無線話筒系統(tǒng)的操作和設計概念

頻率合成

   頻率合成的無線話筒系統(tǒng)在近些年變得逐漸流行起來。除了為某些消費市場提供的很便宜的系統(tǒng)以外，現(xiàn)在介紹的大多數(shù)新的無線系統(tǒng)都是采用頻率合成技術。無線用戶已經(jīng)注意到這些系統(tǒng)物有所值，并且感到它們擁有快速改變操作頻率的強大功能。經(jīng)銷商也希望將其庫存的無線設備銷售出去，而無需等待關于用戶自定義的、特殊的定購系統(tǒng)。合成的無線話筒在場地新聞制作人員，場地電影拍攝，電視制作公司，旅游團體和其它無線用戶中也變得流行起來。術語“頻率捷變”（此處是指頻率合成的無線設備）在專業(yè)音頻行業(yè)上已經(jīng)成為一種行業(yè)術語。
 
    盡管他們有不可否認的吸引力，合成無線話筒系統(tǒng)也有某些重要的局限和不足，并且有時在解一個舊問題時，新問題又產(chǎn)生出來。例如，頻率合成電路經(jīng)常嚴重地影響音頻質量，不過在音頻性能和頻率合成之間的關聯(lián)對于絕大多數(shù)無線用戶來說就不是很明顯。頻率合成也同樣影響無線話筒性能的其它指標，像電池壽命，大小，重量和成本等等。因為用戶對于頻率合成技術寄于極大的期望，因此當選擇使用無線話筒時，對其技術的基本了解將有助于做出明智的選擇。
 
頻率合成
 
      所有合成的無線話筒設備使用一種相位鎖定環(huán)狀（鎖相環(huán)）電路來控制操作頻率。在這種類型的頻率合成器中，輸出頻率由一個電壓控制的射頻振蕩器所產(chǎn)生，通常直接工作于理想的發(fā)射頻率上。無線發(fā)射機中的電壓控制振蕩器也經(jīng)常有一個用來FM調制輸出信號的第二個控制輸入接口。某些更加復雜的頻率合成器使用獨立的FM調節(jié)器電路。
 
     電路鎖定到一個非常穩(wěn)定的、由水晶振蕩器發(fā)生的參照頻率上，通過控制電壓的變化來調整振蕩器的輸出頻率。通過數(shù)字頻率分配器電路、相位/頻率比較儀、控制信號濾波器以及控制信號放大器來共同實現(xiàn)。按照理想合成頻率通道間距將穩(wěn)定的參照頻率分降成與之相等的頻率。也就是說，如果通道以125千赫茲的間隔劃分，參照頻率分配器的輸出也將是125千赫茲。通常使用更高的參照頻率和分配器設計，因為對于無線話筒設備來說125千赫茲的晶體不夠穩(wěn)定以及尺寸太大
電壓控制振蕩器的輸出也通過一個可編程頻率分配器分降成125千赫茲。例如，如果702.625MHz的輸出頻率是理想的頻率，計數(shù)器將其除以5621（702.625除以5621是0.125）。那末參照分配器和程序分配器的輸出都應用在相位/頻率比較儀上。起初，電壓控制射頻振蕩器不會在準確的702.625MHz上。相位/頻率比較儀將會輸出一個控制信號，該信號會在必要時上下調整電壓振蕩器并使頻率達到702.625MHz。此控制信號經(jīng)過過濾以消除數(shù)字噪音，再放大，隨后應用在電壓控制振蕩器上。
 
      由于電壓控制振蕩頻率十分接近702.625MHz，相位/頻率比較儀輸出將會變成一個相位控制信號。經(jīng)過一段調整時間后，進入相位/頻率比較儀的兩個為125千赫茲的信號其頻率和相位將會被鎖住。當該種情況發(fā)生時，電壓控制振蕩器輸出頻率就像參考振蕩器本身的頻率一樣精準，恰恰是125千赫茲的倍數(shù)。
 
    改變程序頻率分配器的除數(shù)比率會使頻率合成器輸出頻率以125千赫茲的步幅移動。例如，如果程序頻率分配器改用5622作為除數(shù)，而不用5621，電壓控制振蕩器的頻率變?yōu)?622乘以125千赫茲，即702.750MHz。一個為5623的除數(shù)比率產(chǎn)生702.875MHz，而為5624的將產(chǎn)生703.000MHz，以此類推。理論上，頻率合成器的輸出頻率范圍只受到電壓控制共振器和可用的程序分配器的除數(shù)比率所限制。在實踐中，受到頻率合成器噪音和其它考慮因素限制，電路可調的頻率輸出范圍通常在VHF頻段時限制在兩個左右的電視通道范圍內(nèi)，而對于UHF頻段來說，最大范圍將會是4到8個電視頻道間距。

