无线传声器系统的构建和频率规划

么利军

（苏州舒尔贸易有限公司上海分公司 ，上海 200001）

无线传声器系统的构建和频率规划

么利军

（苏州舒尔贸易有限公司上海分公司 ，上海 200001）

基于射频理论，介绍在现场演出的应用中无线传声器系统的系统构建、设备部署和频谱分析，为实现安全、高效的现场演出提供参考。

无线传声器系统；射频；现场演出；频率规划

随着现场演出和广播技术的发展，人们对无线传声器系统和无线个人监听系统需求不断增加；与此同时，大量数字无线设备也不断涌现。因此，在现场演出过程中，系统的构建和无线设备的频率规划变得日益复杂。

1 射频理论

1.1 什么是载波频率

在信号传输的过程中，并不是将信号直接进行传输，而是将信号“调制”到一个固定频率的波上，这个过程称为加载，该固定频率称为载波频率。每个信号的分配均使用单一载波频率。“调制”包括调幅、调频、调相三种方式。

射频波（无线电波）与声音不同，不需要媒介/质传导（如在空气），在真空状态下传导最快，与光速度相同（ 约3×108m/s），在某一特定媒介（如在空气） 内传导时速度是恒定的，且小于光速；由于组成射频波电磁场的涡旋电场与变化磁场具有相位差90°，涡旋电场的“极性”（方向）为射频波的“极性”方向（传播方向），如图1所示，所以通常接收机天线应与发射天线平行竖立。

图1 射频波的传播方向

典型的无线传声器系统工作在以下几个频段：

174 MHz～250 MHz （VHF），好的波传输，该频段有TV发射机，可能产生来自于数字设备RF（Radio Frequency，射频）失真；

450 MHz～960 MHz （UHF），好的波传输，频率范围宽；

2 400 MHz～2 485 MHz（ISM），较差的波传输，无专属的频率（免费频率段），有来自于WI-FI（Wireless Fidelity， 基于IEEE 802.11b标准的无线局域网）的干扰。

频率与波长的关系为：C= L×f，其中，光速C=3×108m/s，波长L的单位为m，频率f的单位为MHz。

目前大多数无线传声器系统工作在UHF频段。

2005年9 月中国信息产业部发布了重新修订的《微功率（短距离）无线电设备的技术要求》（以下简称《要求》），自2005年10月1日起施行。《要求》中对“无线传声器和民用无线电计量仪表等类型设备”明确规定使用470 MHz～510 MHz、630 MHz～787 MHz频 段 ； 发 射 功 率 限值 ：50 mW(e.r.p)；占用带宽：不大于200 kHz。因此，建议中国用户按照《要求》规定使用无线传声器系统。

1.2 模拟无线传声器系统的调制方式

1.2.1 频率调制

目前大多数模拟无线 传声器系统采用频率调制（Frequency Modulation，简称FM）的方式进行音频信号的无线传输。

FM是一种以载波的瞬时频率变化来表示信息的调制方式， 即通过RF 频率偏差（Deviation）来传输音频信号，载波频率跟随输入信号幅度成等比例变化，如图2所示。

FM 失真小、抗干扰能力强，使得FM无线传声器系统能提供高保真及高信噪比的音频信号。在FM的系统中，由于频率偏差与调制的音频信号的幅度成正比，较大的频率偏差会带来更大的动态范围。

1.2.2 发射和接收

发射机端和接收机端的工作原理见图3、图4。发射机、接收机的频率为可调式，可通过编程控制其工作频率。

在接收机端，对于稳定性要求高的系统通常采用分集天线接收系统来进行射频信号的接收，如图5所示。

1.3 数字无线传声器的调制方式

现在，在音频系统中已有更多的数字音频设备。在数字无线传声器系统中，数字调制一般指以连续的载波传输离散的调制信号，可通过振幅调制（幅移键控，ASK） 、频率调制（频移键控，FSK）或相位调制（相移键控，PSK）来完成；数字发射机和数字接收机原理见图6、图7。

