Введение
Беспроводной микрофон – это микрофон без физического кабеля, соединяющего его напрямую со звукозаписывающим или усиливающим оборудованием. Также известный как радиомикрофон, он имеет небольшой радиопередатчик, работающий от батарей, в корпусе микрофона, который передает аудиосигнал по радиоволнам на расположенный поблизости приемник, восстанавливающий звук. Остальное аудиооборудование подключается к приемному блоку кабелем. В одном типе передатчик находится внутри корпуса ручного микрофона. В другом типе передатчик помещен в отдельный блок, называемый "bodypack" (нательный передатчик), который обычно крепится к поясу пользователя или скрывается под одеждой. Bodypack соединяется проводом с микрофоном-лапелью или "лавом" (небольшим микрофоном, прикрепляемым к лацкану), гарнитурным или вкладышевым микрофоном, либо другим проводным микрофоном. Большинство конструкций bodypack также поддерживают подключение инструмента по проводу (например, гитары). Беспроводные микрофоны широко используются в индустрии развлечений, телевизионном вещании и при публичных выступлениях, позволяя докладчикам, интервьюерам, исполнителям и артистам свободно перемещаться, используя микрофон без необходимости подключения кабеля. Беспроводные микрофоны обычно используют диапазоны радиочастот VHF или UHF, поскольку они позволяют передатчику использовать небольшую и незаметную антенну. В недорогих моделях используется фиксированная частота, но большинство устройств предлагают выбор нескольких частотных каналов на случай помех или для одновременного использования нескольких микрофонов. Обычно используется FM-модуляция, хотя некоторые модели применяют цифровую модуляцию для предотвращения несанкционированного приема сканерными радиоприемниками; они работают в диапазонах ISM 900 МГц, 2,4 ГГц или 6 ГГц. Некоторые модели используют антенное разнообразие (две антенны) для предотвращения провалов сигнала при перемещении исполнителя. Несколько недорогих (или специализированных) моделей используют инфракрасный свет, однако для них требуется прямая видимость между микрофоном и приемником.
A wireless microphone, or cordless microphone, is a microphone without a physical cable connecting it directly to the sound recording or amplifying equipment with which it is associated. Also known as a radio microphone, it has a small, battery powered radio transmitter in the microphone body, which transmits the audio signal from the microphone by radio waves to a nearby receiver unit, which recovers the audio. The other audio equipment is connected to the receiver unit by cable. In one type the transmitter is contained within the handheld microphone body. In another type the transmitter is contained within a separate unit called a "bodypack", usually clipped to the user's belt or concealed under their clothes. The bodypack is connected by wire to a "lavalier microphone" or "lav" (a small microphone clipped to the user's lapel), a headset or earset microphone, or another wired microphone. Most bodypack designs also support a wired instrument connection (e. g., to a guitar). Wireless microphones are widely used in the entertainment industry, television broadcasting, and public speaking to allow public speakers, interviewers, performers, and entertainers to move about freely while using a microphone without requiring a cable attached to the microphone. Wireless microphones usually use the VHF or UHF radio frequency bands since they allow the transmitter to use a small unobtrusive antenna. Cheap units use a fixed frequency but most units allow a choice of several frequency channels, in case of interference on a channel or to allow the use of multiple microphones at the same time. FM modulation is usually used, although some models use digital modulation to prevent unauthorized reception by scanner radio receivers; these operate in the 900 MHz, 2.4 GHz or 6 GHz ISM bands. Some models use antenna diversity (two antennas) to prevent nulls from interrupting transmission as the performer moves around. A few low cost (or specialist) models use infrared light, although these require a direct line of sight between microphone and receiver.
