关于无线话筒安全使用的深度探讨与实验

周晓鸣  赵培义

 (贵州广播电视台)

 

摘 要: 当今国内演艺文化随着市场化改革的推动,以及人民群众欣赏品味的提高,各种晚会、演唱会、音乐会等舞台日益精致靓丽,干净光鲜的舞台上,无线音频技术的运用日益普及。随着演出规模的扩大,系统复杂度也越来越高,不仅从通路数量到无线频率规划精度,都越来越考验音响从业者的技术安全处理能力。笔者近年来从事各种大型演出、电视音乐秀节目的舞台音响系统设计工作中,通过对舞台无线音频系统的运用经验进行了一些总结,意在给同从事无线音频的同行进行交流,共同提升舞台无线系统的安全性与可靠性。

关键词:无线话筒 返送系统 音乐会 晚会现场 音频制作 射频

 

1  无线话筒的无线传输与射频干扰

1.1信号调制—音频与射频的转换

无线音频技术的原理是将音频信号转换成适合无线传输的无线发射频率。将音频信号的信息加到射频信号上的过程称为调制。通过调制将信号定位于更适合无线传输的频率范围内。为满足对音质的较高要求, 无线系统采用频率调制, 简称调频(FM)。在调频过程中,当音频信号出现时, 射频信号不再是一个固定的频率, 而是音频信号的频率变化而变化, 射频信号频率向高和向低偏转的值称为频偏。音频信号频率越高, 射频信号围绕载频来回变化的速度也越快,音频信号幅度变大, 射频信号的频偏也增大。因此, 音频信号的信息只包含在射频信号的频率变化中, 射频信号幅度的波动不会破坏包含在射频信号中的音频信息。只要接收机能检测到射频信号的频率变化, 由接收天线获取的电磁场强变化不影响传输质量。

1.2无线音频系统频段分配及功率限制

现代无线音频系统除少数采用VHF段外,大部分均采用UHF段。我国无线音频系统准许使用UHF频段中690MHz至960MHz频段,由于移动集群网络的工作频率也在此范围内,所以专业无线音频设备的工作频率以690MHz-787MHz居多。根据我国无线电管理政策,无线话筒的发射功率要求≤50mw。

1.3外部环境射频信号干扰

一般情况下,无线音频系统使用场地都会存在或多或少的外部环境射频信号干扰,有些是该地区一直存在的,如电视信号、手机信号干扰(880MHz以上),有些则因为人为因素而存在,如100MHz至400MHz手持对讲、手机信号屏蔽器、金属探测器,甚至在政治性较强的大型活动中出现的无线屏蔽器与宽频带无线信号阻隔器。在建立无线话筒系统前需通过一定的测试设备测量演出场所范围内射频信号干扰,并作记录,以便设置合适的频率。

1.4无线音频系统自身干扰

除了外部干扰外,在演出场所还存在自身干扰。首先是同频干扰。同频干扰是指无线系统的工作频率受到了另一个系统相同频率的干扰。干扰信号占用频率与所用无线系统频率相同或涵盖,但带宽、功率、相位有所差异,当接收机同时收到两个相似的信号时,会产生两个发射频率差异的差拍干扰,如果两发射频率相差1kHz,在接收机中即可听到1kHz 的差拍声。当接收机同时收到两个完全不同的信号时,无线接收机会出现解调不良、无法解调甚至被完全“湮没”。为了避免同频干扰,我们应合理地设置使用频段,以避免使用频段重叠信号干扰。

其次是互调干扰。互调干扰是由电路中的非线性器件产生的,在我们工作中产生互调的原因主要有以下两种情况:一是干扰信号侵入发射机的末级,从而同有用信号之间引起互调。二是多个无线发射信号被接收机接收,在接收机高放级产生互调,称为接收机互调干扰。互调干扰主要反映在多信道系统安装在一起,多信道频率相互间频率混合而产生。

 

