Вместо предисловия.
Беспроводные микрофоны или радиомикрофоны давно и прочно вошли в нашу жизнь. Это не только концертные, но и репортажные, радиомикрофоны для экскурсоводов, гидов и т. д.
Конструктивное исполнение последних так же отличается большим разнообразием: ручные, носимые, с оголовьем, петличные и т. п.
Но ни одна фирма в России или за рубежом, насколько мне известно, не выпускает радиомикрофоны для систем оповещения и связи, в том числе для систем громкой связи.
Возможно, в этом нет необходимости, но простые примеры доказывают обратное. Предприятия России в Новосибирске, Челябинске, Саратове, Муроме, Санкт- Петербурге и т. д. выпускают сегодня или выпускали ранее тысячи автомобильных громкоговорящих установок для МВД (ГИБДД, СК, прокуратуры), МЧС, машин скорой помощи и другого спецавтотранспорта.
Использование проводного микрофона с витым кабелем в тесной кабине автомобиля заметно усложняют работу водителя, особенно в случаях, когда в машине есть второй проводной микрофон, напр. от рации. Беспроводной компактный микрофон, разумеется, был бы здесь гораздо удобнее и уместнее, тем более, если бы обсуживал сразу оба гаджета.
Вам не удастся приобрести электромегафон с радиомикрофоном (их просто не выпускают), хотя многие электромегафоны комплектуют УКВ- приёмником, МР-3 плеером, даже приёмным модулем Bluetooth, но только не беспроводным микрофоном. Здесь можно вспомнить кадры старой кинохроники, когда генерал А. Руцкой, выступая у здания ВС (Верховного Совета) держал в руках два проводных микрофона от двух электромегафонов ЭМ-!2 ( производитель з-д «Волна» г. Москва). А ведь насколько было бы удобнее воспользоваться одним беспроводным микрофоном, работающего на несколько электромегафонов сразу. Удобно и ему и митингующим (более равномерное звуковое поле)
Россия, как известно, богата на бунты и революции, стихийные митинги, так что такой специфический тип радиомикрофона следует считать достаточно востребованным.
Но даже и в повседневной жизни компактный радиомикрофон гораздо удобнее проводного и для операторов АЗС, и для диспетчеров автобусных станций или железнодорожных платформ. А кинорежиссёры, тренеры, распорядители судовых погрузочно – разгрузочных работ на паромах и т. д.
Не следует забывать и о целесообразности и удобстве применения беспроводных микрофонов в автономных носимых звуковещательных установках, используемых на театре военных действий для ведения агитации и пропаганды среди противника по линии боестолкновения, или для оповещения гражданского населения на освобождённых территориях. Конструкции с соединительными проводами в этом случае – нонсенс.
Можно привести ещё десяток примеров актуальности проблемы, но вышеприведённых примеров полагаю достаточно для анализа причин сложившейся ситуации.
Почему же всё- таки системы оповещения и системы связи ни мобильные, ни стационарные не комплектуются до сих пор радиомикрофонами ни у нас, ни за рубежом?
Ответ «дорого и сложно» нельзя признать убедительным. Возможно, существуют и другие причины. Попробуем разобраться, причём, для удобства дальнейшего изложения беспроводной радиомикрофон для систем связи обозначим аббревиатурой РМСС
Обзор вариантов построения РМСС или примитивные решения в корзину.
Основное отличие микрофона напр. звуковещательной установки от типового исполнения является наличие тангенты (кнопки) на корпусе микрофона для осуществления активации системы. Кнопок может быть несколько, напр. для переключения режимов работы, включения гонга, запуска сирены, смена мелодии сирены, включение светотехники и т. д.
Очевидно, что в рассматриваемом варианте конструкция такого РМСС должна предусматривать кроме трансляции голоса также и передачу нескольких команд управления, что в целом легко реализуемо. Рассмотрим несколько, казалось бы очевидных вариантов.
Первым примитивным техническим решением мог бы быть вариант с использованием типовых схемотехнических решений уже готового стандартного радиомикрофона с необходимой вышеупомянутой структурной доработкой. Но стоит сопоставить габариты типового, широко применяемого ручного (не петличного или носимого) радиомикрофона с габаритами реальных проводных микрофонов систем связи - вопрос отпадает сам собой. Приемлемыми габаритами можно считать, например, размеры беспроводных микрофонов, приведённых напр. на Рис. 1 для сопоставления.
