Антенные перестрелки в Pro Audio. Часть 4 — Заключение.
Нижеприведённая статья написана на основании измерений, проведённых MAVEN во время Pro Audio Antenna Shootout 2020. MAVEN — это сингапурская компания, аббревиатура от Microwave, Audio-Visual Engineering Company. Статья переводная, исходник https://www.mavenproject.sg/case-study/antenna-shootout-professional-audio-part-4-conclusion
Перевод Александра Карнаухова.
В профессиональном аудиопроизводстве развертывание беспроводной аудиосистемы обеспечивает гибкость и мобильность для пользователей. Использование беспроводного звука может быть обусловлено необходимостью, например такой, как обеспечение звукоусиления для чрезвычайно мобильных театральных актеров мюзикла (проводное соединение было бы неудобно и некрасиво). Однако, если беспроводная система развернута неправильно, надежность беспроводной связи будет поставлена под угрозу, и первоначальные мотивы использования беспроводного звука не будут выполнены. В этой статье мы завершаем темы, обсуждавшиеся в предыдущих частях этой серии, и более подробно рассматриваем некоторые общие вопросы, полученные от читателей.
В глазах специалиста по радиотехнике профессиональная беспроводная аудиосистема обычно делится на различные компоненты (например, усилитель, гетеродин, микшер, фильтры и антенну). Из всех компонентов антенна играет исключительную роль в непосредственном влиянии на то, как радиочастота (RF) передается и принимается, и как эти сигналы распространяются в окружающей среде. Антенна напрямую влияет на общую производительность беспроводной системы, а использование более слабых или неподходящих антенн для приложения может сделать систему ненадежной и заставят ее работать не так, как ожидалось. Поскольку антенный элемент - это компонент, который пользователь может легко изменить, команда Maven подумала, что было бы полезно провести специальную серию экспериментов, чтобы изучить, как различные профессиональные аудиоантенны работают в реальных условиях, за пределами таблицы данных. .
Результаты измерений этих экспериментов основаны на физических и электрических состояниях каждой конкретной антенны, к которой команда Maven имела доступ во время экспериментов. Нам повезло, что у нас есть доступ к следующим брендам,
- AKG
- Audio Technica
- Mipro
- Professional Wireless
- RF Venue
- Sennheiser
- Shure
- Wisycom
Понимание диаграммы направленности антенны
Одним из двух процессов измерения в этой серии экспериментов будет тест на открытом воздухе. Тест на открытом воздухе оценивает реальную диаграмму направленности каждой антенны на открытом пространстве. Как мы наблюдали из предыдущих 3 частей серии, при измерениях направленности антенн мы часто наблюдаем измеренную диаграмму направленности, которая отличается от таблицы данных представленных производителем. Такое отклонение ожидается, поскольку диаграммы направленности, представленные в таблице данных, обычно измеряются в контролируемой среде (безэховой РЧ-камере) с небольшим отражением и шумом. Диаграммы направленности, показанные в эксперименте Maven по измерениям антенн, более репрезентативны для реальных условий использования, когда в окружающей среде ожидаются отражения и шум. Измерения проводятся на открытом пространстве с зазором 12 метров (диаметром) по осям x и y.
Из измерений мы также можем заметить, что главная ось (луч излучения с наивысшим уровнем сигнала антенны) не всегда находится под углом 0 °. Например, у направленной антенны Sennheiser A 2003-UHF пик сигнала немного отклоняется от оси под углом 325 °. Это отличается от общепринятого мнения, когда пользователь может физически направить логодипольную антенну под углом 0 ° в сторону интересующей области и ожидать получения беспроводного сигнала максимальной мощности. Следовательно, для достижения наилучшего результата от вашей антенны важно понимать реальные электрические характеристики антенны (например, использование нулевой зоны для улучшения подавления шума или выравнивание главного луча в направлении интересующей области).
Почему ширина луча 3 дБ?
В отличие от всенаправленных антенн, которые излучают одинаково во всех направлениях, перпендикулярных своей оси, направленные антенны излучают преимущественно в одном направлении. Направленные антенны концентрируют радиочастотную энергию и распространяются в виде «луча» на главной оси. Угол этого «луча» или ширина луча будут определять, насколько направлена антенна.
