Alex Milne,

Vijf vuistregels voor het plaatsen van antennes voor draadloze audio

De volgende post over de plaatsing van antennes voor draadloze audio is een gastbijdrage van Alex Milne van RF Venue, Inc: een Amerikaanse fabrikant van innovatieve producten die draadloze audiosystemen beter laten werken en klinken. Zie voor meer informatie zijn bio aan het einde van deze post.

blog-plaatsing-antennes-draadloze-audio

1. Creëer en handhaaf een zichtlijn:

In de terminologie van radio voor entertainmentproducties geeft ‘zichtlijn’ aan dat radiogolven zich rechtdoor en ongehinderd tussen de antennes van de zender en de ontvanger kunnen bewegen. Het is essentieel dat alle typen antennes zo worden opgesteld dat er een zichtlijn blijft bestaan tussen de artiesten en de apparatuur in het rek, in een configuratie waarin onderbrekingen van de lijn tot een minimum worden beperkt.

Het is niet altijd mogelijk om de zichtlijn onbeperkt te handhaven. Zelfs met goede plaatsing komen er door de bewegingen van de artiesten onvermijdelijk voor één of meer korte periodes voorwerpen of decorstukken tussen de antennes terecht. De ontvangstantenne raakt een ogenblik het contact kwijt met het signaal dat door de radiogolf op de zichtlijn wordt vervoerd, en de ontvanger pakt het één-na-sterkste signaal op de ingestelde frequentie. Meestal is dit een indirecte golf van dezelfde zender - de zender van de radiomicrofoon van de artiest of de IEM-zender in het rek - die tegen muren of ander materiaal is weerkaatst op andere locaties dan de bestemming in de zichtlijn, en zo indirect de ontvanger bereikt.

Indirecte golven vervoeren een signaal met dezelfde audio-informatie, maar zijn zwakker van amplitude dan een golf op de zichtlijn omdat ze meermalen zijn geabsorbeerd en opnieuw uitgestraald door RF reflecterende materialen in een gebouw of op een buitenlocatie.

De kans op een dropout door indirecte signalen (wanneer twee golven met een vergelijkbare amplitude 180 graden uit fase een ontvanger bereiken) is veel groter als de ontvangstantennes van een diversity-systeem meerdere weerkaatste golven met een vergelijkbare amplitude ontvangen dan wanneer er één sterke, primaire golf in de zichtlijn en relatief zwakke, weerkaatste golven zijn. Moderne ontvangers doorstaan de stormen van indirecte verspreiding dankzij superieure gevoeligheid en intelligente diversity-schakelingen goed, maar zelfs de beste ontvangers zijn onderworpen aan de wetten van de fysica en informatica en hebben dus regelmatig last van dropouts als er geen zichtlijn is - hoe duur ze ook zijn.

2. Creëer en handhaaf een zichtlijn:

serieus. Zo belangrijk is het - en het geldt voor alle antennes, niet alleen voor externe antennes als richt- en helixantennes. Het handhaven van de zichtlijn is de belangrijkste procedure voor het minimaliseren van dropouts en interferentie bij het ontwerpen van antenneopstellingen, en het blokkeren van de zichtlijn is een van de grootste bedreigingen voor betrouwbare draadloze audio.

Een paar van de meest voorkomende blunders met de zichtlijn zijn:

  • Mono- en dipoolantennes in een naar achteren wijzend rek, gesloten kastje of apparatuurkast. Dan is er dus geen zichtlijn!
  • Antennes die hoog genoeg worden geplaatst voor een zichtlijn in een lege presentatieruimte of concertzaal, maar lager dan een staand publiek na aanvang van de show. Mensenlichamen nemen radiosignalen op als een spons. Als de kans groot is dat het publiek gaat staan, zet de antennes dan op standaards van ten minste twee meter hoog, of monteer antennes op de zijwanden van de zaal, aan het plafond of op loopbruggen/trussen, of links of rechts in de coulissen.
  • Antenne-elementen die contact maken met metalen of andere geleidende materialen in de buurt. Zelfs als er maar één miniem puntje van een antenne-element (onbedekte, verlengde delen die resoneren met de RF-energie) contact maakt met metaal eromheen, zoals trussen, zal de antenne onberekenbaar of helemaal niet meer werken omdat het stralingspatroon wordt verstoord door de metalen structuur die contact maakt met het element.