图2 频率调制原理

图3 发射机端

图4 接收机端结构

相对于模拟无线传声器系统，数字无线传声器系统具有更好的频谱利用效率，在拥挤的射频环境中可以显著增加兼容通道的数量，并具有更小的互调失真特性，以及数据加密功能。如SHURE ULX-D数字传声器系统，在发射机处于高发射功率模式下（20 mW或10 mW发射功率），可以在8 MHz带宽内容纳多达17个兼容通道；在高密度（HD）模式下（1 mW发射功率），在8 MHz的电视频道带宽内，没有干扰时，可降低调制带宽，按 125 kHz 步进进行直接调谐，工作范围达 30 m直线距离，所以可容纳多达63个兼容通道，适合应用于频谱资源紧缺的现状，如在会展中心、教育机构等无线传输工作距离短且通道数量多的情况。

图5 天线分集接收系统

图6 频率合成的数字发射机

2 无线传声器系统的干扰因素

随着数字便携设备的技术发展，现场演出中往往同时使用大量无线设备，尤其是当前大量的数字电视占用了UHF带宽。因此，在拥挤的射频环境中，如何使无线传声器和个人监听系统在兼容稳定的情况下工作，是音频工程师关注的重点问题。

图7 频率合成的数字接收机

以模拟无线传声器系统SHURE UHF-R为例，工作在UHF频段，RF发射功率为10 mW和50 mW（国家无线电管理局对短距离通信的无线设备有限定，最高发射功率为50 mW），RF信号强度为-70 dBm ～-90 dBm。相对于其他大功率无线设备，无线传声器系统的信号易受到干扰，因此，需要采取有效管理工作频段的措施，即接收机的音频键控（TONE KEY）静噪功能。该功能能够通过发射机中产生的导频信号来识别所需的音频信号，如图8所示，接收机只有在拾取到具有足够强度的音频信号和检测到存在TONE KEY音频键控时才会解除静音。这就有效地预防了所需发射机信号丢失，甚至是在同一频率下存在的干扰信号（非TONE KEY）对接收机产生噪声的可能性。同时，频率规划功能可以选择最佳信噪比的通道，并分配至无线传声器，也可以通过设定阀值来确定多大强度的干扰源可以干扰无线传声器，如在SHURE WWB6（Wireless Work Bench 6）软件中，见图9所示，通常-85 dBm是一个中间推荐值。要确定具体的阈值请参阅国家标准《GB/T 14431—1993 无线电业务要求的信号/干扰保护比和最小可用场强》，它是避免干扰的强大武器，它规定了1 400 MHz以下地面无线电业务的有用信号对干扰信号的射频保护比和最小可用场强。这个最小可用场强就是最低阈值。

确定最佳工作频率，要考虑避免来自于同信道或相邻信道的干扰和自身产生的干扰。

2.1 外部干扰源

来自于外部的干扰源包括：其他无线传声器系统、内通系统、入耳式监听系统、中断式监听系统、大型动力电机系统、数据网络设备、LED墙。如LED墙对传声器信号的干扰，从图10显示的频谱扫描可以看出，演出中LED墙开启，并显示图像后，会产生大量的射频噪声干扰，严重地影响了无线传声器系统的信噪比。这些诸多设备作为潜在干扰源，都是无线传声器系统在进行频率规划与协调过程中需要规避的。

2.2 内在兼容性

2.2.1 频道最小频率间隔

图8 接收机的TONE KEY功能

图9 WWB6 干扰源阈值设定（红线为设定值）

图10 LED墙对传声器信号的干扰

每个系统必须运行在独立的频率上，最小频率间隔取决于接收机隔离特性，需要考虑到相邻信道干扰和中频滤波IF Filter（如通过WWB6软件中“ selectivity”功能选择） ，大多数的无线传声器系统的频道最小频率间隔在0.3 MHz ～1.5 MHz之间。