   相位/頻率比較儀也有一個“鎖緊”狀態(tài)電路輸出，當頻率合成器取得穩(wěn)定的頻率操作時，它會發(fā)出信號。在發(fā)射機中，“鎖緊”狀態(tài)電路打開射頻輸出控制開關，允許設備開始傳輸射頻信號。在頻率合成器鎖住之前，輸出頻率可能在發(fā)射機的可調范圍之內(nèi)的任何位置并對頻率進行快速改變。在頻率合成器對頻如果適中的性能表現(xiàn)是可以接受的，使用標準集成的電路來設計運行在較低射頻頻點的基本鎖相環(huán)頻率合成電路是相當簡單的。專業(yè)無線話筒系統(tǒng)所需的高性能設計則相當具有挑戰(zhàn)性，尤其是對UHF來說。必須在噪音，音 頻 響應，低頻失真，鎖定時間，電量消耗，可調范圍，偽輸出，頻率步幅大小以及其它一些內(nèi)部關聯(lián)的性能表現(xiàn)的因素之間做出謹慎的折衷選擇。合成頻率的無線系統(tǒng)使用者應該不光著眼于合成技術的吸引力，而要確信是否整體性能表現(xiàn)符合他們的需要。率鎖住之前進行傳輸會對其它設備造成嚴重干擾。
 
頻率合成器性能表現(xiàn)存在的問題
 
    頻率合成器對于傳輸?shù)囊纛l信噪比（SNR）指標有主要影響。由于在絕大多數(shù)的無線話筒系統(tǒng)都采用了某些類型的音頻處理（如壓縮擴展）技術，上述影響不總是立即可見的。另外，基于靜態(tài)度量的詳細說明并沒有揭露這些問題。不幸地是，某些無線制造廠商依靠音頻處理來掩蓋由于各種設計折衷所暴露出來的問題，這也包括在頻率合成器中使用時出現(xiàn)的問題。然而，在每個字后加入“嘶嘶聲”或 “噪聲尾音”會使一個糟糕系統(tǒng)信噪比問題很清楚地顯露出來。該效應有時也稱作“呼吸聲”。在某種背景聲音存在時，此問題就尤為明顯，比如傳輸中斷，火車和地鐵中的隆隆聲，電梯噪音以及表演者的沉重呼吸聲。
 
    盡管頻率合成器噪音并不是該問題的唯一原因，但它卻是最普通中的一個。主要原因是相位噪音，有時也被稱作相位或頻率不定。在發(fā)射機和接收機上的頻率合成器很容易受到此問題的影響，而且每一個相位噪音是疊加上去的。接收機FM解調器不能把頻率合成器相位噪音與理想音頻調制區(qū)分開來，結果是低強度的噪音被引入音頻中來。此虛假的噪音“本底”造成每個字后夾雜的“尾噪音”，以及可聽見的強度差異。
 
    就許多原因來說，頻率合成器比晶體控制振蕩器擁有更多的相位噪音。相位噪音也會隨頻率的增加而提高，這使得UHF系統(tǒng)比VHF系統(tǒng)更容易遭受影響。為了部分彌補這種問題，UHF系統(tǒng)通常比VHF系統(tǒng)擁有更寬的頻偏（調制的增加）。在UHF頻段，如何設計一個極低相位噪音的頻率合成器是非常具有挑戰(zhàn)性的工作，好的設計與那些較低性能的設計比較起來更加復雜，也更加昂貴。相位噪音也影響到了通道間隔，與那些100千赫茲或更高通道間隔的相比，實現(xiàn)擁有25千赫茲通道間隔的高性能電路相當困難，而且價格也會更加昂貴。
 
