无线话筒系统的操作和设计概念

频率合成

   频率合成的无线话筒系统在近些年变得逐渐流行起来。除了为某些消费市场提供的很便宜的系统以外，现在介绍的大多数新的无线系统都是采用频率合成技术。无线用户已经注意到这些系统物有所值，并且感到它们拥有快速改变操作频率的强大功能。经销商也希望将其库存的无线设备销售出去，而无需等待关于用户自定义的、特殊的定购系统。合成的无线话筒在场地新闻制作人员，场地电影拍摄，电视制作公司，旅游团体和其它无线用户中也变得流行起来。术语“频率捷变”（此处是指频率合成的无线设备）在专业音频行业上已经成为一种行业术语。
 
    尽管他们有不可否认的吸引力，合成无线话筒系统也有某些重要的局限和不足，并且有时在解一个旧问题时，新问题又产生出来。例如，频率合成电路经常严重地影响音频质量，不过在音频性能和频率合成之间的关联对于绝大多数无线用户来说就不是很明显。频率合成也同样影响无线话筒性能的其它指标，像电池寿命，大小，重量和成本等等。因为用户对于频率合成技术寄于极大的期望，因此当选择使用无线话筒时，对其技术的基本了解将有助于做出明智的选择。
 
频率合成
 
      所有合成的无线话筒设备使用一种相位锁定环状（锁相环）电路来控制操作频率。在这种类型的频率合成器中，输出频率由一个电压控制的射频振荡器所产生，通常直接工作于理想的发射频率上。无线发射机中的电压控制振荡器也经常有一个用来FM调制输出信号的第二个控制输入接口。某些更加复杂的频率合成器使用独立的FM调节器电路。
 
     电路锁定到一个非常稳定的、由水晶振荡器发生的参照频率上，通过控制电压的变化来调整振荡器的输出频率。通过数字频率分配器电路、相位/频率比较仪、控制信号滤波器以及控制信号放大器来共同实现。按照理想合成频率通道间距将稳定的参照频率分降成与之相等的频率。也就是说，如果通道以125千赫兹的间隔划分，参照频率分配器的输出也将是125千赫兹。通常使用更高的参照频率和分配器设计，因为对于无线话筒设备来说125千赫兹的晶体不够稳定以及尺寸太大
电压控制振荡器的输出也通过一个可编程频率分配器分降成125千赫兹。例如，如果702.625MHz的输出频率是理想的频率，计数器将其除以5621（702.625除以5621是0.125）。那末参照分配器和程序分配器的输出都应用在相位/频率比较仪上。起初，电压控制射频振荡器不会在准确的702.625MHz上。相位/频率比较仪将会输出一个控制信号，该信号会在必要时上下调整电压振荡器并使频率达到702.625MHz。此控制信号经过过滤以消除数字噪音，再放大，随后应用在电压控制振荡器上。
 
      由于电压控制振荡频率十分接近702.625MHz，相位/频率比较仪输出将会变成一个相位控制信号。经过一段调整时间后，进入相位/频率比较仪的两个为125千赫兹的信号其频率和相位将会被锁住。当该种情况发生时，电压控制振荡器输出频率就像参考振荡器本身的频率一样精准，恰恰是125千赫兹的倍数。
 
    改变程序频率分配器的除数比率会使频率合成器输出频率以125千赫兹的步幅移动。例如，如果程序频率分配器改用5622作为除数，而不用5621，电压控制振荡器的频率变为5622乘以125千赫兹，即702.750MHz。一个为5623的除数比率产生702.875MHz，而为5624的将产生703.000MHz，以此类推。理论上，频率合成器的输出频率范围只受到电压控制共振器和可用的程序分配器的除数比率所限制。在实践中，受到频率合成器噪音和其它考虑因素限制，电路可调的频率输出范围通常在VHF频段时限制在两个左右的电视通道范围内，而对于UHF频段来说，最大范围将会是4到8个电视频道间距。

   相位/频率比较仪也有一个“锁紧”状态电路输出，当频率合成器取得稳定的频率操作时，它会发出信号。在发射机中，“锁紧”状态电路打开射频输出控制开关，允许设备开始传输射频信号。在频率合成器锁住之前，输出频率可能在发射机的可调范围之内的任何位置并对频率进行快速改变。在频率合成器对频如果适中的性能表现是可以接受的，使用标准集成的电路来设计运行在较低射频频点的基本锁相环频率合成电路是相当简单的。专业无线话筒系统所需的高性能设计则相当具有挑战性，尤其是对UHF来说。必须在噪音，音 频 响应，低频失真，锁定时间，电量消耗，可调范围，伪输出，频率步幅大小以及其它一些内部关联的性能表现的因素之间做出谨慎的折衷选择。合成频率的无线系统使用者应该不光着眼于合成技术的吸引力，而要确信是否整体性能表现符合他们的需要。率锁住之前进行传输会对其它设备造成严重干扰。
 
