WMAS

Wireless Multichannel Audio System (WMAS) - новая технология следующего поколения аудио оборудования для создания программ и специальных мероприятий (PMSE). Использует широкополосные методы модуляции для передачи нескольких аудио каналов в одном широкополосном радиоканале. WMAS обеспечивает более эффективное использование радиочастотного спектра за счет поддержки бóльшего количества аудио каналов, передаваемых на 1 МГц полосы пропускания, по сравнению с существующими узкополосными системами PMSE. Кроме того, WMAS поддерживает более гибкий подход к параметрам аудио канала и радиочастотного канала для удовлетворения требований, определяемых либо приложением, либо радиочастотной средой.

PMSE (Programme Making and Special Events) — это термин, используемый для обозначения оборудования и радиочастотных систем, которые используются при производстве программ, таких как телевизионные шоу, фильмы, театральные постановки, а также на специальных мероприятиях (концерты, спортивные события и другие массовые мероприятия). Эти системы, как правило, включают беспроводные микрофоны, системы мониторинга, камеры и другие устройства, которые используют радиочастотный спектр для беспроводной передачи аудиовизуальных данных.

Технология Wireless Multichannel Audio Systems (WMAS) была разработана компанией Sennheiser. Основной вклад в разработку WMAS внесли доктор Себастьян Георги и Ян Ватерманн. Они начали работу над этой технологией в 2012 году, а в 2018 году подали петицию в Федеральную комиссию по связи США (FCC) для изменения требований к ширине полосы частот для беспроводных микрофонов. В итоге после ряда испытаний и демонстраций, FCC утвердила правила, разрешающие использование WMAS на территории США.

Широкое внедрение этой технологии также поддерживает компания Shure, которая активно продвигает её на рынке и взаимодействует с регулирующими органами, такими как FCC в США, для адаптации WMAS к существующим стандартам и повышению мощности передатчиков для большей надежности работы системы.

Предстоящие задачи, которые будут решаться с помощью оборудования на базе WMAS, следующие:

• поддержка передачи несжатого звука для создания высококачественных звуковых произведений
• поддержка более эффективного использования ограниченного радиочастотного спектра
• поддержка быстрой и гибкой настройки системы

WMAS и существующие узкополосные системы PMSE могут работать в одних и тех же частотных диапазонах. Современные узкополосные PMSE-системы могут использовать небольшие участки свободных пробелов в радиочастотном спектре, в то время как для WMAS потребуется более широкий свободный диапазон смежного радиочастотного спектра. Полоса радиочастот WMAS может быть масштабирована в зависимости от используемых частотных диапазонов или региона эксплуатации, например, 8 МГц в ЕС или 6 МГц в США. В настоящее время максимальная полоса пропускания ограничена 20 МГц.

ETSI EN 300 422-1 содержит специальные требования для WMAS. Ожидается, что внеполосные и помеховые излучения WMAS будут такими же или лучше, чем у узкополосных систем PMSE

Как широкополосная система, она предназначена для сценариев, в которых доступна область смежного спектра и требуется несколько беспроводных аудио каналов. Одна база WMAS управляет всеми портативными устройствами WMAS, такими как ручные микрофоны, микрофонные бодипаки, IEM системы или конференц-устройства. Все микширование и обработка звука могут осуществляться с помощью Laptop, подключенного к базе WMAS, самой базы WMAS, микшерного пульта или любого другого эквивалентного устройства.

Радио интерфейс

WMAS предназначен для многоканальных аудио приложений, объединяющих беспроводные микрофоны, IEM и другие аудио приложения в один радио интерфейс.

На рисунке 2 показан радио интерфейс WMAS, который предлагает несколько аудио каналов и каналов управления, интегрированных в один широкополосный радио интерфейс. Направление каждого выделенного аудио канала определяется подключенным портативным устройством. WMAS может поддерживать до N-го количества устройств. Количество устройств зависит от общей емкости системы, определяемой используемой полосой радиочастот, а также от конфигурации скорости передачи данных и задержки, установленной для каждого устройства.

