Alex Milne,

Cinq règles d’or pour le positionnement des antennes d'un système audio HF

L’article suivant traite du positionnement des antennes pour système audio HF. C’est une contribution d'Alex Milne de RF Venue, Inc., un fabricant américain de produits innovants pour améliorer le fonctionnement el la qualité sonore des systèmes audio HF. Pour plus d’informations, consultez sa biographie à la fin de cette article.

Blog Positionnement des antennes pour un système audio HF

1. Créer et maintenir un contact visuel direct

En HF, le terme "contact visuel direct" signifie que les ondes radio doivent pouvoir se propager de l’antenne de l’émetteur à celle du récepteur sans rencontrer d’obstacle. Il est essentiel de déployer les antennes de tous types de façon à maintenir un contact visuel direct entre les musiciens et le rack des récepteurs, selon une configuration évitant les obstacles lors du parcours.

Il n’est pas toujours évident de maintenir en permanence un contact visuel direct. Même avec un bon positionnement, suite aux mouvements/déplacements des artistes ou des accessoires scéniques, des obstacles peuvent s’intercaler, de façon plus ou moins brève, entre les émetteurs et les antennes de réception. L'antenne réceptrice perd alors momentanément le contact avec le signal transmis par l'onde radio en visibilité directe : dans ce cas, le récepteur se cale sur le second signal le plus fort sur la fréquence à laquelle il est accordé. Le plus souvent, ce signal est une réflexion du signal HF issu du même émetteur - qu’il s’agisse de celui du micro HF de l’artiste ou de celui de l’émetteur en rack d’in-ear monitors – réflexion sur les murs ou autres matériaux (le signal HF parcourt alors plusieurs trajets, on parle en anglais de "multipath"), hors de la zone de contact visuel direct émetteur/récepteur.

Ces ondes réfléchies transportent un signal contenant les mêmes informations audio, mais comme elles ont été absorbées/réfléchies plusieurs fois par des matériaux renvoyant les signaux HF, que ce soit en intérieur ou en extérieur, leur amplitude est inférieure à celle du signal reçu en contact visuel direct.

La probabilité de perte lors d’un trajet multiple de type multipath (lorsque deux ondes d’amplitude similaire arrivent en opposition de phase au récepteur) est beaucoup plus grande lorsque les antennes de réception d’un système Diversity reçoivent plusieurs ondes réfléchies d’amplitude similaire, au lieu, en temps normal, d’une onde forte en contact visuel direct et d’ondes réfléchies d’amplitude bien plus faible. Les récepteurs modernes gèrent plutôt bien les signaux issus de réflexions multiples, grâce à une meilleure sensibilité et à des circuits de commutation Diversity intelligents, mais même les meilleurs récepteurs obéissent aux lois de la physique et à la théorie de l’information : il se produira donc de nombreuses coupures de signal si on ne travaille pas en contact visuel direct, quel que soit le prix du système HF utilisé.

2. Créer et maintenir un contact visuel direct

Soyons clair. Cet aspect est d’une importance primordiale et s’applique à tous les types d’antennes, pas seulement aux antennes externes directionnelles et hélicoïdales. Maintenir un contact visuel direct constitue le point le plus important dans le déploiement des antennes, afin d’obtenir le minimum de pertes et d’interférences. L'obstruction de la ligne de visée directe est l'une des plus grandes menaces pour la fiabilité de l'audio sans fil.

Voici quelques-unes des erreurs les plus communes :

  • Antenne fouet/dipôle montée à l’arrière d’un rack, dans un meuble fermé ou une armoire technique. Aucun contact visuel direct possible dans ce cas !
  • Montage d’antennes à une hauteur suffisante pour assurer un contact visuel direct avec les émetteurs dans un espace de présentation ou un auditorium vide, mais cette hauteur est inférieure à celle du public debout ; une fois la salle pleine, les problèmes commencerons. Le corps humain absorbe l’énergie des ondes HF comme une éponge. Si le public est susceptible de se lever, placez vos antennes sur des pieds d'au moins 2 mètres de hauteur ou fixez-les sur les côtés de la salle, au plafond, sur les passerelles, les structures de scène ou sur scène (cour ou jardin).
  • Éléments d’antenne en contact avec des pièces métalliques ou d’autres matériaux conducteurs. Il suffit d’un seul brin d'un élément d'antenne (calculé pour entrer en résonance avec l'énergie HF) qui entre en contact avec du métal, par exemple une structure de scène, pour que l'antenne fonctionne de manière aléatoire, voire pas du tout car l’énergie reçue est "contaminée" par la pièce métallique en contact avec l’élément.