В частях 2 и 3 этой серии статей при определении основного луча команда использовала пороговое значение ширины луча антенны, равное -3 дБ. Почему не -4 дБ, -5 дБ или даже -6 дБ? Есть ли значительный смысл в принятии порогового значения ширины луча в -3 дБ? Преобразование -3dB (log10) (общепринятая числовая шкала, с которой всем комфортно работать) означает, что падение уровня сигнала на 3 дБ означает снижение мощности передачи / приема антенны вдвое.
Ширина луча -3 дБ помогает проиллюстрировать эффективную ширину луча направленной антенны, где мощность РЧ в пределах угла луча будет иметь уровень сигнала больше или равный 0,5 а мощность РЧ вне угла луча будет иметь мощность сигнала меньше чем 0,5. Понятие «Ширина луча -3 дБ» широко применяется в области антенной техники и может также называться шириной луча половинной мощности.
С другой стороны, в некоторых потребительских устройствах также принят менее строгий стандарт для указания ширины луча антенны, а именно на уровне -10 дБ (например, антенна Bluetooth / WiFi). Ширина луча -10 дБ будет указывать на то, что любая РЧ-мощность за пределами ширины луча будет сохранять менее 0,1 своей исходной мощности.
Важность измерения покрытия
Измерение покрытия оценивает фактическое покрытие антенны в помещении. При измерении в помещении ожидается большее количество отражений по сравнению с измерением на открытом воздухе, что приводит к более выраженному эффекту многолучевого распространения (замирания). Таким образом, фактические характеристики антенны в помещении могут сильно отличаться от данных, указанных в таблице. Эти отклонения особенно заметны там, где в определенных областях окружающей среды могут возникать деструктивные помехи, которые снижают принимаемую РЧ-мощность.
Измерения покрытия в этом эксперименте позволили получить представление об эффективности развертывания каждой антенны. Области в зеленых зонах обладают высокой надежностью беспроводной связи, где отношение сигнал / шум (SNR) высокое и маловероятно, что ему будет мешать РЧ-шум окружающей среды. Желтая и оранжевая зоны демонстрируют среднюю производительность, при этом отношение сигнал / шум остается адекватным, но надежность беспроводной связи может быть снижена из-за мешающего шума окружающей среды. Красные зоны - это области, где РЧ-сигналы низкие, а отношение сигнал / шум недостаточно для обеспечения надежной беспроводной связи.
Диапазон покрытия
Предполагается, что различные использованные в эксперименте антенны должны обеспечивать хорошее покрытие в измеряемой зоне (зеленые / темно-зеленые зоны), поскольку РЧ-системы, используемые во время измерения, предназначены для работы в диапазоне 100 метров прямой видимости (LOS). Внутреннее пространство (аудитория) составляет примерно 18 метров в длину и 30 метров в ширину, а самая дальняя точка измерения находилась примерно в 19,5 метрах LOS от тестируемой антенны (AUT). Таким образом, самая дальняя точка измерения находится в указанном производителями диапазоне и должна обеспечивать хорошую эффективность передачи.
При этом интересно увидеть во время измерений некоторые области покрытия с хорошим уровнем сигнала (желтая зона) и ниже. Это показывает, что эффекты многолучевого распространения в помещении могут оказывать значительное пагубное влияние на характеристики покрытия антенны в помещении. Часто в помещении смещение положения антенны также изменяет ее схему покрытия. Следовательно, поиск оптимального места установки антенны в помещении становится особенно важным для достижения наилучшего результата от использования антенны.
А как насчет разнесения антенн?
До сих пор все измерения покрытия, показанные в предыдущих частях этой серии, рассматривали РЧ-систему с «одним» РЧ-входом. Каждое измерение покрытия иллюстрирует реальное покрытие отдельного антенного элемента в конкретном месте (в данном случае в местоположении AUT). Производительность РЧ-системы может значительно улучшиться, если развернуть дополнительную антенну, чтобы обеспечить альтернативную зону покрытия. Эта практика также известна как радиочастотное разнесение, когда вторая диаграмма покрытия антенны может действовать как дополнительное усиление для слабой зоны покрытия от первой антенны.