2.2.2 发射机的互调失真干扰

互调失真（intermodulation distortion，简称IMD）干扰为非线性无线电路的固有特性，在2个或以上的射频信号之间发生，射频信号相互混杂在非线性电路中形成“新”的频率即互调信号。IMD的大小与发射机功率平方数成正比，与发射机的间距平方成反比。

互调信号可同时产生于发射机之间和接收机内。当发射机彼此靠得很近时就会发生互调失真，来自每个发射机的信号在另一个发射机的输出级产生互调失真。这些新信号与原始信号一起发送，可以被以与互调失真相应频率工作的接收机拾取。最强的互调失真是由以工作频率分别为f1和f2（f1＜f2） 的2个相邻发射机产生的2个3阶产物，以此类推5阶、7阶……，如图11所示，其计算结果见表1。多通道应用时，会产生众多数量的3阶互调失真，见表2。

图11 2个发射机产生的互调失真

图12 Axient系统中工作频率间隔的限度

表1 2个发射机产生的互调失真计算结果

表2 多通道应用时产生的3阶互调失真的数量

除了由2个发射机间的交互作用产生的互调失真产物外，还有由3个发射机间的交互作用产生的其他类似的互调失真产物。为了避免潜在的互调失真问题，大多数制造商都会推荐一个位于任何3阶互调失真产物和任何工作频率间隔之间的最低限度，这就进一步限制了随着同步系统数量的增加可用频率的选择，如SHURE Axient系统公布的数据，见图12，具有较高的线性度，可以提升30%的频谱利用效率。通过以上介绍可以看出，使用计算机程序预测由互调失真产生的潜在兼容性问题是很好的手段，特别是在新增系统的复杂性成指数增长的情况下，如包含一组10支传声器的系统涉及数千次计算。目前，大多数厂商提供了各自的频率规划软件。

2.2.3 输出功率对射频稳定性的影响

大部分多通道应用中，较低的发射机射频功率会帮助降低发射机/接收机/天线前置放大器互调失真产物，可以降低整个RF环境中的噪声，从而达到最佳的信噪比；在单一或少量通道的远程传输应用中，当发射机有足够的空间和频率分隔时，可以使用高发射功率。

综上所述，无线传声器系统在使用时，除要留意外界的干扰源之外，也要做好本身的频率设定，减少内部产生的互相干扰。

3 系统构建和频率规划

基于无线传声器系统的基本原理和干扰来源，通过科学合理的频率规划构建系统，可以将射频问题最小化，确保演出的安全。在国外大型演出过程中，通常会配置1名射频工程师，对整体系统的射频工作频率进行集中规划和协调。现给出频率规划的步骤以借鉴。

3.1 合理构建无线传声器系统

3.1.1 了解现场环境

对演出现场做实地勘察，包括了解舞台与无线接收机天线之间的间距，以及对个人监听系统、无线传声器系统的构建环境；如果有可能，尽早拿到舞台设计初稿，与现场负责人沟通好无线传声器系统的要求，使得无线设备有较好的放置位置和使用空间。

图13 使用天线分配器

图14 使用接收机天线级联方式

图15 全向天线

图16 具有4挡可调节增益的指向性天线

3.1.2 了解各种无线设备情况

现场演出的射频设备通常包括：无线传声器系统、无线内通系统、电视直播中使用的高达 250 mW的视频发射器，以及工作功率在0.5 W ～5 W的双工（地面移动）无线广播设备。现有的电视频道与无线传声器系统一样，工作频率同样属于UHF频段，包括模拟电视频道和数字电视频道，中国的电视频道带宽为8 MHz。所以，在对无线传声器系统和无线个人监听系统进行频率规划时，需要考虑上述设备的潜在干扰，把这些设备的工作频率计算在内，就可有效排除干扰源。

3.1.3 构建无线传声器系统

根据现场演出提出使用需求，确定无线传声器系统和个人监听系统的使用无线通道数量，并根据现有无线设备按如下方法配置系统。

（1）合理构建系统架构

在需要多通道时，可以使用天线分配器（见图13），可以使用远程天线，实现长距离信号传输；在必要时使用指向性天线和接收机级联式信号增益器（见图14），确保射频的稳定性，减少天线的数量，降低射频梳状滤波的发生，也减少失真。

