervezettnél messzebb jutnak. Ez akkor fontos, ha vezeték nélküli mikrofonokat használnak vállalati vagy kormányzati körökben, ahol a titoktartás fontos.
A digitális jel a vevő oldalon visszakerül eredeti lineáris formátumába, általában egy mintavételi frekvencia-átalakító (SRC) segítségével. A jó digitális rendszerek kiváló dinamikatartományt, csekély torzítást és az audió jel nagyobb egyenletességét biztosítják.
Késés
Semmi sincs ingyen, és a digitális rendszerek egyik problémája, hogy a CODEC (és más alkalmazott feldolgozások) késést okoznak a jelben – minden digitális feldolgozás időbe telik. A legjobb CODEC-ek legalább 2-3 ms (milliszekundum) késést okoznak a mikrofon bemenetétől a vevők AF kimenetéig. Egyes rendszerek 7-8 ms késleltetést mutatnak. Ehhez jön még a hálózatban előforduló lehetséges késés. Összehasonlításképpen: a tisztán analóg rendszerek késleltetése 0 ms.
A digitális információ FM modulációja
A digitális információt, a „nullákat” és az „egyeseket” modulálni kell az RF vivőre. Különböző technikák jöhetnek szóba.
Az ASK (Amplitude-Shift Keying) egy „1”-et jelző hangot és egy „0”-t jelző csendet generál.
Vagy FSK, Frequency-Shift Keying, ahol két különböző frekvencia jelenti a „1”-et és a „0”-t.
Vagy PSK, Phase Shift-Keying, ahol a polaritás megváltozik minden „0”-ról „1”-re vagy „1”-ről „0”-ra való átmenetnél.
A módszereket az alábbi ábrák szemléltetik:
4.01a ábra Az amplitúdó eltolásos moduláció (ASK) elve.
4.01b ábra A frekvencia eltolásos moduláció (FSK) elve.
4.01c ábra A fázismodulált jel (PSK) elve.
Magasabb rendű moduláció (digitális rendszerek)
A fent említett rendszerek maximális átviteli sebessége csak 150 kbps, ami korlátozást jelent. Ezért gyakran alkalmazzák az úgynevezett magasabb rendű modulációt, mint például a QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying), amely növeli a bitrátát. Lásd az alábbi ábrát.
4.02. ábra. A kvadratúra fáziseltolásos moduláció (QPSK) elve. Az alapelv az, hogy egyetlen érték sem végződik nullával. Jobb oldalon: A QPSK idődiagramja. A bináris adatfolyam az időtengely alatt látható. A két jelkomponens bitkiosztásával a diagram tetején, a teljes kombinált jel pedig alján látható.
Még fejlettebb kódolás is alkalmazható: Differenciálisan kódolt bináris, kvaterner, 8-as és 16-os fáziseltolásos moduláció, DBPSK, DQPSK, D8PSK és D16PSK, valamint 8- és 16-kvadratúra amplitúdó moduláció, D8QAM és D16QAM – mindez azzal a céllal, hogy növelje az adatátvitelt a mikrofoncsatornánként rendelkezésre álló frekvenciatartományon belül.
A vivők sávszélessége
A moduláció kihívása az, hogy megakadályozza a vivő túlmodulálását és a szomszédos csatornák zavarását. Általában a digitális csatornák több helyet foglalnak, mint az analóg csatornák. Az alábbi ábra bemutatja az analóg és a digitális csatorna által elfoglalt hely közötti tipikus különbséget.
4.03. ábra. Analóg és digitálisan modulált vivő. A digitálisan modulált vivő általában több helyet foglal, mint az analóg modulált vivő.
Keskenysávú vagy szélessávú (digitális rendszerek)
Az egyes átviteli frekvenciák az adó- és vevőegységen választhatók ki. A választható frekvenciák tartománya azonban változhat. Egyes márkáknál több modellre van szükség a rendelkezésre álló UHF sáv lefedéséhez. Más márkák szélessávú modelleket kínálnak, így ugyanaz a készülék lefedheti a vezeték nélküli mikrofonok (és IEM-ek) számára rendelkezésre álló teljes sávot, azaz 400 MHz-et vagy akár 800 MHz-et.
A csatorna távolság határozza meg a rendszerben található audió csatornák abszolút számát.
4.04. ábra. Vezeték nélküli rendszerek sávszélessége.
Az alacsonyabb kategóriájú rendszerek esetében a leggyakoribb sávszélesség körülbelül 600 kHz, a magasabb kategóriájú rendszerek esetében pedig körülbelül 400 kHz. Ezután találkozhatunk például a nagy sűrűségű móddal, de ez az AF sávszélesség csökkenésével (például 14 kHz), nagyobb késéssel, kisebb megengedett átviteli teljesítménnyel és így kisebb tényleges hatótávolsággal jár.
Emellett a nagyobb sűrűségű csatornák tömörítése gyakran bonyolítja az intermodulációs sémákat, mivel több mikrofonadó kerülhet egymás közelébe, és (nagyon) nem kívánt kimaradásokat/zavarokat okozhat.
WMAS
A Wireless Multichannel Audio System (vezeték nélküli többcsatornás audiorendszer) egy új technológia, amely csak egy átviteli csatornával rendelkezik (8 MHz Európában vagy 6 MHz Amerikában). Ez egy kétirányú rendszer, amely mind adást, mind vételt biztosít. A vétel In-Ear-Monitors (IEM) eszközökhöz használható. Egy 8 MHz-es csatorna legfeljebb 32 kimeneti és 32 bemeneti csatorna kapacitást kínál. Ha kevesebb csatornát használnak, javítható az audió minőség, vagy korlátozható a sávszélesség. Tehát a jel végső minősége (frekvenciatartomány, zaj, késés) határozza meg a rendszer csatornakapacitásának határait. A maximális teljesítmény 50 mW. A WMAS kétirányú jellege azt jelenti, hogy egy zsebadó egység egyszerre használható vezeték nélküli IEM-ekhez és mikrofonokhoz vagy hangszerekhez.
A rendszer elsősorban beltéri használatra alkalmas, mivel a vétel a rádióhullámok visszaverődő mezőjétől függ. A WMAS-t a Sennheiser és a Shure vezette be.
Hibrid rendszerek
Egyes vezeték nélküli márkák/rendszerek kombinált analóg és digitális technikákat használnak (Wisycom, Lectrosonic). Például a jelet a jel feldolgozásához digitális tartományba konvertálják az adóban, majd a vivő modulációjához visszaalakítják analóg formátumba. A vételnél a jelet ismét digitális információvá alakítják. A digitális technológia adókban való alkalmazásának fő előnye, hogy nagyon jó hangminőségű, fejlett kompanderek készíthetők. Ez úgy történik, hogy megőrzik a kisebb RF sávszélesség-foglalást, a késést szinte nulla értéken tartják, és közelebb kerülnek a környező RF környezet zajszintjéhez. Általában egy digitális rendszernek legalább 14-15 dB-es headroomra (dinamikatöbbletre) van szüksége a zajszinttől, míg például a Wisycom átviteli rendszerek 3-5 dB-re is közelíthetnek a zajszinthez, és így nagyobb biztonságot nyújtanak a stabil RF jel számára még nagyon zord és sűrű RF környezetekben is.
A fenti megoldás az átvitel „valódi” hatótávolságának kiterjesztését is lehetővé teszi, mivel nem fogy el az átviteli teljesítmény a zajszinthez képest, mint a digitális rendszerek esetében.