Внедрение WMAS открывает новые возможности для эффективного использования спектра. WMAS достигается за счет минимизации минимального расстояния между соседними аудио каналами и стратегического размещения возникающих интермодуляционных продуктов (IMD) внутри собственного радиоканала, расположенного по левому и правому краям (как показано на рисунке 3). Это стало возможным благодаря использованию широкополосного метода передачи с несколькими несущими, который объединяет несколько аудио каналов в более широкий радиоканал. Полоса радиочастот этого широкополосного канала может варьироваться, но ограничена максимум 20 МГц в соответствии со стандартизацией ETSI. Широкополосный канал должен иметь пропускную способность не менее трех аудио каналов на 1 МГц полосы пропускания.

WMAS представляет собой технологическую эволюцию в области цифровых беспроводных микрофонов. В отличие от существующих узкополосных систем, основанных на методе одной несущей с фиксированной полосой частот 200 кГц, WMAS использует многополосный подход для беспроводной передачи. Эта новаторская методология позволяет использовать разнообразный спектр радиочастотных диапазонов с возможностью использования любой полосы пропускания вплоть до 20 МГц.

Поскольку WMAS позволяет использовать более широкую полосу частот, это дает возможность реализовать более сложные методы передачи с несколькими несущими на основе ортогонального мультиплексирования с частотным разделением (OFDM).

OFDM - это широко распространенная и очень гибкая технология, используемая в проводной и беспроводной связи, включая Wi-Fi, 4G, 5G, DVB-T, DAB+ и другие.

С помощью OFDM можно комбинировать различные методы доступа к каналу, чтобы удовлетворить потребности различных пользователей или, в случае WMAS, отдельных аудио каналов (см. рисунок 4). Сюда входит разделение на основе времени (OFDM/TDMA - Time Division Multiple Access), когда аудио каналам выделяются отдельные временные слоты; разделение на основе частоты (OFDM/FDMA - Frequency Division Multiple Access), когда фиксированные частоты назначаются различным аудио каналам; или сочетание временного и частотного распределения (OFDM/OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access).

Используя возможности OFDM, WMAS может эффективно оптимизировать использование доступных ресурсов и повысить эффективность управления аудио каналом.

Такой тип передачи данных позволяет, в частности:

• более эффективное использование радиочастотного спектра
• более высокая скорость передачи данных для новых аудио приложений
• масштабируемая архитектура системы.

Масштабируемость полосы пропускания

Наличие масштабируемой полосы частот, регулируемой в зависимости от количества требуемых аудио каналов, обеспечивает эффективную поддержку различных сценариев применения. Например, такая гибкость позволяет эффективно сочетать WMAS с традиционными узкополосными системами или адаптировать полосу пропускания WMAS к текущему наличию свободного спектра. Три соответствующих примера, иллюстрирующих эту концепцию, показаны на рисунке 5.

Эффективная работа WMAS зависит от соответствующего масштабирования различных параметров в зависимости от выбранного метода передачи или доступа к каналу. На рисунке 5 показаны примеры, использующие OFDMA в качестве метода доступа к каналу. Однако альтернативные методы предполагают поддержание постоянной полосы пропускания радиочастот при адаптации других параметров, таких как качество передачи и задержка звука.

Факторы, которые необходимо учитывать при внедрении WMAS.

При определении практического применения WMAS решающее значение имеет количество требуемых аудио каналов по отношению к доступному свободному спектру. Если доступны только узкие участки спектра, узкополосные системы обычно оказываются более подходящими, особенно если требуется ограниченное (малое) количество аудио каналов. Как правило, WMAS находит оптимальное применение в инсталляциях, где требуется большое количество беспроводных микрофонов и/или IEM.

Как и в случае с обычными узкополосными системами, для успешной работы WMAS необходимо тщательное частотное планирование. Это включает в себя:

• Выявление значительных пробелов в частотном спектре.
• Соответствующее масштабирование полосы радиочастот WMAS.
• Обеспечение беспроблемного соседства с узкополосными системами.

Совместная работа узкополосных систем и WMAS в одном частотном канале не предусмотрена, так как это приведет к значительному ухудшению свойств системы. Необходимо минимальное частотное расстояние между узкополосными и широкополосными (WMAS) системами для поддержания надежной работы.

Правила WMAS в Соединенных Штатах и Европейском Союзе.