（2）确保无线传声器系统天线增益在合理范围内

天线增益问题涉及到多个方面，要考虑发射机增益设置在一个合理的范围内，一般设为补偿线缆信号损失，不合理的射频增益会出现射频信号失真，带来较低的信噪比和相关细节的丢失。更高的信号增益并不能获得更好的射频性能，只会放大射频范围内的所有信号，其中也包括干扰信号和环境射频噪声，降低接收范围和可用频率数。

在使用远程天线（全向天线或宽频指向性天线，见图15、图16）的情况下，不可避免地要使用天线馈线，射频信号在传输的过程中，会产生一定的衰减，天线增益计算公式：射频净增益＝天线增益+（级联式增益器/天线内置增益）+馈线损耗。如天线正向增益=+7.5 dB，天线射频增益器=+6 dB，30 m RG213馈线损耗=-7 dB，则净增益=+6.5 dB。在合理的设置天线后，衰减值在净损失-5 dB以内，射频净增益在+10 dB以下的情况，一般都属可接受的范围。如要达到满意的效果，还必须计算或测量解调后音频信号的信噪比。

设置合理的天线增益需要做到以下几点。

①使用最短距离线缆。

②使用衰减最低的射频馈线，在有合理预算的的情况下，RG8/U以上规格的射频线缆是推荐选择，可以最大化降低射频衰减；各个线材厂商都公布了在UHF频段范围内信号线缆射频衰减值，见表3。

③发射机设置一个较适合的发射机功率挡，在接收机视频削波“Clipping ”指示灯状态正常，以及“TONE KEY”指示灯也正常的情况下，即可稳定地接收来自于发射机的信号。

（3）天线的合理放置

首先，进行天线的合理的部署，足够的高度可带来优化的可视范围，确保天线可以覆盖整个舞台；射频馈线的走线要尽量短。

第二，天线之间保持适当的分集间隔，即要保证发射机或天线分配器A、B 端口的2根天线之间有适当间距，最小在1/4波长，合理的间距是大于 1个波长（40 cm以上）。接收机规律性地切换分集指示灯表明分集特性正常。

第三，接收机天线与入耳监听系统的发射天线之间保持一定的间隔，使其干扰降到最低。物理上隔离发射天线和接收天线是必要的，可使互调失真最小化和提升接收机抗干扰特性。

最后，联网所有的无线传声器接收机和个人监听发射机，如图 17所示，从而进行频率协调与规划。

3.2 频率规划与协调

无线传声器系统和个人监听系统都可以统一通过软件管理系统进行高效率的频率规划与协调。以WWB6为例，它可以访问同品牌所有无线产品和选择的第三方设备的配置文件，通过联网对硬件进行持续扫描，使用扫描数据文件进行异地频率规划和协调，根据扫描结果创建兼容频率列表，最后分配兼容频率至各个联网的无线设备以及其他厂商的设备，下面给出具体操作步骤。

（1）获取现场射频数据

提前到现场做频率扫描，尤其是在大通道数量使用时，了解现场的射频情况；中国无线电管理局容许无线传声器系统的工作范围是470 MHz～510 MHz，638 MHz～787 MHz；每个无线设备厂商的发射机带宽也有不同，如SHURE UHF-R系统，分为3个频段：G7C，470 MHz～510 MHz；L3E，638 MHz～698 MHz；P9，710 MHz～787 MHz。综合以上因素，可以根据现场的频谱分析，判断哪个频段干扰最小，哪个频段的无线传声器设备最适合演出场地。射频数据可以通过SHURE AXT600频谱管理器（ Spectrum Manager）、可联网的接收机（有效覆盖射频工作范围）、Win Radio或其他品牌的频谱扫描仪（ Spectrum Analyzer）、无线传声器系统管理软件等设备获取。