频率合成器性能表现存在的问题
 
    频率合成器对于传输的音频信噪比（SNR）指标有主要影响。由于在绝大多数的无线话筒系统都采用了某些类型的音频处理（如压缩扩展）技术，上述影响不总是立即可见的。另外，基于静态度量的详细说明并没有揭露这些问题。不幸地是，某些无线制造厂商依靠音频处理来掩盖由于各种设计折衷所暴露出来的问题，这也包括在频率合成器中使用时出现的问题。然而，在每个字后加入“嘶嘶声”或 “噪声尾音”会使一个糟糕系统信噪比问题很清楚地显露出来。该效应有时也称作“呼吸声”。在某种背景声音存在时，此问题就尤为明显，比如传输中断，火车和地铁中的隆隆声，电梯噪音以及表演者的沉重呼吸声。
 
    尽管频率合成器噪音并不是该问题的唯一原因，但它却是最普通中的一个。主要原因是相位噪音，有时也被称作相位或频率不定。在发射机和接收机上的频率合成器很容易受到此问题的影响，而且每一个相位噪音是叠加上去的。接收机FM解调器不能把频率合成器相位噪音与理想音频调制区分开来，结果是低强度的噪音被引入音频中来。此虚假的噪音“本底”造成每个字后夹杂的“尾噪音”，以及可听见的强度差异。
 
    就许多原因来说，频率合成器比晶体控制振荡器拥有更多的相位噪音。相位噪音也会随频率的增加而提高，这使得UHF系统比VHF系统更容易遭受影响。为了部分弥补这种问题，UHF系统通常比VHF系统拥有更宽的频偏（调制的增加）。在UHF频段，如何设计一个极低相位噪音的频率合成器是非常具有挑战性的工作，好的设计与那些较低性能的设计比较起来更加复杂，也更加昂贵。相位噪音也影响到了通道间隔，与那些100千赫兹或更高通道间隔的相比，实现拥有25千赫兹通道间隔的高性能电路相当困难，而且价格也会更加昂贵。
 
    合成频率的无线设备比起晶体控制频率的设计更容易遭受机械振荡和冲击的影响。除非采取可预防的措施，粗暴操作或撞击一个合成频率的发射机或接收机很有可能在系统输出中造成可听见的“砰声”。即使是这样，发射机和接收机周围也要十分坚硬，如此地设计是为了使对频率合成器电路的振荡和冲击降至最低限度。电子瞬变也会造成严重问题。由于电池接触可能会不牢固，靠电池供电的设备必须考虑防止直流线路上的噪音。依靠交流电源供给的接收机必须有充足的过滤和规则以防止电源瞬变所造成的影响并阻止噪音到达频率合成器电路。
 
    频率合成器的电量消耗与晶体控制电路比较总是相当高的。虽然在低功率高速数字电路的技术取得了长足的进步，频率合成器的耗用电流还是比期望的要高许多。这对于需要极高速的频率分配器电路的UHF无线设备尤为重要。在高性能UHF发射机中频率合成器占用35%到50%的设备总体耗用电流是十分普遍的。数字电路也需要稳定的操作电压，而这些往往是以牺牲了效率和降低电池寿命为代价而实现的。

   合成频率的发射机会有伪输出，正如晶体控制发射机一样。然而除了发射机输出频率谐波，两种类型的设备伪输出也大不相同。晶体控制发射机有其特有的、大量的低强度的伪输出，通常与载频信号间隔10MHz或更大。合成频率的发射机几乎总是拥有与发射机频率比较接近的低强度伪输出。在绝大多数情况下，伪输出会存在载频信号的上方和下方，其数量与通道间距相等。
 
    如果发射机输出频率以100千赫兹的间隔分离，也就是说，在载频信号上方和下方100千赫兹的伪信号将会出现。对那些习惯于晶体控制发射机的人们会很惊讶，按照他们的理解接近中心的伪信号经常会导致严重问题。合成频率的发射机有时也会产生位于频率合成-参照振荡器频点上方和下方的（通常为3到10MHz）的伪输出信号。两种类型的发射机通常都会输出倍频的伪输出信号。一个设计良好的合成发射机普遍上比晶体控制发射机有较少的伪输出，并且伪输出信号强度也较低。
 