2  舞台无线音频系统中射频信号监测与设计

2.1演出场所射频环境监测与记录

演出前对演出场所进行周期性空间射频环境监测与记录是后续舞台无线系统设计连接的指导性工作。其主要工作是演出前的各种彩排中监测记录空间射频干扰信号的强度与带宽,以便于后续设计工作中挑选避开所有高强度干扰频带,保障无线话筒的使用安全。

对演出场所进行频率监测,主要采用频谱仪和无线话筒厂商提供的接收机软件进行。目前由于频谱仪造价昂贵、功能覆盖不全,数据导出繁琐等原因,在多数演出场所主要采用无线音频系统厂家设计频谱扫描功能来完成射频干扰的排除。

测量时,一般运用两只指向性无线接收天线通过同轴电缆接驳一台接收机,再将接收机通过普通USB线接驳笔记本电脑,并配合相应软件,即可24小时记录与保存下空间内所有射频干扰。

在测量时应注意测量设备的搭建与测量无线接收天线的位置摆放。如左图(1),以SHURE UA845指向性天线为例,其有效距离为150米,有效接收张角为120°,而在正常设计无线接收天线放置点是所采用的距离为有效距离的二分之一,即75米。再根据演出场地实际情况,熟悉大致佩戴无线设备的演员走动范围,描绘出相应地形。

图(1)

图(1)

射频干扰信号测试中舞台无线接收天线放置位置

图(2)射频干扰信号测试中舞台无线接收天线放置位置

假设演出地形为上图中多边形,根据无线接收天线接收范围(75米,120°),基本列出无线接收天线流动放置点,即图中A、B、C、D、E、F点,且以上六点天线放置位置为朝向舞台中心方向,再在以上六点外围五十米处设计以G、H、I、J为椭圆上任意几点天线放置位置,且无线天线朝向场地外围,最后接通系统打开厂家的软件,进行漫长的空间射频干扰信号记录工作。记录工作中需每隔一段时间在以上提到数点进行无线接收天线位置变换,原则上内圈指向舞台方向的无线接收天线放置点测量时间比外圈指向外围的无线接收天线放置点较长,测试过程中做好一定时间内的数据保存,防止电脑死机丢失先前测量数据。

2.2  频率规划与设计

通过射频干扰数据测量与保存,排除干扰频带,找出未受污染频带,并自动分配所需无线系统通道数量及所处频段。

因目前无线音频单一系统存在带宽限制,并不能在几百兆的带宽宽度下接收与发射信号,而是采用不同型号频段来表示其设备所用带宽,如SHURE UR4D+接收机,其定义Q10A频段为740MHz-787MHz,适用于中国地区,而X1频段为944MHz-952MHz,适用于美国地区(此地区频段差异主要以当地国家无线电管理法规及相应无线电视频段而定)。系统自动分配另一大益处除了方便快捷外,还能推算出无线音频系统可用通道数最多的组别(即Bank或Group),避免上文提到的无线音频系统中多台发射机自身的互调干扰。

运用厂家自身软件快速分配可用频段较为快捷,适用于较为匆忙的射频干扰监测与设计工作,但如有较多时间,笔者建议通过人工观测长时间记录的射频干扰数据,排列出未受污染的空间射频带宽,并再次运用软件分配可用频段。举简单的实验例证如下:

SHURE WWB5软件实测电视射频信号干扰

图(3)SHURE WWB5软件实测电视射频信号干扰

如上图所示,此图为实验中某空间射频干扰情况局部放大图,以便设置适合此段信号为750MHz-758MHz之间,基本可判断为无线电视8MHz带宽干扰。因无线电视载波射频信号功率大小及8MHz带宽内涉及带宽会随着载波内容而改变。虽然前期长时间测量会记录下这些微小变化并将信号重叠,厂家软件在自动分配时仍会将无线系统所有频率“塞”进此8MHz带宽的空余处,如图中753.175MHz-754.325MHz空白处,而现场实际使用时并不能保证此处带宽信号不受干扰。

