Come Funzionano i Radiomicrofoni: Radiomicrofoni Multipli

Scelta e Selezione della frequenza:

La selezione della frequenza operativa di un sistema audio wireless è un processo in due fasi: in primo luogo, scegliere una banda(gruppo) di radiofrequenza appropriata; in secondo luogo, scegliere la frequenza operativa (o canale) appropriata all'interno di quella banda. 

Esiste un numero finito di sistemi di radiomicrofoni che possono essere utilizzati simultaneamente in qualsiasi intervallo di frequenza. Le ragioni di questa limitazione sono diverse e rientrano nel tema generale del coordinamento delle frequenze o della "compatibilità". 

Definiremo questi fattori ed esamineremo ciascuno in termini di origine, effetti e importanza relativa per la totale compatibilità del sistema. 

Nella prima sezione considereremo solo le interazioni che possono verificarsi tra i singoli sistemi di microfoni wireless stessi.

A questo punto si dovrebbe affermare che il coordinamento delle frequenze è un processo che deve tener conto di vari fattori tra cui i fattori fisici (limitazioni), matematici (calcoli) e politici (regolamenti). 

Per la maggior parte degli utenti non è necessario esaminare i dettagli di questo processo. I produttori wireless forniscono questo servizio attraverso gruppi di frequenza preselezionati e possono anche offrire assistenza in applicazioni complesse utilizzando programmi per computer proprietari. 

Quella che segue qui è un'introduzione al processo per l'utente interessato.

Compatibilità del sistema
Le due principali aree di interesse sono: interazione tra trasmettitori e ricevitori in relazione alle loro frequenze operative e interazioni tra trasmettitori e ricevitori in relazione alle loro frequenze interne. La prima classe di interazioni è la più importante e può verificarsi in qualsiasi gruppo di sistemi di microfoni wireless. 

È anche quello più ingombrante da calcolare. 

La seconda classe di interazioni è meno problematica ed è anche relativamente facile da prevedere. 

La seconda classe di interazioni è meno problematica ed è anche relativamente facile da prevedere. 

Tuttavia, è determinato da specifiche caratteristiche del sistema.

Interazioni di frequenza operativa: intermodulazione

Un singolo sistema microfonico wireless può teoricamente essere utilizzato su qualsiasi frequenza operativa aperta. 

Quando viene aggiunto un secondo sistema, questo deve trovarsi su una frequenza operativa diversa per poter essere utilizzato contemporaneamente al primo. 

Questa limitazione deriva dalla natura dei ricevitori radio: non possono demodulare correttamente più di un segnale sulla stessa frequenza. In altre parole, non è possibile per un ricevitore "mescolare" i segnali di più trasmettitori. 

Se un segnale è sostanzialmente più forte degli altri, "catturerà" il ricevitore e bloccherà gli altri segnali. Se i segnali hanno una potenza comparabile, nessuno di essi verrà ricevuto chiaramente.

L'effetto di questo è spesso sentito nelle radio di automobili quando si viaggia fuori dalla portata di una stazione e nella portata di un'altra stazione alla stessa frequenza. 

Il ricevitore passerà avanti e indietro tra le due stazioni al variare della potenza del segnale relativo, spesso con rumore e distorsione considerevoli. Il risultato è che nessuna delle stazioni è ascoltabile quando i segnali sono quasi uguali.

Se i sistemi di microfoni wireless devono essere su frequenze diverse, quanto dovrebbero essere "diversi"?

La caratteristica limitante del ricevitore in questo senso è la sua "selettività" o la sua capacità di differenziare le frequenze adiacenti. Maggiore è la selettività, più vicine possono essere le frequenze operative.

 La differenza di frequenza minima consigliata è compresa tra 300 kHz e 1,5 MHz.

Quando un terzo sistema viene aggiunto al gruppo, deve essere almeno la differenza di frequenza consigliata da ciascuno dei sistemi esistenti. 

Tuttavia, ora è necessario considerare altre potenziali interazioni tra i trasmettitori per assicurare che tutti e tre i sistemi siano compatibili tra loro.

Il tipo più importante di interazione si chiama intermodulazione (IM) e si presenta quando i segnali vengono applicati a circuiti "non lineari". (Vedi figura 3-4.)

Una caratteristica di un circuito non lineare è che la sua uscita contiene "nuovi" segnali oltre ai segnali originali che sono stati applicati al circuito. 

Questi segnali aggiuntivi sono chiamati prodotti di intermodulazione e sono prodotti all'interno dei componenti del circuito stesso. Le frequenze dei prodotti di intermodulazione sono matematicamente correlate alle frequenze del trasmettitore originale.

 In particolare, sono costituiti da somme e differenze delle frequenze originali, multipli delle frequenze originali e somme e differenze dei multipli. 

