Drahtlose Mikrofonsysteme

1. Drahtlose 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: support@shure.de

2. Übersicht • Unterschiede VHF  UHF • Einführung in die drahtlose Übertragung • Funktionsblöcke von Sender und Empfänger • Intermodulation • Störquellen • Empfangstechniken • Praktische Tipps zum Umgang mit drahtlosen Mikrofonanlagen • Anmeldung bei der Bundesnetzagentur

3. Vergleich VHF  UHF • Definition der Frequenzbereiche • Hochfrequenztechnische unterschiede • Audiospezifische unterschiede • Vorteile und nachteile von UHF

4. Frequenzbereiche • Langwelle: 150...350 kHz • Mittelwelle: 515...1630 kHz • Kurzwelle: 5,9...16 MHz • FM/UKW Radio: 87...108 MHz • VHF (Very high Frequency): 30...300 MHz • UHF (ultra high Frequency): 300...3000 MHz

5. Math. Zusammenhang • Relation zwischen Frequenz f und der Wellenlänge λ eines Signals: mit Lichtgeschwindigkeit c = 3·108 m/s

6. Konsequenzen VHF UHF Beugung Abschattung λ λ

7. Konsequenzen • Die Freifelddämpfung ist frequenzabhängig, und nimmt mit steigender Frequenz zu Tx Rx d

8. Beispiel • Trägerfrequenz 200 MHz, Abstand d = 100 m:

9. Beispiel • Trägerfrequenz 800 MHz, Abstand d = 100 m:

10. Unterschiede VHF  UHF

11. Audioqualität VHF  UHF • Unterschiede im Klang sind nicht von der Trägerfrequenz abhängig. • Gesamtrauschabstand ist durch nachfolgende Signalverarbeitungen bzw. der Qualität der verwendeten Bauteile begrenzt (z. B. Compander und Detektoren).

12. Vorteile des UHF-Systems • Zu viele unkontrollierbare und unvorhersehbare HF-Störungen im VHF-Bereich. • Antennenlänge im UHF-Bereich kürzer • In manchen Ländern sind nur UHF Systeme zugelassen (Deutschland Nutzergruppen)

13. Einführung HF-Übertragung • Modulation • Funktionsblöcke eines Senders • Funktionsblöcke eines Empfängers • Störung durch Intermodulation • Andere Ursachen für Störungen

14. Modulation • In der sogenannten Modulation werden die Audioinformationen dem Trägersignal hinzugefügt (moduliert). • Grundsätzlich gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten die Audioinformation zu übertragen: • Amplitudenmodulation AM • Frequenzmodulation FM

15. Bild eines AM-Signals • Die Frequenz der modulierenden Schwingung bestimmt die Schnelligkeit, die Amplitude die Größe der Amplitudenänderung.

16. Nachteil der AM • Impulsstörungen (Zündfunken von Fahrzeugen oder elektrostatische Entladungen bei Gewitter) können sich auf ein Funksignal auswirken und die Amplitude verändern. Hierdurch entstehen Störungen der Signale. • Außerdem ist die Audiolautstärke von der Signalstärke abhängig.  Großer Nachteil bei mobilen Betrieb.

17. Frequenzmodulation (FM) • Die Frequenz einer Schwingung (Träger) wird moduliert im Rhythmus einer zweiten Schwingung (Nutzsignal) • Modulierte HF-Schwingung durch folgende math. Formel beschreibbar: A: konstante Amplitude : variable Frequenz

18. Erzeugung eines FM-Signals • Frequenzmodulierte Schwingung

19. Erzeugung eines FM-Signals • Die Frequenz des modulierenden Audiosignals bestimmt die Schnelligkeit der Frequenzänderung,... • die Amplitude des modulierenden Audiosignals dieGröße der Frequenzänderung.

20. Auswirkungen der FM • Tiefer Ton  langsame Änderung der Frequenz des Trägers • Hoher Ton  sehr schnelle Änderung der Frequenz des Trägers. • Leiser Ton  geringe Frequenzänderung • Lauter Ton  starke Frequenzänderung

21. Vorteile der FM • Da die Audioinformation nicht in der Amplitude steckt, sondern allein in der Frequenzänderung, ist die FM wesentlich störungsunanfälliger als die AM. • Denn Störungen haben immer eine Änderung der Amplitude nicht der Frequenz zur folge.

22. Vorteile der FM • FM Empfänger weisen eine weitere Eigenschaft auf. Den sogenannten „Capture Effekt“ (Übertönen). • Existieren zwei FM Signale gleicher Trägerfrequenz, so unterdrückt der Empfänger das schlechtere Signal. • Sind beide Signale etwa gleich stark, wechselt der Empfänger ständig zwischen den verschiedenen Signalen hin und her.