История
Различные люди и организации заявляют об авторстве изобретения беспроводного микрофона. Примерно с 1945 года в журналах Popular Science и Popular Mechanics предлагались схемы и наборы для любителей по изготовлению беспроводного микрофона, который передавал бы голос на близлежащее радио. Фигурист и инженер-летчик Королевских ВВС Рег Мурс разработал радиомикрофон в 1947 году и впервые использовал его в постановке Тома Арнольда «Аладдин на льду» на спортивном стадионе Брайтона с сентября 1949 года до рождественского сезона. Мурс прикрепил беспроводной передатчик к костюму персонажа Абаназара, и он работал безупречно. Мурс не запатентовал свою идею, поскольку незаконно использовал радиочастоту 76 МГц. Продюсеры шоу решили не продолжать использование устройства, предпочтя нанимать актеров и певцов для исполнения под скрытые микрофоны, чтобы «наложить» голоса других конькобежцев, которые таким образом могли бы сосредоточиться на катании. В 1972 году Мурс передал свой прототип 1947 года в Музей науки в Лондоне. Герберт «Мак» Макклелланд, основатель McClelland Sound в Уичито, штат Канзас, изготовил беспроводной микрофон для бейсбольных судей на играх Высшей лиги, транслируемых NBC со стадиона Лоуренса-Дюмонта в 1951 году. Передатчик крепился к спине судьи. Брат Мака — Гарольд М. Макклелланд, главный архитектор связи ВВС США. Shure Brothers утверждает, что их система «Vagabond» 1953 года была первой «беспроводной микрофонной системой для исполнителей». Её зона покрытия составляла круг «примерно в 700 квадратных футов», что соответствует расстоянию прямой видимости всего в 15 футов (5 метров) от приемника. Первый зарегистрированный патент на беспроводной микрофон был подан Реймондом А. Литке, американским инженером-электриком из Educational Media Resources и San Jose State College, который изобрел беспроводной микрофон в 1957 году для удовлетворения мультимедийных потребностей в телевидении, радио и обучении в классе. Его патент США № 3134074 был выдан в мае 1964 года. В 1959 году в продаже появились два типа микрофонов: ручной и петличный. Основной модуль передатчика представлял собой устройство размером с сигару, которое весило Vega Electronics Corporation изготовила конструкцию в 1959 году, выпустив её под названием Vega Mike. Устройство впервые было использовано средствами массовой информации на Национальных конвенциях Демократической и Республиканской партий в 1960 году. Это позволило телерепортерам свободно перемещаться по залу конвенции, беря интервью у участников, включая кандидатов в президенты Джона Ф. Кеннеди и Ричарда Никсона. Беспроводной микрофон Sony CR 4, представленный в 1958 году, рекомендовался уже в 1960 году для театральных постановок и выступлений в ночных клубах. Тренеры животных в Marineland of the Pacific в Калифорнии использовали устройство стоимостью 250 долларов для выступлений в 1961 году. Твердотельный FM-передатчик на частоте 27,12 МГц помещался в карман рубашки. Считалось, что он эффективен на расстоянии до 30 метров и был оснащен гибкой свисающей антенной и отсоединяемым динамическим микрофоном. Приемник на ламповой базе включал в себя ящик для передатчика и небольшой мониторный динамик с регулировкой громкости. Другой немецкий производитель оборудования, Beyerdynamic, утверждает, что первый беспроводной микрофон был изобретен Хуном Линем. Названный «транзистофон», он был запущен в производство в 1962 году. Утверждается, что впервые беспроводной микрофон был использован для записи звука во время съемок кинофильма на Рексе Харрисоне в фильме 1964 года «Моя прекрасная леди» благодаря усилиям Джорджа Гроувса, голливудского звукорежиссера, удостоенного премии «Оскар». Появление более широкого динамического диапазона стало возможным с представлением первого беспроводного микрофона с компандером, предложенного компанией Nady Systems в 1976 году. Тодд Рандгрен и The Rolling Stones были первыми популярными музыкантами, которые использовали эти системы в живых концертах. Кейт Буш считается первым исполнителем, для которого была создана гарнитура с беспроводным микрофоном для использования в музыке. Для своего тура Tour of Life в 1979 году она использовала компактный микрофон в сочетании с самодельной конструкцией из проволочных вешалок, чтобы освободить руки для экспрессионистских танцевальных выступлений. Её идею переняли другие исполнители, такие как Мадонна и Питер Габриэль. В 1996 году Nady присоединилась к CBS, Sennheiser и Vega, чтобы получить совместную премию «Эмми» за «пионерскую разработку беспроводного микрофона для вещания».