I circuiti non lineari sono intrinseci alla progettazione di componenti wireless e includono gli stadi di uscita dei trasmettitori e gli stadi di ingresso dei ricevitori. 

Lo stadio "mixer" all'ingresso del ricevitore è un esempio di un circuito non lineare: ricorda che è progettato per produrre una "differenza"!

La intermodulazione può verificarsi quando i trasmettitori sono vicini l'uno all'altro. 

Il segnale di ciascun trasmettitore genera prodotti di intermodulazione nella fase di uscita dell'altro. Questi nuovi segnali vengono trasmessi insieme ai segnali originali e possono essere rilevati dai ricevitori che operano alle corrispondenti frequenze IM. (Vedi figura 3-7.)

La messaggistica istantanea può verificarsi anche quando i trasmettitori vengono utilizzati molto vicino ai ricevitori.

 In questo caso, nello stadio di ingresso del ricevitore vengono generati prodotti di messaggistica istantanea che possono interferire con il segnale desiderato o essere rilevati dal ricevitore se il segnale desiderato (trasmettitore) non è presente.

I prodotti IM più potenti sono i due cosiddetti prodotti del 3 ° ordine prodotti da due trasmettitori adiacenti che operano alla frequenza f1 e alla frequenza f2, dove f1 è inferiore a f2. I prodotti IM risultanti possono essere calcolati come:

          IM1 = (2 x f1) - f2
          IM2 = (2 x f2) - f1

Se l'intervallo tra f1 e f2 è F, allora IM1 = f1 - F e IM2 = f2 + F. Cioè, un IM apparirà esattamente all'intervallo F sopra la frequenza superiore f2 mentre l'altro IM apparirà esattamente all'intervallo F sotto la frequenza più bassa.

 Ad esempio, se f1 = 180 MHz e f2 = 190 MHz, quindi F = 10 MHz. Pertanto, IM1 = 170 MHz e IM2 = 200 MHz. (Vedi figura 3-5.)

Oltre ai prodotti di messaggistica istantanea generati dall'interazione tra due trasmettitori, altri prodotti di messaggistica istantanea sono generati dall'interazione tra tre trasmettitori in modo simile. (Vedere la Figura 3-6.)

Al fine di evitare potenziali problemi di messaggistica istantanea, la maggior parte dei produttori raccomanda un margine minimo di 250 kHz (0,25 MHz) tra qualsiasi prodotto di IM di terzo ordine e qualsiasi frequenza operativa. 

Ciò limita ulteriormente le scelte di frequenza disponibili all'aumentare del numero di sistemi simultanei.

Da questa discussione dovrebbe emergere che la previsione di potenziali problemi di compatibilità dovuti ai prodotti di messaggistica istantanea è meglio lasciare ai programmi per computer. 

La complessità aumenta in modo esponenziale per i sistemi aggiuntivi: un gruppo di 10 sistemi di microfoni wireless comporta migliaia di calcoli.

Interazioni di frequenza interne: LO, IF, moltiplicatori di oscillatore.

Oltre ai conflitti di frequenza dovuti all'intermodulazione tra frequenze operative, vi sono alcune altre fonti di potenziali conflitti dovuti alle varie frequenze "interne" presenti nel normale funzionamento di trasmettitori e ricevitori. 

Questi differiscono da produttore a produttore e persino da sistema a sistema dallo stesso produttore.

Una di queste fonti è l'oscillatore locale (LO) del ricevitore stesso.

 Sebbene si tratti di un segnale di basso livello che è generalmente confinato all'interno del ricevitore, è possibile che l'oscillatore locale di un ricevitore sia captato da un altro ricevitore sintonizzato su quella frequenza LO se loro o le loro antenne sono vicine l'una all'altra (in pila, ad esempio). 

Ad esempio, ipotizzando una tipica frequenza intermedia (IF) di 10,7 MHz, un ricevitore sintonizzato su 200,7 MHz avrebbe un LO funzionante a 190,0 MHz. 

Un altro ricevitore sintonizzato su 190 MHz non dovrebbe essere usato vicino al primo ricevitore perché la seconda unità potrebbe captare il LO del primo, specialmente se il trasmettitore 190 MHz è spento o funziona a grande distanza. (Vedi figura 3-8. )

Una buona progettazione e schermatura dei ricevitori e la separazione fisica dei ricevitori minimizzeranno la possibilità di interferenze LO.

Per più unità, i divisori di antenna attivi isolano efficacemente gli ingressi dell'antenna l'uno dall'altro. Tuttavia, si consiglia comunque di scegliere le frequenze operative per evitare le frequenze LO di almeno 250 KHz.

Una frequenza "immagine" è un'altra fonte di possibili interferenze.

In un ricevitore, ricordare che la frequenza dell'oscillatore locale (LO) differisce sempre dalla frequenza del segnale ricevuto di un valore pari alla frequenza intermedia (IF). 