SHURE WWB5软件实测RF 干扰时间瀑布图

图(4)SHURE WWB5软件实测RF 干扰时间瀑布图

因此,最安全的设计方式便是人为记录下长时间测量射频干扰信号后,排除较为集中的干扰带宽,而选择带宽较大的空余可用带宽。如上图(4)瀑布图显示,射频信号随时间轴变化,软件自身可记录下时间变化下的干扰频率叠加信号,继而计算出长时间内可用带宽,分配给舞台无线音频设备。

综上所述,通过人为记录干扰频段与频谱扫描记录的干扰频段,经排除后留下可用频带宽度,按所需无线话筒系统的数量,软件可自行配制出互调干扰最小的无线系统配置。频率参数设定后只需将电脑通过USB连接一台无线话筒接收机或者无线交换机,并自动将频率分配给相应设备,最后将相对应的无线话筒与各自关联接收机通过红外线对频,便可完成所有无线系统频率规划与设计工作。

 

3   舞台无线系统塔建

3.1  发射天线的类别及选择

目前市面上较为常见的天线类型为二分之一波长全向天线、指向性天线、超指向性天线及全指向型天线为主,其主要工作空间范围图如下:如图(5)为二分之一波长全向天线工作范围,其中间位置工作范围强度最好,往两边扩展工作强度依次降低。

  图(5)                                           SHURE UA845 有源指向接收天线工作角度

图(5)                                    图(6)SHURE UA845 有源指向接收天线工作角度

如上图(6)为有源指向性天线工作范围,以SHURE UA845有源指向天线为例,其工作角度为120°

 SHURE UA860SWB全指向天线工作范围

图(7)SHURE UA860SWB全指向天线工作范围,俯视图为一圆形,侧面视图为一八字形。

如图(8),超指向性天线工作距离远但是工作角度较小,通常为90°以内,使用时需注意工作范围和安装的方位角。

超指向性天线

图(8)超指向性天线

3.2  系统天线工作放置位置

在无线话筒系统工作中,发射天线与接收机天线的布局是保障信号安全畅通的关键。

 接收机与发射天线相对位置 接收机与发射天线相对位置1接收机与发射天线相对位置2接收机与发射天线相对位置3

图(9)接收机与发射天线相对位置

如上图(9)左边所示,当独立天线工作时,天线应垂直放置;而当双天线工作时(如上图右),为防止金属平面对射频信号反射与折射,应将天线以90°张角张开且两只天线之间的距离应大于一个波长。

 天线放置高度

图(10)天线放置高度

如上图(10),天线放置位置应高于观众位置,因人体对射频信号有一定的吸收作用,因此在建立二分之一波长全向天线时,应高于2米,而对于指向性天线,其工作高度应为2.5米至3米。

图(11)为一使用者将腰包发射机固定于背部工作,因人体对射频信号有一定吸收,在布置对应接收天线时,应注意这一问题。

腰包发射机 发射机工作范围

图(11) 腰包发射机/发射机工作范围

天线安装还要避免安装在金属航空箱或者金属网格中,因射频信号在金属面会发生一定的折射、反射与屏蔽,如图12(略)。

天线在避免与金属面平行的同时应注意多只天线不能短距离相互安置,这会发生较大的互调干扰,多只天线存在时相间距离应大于一个波长,实际操作中应避免此类问题。(见下图13)。

多天线安置相对位置错误示例

图(13)多天线安置相对位置错误示例

3.3  多通道无线接收机系统的连接

多通道接收机一般采用天线分配器和串联的方式进行连接。

两台接收机可用无源射频信号分配器分配射频信号

图(14) 两台接收机可用无源射频信号分配器分配射频信号

多台接收机可用有源射频信号分配器分配射频信号

图(15)多台接收机可用有源射频信号分配器分配射频信号

大量接收机与信号分配器连接示例

图(16)大量接收机与信号分配器连接示例

大量接收机可用多台有源射频信号分配器分配射频信号(射频信号无损失)