Системы, работающие по такому принципу называются диверситивными (разнесёнными). Чтобы добиться диверситивности, РЧ-система должна иметь 2 выделенных РЧ-входа, где селекторная схема будет принимать РЧ-сигналы от обеих антенн и определять, какой из входов имеет наилучший уровень сигнала для использования. Команда использовала две антенны Shure UA874, чтобы проиллюстрировать реальные эффекты радиочастотного разнесения. По отдельности обе антенны A и B имеют свои слабые места из-за эффекта многолучевого распространения в помещении.
Как мы видим, графики покрытия обоих антенн в отдельности далеки от совершенства. Однако, если расположение обеих антенн хорошо спланировано, зоны покрытия каждой антенны могут дополнять друг друга и значительно улучшать общий результат измерения покрытия. В этом конкретном случае антенна A хорошо зарекомендовала себя в обеспечении покрытия дальнего (верхнего) конца зала, имея при этом некоторые слабые места около нижнего правого угла зала. Антенна B может быть развернута для дополнения более слабых зон, где она имеет лучшую производительность в обеспечении покрытия ближнего конца (внизу), чем антенна A. Эта установка показывает эффективность радиочастотного разнесения при правильном проектировании и правильном развертывании в реальном мире.
Стоит ли комбинировать (объединять) антенные входы?
Другой распространенный подход к «расширению» зоны покрытия беспроводной сети - использование пассивного радиочастотного разветвителя, такого как Shure UA221. Системные интеграторы довольно часто применяют этот метод, поскольку развертывание может быть очень рентабельным и удобным для объединения 2 антенн в один РЧ вход. При таком подходе РЧ-система не имеет возможности анализировать и определять, какой антенный вход имеет наилучший уровень, поскольку РЧ-мощность, полученная от обеих антенн, пассивно суммируется.
Мы хотели бы предостеречь вас от этой практики, поскольку она может иметь пагубные последствия при неправильном развертывании. Чтобы проиллюстрировать данный случай, команда установила две идентичные всенаправленные антенны, которые пассивно суммируются в один радиочастотный вход. В этом случае антенны располагаются на одинаковом расстоянии от разветвителя с использованием кабеля одинаковой длины. Приведенное ниже измерение покрытия показывает, что вместо расширенной зоны покрытия у пассивно комбинированных антенн есть зоны, которые испытали полную деструктивную интерференцию (аналогично гребенчатому фильтру в профессиональном аудио) с абсолютным взаимным вычитанием сигнала в определённых зонах. Это явление возникает, когда основная антенна находится слишком близко к своей копии, и разница в принимаемых сигналах (фазах) от обеих антенн является деструктивной парой.
Чтобы свести к минимуму этот эффект в системе с пассивно комбинированными антеннами, пользователь должен убедиться, что антенны расположены на достаточном расстоянии друг от друга. В идеале принимаемая мощность второй половинки такой сдвоенной антенны должна быть как минимум в 10 раз ниже, чем у основной антенны, чтобы гарантировать, что влияние деструктивной интерференции будет минимально.
Заключение
Команда исследовала различные типы и концепции антенн и то, как они на самом деле влияют на производительность в реальных условиях эксплуатации. Для радиочастотной системы антенны беспроводной связи подобны рту (передача) или ушам (прием) системы. Например, наши уши будут воспринимать звук в пещере иначе, чем на открытом пространстве (в этом случае звук будет восприниматься с гораздо большим количеством эхо в пещере, чем на открытом пространстве). Точно так же эксперименты Maven проиллюстрировали реальные различия в излучении антенн и изменениях в схемах покрытия как в помещении, так и на улице.
Беспроводные измерения Maven помогли продемонстрировать эффективность и необходимость визуализации беспроводных сигналов в пространстве. Для пользователей рекомендуется понимать производительность РЧ-системы, уметь определять потенциальные слабые места и находить идеальные места для установки антенны для оптимизации диапазона покрытия беспроводной сети. Хорошее понимание того, как антенна ведет себя в разных помещениях, будет иметь жизненно важное значение для построения надежной беспроводной системы.
Спасибо, что оставались с нами на протяжении всей серии антенных перестрелок. Мы хотим выразить признательность нашим коллегам из отрасли и академическим кругам, которые помогли сделать этот эксперимент возможным.
MAVEN PROJECT DECEMBER 30, 2020
Часть 3 https://vk.com/@tridentsound-sravnenie-antenn-chast-3-aktivnaya-antenna