    合成頻率的無線設備比起晶體控制頻率的設計更容易遭受機械振蕩和沖擊的影響。除非采取可預防的措施，粗暴操作或撞擊一個合成頻率的發(fā)射機或接收機很有可能在系統(tǒng)輸出中造成可聽見的“砰聲”。即使是這樣，發(fā)射機和接收機周圍也要十分堅硬，如此地設計是為了使對頻率合成器電路的振蕩和沖擊降至最低限度。電子瞬變也會造成嚴重問題。由于電池接觸可能會不牢固，靠電池供電的設備必須考慮防止直流線路上的噪音。依靠交流電源供給的接收機必須有充足的過濾和規(guī)則以防止電源瞬變所造成的影響并阻止噪音到達頻率合成器電路。
 
    頻率合成器的電量消耗與晶體控制電路比較總是相當高的。雖然在低功率高速數(shù)字電路的技術取得了長足的進步，頻率合成器的耗用電流還是比期望的要高許多。這對于需要極高速的頻率分配器電路的UHF無線設備尤為重要。在高性能UHF發(fā)射機中頻率合成器占用35%到50%的設備總體耗用電流是十分普遍的。數(shù)字電路也需要穩(wěn)定的操作電壓，而這些往往是以犧牲了效率和降低電池壽命為代價而實現(xiàn)的。

   合成頻率的發(fā)射機會有偽輸出，正如晶體控制發(fā)射機一樣。然而除了發(fā)射機輸出頻率諧波，兩種類型的設備偽輸出也大不相同。晶體控制發(fā)射機有其特有的、大量的低強度的偽輸出，通常與載頻信號間隔10MHz或更大。合成頻率的發(fā)射機幾乎總是擁有與發(fā)射機頻率比較接近的低強度偽輸出。在絕大多數(shù)情況下，偽輸出會存在載頻信號的上方和下方，其數(shù)量與通道間距相等。
 
    如果發(fā)射機輸出頻率以100千赫茲的間隔分離，也就是說，在載頻信號上方和下方100千赫茲的偽信號將會出現(xiàn)。對那些習慣于晶體控制發(fā)射機的人們會很驚訝，按照他們的理解接近中心的偽信號經(jīng)常會導致嚴重問題。合成頻率的發(fā)射機有時也會產(chǎn)生位于頻率合成-參照振蕩器頻點上方和下方的（通常為3到10MHz）的偽輸出信號。兩種類型的發(fā)射機通常都會輸出倍頻的偽輸出信號。一個設計良好的合成發(fā)射機普遍上比晶體控制發(fā)射機有較少的偽輸出，并且偽輸出信號強度也較低。
 
    當幾個系統(tǒng)同時使用時，頻率合成器的開和關會造成嚴重問題。幾乎所有的頻率合成器在最初打開時會產(chǎn)生大范圍、眾多的發(fā)射信號，需要一點時間以使數(shù)字電路將輸出頻率“鎖在”正確的值上。當開機時，如果發(fā)射機的頻率合成器初始化時發(fā)射的眾多信號正好有一個位于另外一個正在工作的無線通道頻點上，那么第二個系統(tǒng)將會受到嚴重的干擾。您會聽到最大的聲音強度“砰聲”。
 
    直到頻率合成器完全鎖住后，合成的發(fā)射機才可以進行射頻輸出。然而，有些設備并沒有終止射頻輸出的電路，或不能充分地降低輸出以防止進一步干擾。不幸的是，盡管對于發(fā)射機來講要達到FCC絕緣要求的最低限度并不難，但仍能造成該問題的發(fā)生，尤其是當發(fā)射機離接收機很近時。當關機時，某些設計也會產(chǎn)生瞬間干擾，當數(shù)字電路已經(jīng)失去了對頻率的控制后，在很短的時間段內(nèi)仍然有射頻輸出進行。此問題十分嚴重，因此在專業(yè)應用使用之前，核實合成的無線發(fā)射機是否可以“干凈地”打開或關閉是必需的。
 
接收機的性能表現(xiàn)
 
    在無線話筒系統(tǒng)中另一個重要的考慮因素就是接收機的選擇性和干擾抑制。頻率合成電路可以在大范圍內(nèi)輕易地將接收機調整到指定的工作頻點中心。為了使接收機工作正常，在接收機輸入端的射頻濾波器必須以某種方式覆蓋整個頻率合成器的調節(jié)范圍。最普通的方法就是將接收機的射頻過濾器簡單地加大，可以容納所需的范圍。這幾乎總是犧牲了接收機的選擇性和抗干擾能力。調節(jié)范圍越大，性能的犧牲越嚴重。
 