以上图多通道无线系统连接宗旨为:少天线,多信号分配器。不论是无线话筒系统或者无线入耳监听系统都应遵从此宗旨。

具有射频信号级联功能接收机级联示例0具有射频信号级联功能接收机级联示例

图(17)具有射频信号级联功能接收机级联示例

3.4  系统射频信号增益估算

无线系统中射频信号增益相关联的设备参数主要有:无线天线增益、射频信号放大器增益、同轴电缆线材与接口阻抗衰减。通常情况下,6米—60米无线传输中,射频信号增益应控制在-12dB—-3dB之间;而在60米—150米无线传输中,射频信号增益应控制在-3dB—+6dB之间。在估算无线系统射频信号增益时不考虑发射机发射功率及发射机与接收天线距离的原因主要是:一是无线系统发射机都有一定的射频发射功率调节,除空间距离十分小的情况下采用小功率发射外,其余都应以最大功率发射来保证信号的饱满度与信噪比。二是各厂家各类接收天线都有具体的接收距离范围,具体视特定设备而定。因此,本段中讨论的只是单纯射频信号通过同轴电缆连接时的增益估算,主要衰减原因为同轴电缆长度过长及接口阻抗衰减,而目前主要通过带有射频信号放大的无线天线以及射频放大器衰减,且相关产品都有一定的增益档位选择,方便计算。下表为各类型同轴电缆衰减相关参数:

电缆种类 信号损失 @ 900MHz
RG-174 (Belden 7805) 0.67dB/m
RG-58A/U (Belden 8219) 0.45dB/m
RG-8X/U (Belden 9258) 0.40dB/m
RG-213/U (Belden 8367) 0.23dB/m
RG-8/U (Belden 9913) 0.13dB/m

无线系统射频信号增益主要以以下公式为准:

射频增益=(天线增益)+(射频信号放大器增益)-(同轴电缆衰减增益)-(连接接口衰减)

通过一定的无线系统射频信号增益估算可进行正确的无线系统连接,保证射频信号的饱满度与信噪比,以下图(18)为连接图例:

 无线系统连接示例

图(18)无线系统连接示例

 

4  实时监测与应急解决方法

承接上文中所述,在连接完无线话筒接收机与无线入耳监听发射机后,需要再一次对舞台上所有无线话筒发射机与无线入耳监听接收机作多次射频信号检测,以无线话筒发射机为例:将所有发射机通过与接收机红外线对频后每隔30cm放置于舞台主要部位,并将所有无线话筒接收机通过网络交换机与电脑相连,通过相关软件检测所有发射机通道的射频信号状况以及电池电量显示是否正常,确定相关参数稳定后应将无线发射机绕舞台各位置移动,通过调音台监听每一路信号发现是否存在无线信号死点或干扰点,并及时作出无线接收天线的位置改变工作。(如图19)

图19

在确定系统运行正常后,演出中应一直保持软件的运行,随时检测是否有无线系统射频信号突然衰减以及是否出现偶然情况下的空间射频干扰并作及时的调整,因此将所有无线话筒接收机与无线入耳监听发射机统一放置在特定位置较为方便的进行演出前及演出时的相应调整(如上图左),但相应天线应根据设计放置在舞台的各个角落。

 SHURE WWB5 软件  演出时无线通道工作状态与射频环境监测

图(19)SHURE WWB5 软件  演出时无线通道工作状态与射频环境监测

无线音频系统因其射频信号“看不见摸不着”而难以捉摸,因此在演出无线设计工作中应采取一定通道数量的备用无线设备,显而易见的是,如演出时遇到突然的无线频率干扰,调整接收机与发射机相应频率显然是仓促而容易出错的。

 

5  无线音频系统相关参数的调节及其注意事项

为了利用无线音频系统进行高音质的路由工作,单单利用稳定的未受干扰的射频信号作为传输路由是不够的,音响从业者还需掌握各机身主要参数的调节以及了解正常使用中一些细节性注意事项。