Последние нормативные разработки Федеральной комиссии по связи (FCC) в США и существующие правила и усилия по стандартизации под руководством ETSI и CEPT в Европе проложили путь для интеграции этого инновационного подхода в профессиональные аудио устройства.

ETSI (European Telecommunications Standards Institute) — это европейская организация по стандартизации, которая занимается разработкой глобально применимых стандартов для информационных и коммуникационных технологий. ETSI играет ключевую роль в установлении технических стандартов в таких областях, как мобильная связь, широкополосные сети, радиосвязь, Интернет вещей (IoT), кибербезопасность, и других.

Основанная в 1988 году, ETSI отвечает за создание технических спецификаций и стандартов, которые помогают обеспечить совместимость и качество услуг и оборудования в сфере телекоммуникаций. Организация поддерживается Европейской комиссией и активно сотрудничает с другими международными стандартными организациями, такими как 3GPP (разработка стандартов для сетей мобильной связи), ITU (Международный союз электросвязи) и IETF (Internet Engineering Task Force).

Основные задачи ETSI:

• Разработка стандартов для мобильной связи (2G, 3G, 4G, 5G).
• Поддержка стандартов для интернета вещей (IoT).
• Установление норм в области кибербезопасности.
• Обеспечение совместимости между различными системами и технологиями.

ETSI работает как на европейском, так и на международном уровне, создавая стандарты, которые влияют на мировые рынки технологий.

Соединенные Штаты: Обновление правил FCC (принято 15 февраля, 2024 г.)

Федеральная комиссия по связи США внесла изменения в части 15 и 74 своих Правил для беспроводных микрофонов в телевизионных диапазонах и других диапазонах и частотах, на которых они имеют право работать, чтобы разрешить использование новой разработанной технологии WMAS. Эта технология позволит еще больше повысить спектральную эффективность по сравнению с тем, что было достигнуто в узкополосных цифровых системах, и она хорошо подходит для работы в UHF-TV диапазоне.

Основные положения FCC по WMAS:

• Разрешить лицензированным пользователям беспроводных микрофонов работать с WMAS на частотах, уже доступных для лицензированных беспроводных микрофонов по части 74 в диапазонах VHF-TV (54-72 МГц, 76-88 МГц и 174-216 МГц), UHF-TV (470-608 МГц), сегменте 653-657 МГц дуплексного промежутка 600 МГц, а также в диапазонах 941.5-944 МГц, 944-952 МГц, 952,850-956,250 МГц, 956,45-959,85 МГц, 1435-1525 МГц, 6875-6900 МГц и 7100-7125 МГц.
• Разрешить WMAS, работающим в соответствии с Частью 74, использовать до 6 МГц каналов в телевизионных диапазонах, до 4 МГц каналов в дуплексном промежутке 600 МГц (653-657 МГц) и до 20 МГц каналов в других диапазонах, но разрешить меньшее количество каналов, если в диапазоне доступен меньший спектр или он достаточен для применения.
• Разрешить нелицензированным пользователям беспроводных микрофонов работать с WMAS на частотах, уже доступных для нелицензированных беспроводных микрофонов по Части 15 в телевизионных диапазонах UHF и VHF и в сегменте 657-663 МГц в дуплексном промежутке 600 МГц с каналами до 6 МГц, но разрешить меньшееколичество каналов.
• Требовать, чтобы WMAS могла работать как минимум с тремя аудиоканалами на 1 МГц спектра, чтобы обеспечить эффективное использование спектра. Это соответствует предложению ETSI и правилам FCC, согласно которым WMAS должна иметь возможность работать с тремя аудиоканалами на 1 МГц. Проще говоря, это требование к возможностям, а не к работе.