Техника
Профессиональные модели передают в радиочастотном диапазоне VHF или UHF и оснащены приемом с "истинным" разносом (два отдельных приемных модуля, каждый со своей антенной), что устраняет мертвые зоны (возникающие из-за фазовой интерференции) и эффекты, вызванные отражением радиоволн от стен и других поверхностей. (См. "Разнообразие антенн"). Другая технология, используемая для улучшения качества звука (фактически, для расширения динамического диапазона), – это компандирование. Компания Nady Systems, Inc. первой предложила эту технологию в беспроводных микрофонах в 1976 году, основанную на патенте, полученном основателем компании Джоном Нади. Некоторые модели имеют регулируемый коэффициент усиления непосредственно на микрофоне, что позволяет работать с источниками разного уровня, такими как громкие инструменты или тихие голоса. Регулируемый коэффициент усиления помогает избежать искажений и максимизировать отношение сигнал/шум. Некоторые модели оснащены регулируемым шумоподавителем (squelch), который отключает выходной сигнал, когда приемник не получает достаточно сильный или качественный сигнал от микрофона, предотвращая воспроизведение шума. При регулировке шумоподавителя настраивается порог качества или уровня сигнала.
Приемники
Есть много типов приемников. Приемники True Diversity имеют два радиомодуля и две антенны. Приемники с разносом антенн имеют один радиомодуль и две антенны, хотя иногда вторая антенна может быть не сразу заметна. У приемников без разноса антенн есть только одна антенна. Приемники обычно изготавливаются в полустоечном формате, позволяющем установить два приемника в стандартную стойку (то есть приемник помещен в корпус высотой 1U и половинной ширины, благодаря чему два приемника занимают 1U в стойке). Для крупных, сложных многоканальных радиомикрофонных систем, используемых на телестудиях и в музыкальных театрах, доступны модульные системы приемников, состоящие из нескольких (обычно шести или восьми) приемников True Diversity, устанавливаемых в корпус-мейнфрейм, монтируемый в стойку. Для обеспечения необходимого количества приемников можно использовать несколько мейнфреймов, установленных в одной стойке. В некоторых музыкальных театрах системы с сорока и более радиомикрофонами – обычное явление. Приемники, предназначенные специально для использования с видеокамерами, часто устанавливаются в корпус, обычно с креплением на «горячий башмак» для установки на соответствующий разъем видеокамеры. Небольшие приемники True Diversity, которые вставляются в специальный отсек на многих профессиональных видеокамерах, производятся такими компаниями, как Sennheiser, Lectrosonics и Sony. Для менее требовательных или более бюджетных видеозадач часто используются небольшие приемники без разноса антенн. При использовании на относительно небольших расстояниях от передатчика такая конфигурация обеспечивает достаточную и надежную работу.
Пропускная способность и спектр
Почти все беспроводные микрофонные системы используют широкополосную FM-модуляцию, требующую примерно 200 кГц полосы пропускания. Из-за относительно больших требований к полосе пропускания использование беспроводных микрофонов фактически ограничено диапазоном VHF и выше. Многие старые беспроводные микрофонные системы работают в диапазоне VHF электромагнитного спектра. Системы, работающие в этом диапазоне, часто используют кварцевую стабилизацию и, следовательно, работают на одной частоте. Однако, при правильном выборе частоты, система может работать годами без каких-либо проблем. Большинство современных беспроводных микрофонных систем работают в UHF-диапазоне телевизионных частот. В Соединенных Штатах этот диапазон простирается от 470 МГц до 614 МГц. В 2010 году Федеральная комиссия по связи (FCC) издала новые правила для работы устройств в телевизионном диапазоне. Другие страны также имеют аналогичные ограничения по диапазону; например, в Великобритании UHF-диапазон телевидения в настоящее время (январь 2014 года) простирается от 470 МГц до 790 МГц. Как правило, беспроводные микрофоны работают на неиспользуемых телевизионных каналах ("белых частотах"), предоставляя место для одного-двух микрофонов на мегагерц доступного спектра. ("Wo Mic")
Интермодуляция (IM) является серьезной проблемой при использовании нескольких систем в одном месте. IM возникает, когда два или более радиочастотных сигнала смешиваются в нелинейной схеме, такой как генератор или смеситель. В этом случае могут возникать предсказуемые комбинации этих частот. Например, могут возникать комбинации 2A-B, 2B-A и A+B-C, где A, B и C – используемые частоты. Если одна из этих комбинаций близка к рабочей частоте другой системы (или к одной из исходных частот A, B или C), то на этом канале возникнут помехи. Решение этой проблемы – вручную рассчитать все возможные комбинации или использовать компьютерную программу, выполняющую этот расчет автоматически.