Рис1
Даже не учитывая себестоимость стандартного типового РМ, наличие последнего с такими размерами в салоне автомобиля или у оператора АЗС далеко не комильфо. Даже по по этой причине данное направление – уже тупиковое.
Кроме того, подобное техническое решение имеет и другой, крайне существенный недостаток, обусловленный переходными процессами как в самом микрофоне, так и в приёмнике сигнала микрофона в моменты коммутации - включения и выключения напряжения питания, включение светотехники и т. д. А такой режим является рабочим для РМСС.
На этом недостатке остановимся подробнее чуть ниже, поскольку, последний присущ и всем другим радиомикрофонам, выполненных по аналогичному варианту.
Однако если уж развернулась борьба за габариты, то следующий вариант покажется более предпочтительным. Это вариант использования малогабаритных радиостанций (точнее их начинки) в ипостаси радиомикрофона с соответствующим разделением приёмной и передающей части, что, кстати, технически невозможно реализовать, поскольку общая микросхема используется и на передачу и на приём. Поэтому придётся применять пару на один комплект (см. рис. 2 ниже).
Рис 2
Даже если не принимать во внимание крайне низкое качество звука такого радиоканала, что уже неприемлемо, приёмник радиостанции способен выдавать не только собственные шумы, но и шумы эфира, а так же и чужой радиообмен.
Простейшая система опознавания «свой-чужой» с использованием цифровых или аналоговых субтонов проблемы не решает ввиду широкого распостранения и унификации упомянутых субтонов для всех мобильных радиостанций. И, наконец, смена рабочей частоты радиоканала в случае её поражения радиопомехой или другим передатчиком становиться проблематичной во втором узле, уже встроенного в приёмный аудиотракт.
Очень заманчивым вариантом является использование очень дешёвых приёмопередающих модулей Bluetooth, особенно последних версий( 5,0 ; 5,1 ; 5,2) , обладающих крайне высокими качественными показателями. Это и полоса рабочих частот - 20 Гц – 18 кГц, искажения менее 0,5% . малая интермодуляция, 79 каналов радиообмена и т. д.
Именно на них, кстати, (см. рис. 3) выполнено большинство петличных радиомикрофонов, а так же и некоторые концертные версии радиомикрофонов в носимом варианте. Они уже имеют встроенную систему опознавания «свой- чужой», систему выявления и исключения канала с поражённой или занятой частотой и ещё ряд очень полезных опций.
Рис. 3
Рассмотрим основные недостатки этой системы в свете решения поставленной задачи.
В первую очередь следует отметить, что после подключения питания, Bluetooth соединение устанавливается очень медленно вплоть до десятка секунд и более при наличии помех. Это связано с поиском системой частотных каналов, свободных от помех.
Далее: Если передатчик Bluetooth микрофона будет хотя бы кратковременно выключен (а это один из типовых режимов работы системы оповещения), приёмник может сконнектироваться с любым другим, случайно «заблудшим» смартфоном или телефоном с активированной функцией Bluetooth, и не реагировать уже на «свой» передатчик.
Как уже отмечалось выше, в последних версиях Bluetooth этот недостаток удалось исключить.
Отмеченные недостатки полностью исключают возможность использование системы Bluetooth в качестве РМСС. И это не считая стандартного радиуса действия в 10 метров, хотя и существуют модели до 30 – 50 метров.
Однако и другие выше перечисленные варианты беспроводных соединений так же обладают значительной задержкой включения.
Интервал времени от момента подачи напряжения питания на условный «радиомикрофон» до готовности его транслировать команду и речевой сигнал составляет от единиц секунд у радиостанций и до десятка, как отмечалось выше у Bluetooth. Это абсолютно не устраивает оперативные службы (часто задержка в голосовой команде просто не допустима), а постоянное наличие питания на радиомикрофоне для исключения задержки ведёт к быстрому разряду батареи , даже если у последнего активирована функция «спящий режим».
Причины задержки тривиальны. Существует убеждение, что частота передатчика, как впрочем и приёмника, должна быть обязательно кварцована, иначе невозможно обеспечить безпоисковое вхождение в канал связи. Но не следует забывать, что при подаче напряжения питания на передатчик , сначала должен «раскочегариться» сам кварц а потом уже и система ФАПЧ ( PLL), которая по определению должна быть инерционной и является таковой. В этот интервал времени канал связи не функционирует.. Система Bluetooth к тому же, как отмечалось выше, при организации соединения обязательно ещё и тестирует (перебирает) частотные каналы, свободные от помех, чем дополнительно увеличивает «мёртвую» временную зону.