3. Liever dichterbij:

Het verbeteren van de signaal-ruisverhouding (signal-to-noise ratio, SNR) is het einddoel van de meeste antenneopstellingen. Omdat de veldsterkte van radiogolven niet-lineair afneemt volgens de omgekeerde kwadratenwet, wordt de SNR aanzienlijk verbeterd door verkleining van de afstand tussen de zend- en ontvangstantenne.

In een omgeving met live geluid ontvangt een FOH-antenne die 15 meter de zaal in is geplaatst, vier keer minder energie dan dezelfde FOH-positie met pakweg 7dBd-richtantennes die met low-loss coaxkabel 7,5 meter verderop zijn geplaatst en 7,5 meter dichter bij het podium staan.

Sterk gerichte antennes hebben mogelijk zo’n smalle dekking dat ze te dichtbij kunnen worden geplaatst. Als ze te dichtbij staan, bieden antennes met een versterking van meer dan 10 dBd mogelijk niet voldoende dekking voor de hele concertzaal. De artiesten verdwijnen geleidelijk uit de opnamelob als ze naar de linker- of rechterkant van het dekkingsgebied lopen. De stralingshoek, bepaald door de ‘azimut en elevatie’, een specificatie die door de meeste antennefabrikanten wordt gepubliceerd, wordt gebruikt om de juiste afstand van de scène op basis van het dekkingspatroon op ruwe wijze te schatten, en kan worden vergeleken met de "dekkingshoek" van een telefoto-fotografische lens of telescoop . Hoe kleiner de hoek, hoe nauwer en selectiever de dekkingskarakteristiek.

4. Ken uw ERP:

Net zoals de audioversterking via de diverse apparaten en verbindingen in een audiosysteem moet worden beheerd, moet ook de versterkingsstructuur van een RF-systeem zorgvuldig worden ontworpen.

Een handig concept bij het ontwerpen van RF-systemen is de ERP, wat staat voor ‘Effective Radiated Power’. De ERP is simpel. Het is het uitgangs- of omgevingsvermogen dat door de zender wordt uitgestraald, plus de versterking van de antenne, min de demping en het verlies veroorzaakt door kabels en connectoren tussen de antenne en het doelapparaat. Het is belangrijk dat je weet hoe de ERP werkt, want je moet begrijpen hoe de relatie tussen de signaalsterkte, de antenneversterking en het verlies door coaxkabels de positieve of negatieve versterking van een RF-signaal door een antenne plus kabelsysteem en distributieaccessoires beïnvloedt.

De RF-versterking wordt gemeten in dezelfde eenheid als audioversterking: de decibel. Dit is een vereenvoudigde weergave, maar die is mogelijk vanwege de ‘dimensieloosheid’ van de decibel als meeteenheid. Maar die discussie kan een andere keer gevoerd worden.

De RF-versterking in decibels staat voor de amplitude of sterkte van de toe- of afname die een apparaat of verbinding veroorzaakt bij een RF-signaal, of de amplitude van een RF-signaal, gemeten in de omgeving of op een bepaald punt in een keten van apparaten.

Bij gebruik van aparte antennes en antennedistributie is het vermogen van de zender (ongeacht of die zender zich in een microfoon op het podium of als IEM in een rek bevindt) pas de eerste stap. Fysieke apparaten en interfaces, zoals kabels, connectoren, antennes en versterkers, zijn ook van invloed op de hoeveelheid ‘effectief’ elektromagnetisch vermogen dat de ruimte in wordt gestraald, of voor ontvangstsystemen, de hoeveelheid effectief vermogen dat aan de ingang van een ontvanger wordt opgevangen nadat het signaal alle elementen van een antenneopstelling heeft doorlopen.