Цифровая гибридная беспроводная связь
Цифровые гибридные системы используют аналоговую схему передачи FM в сочетании с цифровой обработкой сигналов (DSP) для улучшения качества звука. Применение DSP позволяет использовать цифровые методы, недоступные в аналоговой области, такие как предсказывающие алгоритмы, что обеспечивает более ровную частотную характеристику в аудиоспектре, а также дополнительное снижение шума и других нежелательных искажений по сравнению с чисто аналоговыми системами. Другой подход заключается в использовании DSP для эмуляции аналоговых схем компрессии-расширения, чтобы обеспечить совместимость между устаревшими аналоговыми и новыми системами. Использование DSP только в приемнике может улучшить общую производительность звука без увеличения энергопотребления и, как следствие, сокращения времени работы от батареи, которое происходит при использовании DSP в передатчике, работающем от аккумулятора.
Цифровая
Существует ряд полностью цифровых беспроводных микрофонных систем, и существует множество различных схем цифровой модуляции. Цифровые системы от Sennheiser, Sony, Shure, Zaxcom, AKG и MIPRO используют те же УВЧ-диапазоны, что и аналоговые FM-системы, для передачи цифрового сигнала с фиксированной скоростью передачи данных. Эти системы кодируют радиочастотный (РЧ) несущий сигнал одним каналом или, в некоторых случаях, двумя каналами цифрового аудио. Только система Sennheiser Digital 9000, представленная в 2013 году, в настоящее время способна передавать цифровое аудио полной полосы пропускания и без сжатия в тех же 200 кГц УВЧ-каналах, которые использовались аналоговыми FM-системами. Преимущества полностью цифровых систем включают низкий уровень шума, низкие искажения, возможность шифрования и повышенную надежность передачи. Полностью цифровые системы принимают различные формы. Некоторые системы используют технологию расширенного спектра с частотным переходом, аналогичную той, что используется в беспроводных телефонах и моделях с радиоуправлением. Поскольку для этого может потребоваться большая полоса пропускания, чем для широкополосного FM-сигнала, эти микрофоны обычно работают в нелицензируемых диапазонах 900 МГц, 2,4 ГГц или 6 ГГц. Отсутствие необходимости в лицензии в этих диапазонах частот является дополнительным преимуществом для многих пользователей, независимо от используемой технологии. Диапазон 900 МГц недоступен за пределами США и Канады, поскольку он используется сетями сотовой связи GSM в большинстве других стран мира. Диапазон 2,4 ГГц все больше перегружен различными системами, включая Wi-Fi (также известный как Wireless LAN, беспроводные сети, 802.11b/g/n), Bluetooth и «утечки» от микроволновых печей. Диапазон 6 ГГц имеет проблемы с дальностью (требуется прямая видимость) из-за чрезвычайно коротких длин волн передачи. Серия Alteros GTX представляет собой беспроводную микрофонную сеть локальной сети, которая решает проблему прямой видимости, используя до 64 трансиверов вокруг зоны выступления. Это также единственная система, использующая технологию импульсного СВЧ-радио с ультраширокой полосой, которая не генерирует продукты интермодуляции, характерные для несущих, модулированных FM, QAM и GFSK, используемых большинством других систем. Цифровые радиомикрофоны по своей сути сложнее для перехвата случайным слушателем с помощью «сканера», поскольку обычные «сканирующие приемники» обычно способны только демодулировать традиционные аналоговые схемы модуляции, такие как FM и AM. Однако некоторые цифровые беспроводные микрофонные системы дополнительно предлагают технологию шифрования, чтобы предотвратить более серьезное «прослушивание», что может вызывать беспокойство у корпоративных пользователей и тех, кто использует радиомикрофоны в ситуациях, требующих повышенной безопасности. Производители, в настоящее время предлагающие цифровые беспроводные микрофонные системы, включают AKG Acoustics, Alteros, Audio Technica, Lectrosonics, Line 6, MIPRO, Shure, Sony, Sennheiser и Zaxcom. Все они используют различные схемы цифровой модуляции.
