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无线话筒的声波与频谱

2018-03-02

       随着各大型活动推出无线话筒和IEM的部分频谱,音频工程师越来越需要深入了解无线话筒和IEM系统设计与配置。舒尔携手Entertainment Technology Asia推出12部分的系列刊物,涵盖射频工程理论和最佳实践。是为读者提供成功配置和操作无线系统所需的知识。

话筒

      电磁波由两个振荡场组成,即电场和磁场。电磁波有两个重要特征。首先,电场波形和磁场波形之间不存在相移。其次,电场和磁场极化以及传播方向正交,即互成90°。此外,电磁波传播不需要介质。与声波不同的是,电磁波在真空中能够进行最有效地传播。


 电磁波

  电磁谱只是电磁波传播的频率范围。有关电磁谱的一个有趣的事实是,不同的频率范围通常容纳不同类型的信号,其用途往往也大相径庭。例如,AM无线电通常是介于550kHz到1640kHz的广播,而FM无线电通常在88MHz到108MHz的频率范围中运行。可见光只是429THz到750THz的电磁辐射。人眼能够察觉该频率范围内的电磁辐射,所以我们才能感知光和颜色。人类还能察觉红外线范围内仅次于可见光的频率范围,因此我们能感知热量。

  无线话筒和IEM运行最常用的频率范围是450MHz到698MHz的UHF频段、1.9GHz的DECT频段和2.4GHz频段,但不同地区对这些范围中可以合法使用的部分可能有特定限制。还有一些VHF或UHF频谱区间可以使用,如902MHz到928MHz,但操作这些频率的合法性也因地区而异。

  每种范围内的操作都面临独特的挑战。450MHz到698Mhz的范围通常适合高通道数系统,或所需操作范围超过约30米的系统。挑战在于这个范围通常也用于地面移动无线通信、公共安全和电视广播,而它们的发射功率通常远远超过无线话筒和IEM系统。因此,无线话筒和IEM系统必须避开这些现有的服务,而这在可用频谱有限的地区成为一大挑战。


  最近,2.4GHz频段吸引了一些无线话筒应用。此频段的潜在优势包括使用较小的天线,没有可导致其他干扰的高功率发射装置,无需授权即可在全球大部分地区使用,政府不施加带宽和调制限制。遗憾的是,除了ISM(工业、科研和医疗)用户,这些优势也已经吸引了相当数量的蓝牙和Wi-Fi设备流量。表面看来,2.4GHz频谱似乎很适合取代450MHz到698MHz的范围;在某些应用中确实如此。但在大多数国家/地区,450MHz到698MHz的范围是最大连续块谱,因此,尽管特殊2.4GHz调制方案在一定程度上可以降低干扰风险,450MHz到698MHz的范围仍是高通道数系统的最佳选择。


  频谱

  现在我们已经对无线话筒和IEM运行的常用频率有了基本了解,大部分音频工程师提出的第一个问题是:为什么需要将音频信号转换为高频射频信号,然后进行无线传输?

  有两个同等重要的原因。首先,以原有频率20Hz到20kHz传输音频信号基本不可能,因为有效传播所需的天线可能长达几英里。第二,即使天线长短不是限制因素,以20Hz到20kHz的频率传输的射频也会被干扰破坏。如果使用高频载波进行无线传输,便可以设计更小的天线,有助于避免干扰。

  “调制”一词指将基带信息叠加到高频信号的过程,以实现有效的无线传输。例如,在IEM系统中,发射装置接收音频设备输入信号,将该信号调制为高频载波,然后通过天线将该信号作为电磁波传播出去。腰包式接收装置则使用相反的过程;高频电磁波被接收天线检测到之后,进行解调,恢复原始的音频信号。

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