3. Plus c’est proche mieux c’est :

Améliorer le rapport signal/bruit est le but final de la plupart des déploiements d’antennes. Étant donné que les ondes radio se dissipent de manière non linéaire, selon la loi en carré inverse de la distance, réduire l’espace séparant l’antenne de réception de celle d’émission améliore considérablement le rapport signal/bruit.

Dans une application de spectacle vivant, une antenne placée à l’emplacement de la régie de façade, soit à 15 mètres de la scène, recevra quatre fois moins d’énergie qu’une antenne directionnelle de gain 7dBd, placée à 7,5 mètres de la scène, reliée à la régie de façade par 7,5 mètres de câble coaxial à faible perte.

Des antennes hautement directionnelles peuvent avoir une couverture tellement étroite qu’il devient impossible de les placer trop près de la source. Les antennes présentant des gains supérieurs à 10dBd peuvent ne pas fournir une couverture suffisante pour l’ensemble de l’espace scénique si elles sont placées trop près – le contact HF avec les artistes est perdu dès qu’ils se déplacent vers la gauche ou la droite de la zone de couverture. L'angle de rayonnement selon l’azimut horizontal ou vertical, une caractéristique publiée par la plupart des fabricants d'antennes, peut servir à estimer approximativement la distance correcte par rapport à la scène en fonction de la directivité. On peut comparer cette notion à "l'angle d'ouverture" d’un téléobjectif ou d’un télescope. Plus l’angle est petit, plus étroite sera la directivité, donc plus la sélectivité sera marquée.

4. Comprendre la notion de PAR :

De la même manière que le gain audio doit être correctement géré pour tous les périphériques et toutes les connexions d'un système audio, la structure du gain d'un système HF doit être conçue avec soin.

Un concept utile dans la conception des systèmes HF est la PAR (Puissance Apparente Rayonnée). La notion de PAR est simple à comprendre. Il s’agit de la puissance de sortie provenant de l'émetteur, plus le gain de l'antenne, moins l'atténuation et les pertes subies dans les câbles et les connecteurs situés entre l'antenne et l’appareil de destination. Il est important de savoir comment fonctionne la PAR, car vous devez comprendre dans quelle mesure la relation entre l’intensité du signal, le gain de l’antenne et la perte en ligne des câbles coaxiaux modifie la valeur de gain HF ajoutée ou retirée à un signal HF par un ensemble antenne + câble et les accessoires de distribution.

Le gain HF se mesure avec la même unité que le gain audio – le décibel. C’est une simplification, mais elle est valide parce que le décibel est une unité de mesure sans dimension. Un tout autre sujet que celui qui nous intéresse ici.

Le gain HF, en décibels, représente l’amplification ou l’atténuation occasionnée à un signal HF par un appareil ou une connexion. Il représente aussi l'amplitude d'un signal HF mesuré dans un environnement donné ou à un point donné d'une chaîne d’appareils.

Lors de l'utilisation d'antennes distantes ou distribuées, la sortie de l'émetteur (que cet émetteur soit intégré à un microphone sur scène ou installé en rack dans le cas d’un système d’in-ear monitoring) n'est que la première étape. Les appareils et les interfaces physiques – câbles, connecteurs, antennes et amplificateurs HF – influent également sur la valeur de la puissance électromagnétique "efficace" émise dans l’espace ou, pour les systèmes récepteurs, sur la quantité de puissance effective détectée par le récepteur après que le signal a parcouru tous les éléments d’un ensemble d’antennes distribuées.