Великобритания
В Великобритании использование беспроводных микрофонных систем требует лицензии согласно Закону о беспроводной телеграфии, за исключением полос частот, не требующих лицензирования: 173,8–175,0 МГц и 863–865 МГц. В 2013 году британский регулятор связи Ofcom провел аукцион, в результате которого полоса УВЧ от 790 МГц до 862 МГц была продана для использования в сетях мобильной широкополосной связи.
Соединенные Штаты
Для использования беспроводных микрофонов на свободных телевизионных каналах в Соединенных Штатах требуется лицензия, поскольку они относятся к вспомогательной службе вещания (BAS). Лицензии выдаются только теле- и радиовещательным компаниям, кабельным сетям, а также производителям теле- и кинопродукции. В настоящее время некоторые производители беспроводных микрофонов предлагают устройства для использования в Соединенных Штатах, работающие в диапазоне 944–952 МГц, зарезервированном для связи передающих линий студий. С 2017 года объем телевизионного спектра, доступного для использования беспроводных микрофонов, сокращается в результате аукциона по перераспределению частот, завершенного 13 апреля 2017 года.
Австралия
В Австралии эксплуатация беспроводных микрофонов мощностью до 100 мВт EIRP в диапазоне частот от 520 МГц до 694 МГц осуществляется на неиспользуемых телевизионных каналах и регулируется генеральной лицензией, позволяющей любому пользователю использовать эти устройства без получения индивидуальной лицензии.
Другие страны
Во многих других странах использование беспроводных микрофонов действительно требует лицензии. Некоторые правительства рассматривают все радиочастоты как военное имущество, и использование нелицензированных радиопередатчиков, включая беспроводные микрофоны, может повлечь за собой серьезное наказание. Лицензирование в европейских странах регулируется Комитетом по электронным коммуникациям (ECC), который входит в состав Европейской конференции почтовых и телекоммуникационных администраций (CEPT), расположенной в Дании.
Устройства белого пространства (США)
В Соединенных Штатах предпринимаются усилия по разрешению эксплуатации персональных нелицензированных широкополосных цифровых устройств, использующих УВЧ-телевизионный спектр. Эти устройства "белых пространств" (WSD) должны быть оснащены GPS и иметь доступ к базе данных местоположений для предотвращения помех другим пользователям спектра. Первоначальные тесты, проведенные FCC, показали, что в некоторых случаях прототипы этих устройств не могли корректно определять используемые частоты и, следовательно, могли случайно начать передачу на тех же частотах, что и другие пользователи. Вещательные компании, театры и производители беспроводных микрофонов решительно выступали против подобных устройств, ссылаясь на эту причину. Последующие тесты FCC показали, что устройства могут использоваться безопасно. Однако это не уменьшило возражений вещателей, которые также могли опасаться конкуренции в сфере развлечений со стороны высокоскоростного мобильного доступа в Интернет, предоставляемого в белых пространствах. 23 сентября 2010 года FCC опубликовала Заключение о порядке и мнение, в котором были установлены окончательные правила использования белых пространств для нелицензированных беспроводных устройств. Окончательные правила приняли предложение Коалиции Белых Пространств о крайне строгих нормах излучения, которые препятствуют прямому использованию IEEE 802.11 (Wi-Fi) в одном канале, фактически делая новый спектр непригодным для Wi-Fi технологий.
Когнитивный доступ (Великобритания)
Аналогичный класс устройств, известных в США как устройства белого пространства (WSD), исследуется в Великобритании и, вероятно, во многих других странах. Хотя ситуация с WSD в США внимательно отслеживается заинтересованными сторонами в Великобритании и других странах, в начале 2009 года Ofcom инициировал исследования и публичные консультации по когнитивному доступу к переплетенному спектру UHF. Результаты этих консультаций и связанная с ними деятельность в области WSD в США могут иметь серьезные последствия для пользователей радиомикрофонов UHF в Великобритании и по всему миру.