无线话筒系统 - 图文(5)

2019-04-01 16:06

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在大部分设计中,使用输入过载来限制最大偏离。虽然这使得系统符合政府相关使用规定,但产生了严重失真并同时牺牲了系统的信噪比。在没有限幅器的情况下,唯一避免过载失真的办法就是降低输入增益,从而信号峰值不会被削波。然而,使用此方法的问题在于,平均信号强度在正常操作中太低以至于不能产生良好的信噪比。这就是为什么在某些产品的设计中背景噪音总是可以听到或失真频繁地发生的原因之一。 在某些电路设计中,限幅器的工作范围随着增益设置而发生变化,因此限幅器直接对输入增益电路做出反应。这将限幅器的范围与增益控制的量基本保持在同一范围内。换句话说,限幅器在高峰值时把增益控制简单地调低。这种联动的动态限幅阀值技术对于大嗓子歌手来讲就是一个大问题,通常他们的演唱需要一个精确不变的压限处理。在这种情况下,输入增益通常被设置成最小值,此时在输入处没有增益,来确保较少的限幅或不限幅。最佳的限幅器设计使用独立于输入增益电路设定的独立的电路模块。 压缩扩展器

在称作“压缩扩展器”的信号处理电路的帮助下,无线话筒系统可以察觉的信噪比得到了极大的提高。术语“压缩扩展器”是 “压缩器”和“扩展器”的合成词。

压缩扩展是一种依靠“掩蔽”效应来提高无线系统信噪比的双重音频处理过程。掩蔽就是利用人耳听事物的方式,用较大的声音掩盖较弱的声音过程。当音频信号足够高时,人耳不会听到射频链路所产生的、较小强度的潜在背景噪音,掩蔽的工作理论便是如此。 发射机中进行的压缩处理参照一个参考强度来进行,压缩处理会降低高强度信号并提升低强度信号。此压缩效果就是要降低音频信号整体的动态工作范围,有效地提高平均强度。使平均音频强度远高于背景噪音的强度,以极大提高系统射频链路中信号的信噪比。

电话行业第一次使用了压缩扩展器来为长距离的电话线提供噪声抑制,电话线上过多的噪音积累可能比音频信号本身大许多。在模拟磁带录制过程中的也使用压缩扩展器来杜绝磁带发出的嘶嘶声。在工程设计上,我们花费大部分时间来来改进压缩扩展过程。

无线话筒系统的压缩扩展器操作比率为2:1。发射机中的压缩器将动态范围按照2:1的比例压缩,然后接收机中的扩展器以1:2的反比率放大以恢复音频信号的原始动态。 如下图你会注意到,在压缩之前最低的音频强度只高于噪声本底之上40分贝。压缩以后,最低音频信号在噪声本底之上60分贝,信噪比有20 分贝的提高。使用压缩处理过的音频信号与载波信号调制发射会在射频链路中获得输出信噪比的显著改善。 图二

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有许多制造厂商大力宣扬他们压缩扩展电路的功能。压缩扩展器对无线系统产生的音频质量来说是相当重要的,但只有无线系统的其他部分都是高品质的设计这个前提条件得到保证之后,这种说法才是成立的。如果射频性能表现有问题或系统遭受失真以及干扰的困扰,无论音频处理电路质量多好并不重要。另外,较差的射频表现会使射频链路发生异常,接收机会输出发射机根本没有传输的音频信号。

射频链路产生的高频噪音会造成压缩扩展器的错误跟踪。尽管该噪音并没有在发射机的原音频信号中,高频噪音会连同音频信号一起出现在接收机中。 绝大多数由于射频性能不过硬而在链路产生的噪音是超声波,虽然人耳无法听见,仍旧能够误导压缩扩展器,从而在可听到的声音中造成“呼吸效应”或者“活塞效应”。最佳的设计中,在压缩扩展器之前,接收机应该有一个有源滤波器电路,它可以提供的高频衰减过滤功能,会将这种误导跟踪降至最低限度。

压缩扩展器设计中首先要考虑的因素之一就是如何在压缩器和扩展器上最优化地设置不同启动和衰减延迟的时间常量。必须仔细控制启动和衰减延迟时间以将预期应用的动态操作最优化。发射机中的压缩器与接收机中的扩展器必须以一种完美的互补方式进行。由于在每一个低频音频波形的循环周期上电压强度的改变将会影响到增益的大小,所以对于高频信号最理想的压缩扩展设置会同时造成大量的低频信号失真。具有慢启动和释放时间的压缩扩展器会产生无失真的低频(例如,对于具有较低基频的低音吉他来说是理想的),但是这将不能够及时并准确地处理较高频率的声音。所以在设计过程中更多的要考虑两方面的因素来进行折衷。

注意:特殊值只用于描述压缩扩展器的概念,这些值在不同设计中以及各种发射机输入信号强度上将会发生如果压缩扩展器有快速的启动时间和慢速的释放时间的功能,在相当长的时间段内,音频信号中的短暂瞬间效应将会控制压缩扩展器的增益。所产生的问题就是“呼吸声”,你会在每个字或声响之后听到嘶嘶的背景噪音。拥有较快的释放时间是处理该问题的一个好办法,不过,这会增加低频失真的可能性,因为电路在那时会作用于低频波形的拖尾阶段,从而造成失真情况的发生。重大地改变。

具有单一启动时间和合理释放时间的常规压缩扩展器会同样增加系统失真,200赫兹时大约失真0.5%,100赫兹时大约1%。常规压缩扩展器对于此问题无能为力。

存在于高频和低频的失真问题促进了新一代压缩扩展器的诞生,音频信号的高频部分与低频部分得到分别处理。该过程,被称作“双频段压缩扩展”,只应用于最先进的无线话筒系统中,它的引进极大地增加了设计和制造该系统的成本。