    如果想要得到相當大的調制范圍，首選的方法就是為接收機配備電子可調諧的射頻濾波器。雖然此方法可以很好地工作，它的確有許多缺點，成本很高。額外的組件成本巨大且初始排列時很費時。濾波器頻率調整對控制信號來說實質上總是非線性的，需要必要的電路來存儲所需的控制信號閥值和產(chǎn)生正確的信號值。
 
    一種普通類型的電子調制射頻濾波器使用變?nèi)荻�極管作為調制單元。除非很好地加以實現(xiàn)，否則此類型的濾波器會在幾個種情況下波及性能表現(xiàn)。一種問題是，某些變?nèi)荻�極管，尤其是那些便宜的，會衰減濾波器的選擇性指標。這在UHF上是一個獨特的問題，任何小組件的功能缺陷將嚴重影響濾波器的性能。結果是與寬頻帶、不可調諧濾波接收機設計相比并沒有實際優(yōu)勢。
 
    可調諧變?nèi)荻�極管射頻濾波器也可能受強大的射頻信號的影響而過載，這在無線話筒系統(tǒng)中是非常普遍的情況。當濾波器中源自強大射頻信號產(chǎn)生的電壓淹沒了正常工作的調制電壓就會發(fā)生過載。當這種情況發(fā)生時，濾波器調諧的變化和其選擇性會下降。有時，濾波器調整方向背離期望的信號而轉向干擾信號，嚴重地危及到系統(tǒng)性能表現(xiàn)。 使用其它調諧類型組件的濾波器，比如PIN（開關）二極管，在這種情況下會表現(xiàn)得更出色。

    理論上通過使用特殊的抗過載射頻放大器來改善寬帶濾波器接收機的性能是可能的。因為這些放大器的高電量消耗，此方法只對較大的交流供電接收機適用。不過，即使擁有復雜的電路，寬頻帶、可調制過濾接收機的性能表現(xiàn)仍舊不能與高品質的固定頻率設計的接收機相比。出于這種原因，只有高品質的，專業(yè)的合成設備才可用于苛刻要求的應用上。
 
操作員界面
 
    頻率合成器的程序界面是以一個長二進制代碼形式而代表的，或兩個較短的二進制代碼。必須將這種形式翻譯成對使用者有意義的形式。通常使用幾種方法來實現(xiàn)：某些方法簡單而某些方法相對復雜。在復雜的高端產(chǎn)品設計上，某些合成無線發(fā)射機和接收機使用面板上的微處理器來驅動LCD顯示。操作頻率可以以6位數(shù)字的形式直接顯示，如“702.625”。頻點也可在一個小型控制面板，蓋子內(nèi)部或電池艙里，通過“上”和“下”按鈕加以調整。一般上來說，某種形式的電子鎖或外殼對于防止誤操作所導致的意外頻率改變是十分必要的。
 
    有些設備使用一種“通道和組”的方法。在這種情況下，基于某種原理，生產(chǎn)廠商在指定的組內(nèi)標明某些通道的特殊使用頻率。許多可用的組，以及組內(nèi)可用的通道隨不同的生產(chǎn)廠商而改變。尤其是，不同生產(chǎn)廠商之間由通道/組數(shù)量所代表的實際頻率幾乎總是不盡相同。如果出自多于一家生產(chǎn)廠商的設備在使用時，這使得此方法很不實用，并且當實際頻率一覽表相對于通道/組數(shù)量不可用時，將會出現(xiàn)嚴重問題。
 
    一些設備提供直接頻率顯示或通道/組顯示選擇。無論是哪種選擇，通常核實所有的可選設置以達到預期的目標是十分必要的。這不但耗費時間，而且如果當其它無線系統(tǒng)在使用時需要頻率的改變，這會是個大問題。也就是說，如果發(fā)射機瞬間向每一個中間頻段輸出一個信號，發(fā)生干擾的可能性很高。這甚至對接收機也有問題，因為在調諧期間，短暫的多余音頻信號會發(fā)生。除非所有的頻率在性能表現(xiàn)期間保持不變，在取得最終頻率之前對于發(fā)射機采取措施以限制輸出是必要的。由于可能使用其它類型的設備，ENG的使用存在著危險性，不存在整體控制，并且可供設置時間已經(jīng)很短，甚至沒有整體協(xié)調的時間。
 