在对设备进行联网后，在WWB6的设备库存视图中可见所有的组件，如此，即可对无线传声器系统进行联网的频率规划。首先要开启所有存在潜在干扰的设备，包括无线内通、个人监听系统、对讲系统等，进行频谱扫描获取系统使用环境的射频数据，如通过AXT600频谱管理器，可以获取UHF频段的频谱数据，如图18所示，从而可以提供给到频谱分析使用。

对于射频应用经验丰富的团队，在演出期间会使用专业小型频谱仪（如罗德·施瓦茨、安捷伦等），通过实时监控现场射频的变化了解现场的射频情况，从而更好地进行无线系统管理。

表3 几种线缆（阻抗为50 Ω，长度30 m）的射频衰减值

图17 星型网络拓扑结构接驳的无线传声器系统

图18 通过AXT600频谱管理器获取UHF频段扫描数据

图19 无线传声器系统和个人监听系统发射机工作频率的分隔状态

图20 获取更多的兼容频率的调整

图21 频率分配情况

（2）频率计算

①在有个人监听系统同时使用的情况。

随着个人监听系统的大量应用，其发射机也需要进行频率计算，通常建议把无线个人监听系统和无线传声器系统的发射机使用频段尽量分隔开来，间距在4 MHz以上是相对安全的距离，可以减少互相干扰的可能性。WWB6中的“Inclusion group（包含组）”选项可以实现分隔的功能，如图19所示。

②进行兼容频率的计算

获取射频数据后，就可通过WWB6内置的优化算法进行兼容频率的计算，有效地规避干扰源。如出现计算兼容通道数量不够的情况，在现场射频条件较好和干扰源相对稳定的情况下，可将“compatibility（频道兼容性）” 中的参数调整为“More frequency（更多频率）”，如图20所示，从而获取更多的兼容频率。

③部署频率

图22 RF history plot（射频历史图示）

把计算好的频率设置分配到联网的无线传声器系统接收机和个人监听系统发射机。在库存视图中，就可以看到计算好的频率分配了，如图21所示。另外，可以把所有的频率计算，生成一份报告，留待日后参考使用。

（3）所有发射机的射频监测

走动测试（Walk test）：通过WWB6的“RF history plot（射频历史图示）”，如图22所示，来监控A/B两路天线接收射频信号的强度，在-70 dBm～-90 dBm之间是可接受的范围；若是在舞台上出现接收信号急剧衰减的盲点，需要重新审查天线的覆盖范围，或调整发射机功率值，来确保信号的稳定接收。

演出期间的监控：通过WWB6的“Monitor（监控）”功能，可以查看丰富的系统工作信息，如图23所示，包括射频电平、音频电平和电池电量等，帮助全面监控无线传声器系统的实施工作状态。

4 结语

通过对无线传声器系统硬件的构建和工作频率的合理规划，使得系统在复杂的射频环境下得以稳定的工作。 在整个构建和规划过程中，需注意以下几个方面的事项：

图2 3实时监控

（1）了解射频环境（频谱仪或扫描）

（2）适当的天线选择和部署（位置）

（3）合适的系统设计和频谱段选择

（4）确定所有的设备工作正常

（5）频谱分析与计算

（6）所有发射机系统的射频测试

（7）监控和监听

无线传声器系统正常、稳定的工作，可以使得音响团队将更多的精力放在声音的处理和制作上，从而顺利完成现场演出。

[1] Tim Wear. 无线话筒系统选择与操作. 舒尔公司.

[2] Gino Sigismondi , Crispin Tapia. 无线话筒系统的安装与操作. 舒尔公司.

（编辑 杜 青）

Construction and Frequency Planning of Wireless Microphone System

YAO Li-jun
(Shanghai Branch, SuZhou Shure Trading, Co., Ltd., Shanghai 200001, China)

Based the RF theory, this paper describes the system construction , equipment deployment and spectrum analysis of wireless microphone systems in the applications of a live performance, to provide a reference for the realization of safe and effective live performances.

wireless microphone system; radio frequency; live performances; frequency planning

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.04.006