Het is veel eenvoudiger om dit te laten zien dan om het uit te leggen. Hier is de gevisualiseerde formule voor de ERP in een IEM-opstelling:

erp-rf-zendsignaal

Voor radiomicrofoons hebben we echter vaker te maken met de ontvangstconfiguratie. De ERP is ook hier van toepassing, maar de R in ERP kan worden opgevat als ‘Received’, of ontvangen, vermogen.

erp-rf-ontvangst

Een ontvangstantenne met +9 dB versterking is dus gunstig bij gebruik van 15 meter low-loss coaxkabel omdat de versterking van de antenne groter is dan de demping in de kabel. Hierdoor gaat maar 3 van de 9 dB versterking verloren die de antenne oplevert, zodat je een verbetering van 6 dB overhoudt t.o.v. de signaalsterkte bij de antenne.  

Vanaf een bepaalde kabellengte worden de verliezen in de kabel echter groter dan de versterking die de antenne oplevert, zodat de meeste winst van een high-gain antenne teniet wordt gedaan.

verlies-rf-signaal

In dit geval ontvangt de ontvanger door het overmatige verlies in de kabel van 45 meter dus minder vermogen dan er beschikbaar was op de plek van de aparte antenne.

Dit is een veel voorkomend probleem, waarvoor verschillende oplossingen zijn.

  • Verklein de afstand in de hele opstelling (inclusief rek) tussen artiesten en antenne, zonder de kabellengtes te veranderen. D.w.z., zet de FOH een paar rijen naar voren.
  • Gebruik een antenne met grotere versterking.
  • Gebruik in-line-versterking om het verlies te compenseren. (in-line-versterking en ‘actieve’ antennes moeten altijd behoedzaam worden gebruikt. Ze vergroten de RF-winst, maar verhogen ook de grondruis, wat de SNR kleiner maakt. En als de versterking te groot is, kunnen ingangen ook gemakkelijk overstuurd worden.)
  • Gebruik coaxkabels met minder signaalverlies, zoals LMR-400 of LMR-800.
  • Gebruik een RFoF-systeem en glasvezelkabel voor de antennedistributie, waarbij nauwelijks kabeldemping optreedt.

5. Doe de ‘antennefarm’ van de hand:

Een antennefarm is een groot aantal mono- en dipolen die dicht bij elkaar staan, meestal achter het rek.

Dit groeperen van antennes is om twee reden een slechte gewoonte. Ten eerste, als antennefarms achter het rek staan, zijn ze afgeschermd van de artiest door het rek zelf en de apparatuur erin. Zelfs als de antennes op de frontpanelen geplaatst zijn, staan ze op kniehoogte: niet goed, want de zichtlijn is altijd belangrijk! Ten tweede kan een groot aantal omnidirectionele antennes in een kleine ruimte allerlei gevolgen hebben voor de elektrische en RF-situatie, zeker als het om zendantennes gaat. IMD, interactie tussen nabije velden, nabijheid van PSU’s en andere interferentiebronnen zijn allemaal redenen om de antennefarm weg te doen.

Antennefarms kunnen gemakkelijk worden vervangen door antennedistributie, zodat signalen van meerkanaals systemen maar via twee of drie antennes hoeven te lopen, en adapters, stekkerdozen en de talloze kabels die samen de onontwarbare kabelspaghetti achter de onverzettelijke apparatuurrekken vormen, worden geëlimineerd. Bovendien verbetert de juiste antennedistributie vrijwel altijd de kwaliteit en betrouwbaarheid van draadloze audio.

Over onze gastauteur:

Alex Milne schrijft voor Audio Gloss, een blog van RF venue, Inc: een Amerikaanse fabrikant van innovatieve producten die draadloze audiosystemen beter laten werken en klinken, gespecialiseerd in aparte antennes, RF-distributieapparatuur en systemen voor RF-signaalbeheer en -monitoring voor audio-/video-installaties en live evenementen. Shure UK biedt het volledige assortiment antennes van RF Venue aan.

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.