    發(fā)射機上的LCD顯示屏提供直接頻率、組等等的顯示信息，使其具有直覺上的吸引力，但考慮到發(fā)射機是無線系統(tǒng)中最經(jīng)常觸摸的部分，易碎性也將會是一個問題。簡單的用螺絲刀調節(jié)的超小型旋鈕關使之具有堅固，成本低和容易使用的特性。另外，不像其它帶有LCD顯示屏的設備一樣，旋鈕可以在發(fā)射機關閉時進行調整，這消除了當在變換頻點時可能出現(xiàn)的任何潛在的干擾問題。旋鈕也同時提供了快速訪問寬頻點范圍的方法，這與按鈕類型的控制一樣無需滾動過所有的中間選擇即可快速調整。
 
    接收機的顯示屏是相當有用的，尤其指那些用在錄音室或固定的安裝應用上。在這種情況下，通常特殊的接收機可以和多于一臺的發(fā)射機匹配使用。顯示屏可以確認將會接收到哪一個發(fā)射機的信號。另外，對于其它系統(tǒng)的干擾風險降至最低限度，操作員可以對任何無用音頻進行靜音。顯示屏對于其它用途也很有用，比如發(fā)射機低電量警告以及其它各種系統(tǒng)信息。最后，如果接收機在很遠的地方接收控制，前端面板接收機顯示屏將尤為有用。
 
操作中的問題
 
    合成頻點的無線話筒系統(tǒng)的一個主要吸引人的特點就是使用者可以快速地改變頻率。

在許多應用中，這也會是一個弊病。事實上，除非可將合成的無線設備頻率“鎖住”以避免在現(xiàn)場臨時變化或將其限制在一小部分預先建立的“可允許的”頻率上，否則一些經(jīng)常使用大量無線系統(tǒng)同時工作的組織將不會使用它們。問題在于，將同時可用的無線頻率點增加到最大限度需要專業(yè)的頻率協(xié)調和對頻率利用的嚴格控制。在這種環(huán)境下，只有一兩套合成系統(tǒng)加上一位未經(jīng)培訓的操作員會對其他無線系統(tǒng)造成嚴重的干擾問題，結果經(jīng)常是耗資巨大。
 
    小規(guī)模上，任何在同一地點使用多于兩或三套無線系統(tǒng)的小組都會遇到小規(guī)模的問題。這在都市區(qū)域或當無線系統(tǒng)不在個人或小組的控制下時尤為真實。在這種情況下，改變頻率的能力就是干擾另一系統(tǒng)的能力。特別需要注意的是，造成互調的頻率之間的聯(lián)系并不是顯而易可見的，因此隨機的頻率變化總會對另一調整好的無線系統(tǒng)形成潛在的嚴重問題。
 
    合成頻點的無線系統(tǒng)也在ENG和其他類似應用場合中產(chǎn)生同樣的問題。由于在類似應用現(xiàn)場沒有統(tǒng)一的頻率分配的控制中心，而且現(xiàn)場工作人員普遍面對極大壓力，這些成為了日復一日需要面對的共同特點。當幾組不同的ENG工作人員在場時，為了提高接收效果，最后加入的小組的頻點增加甚至簡單的頻率改變將會給其他人帶來嚴重問題。假設希望較大工作范圍的無線用戶A改變了頻點，從而給用戶B帶來了互調問題。用戶B為了避免互調而同樣改變頻率，這給用戶C和用戶D帶來了干擾問題，依次地造成他們改變自己的頻率�，F(xiàn)在用戶C給用戶A制造了一個新問題，而用戶D給用戶B帶來同樣的問題。當重要事件發(fā)生且沒人可以得到高品質的無線音頻信號時，這會開始又一輪的頻點改變，這種情況可能會一直持續(xù)。雖然在不同組織的用戶之間不可能對干擾有一個理想的答案，但在事件中瘋狂地改變頻點肯定是最糟糕的事情。
 
    合成頻率的無線設備對EFP、旅游團體、講師以及那些經(jīng)常變化工作場所的音頻工程師而言，由于他們通�？蓪�場所內(nèi)的所有無線系統(tǒng)進行控制，通常是相當有價值的。由于它們可設置成拿走維修的設備相同頻點或是臨時應用在其它地方的設備相同的頻點，頻率合成無線設備作為備用的或“可移動的”系統(tǒng)時也可很好地工作。在適當?shù)念l率協(xié)調下，對于特殊事件活動頻率合成無線系統(tǒng)用來暫時加強現(xiàn)存系統(tǒng)的功能，其價值是無法衡量的。