In particolare, la frequenza operativa è superiore alla frequenza dell'oscillatore locale di un intervallo uguale all'IF. 

Quando queste due frequenze vengono applicate alla sezione mixer (un circuito non lineare) una delle frequenze di uscita del mixer è questa frequenza di differenza (IF), che è la frequenza sintonizzata dei successivi filtri di stadio IF.

Se la frequenza di un secondo segnale è allo stesso intervallo inferiore alla frequenza dell'oscillatore locale, la differenza tra questa seconda frequenza e la frequenza LO sarebbe di nuovo uguale alla frequenza intermedia (IF).

 Lo stadio del mixer non discrimina tra differenze di frequenza "positive" o "negative". 

Se questa seconda frequenza (inferiore) entra nello stadio del mixer, si tradurrà in un altro segnale (differenza) che arriva agli stadi IF e provoca possibili interferenze. 

Questa frequenza  più bassasi chiama "immagine" della frequenza originale . 

Ancora una volta, ipotizzando un IF di 10,7 MHz, un ricevitore sintonizzato su 200,7 MHz avrebbe il suo LO a 190,0 MHz. 

Un segnale proveniente da un altro trasmettitore a 179,3 MHz apparirebbe come una frequenza di immagine poiché è 10,7 MHz al di sotto della frequenza LO o 21,4 MHz al di sotto della frequenza operativa.

La frequenza dell'immagine differisce dalla frequenza operativa di una quantità pari a due volte la frequenza intermedia (2 x IF). (Vedere le figure 3-9 a e b).

La frequenza dell'immagine sarà inferiore alla frequenza operativa per un ricevitore per iniezione lato alto e sopra la frequenza operativa per un ricevitore per iniezione lato basso. 

Pertanto, la frequenza dell'immagine per il tipico ricevitore a singola conversione è ad almeno 20 MHz di distanza dalla frequenza operativa. 

I ricevitori a doppia conversione, che hanno un primo IF relativamente alto (tipico di 50 MHz), hanno frequenze di immagine ancora più lontane (> 100 MHz tipiche) di distanza dalla frequenza operativa. 

Nella maggior parte dei casi, l'estremità anteriore del ricevitore dovrebbe essere in grado di rifiutare una frequenza dell'immagine a meno che non sia estremamente forte. 

L'ultimo problema di frequenza interna riguarda il VCO nei trasmettitori a cristalli controllati (quarzo). 

Ricordiamo che la frequenza VCO effettiva è una frequenza radio relativamente bassa che viene moltiplicata per ottenere la frequenza finale del trasmettitore. 

Una piccola quantità della frequenza del cristallo oscillatore originale rimane dopo ogni stadio del moltiplicatore. 

Pertanto, il segnale di uscita include non solo la frequenza operativa finale, ma anche spurie di basso livello o emissioni spurie dovute ai moltiplicatori. 

Questi picchi si verificano sopra e sotto la frequenza operativa ad intervalli pari a "armoniche" (multipli) della frequenza dell’oscillatore originale.

Ad esempio, supponendo un moltiplicatore 9 x, un trasmettitore da 180 MHz avrebbe una frequenza di cristallo di 20 MHz. 

Ciò produrrebbe speroni a 160 MHz e 200 MHz, 140 MHz e 220 MHz, ecc. Il buon design del trasmettitore minimizzerà l'ampiezza di tali armoniche di cristallo ma, ancora una volta, dovrebbero essere scelti ricevitori aggiuntivi per per evitare queste frequenze di almeno 250 KHz. (Vedi figura 3-10.).

I trasmettitori sintetizzati in frequenza non producono emissioni spurie di questo tipo perché non impiegano moltiplicatori. 

Tuttavia, entrambi i tipi di trasmettitori possono produrre altre emissioni spurie a causa di circuiti di trasmettitori possono produrre altre emissioni spurie a causa di circuiti di regolazione della potenza, oscillazioni parassite, armoniche portanti, ecc.

Queste emissioni possono essere tutte controllate attraverso un'attenta progettazione.

Si può vedere che il calcolo dei conflitti dell'oscillatore locale e delle frequenze delle immagini dipende dalla frequenza intermedia (IF) del ricevitore, mentre il calcolo delle armoniche di cristallo dipende dal numero di moltiplicatori nel trasmettitore. 

Se si utilizzano insieme ricevitori con IF diversi o trasmettitori con moltiplicatori diversi (unità di produttori diversi), questo deve essere preso in considerazione nell'analisi di compatibilità. 

Sfortunatamente, solo pochi programmi per computer proprietari per la selezione della frequenza hanno questa capacità. L'input per la maggior parte di questi programmi presuppone che tutte le unità abbiano lo stesso design. 

Per questo motivo, non è sempre possibile una previsione accurata della compatibilità tra sistemi di diversa progettazione.