Ce concept est beaucoup plus facile à illustrer qu’à expliquer. Voici la visualisation de la formule pour la PAR dans une configuration d’in-ear monitoring :

par transmission hf

Le scenario le plus courant est celui de la configuration en réception,dans le cas de l’utilisation de micros HF. Ici aussi la notion de PAR s’applique, mais le R dans PAR correspond alors à Puissance Apparente Reçue (et non plus Rayonnée).

réception rf par

Remarquez à quel point il est avantageux d’utiliser une antenne de réception dotée d’un gain de +9dB quand on utilise sur un câble coaxial à faible perte de 15 mètres. Le gain apporté par l'antenne (9dB) est alors supérieur à l'atténuation en ligne du câble (3dB) : au final, vous gagnez 6dB par rapport à la puissance du signal HF à l’emplacement de l'antenne.

Cependant, au-delà d’une certaine longueur de câble, les pertes occasionnées par le câble deviennent plus importantes que le gain apporté par l’antenne, ce qui supprime la majeure partie des améliorations obtenues grâce à une antenne à gain élevé.

perte de signal hf

Ici, le récepteur finit par recevoir moins d’énergie que ce qui était disponible au niveau de l’antenne distante, en raison de la perte excessive de signal occasionnée par un transport via 50 m de câble coaxial.

C’est un problème souvent rencontré. Plusieurs solutions existent.

  • Réduisez la distance entre les appareils (y compris en rack), les artistes et l'antenne, sans modifier la longueur de câbles. Ce qui revient à avancer la régie façade de plusieurs sièges.
  • Utilisez une antenne ayant un gain plus élevé.
  • Utilisez un amplificateur en ligne (booster) pour compenser la perte de signal dans le câble coaxial. (amplificateurs en ligne et antennes "actives" doivent toujours être utilisés avec prudence. Ces appareils augmentent le gain HF, mais amplifient également le bruit de fond, ce qui réduit le rapport signal sur bruit et peut facilement provoquer une surcharge si on applique trop de gain).
  • Utilisez un câble coaxial de plus faible perte, par exemple de type LMR-400 ou LMR-800.
  • Pour la distribution d’antenne, utilisez un système HF sur fibre et une fibre optique qui présentent une atténuation en ligne négligeable.

5. Revendez votre parc d’antennes !

Un élevage d'antenne s'apparente à ce que l'on peut voir trop souvent : de nombreuses antennes (fouets/dipôles) d’origine proches les unes des autres, généralement à l’arrière du rack.

Un tel amoncellement d’antennes est une mauvaise pratique pour deux raisons. Tout d’abord, quand de multiples antenne sont installées à l’arrière du rack, elles sont isolées de l’artiste par la structure métallique du rack et par l’électronique qu’il contient. Même en déportant les antennes à l’avant du rack, celles-ci se trouvent au niveau du genou – ce qui n’est pas conseillé, un contact visuel direct est toujours primordial ! Ensuite, concentrer un grand nombre d’antennes omnidirectionnelles dans un espace restreint a des conséquences potentiellement importantes en termes électriques et HF, notamment dans le cas d’antennes d’émission. Intermodulation, interactions en champ proche, voisinage des alimentations et d’autres sources d’interférences : autant de raisons de revendre votre parc d’antennes.

Il est facile de remplacer un parc d'antennes par des antennes distribuées, ce qui permet aux signaux de systèmes HF multicanaux de ne passer que par deux ou trois antennes, et élimine les transformateurs, les multiprises et la myriade de câbles qui forment ces plats de spaghettis qu’on rencontre à l’arrière de tant de racks HF. De plus, une distribution d’antennes bien conçue améliore presque toujours la qualité et la fiabilité du transport audio en HF.

À propos de notre auteur invité :

Alex Milne écrit pour Audio Gloss , un blog de RF venue, Inc., un fabricant américain de produits innovants qui optimisent le fonctionnement et la sonorisation des systèmes audio sans fil, notamment les antennes distantes, les équipements de distribution HF et les systèmes de gestion et de suivi ds signaux HF pour installations audio/vidéo et événements live. Shure Europe distribue l’ensemble de la gamme d’antennes RF Venue.

About the Author

Alex Milne

Alex is a guest contributor and writes full-time for Audio Gloss  (a blog by RF venue). RF Venue manufactures innovative products that make wireless audio systems work and sound better.