双频段压缩扩展过程的使用有点像扬声器系统的分频电路。音频信号划分成高低频段,然后每个频段对其各自理想的开启和延迟时间分别进行处理。高频信号部分使用较快的启动和延迟时间常量,而低频信号部分则以较长的时间常量进行处理。两个压缩扩展器之间相互作用以确保音频信号的线性输出。

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图三

注意:压缩扩展器只对音频信号的动态范围起作用,而不影响整体系统的频率响应。以上图示只描述了如何对于可影响压缩扩展器的控制信号进行分离处理。在显示为1千赫兹的分频点上,压缩扩展器电路的高频和低频部分平等地控制动态范围。 动态降噪过滤

作为一整套完全音频信号处理过程的最后一步,在很差的信号情况下,加入DNR过滤(动态降噪)可以提供最佳信噪比。

双频段压缩扩展器提供出色的低失真降噪性能,但在特殊情况下,异常仍有可能发生。当只出现的唯一的一个音频信号是低强度,包含低频瞬变而组成时,一种称作“呼吸”失真效应依旧会发生。这种情况是指在低频音频信号瞬变之后,可以断续地听到环境或射频链路中的高频噪音。在这种情况下,低音压缩扩展器应用较长的时间常量,使短暂的 “噪声声尾” 在音频信号之后发生。在音频信号处于低强度,低频率并且收听环境十分安静时(例如,在录音室设置中使用耳机),该效应是最值得留意的。在这些环境下,所有的压缩扩展器设计显示了或多或少的呼吸效应。这不是双压缩扩展器所独有的问题。

为了在该种情形下抑制噪音,需要使用一个独特的动态滤波器电路。DNR包括一个动态的各种各样分频点的低通滤波器,在信号不好的情况下,可以自动减小高频噪音变量。通过对射频强度、音频强度以及音频信号的高频容量的分析和组合,不间断地调整滤波器的分频点。

图四

当出现微弱的射频信号和低强度的音频时,滤波器的阀值动态的向低频方向调整以去除高频噪音。这是完全发生在接收机内部单方向的处理过程。

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DNR的使用有点像压缩扩展器的掩蔽效应。 当音频存在时,即使只有中等强度,或存在具有高频的音频,背景噪音将会被掩蔽,因此滤波器将不再进行滤波处理以避免改变原有音频信号。DNR电路极其灵敏而且响应速度快,它不改变整体无线话筒系统的原有的频率响应指标。

音频性能表现测试

某些出色的音频性能测试在这篇无线手册标题为“评估无线话筒系统”的章节中有相关介绍。该部分描述的测试甚至向更高性能的无线话筒设计发出挑战, 并生动地显示了本章所描述的设计上的挑战和无线话筒的性能。

第6节:天线

载波信号的频率决定着无线信号的波长。无线信号和光以同样的速度传播。如果你取无线信号在一秒钟内传播的距离,并将其按载波频点加以划分,你就会得到载波频率一个周期的实际长度。绝大多数无线话筒发射机和接收机使用“四分之一波长”作为天线长度。 发射机通常握在手中或戴在身上,因此在天线上总有受人身体的影响。不同生产厂商对于发射机的天线设计变化很大。

接收机经常安装在其他设备或邻近的大型金属表面上,任何形式的安装将会影响到天线的功率。通常为四分之一波长的鞭状天线,直接安装在接收机的底部,它使用接收机的外壳为天线提供一个接地面。在关键场合或为取得最大操作范围的应用中,不同类型的遥控天线被普遍使用。

我们不想深入研究天线理论和设计的复杂问题,以下的信息只是简单地强调大家主要关心的问题和被广泛应用的设计的操作优势。

腰包式发射机的天线

VHF腰包式发射机通常使用话筒电线的护罩作为其天线,尽管某些老式的设计仍旧沿用“垂吊式天线”。UHF腰包式设计普遍使用一个分开的1/4波长的鞭状天线来将有效的射频功率输出最大化。值得注意的是,当天线放置在使用者身上时,到达接收机的辐射信号变少,天线的辐射输出也同时降低。一般来说,把带有天线的发射机垂直地放置以进行环状辐射是最佳的想法。在垂直定位中,使用者可以随意移动,但仍能辐射足够强的信号给匹配的接收机。

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腰包式发射机的天线

手持式发射机用天线

绝大多数手持式发射机使用一根可以通过塑料外壳来辐射射频信号的内部天线。许多手持式发射机的设计使用一个金属外壳,该外壳就变成了天线电路的一部分。由于在UHF频段时只有几英寸长,通常也使用从话筒底部伸出的、有弹性的鞭状天线来达到此目的。手持式发射机的益处是,当使用时,只有人手和话筒有直接接触,这使得天线可以有效地辐射。在使用突出鞭状天线的设计中,使用者的手变成了准地面的一部分。 对手持式发射机来说,双曲线的“哑铃”形状可以很好地工作。它有一个安全的握柄且拿在手中很舒适。当用一支手拿时,无论手是位于发射机之上还是之下,天线通常不受影响并可以有效地辐射信号。当两只手拿时,由于一之手在上而另一支在下,天线输出将受到影响。

手持式发射机用天线

外接插式发射机用天线

带有集成天线的外接插式发射机是使用电池舱周围的外壳作为发射天线的一极,话筒和人手组成偶极子配置的另一半。输入连接件之下的绝缘体将天线组件分离。该配置的辐射射频功率比标准手持发射机配置的要高。


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