Выходная мощность:

• Разрешить WMAS работать на лицензионной основе по правилам Части 74 на тех же уровнях мощности, которые разрешены в настоящее время по этим правилам, т.е. 50 милливатт EIRP в VHF-TV диапазонах, 250 милливатт проводимой мощности в UHF диапазоне, 20 милливатт EIRP в дуплексном промежутке 600 МГц (653-657 МГц), 250 милливатт проводимой мощности в диапазоне 1435-1525 МГц, и 1 ватт проводимой мощности во всех других диапазонах.
• Разрешить WMAS работать на безлицензионной основе по правилам части 15 в полосах, выделенных и назначенных для вещательного телевидения:
• TV-VHF & TV-UHF
• WMAS с полосой пропускания до 1 МГц: 50 мВт EIRP.
• WMAS с полосой пропускания более 1 МГц: 100 мВт EIRP.
• В верхнем сегменте 6 МГц дуплексного промежутка (657-663 МГц): Ограничение EIRP в 20 мВт, соответствующее уровню мощности, разрешенному в настоящее время для узкополосных беспроводных микрофонов в этой полосе частот.
• Безлицензионным WMAS не разрешается работать в защитной полосе 600 МГц (614-616 МГц), которая разрешена для узкополосных безлицензионных микрофонов, поскольку ни одна сторона не указала на необходимость в этом.
• Требовать, чтобы WMAS в Части 15 и Части 74 соответствовали маске излучения и предельным значениям помех для WMAS, указанным в стандарте беспроводных микрофонов ETSI 2021 года.
• Обновить существующие технические правила для беспроводных микрофонов по Части 74 и Части 15, чтобы они ссылались на соответствующие части стандарта ETSI для беспроводных микрофонов 2021 года (текущие правила ссылаются на версию 2011 года).

В таблице 1 ниже приведены типы лицензирования с соответствующими разрешенными выходными мощностями в различных диапазонах для WMAS.

Ограничения полосы пропускания для WMAS приведены в Таблице 2 ниже:

Европейский Союз

В Европе WMAS стандартизирован ETSI и уже определен в EN 300 422-1 "Wireless Microphones; Audio PMSE up to 3 GHz; Part 1", в котором описана маска передачи WMAS и процедуры ее измерения. EN ограничивает полосу пропускания WMAS 20 МГц, не указывая минимальную полосу пропускания.

WMAS, как правило, частотно нейтральна и предназначена для работы во всех частотных диапазонах, разрешенных в настоящее время правилами для аудио PMSE. Cтандарт ETSI EN 300 422-1 уже включает требования к аудио PMSE-оборудованию WMAS.

ERC Recommendation 70-03, Annex 10, и ERC Recommendation 25-10 являются применимыми рекомендациями почти во всех европейских странах. Обе рекомендации уже отменили ограничение полосы пропускания в 200 кГц для всех соответствующих частотных диапазонов и позволяют эксплуатировать WMAS при тех же ограничениях выходной мощности, что и для традиционных аудио PMSE-устройств.

Кроме того, был утвержден и направлен на обсуждение в CEPT ECC системный справочный документ (SRDoc) ETSI TR 103 450, предлагающий следующие изменения:

• Увеличение максимальной мощности излучаемого сигнала на 3 дБ для устройств WMAS Base Class 1 путем проведения соответствующих исследований.
• Согласование национальных реализаций и описаний радиоинтерфейсов в странах-членах CEPT, касающихся работы WMAS.

Дополнительная мощность передачи для WMAS Base Class 1 предлагается для того, чтобы обеспечить соответствие между различными схемами многопользовательского доступа и вариантов эксплуатации. Использование широкополосного режима работы беспроводного радиоканала не всегда возможно.

Увеличение максимальной выходной мощности передачи WMAS на 3 дБ по сравнению с максимальной выходной мощностью узкополосных устройств снизит вероятность уменьшения зоны покрытия WMAS по сравнению с узкополосными системами, работающими на максимально допустимой мощности.

В зависимости от реализации, WMAS может выиграть от дополнительной мощности, поскольку работа в более широкой полосе частот может быть более восприимчивой к окружающему радиошуму из-за меньшей частотной подвижности, чтобы избежать их.

На заседании ECC CEPT Рабочей группы по управлению частотами (WG FM) 7 июня 2024 года, было одобрено увеличение ограничения мощности в диапазонах 174-216 МГц, 470-694 МГц и 694-703 МГц до 100 мВт EIRP в Приложении 10 ERC/REC 70-03, без необходимости проведения дополнительных исследований. CEPT рассмотрит позже другие диапазоны за пределами VHF/UHF.