就无线话筒系统发射机而言,话筒的选择主要依据歌手或乐手的演奏风格,如摇滚主唱主要使用配动圈话筒头的手持发射机,而民歌歌手主要使用电容手持发射机,对于一些提琴类可以用夹式电容话筒等。而相对于话筒本身的选择,无线发射机最主要的参数还有灵敏度(sense)与增益(gain)调节,灵敏度的大小依据所使用话筒灵敏度大小以及声源大小来设定,既不能过大造成前级失真,又不能过小丢失声音细节;而增益主要针对无线射频传输而言,过大容易过载,不利于发射机在发射前端射频信号载波的压缩,导致接收机端失真,过小后级音频输出至调音台需要加大增益,降低信噪比。其次,发射机发射功率调节。一般发射功率分10、30、50mw多档可调。可根据接收机与发射机的距离选择合适的发射功率。较近的情况下使用低功率10mw档,避免高功率档发射造成射频信号过载,较远距离的选择30或50mw档,以接收机射频信号合适为准。最后不要忘记发射机的手动锁(lock)功能,为防止使用者误触发射机按键造成频率改变甚至是关闭发射机的尴尬,在演出时必须将打开的发射机上锁。

对于无线话筒接收机而言,开机第一件事情是检查射频门限值,最小场强不应低于100uV,这是现在很多接收机的满刻度值;其次应注意接收机模拟音频输出有mic与line输出之分,目前市面上的高端无线接收机模拟音频输出都自带放大模块,可输出较高音质的线路信号,当后级调音台话放质量较差的情况下可选择line线路输出,反之则选择mic输出。

无线音频系统中的话筒发射机是需要电池来提供电力支持的。在专业音频系统中,除高端数字无线话筒使用带实时监测的锂电池外,通常使用一次性碱性电池。碱性电池稳定性好,使用时间长。而碳性电池使用时间短,稳定性差,容易出现电量突然急剧下降的状况,不利于无线音频系统的安全。笔者建议选购市场上一些品牌碱性电池,一般连续工作时间为6至8小时。正式演出前必须将所有电池更新,旧的电池不要随意丢弃,可用于彩排,废弃电池集中回收,保护环境。

无线音频设备和其他音频设备一样,都需要防潮防震。大体积系统设备因存放在设有减震支架的航空箱中,而一些腰包或手持设备,由于演出时可能长时间接触人类皮肤,应及时清理汗渍及污渍,以防设备损坏。

 

6  数字无线系统发展现状

随着音频技术的日益更新,模拟无线系统产品的可靠度与音质已经达到了较高的水准,而各厂家也应运而生设计生产一些数字无线产品。数字无线产品主要以数字信号为载波内容,且采样率高,传输音质频响带宽可达到20Hz—20kHz,动态范围可达到120dB以上。此外,数字无线产品还具有高调谐带宽、高级标准加密、干扰警报、频率协调及接收机数字信号输出等优势,在今后的市场上必将取代现有的模拟无线音频产品。

 

小  结

通过上述实验与论证,无线音频系统虽传输路由“看不见,摸不着”,但通过耐心而仔细的系统优化工作,多通道数量无线系统在舞台上无干扰共存是可行的。无线音频系统在实际设计与操作中应胆大而心细地不放过每一个细节,目的使演员能在舞台上不受连接线材的约束而随意走动,增强演出的观赏性、互动性。充分发挥演员的肢体动作与尽情投入的演出效果。

 


参考文献

1. 李力.北京电视台新址全台无线话筒系统的规划[C].北京:中国新闻技术工作者联合会2010年学术年会论文集,2010.

2. 王鸿.浅谈电视节目录制中无线话筒的正确使用[J] . 北京:技术与艺术,2011.(7).

3. 郑剑虹.无线话筒原理及关键技术[J] . 北京:音响与技术 2011.1-59

4. 声海使用指南[EB/OL] http://www.sennheiser.com.cn