23. Funktionsblöcke eines Senders

24. Funktionsblöcke Sender • Mikrofonvorverstärker • bei Shure Bestandteil der abnehmbaren Mikrofonkapsel • Pegel- und Impedanzanpassung • Gleichspannung für Kondensatorelemente • “Pre-emphasis” (Vorverzerrung / Höhenanhebung) für Rauschunterdrückungssystem

25. Funktionsblöcke Sender • Spannungsregler • Regelt die Batteriespannung auf üblicherweise 5 V. Dazu muss die Batteriespannung von entweder 3 V (up converter) oder 9 V (down converter) auf 5 V konvertiert werden.

26. 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

27. Sender: Pre-Emphasis • Höhenanhebung um besseren Signal-Rausch-Abstand zu erreichen

28. Sender: Kompressor • Erster Teil des "companding"-Systems Ursprüngl.Dynamik- 2:1 Kompression bereich ReduzierterDynamikbereich • Ziel ist eine Anhebung des Trägersignals gegenüber dem Rauschpegelim HF Schaltungsteil 

29. Kompressor - Expander

30. Funktionsblöcke Sender • Limiter • Begrenzung von Spitzen im Audiosignal. • Sitzt mit dem Compander in einer Rückkopplungsschleife und verhindert so die Übermodulation des Senders.

31. Funktionsblöcke Sender • Zwei Möglichkeiten zur Generierung der Trägerfrequenz: • Frequenzsynthesizer bzw. PLL Schaltkreis • Quarzgesteuert

32. Quarzgesteuerter Sender • Schwingquarz zur Erzeugung der Basisfrequenz (ca. 15 - 30 MHz) • Frequenzmultiplizierer • Erhöhen der Basisfrequenz auf Sendefrequenz • Meist Verdoppler oder Verdreifacher

33. Quarzgesteuerter Sender • Quarzoszillator • Basisfrequenz wird mit einem Quarzkristall in einem Schwingkreis generiert. • In diesem Schwingkreis sitzt eine Kapazitätsdiode über die die Frequenzmodulation realisiert wird.

34. Quarzgesteuerter Sender • 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.

35. Quarzgesteuerter Sender RF Filter • Blockschaltbild Antenne Limiter Audio Compander Quarz FrequenzMultiplizierer MicAmp RF Amp BatterieSensor Spannungs Regler +9V

36. PLL = Phase Locked Loop • „Nachlaufsynchronisation“ • Die Sendefrequenz wird so eingestellt, dass sie mit einer Referenzfrequenz übereinstimmt. • Änderungen der Sendefrequenz (Temperatur, Rauschen, ...) werden automatisch nachgeregelt.

37. 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.

38. stabilisierte Spannung Ausgangsstufe buffer amp Audio Dividierer Operations- verstärker Eingang für dividierte Frequenz Ausgang mit Differenzsignal Referenz-Quarz

39. PLL-Sender RF Filter RF Amp • Blockschaltbild Antenne Limiter FrequenzSynthesizer Audio Compander VoltageControlledOscillator MicAmp BatterieSensor Spannungs Regler +9V

40. Quarz  PLL Quarzgesteuert: Referenzschwingung wird durch einen Quarz erzeugt; Quarzoszillator schwingt im Bereich 15-30 MHz. Feste Frequenz Einfache und preiswerte Methode Abstrahlung ungewollter Frequenzen PLL: VCO kontrolliert direkt Ausgangsfrequenz; Teil des Ausgangssignals durchläuft Frequenzteiler und wird mit einem Referenzsignal verglichen. Schaltbare Frequenzen Komplexer und teure Deutlich saubereres Signal

41. Funktionsblöcke Senders • HF Ausgangsverstärker/Filter • Versorgt die Antenne mit entsprechender Ausgangsleistung (10 bis 50mW) • Filtert das Ausgangssignal, um Nebenaussendungen gering zu halten.

42. Funktionsblöcke eines Empfängers

43. Funktionsblöcke Empfänger • Eingangssektion • Verstärkt nur die Trägerfrequenzsignale • Filtert Fremdsignale aus

44. 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

45. Funktionsblöcke Empfänger • Mischer • Kombiniert das empfangene HF-Signalmit der Oszillatorfrequenz • Erzeugt Summen- (HF+LO) und Differenzsignale(HF-LO = ZF = Zwischenträgerfrequenz) • Zwischenträgerfrequenzfilter (ZF-Filter) • Läßt nur Differenzsignal (ZF) passieren • Filtert Summensignal aus

46. Zwischenträgerfrequenz (ZF) Antenne Summe: 389,3 MHz & Differenz: 10,7 MHz Mischer ZF-Filter 10,7 MHz 200 MHz 10,7 MHz 189,3 MHz Oszillator Legt Empfangsfrequenz fest! • Generierung der ZF

47. 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

48. Funktionsblöcke Empfänger • Expander • Zweiter Teil des "companding "- Systems(Umkehrung des Kompressors im Sender) • 1:2 Expansion zur Rekonstruktion des ursprünglichen Dynamikbereiches

49. Funktionsblöcke Empfänger • Audioverstärker • Pegel- und Impedanzanpassung • “De-emphasis” (Nachentzerrung / Höhenabsenkung) innerhalb des Rauschunterdrückungssytems

50. Funktionsblöcke Empfänger • De-Emphasis