    当几个系统同时使用时，频率合成器的开和关会造成严重问题。几乎所有的频率合成器在最初打开时会产生大范围、众多的发射信号，需要一点时间以使数字电路将输出频率“锁在”正确的值上。当开机时，如果发射机的频率合成器初始化时发射的众多信号正好有一个位于另外一个正在工作的无线通道频点上，那么第二个系统将会受到严重的干扰。您会听到最大的声音强度“砰声”。
 
    直到频率合成器完全锁住后，合成的发射机才可以进行射频输出。然而，有些设备并没有终止射频输出的电路，或不能充分地降低输出以防止进一步干扰。不幸的是，尽管对于发射机来讲要达到FCC绝缘要求的最低限度并不难，但仍能造成该问题的发生，尤其是当发射机离接收机很近时。当关机时，某些设计也会产生瞬间干扰，当数字电路已经失去了对频率的控制后，在很短的时间段内仍然有射频输出进行。此问题十分严重，因此在专业应用使用之前，核实合成的无线发射机是否可以“干净地”打开或关闭是必需的。
 
接收机的性能表现
 
    在无线话筒系统中另一个重要的考虑因素就是接收机的选择性和干扰抑制。频率合成电路可以在大范围内轻易地将接收机调整到指定的工作频点中心。为了使接收机工作正常，在接收机输入端的射频滤波器必须以某种方式覆盖整个频率合成器的调节范围。最普通的方法就是将接收机的射频过滤器简单地加大，可以容纳所需的范围。这几乎总是牺牲了接收机的选择性和抗干扰能力。调节范围越大，性能的牺牲越严重。
 
    如果想要得到相当大的调制范围，首选的方法就是为接收机配备电子可调谐的射频滤波器。虽然此方法可以很好地工作，它的确有许多缺点，成本很高。额外的组件成本巨大且初始排列时很费时。滤波器频率调整对控制信号来说实质上总是非线性的，需要必要的电路来存储所需的控制信号阀值和产生正确的信号值。
 
    一种普通类型的电子调制射频滤波器使用变容二极管作为调制单元。除非很好地加以实现，否则此类型的滤波器会在几个种情况下波及性能表现。一种问题是，某些变容二极管，尤其是那些便宜的，会衰减滤波器的选择性指标。这在UHF上是一个独特的问题，任何小组件的功能缺陷将严重影响滤波器的性能。结果是与宽频带、不可调谐滤波接收机设计相比并没有实际优势。
 
    可调谐变容二极管射频滤波器也可能受强大的射频信号的影响而过载，这在无线话筒系统中是非常普遍的情况。当滤波器中源自强大射频信号产生的电压淹没了正常工作的调制电压就会发生过载。当这种情况发生时，滤波器调谐的变化和其选择性会下降。有时，滤波器调整方向背离期望的信号而转向干扰信号，严重地危及到系统性能表现。 使用其它调谐类型组件的滤波器，比如PIN（开关）二极管，在这种情况下会表现得更出色。

    理论上通过使用特殊的抗过载射频放大器来改善宽带滤波器接收机的性能是可能的。因为这些放大器的高电量消耗，此方法只对较大的交流供电接收机适用。不过，即使拥有复杂的电路，宽频带、可调制过滤接收机的性能表现仍旧不能与高品质的固定频率设计的接收机相比。出于这种原因，只有高品质的，专业的合成设备才可用于苛刻要求的应用上。
 
操作员界面
 
    频率合成器的程序界面是以一个长二进制代码形式而代表的，或两个较短的二进制代码。必须将这种形式翻译成对使用者有意义的形式。通常使用几种方法来实现：某些方法简单而某些方法相对复杂。在复杂的高端产品设计上，某些合成无线发射机和接收机使用面板上的微处理器来驱动LCD显示。操作频率可以以6位数字的形式直接显示，如“702.625”。频点也可在一个小型控制面板，盖子内部或电池舱里，通过“上”和“下”按钮加以调整。一般上来说，某种形式的电子锁或外壳对于防止误操作所导致的意外频率改变是十分必要的。
 
    有些设备使用一种“通道和组”的方法。在这种情况下，基于某种原理，生产厂商在指定的组内标明某些通道的特殊使用频率。许多可用的组，以及组内可用的通道随不同的生产厂商而改变。尤其是，不同生产厂商之间由通道/组数量所代表的实际频率几乎总是不尽相同。如果出自多于一家生产厂商的设备在使用时，这使得此方法很不实用，并且当实际频率一览表相对于通道/组数量不可用时，将会出现严重问题。
 
    一些设备提供直接频率显示或通道/组显示选择。无论是哪种选择，通常核实所有的可选设置以达到预期的目标是十分必要的。这不但耗费时间，而且如果当其它无线系统在使用时需要频率的改变，这会是个大问题。也就是说，如果发射机瞬间向每一个中间频段输出一个信号，发生干扰的可能性很高。这甚至对接收机也有问题，因为在调谐期间，短暂的多余音频信号会发生。除非所有的频率在性能表现期间保持不变，在取得最终频率之前对于发射机采取措施以限制输出是必要的。由于可能使用其它类型的设备，ENG的使用存在着危险性，不存在整体控制，并且可供设置时间已经很短，甚至没有整体协调的时间。
 
    发射机上的LCD显示屏提供直接频率、组等等的显示信息，使其具有直觉上的吸引力，但考虑到发射机是无线系统中最经常触摸的部分，易碎性也将会是一个问题。简单的用螺丝刀调节的超小型旋钮关使之具有坚固，成本低和容易使用的特性。另外，不像其它带有LCD显示屏的设备一样，旋钮可以在发射机关闭时进行调整，这消除了当在变换频点时可能出现的任何潜在的干扰问题。旋钮也同时提供了快速访问宽频点范围的方法，这与按钮类型的控制一样无需滚动过所有的中间选择即可快速调整。
 
    接收机的显示屏是相当有用的，尤其指那些用在录音室或固定的安装应用上。在这种情况下，通常特殊的接收机可以和多于一台的发射机匹配使用。显示屏可以确认将会接收到哪一个发射机的信号。另外，对于其它系统的干扰风险降至最低限度，操作员可以对任何无用音频进行静音。显示屏对于其它用途也很有用，比如发射机低电量警告以及其它各种系统信息。最后，如果接收机在很远的地方接收控制，前端面板接收机显示屏将尤为有用。
 
操作中的问题
 
    合成频点的无线话筒系统的一个主要吸引人的特点就是使用者可以快速地改变频率。

在许多应用中，这也会是一个弊病。事实上，除非可将合成的无线设备频率“锁住”以避免在现场临时变化或将其限制在一小部分预先建立的“可允许的”频率上，否则一些经常使用大量无线系统同时工作的组织将不会使用它们。问题在于，将同时可用的无线频率点增加到最大限度需要专业的频率协调和对频率利用的严格控制。在这种环境下，只有一两套合成系统加上一位未经培训的操作员会对其他无线系统造成严重的干扰问题，结果经常是耗资巨大。
 
    小规模上，任何在同一地点使用多于两或三套无线系统的小组都会遇到小规模的问题。这在都市区域或当无线系统不在个人或小组的控制下时尤为真实。在这种情况下，改变频率的能力就是干扰另一系统的能力。特别需要注意的是，造成互调的频率之间的联系并不是显而易可见的，因此随机的频率变化总会对另一调整好的无线系统形成潜在的严重问题。
 
    合成频点的无线系统也在ENG和其他类似应用场合中产生同样的问题。由于在类似应用现场没有统一的频率分配的控制中心，而且现场工作人员普遍面对极大压力，这些成为了日复一日需要面对的共同特点。当几组不同的ENG工作人员在场时，为了提高接收效果，最后加入的小组的频点增加甚至简单的频率改变将会给其他人带来严重问题。假设希望较大工作范围的无线用户A改变了频点，从而给用户B带来了互调问题。用户B为了避免互调而同样改变频率，这给用户C和用户D带来了干扰问题，依次地造成他们改变自己的频率。现在用户C给用户A制造了一个新问题，而用户D给用户B带来同样的问题。当重要事件发生且没人可以得到高品质的无线音频信号时，这会开始又一轮的频点改变，这种情况可能会一直持续。虽然在不同组织的用户之间不可能对干扰有一个理想的答案，但在事件中疯狂地改变频点肯定是最糟糕的事情。
 
    合成频率的无线设备对EFP、旅游团体、讲师以及那些经常变化工作场所的音频工程师而言，由于他们通常可对场所内的所有无线系统进行控制，通常是相当有价值的。由于它们可设置成拿走维修的设备相同频点或是临时应用在其它地方的设备相同的频点，频率合成无线设备作为备用的或“可移动的”系统时也可很好地工作。在适当的频率协调下，对于特殊事件活动频率合成无线系统用来暂时加强现存系统的功能，其价值是无法衡量的。