Можно, конечно, отказаться от кварцев и системы PLL , устранив тем самым эту «мёртвую» временную зону, но как тогда гарантировать устойчивую связь. В общем, казалось бы, куда не кинь, везде клин, а здесь ещё и экономика давит вместе с санкциями . Ведь РМСС по замыслу должен быть бюджетным, малогабаритным и с малым временем активации.
Обоснование и особенности построения структурной схемы РМСС
Попытаемся сформулировать основные требования к РМСС в рамках поставленной задачи.
Как уже упоминалось выше РМСС при нажатии любой из имеющихся у него тангент должен не только сам быстро активироваться, но и быстро сформировать и послать команды управления для удалённого от него радиокомплекса. Это и перевод удалённой системы из «спящего» режима в рабочий, включение сигналов сирены или гонга, включение дополнительного радиоканала трансляции и т.д.
Все эти задачи, конечно решаемы. Но не следует забывать и о других, иногда чисто конструктивного плана.
Как известно, габариты любого радиомикрофона определяются в основном его внутренней антенной и, частично, акустической камерой около микрофонного капсюля. С этой точки зрения диапазон 2,4 ГГц можно считать наиболее оптимальным. Но не зря его называют мусорным. Плотность радиоустройств в этом диапазоне невероятно велика. Да и имеющаяся в России технологии производства не всегда позволяет создавать устройства на эти частоты. Поэтому пришлось рассматривать и иные варианты.
Безлицензионные частоты на радиомикрофоны как на первичной, так и вторичной основе регламентируются постановлением правительства №1800 от 20.10.21г.
Из имеющихся вариантов с учётом технологических возможностей и стоимостных показателей РМСС, включая стоимость изготовления приёмной части, выбор был остановлен на диапазоне частот 210 – 230 мГц, благо его ещё не успели плотно «заселить» после ухода с последнего 11 и 12 каналов аналогового ТВ.
Разумеется, что первой и наиболее сложной проблемой явилось создание достаточно эффективного излучателя в столь малых габаритах. Типовой вариант применения штыревой укороченной антенны (спираль), применяющийся практически во всех выпускаемых радиомикрофонах здесь оказался совершенно не эффективным ввиду малых габаритов микрофона. Надо было искать другие технические решения проблемы разумной эффективности излучателя. Разумеется, проблема влияния руки оператора на работу антенны так же никуда не пропала.
Оптимальным решением оказалось использование двух антенн; внутренней гибридной, (укороченной рамочно-штыревой) и съёмной наружной в случае необходимости увеличения радиуса действия.
Далее возникла и другая проблема, которая была вполне ожидаема.. При малых габаритах радиомикрофона и достаточно высокой рабочей частоте значительное излучение антенного узла внутри самого микрофона вызывает неустойчивую работу всей его ВЧ части и даже микрофонного усилителя. Поэтому для обеспечения устойчивости ВЧ тракта режим умножения частоты задающего LC – генератора в РМ явился суровой необходимостью.
Разумеется, что при использовании ПАВ резонаторов в задающем генераторе и больших габаритов микрофона (одна из причин больших размеров типовых РМ) этот недостаток не так заметен. но дефицит ПАВ резонаторов и их дороговизна вынудила использовать именно LC –генератор, да и модуляционная характеристика у последнего более линейна по сравнении с ПАВ генератором.(влияет на искажения аудиосигнала).
Здесь уместно заметить, что для реализации качественной и широкополосной ЧМ в генераторе с ПАВ – резонатором нужен не просто типовой резонатор ПАВ, а узкополосный ПАВ фильтр с малым затуханием и полосой, не менее удвоенной частоте девиации, который практически невозможно приобрести, не говоря уже о цене последнего..
Не трудно видеть, что в случае применения обычного LC – контура частота радиомикрофона в процессе работы заметно изменяется, как и при изменении температуры, так и питающего напряжения, однако это вполне допускается регламентом ГКРЧ для локальных радиосетей, каковыми и являются сети с РМСС.
Разумеется, что в этом случае законом предусмотрено и ограничение мощности радиомикрофона до 5 - 10 мВт, но её вполне достаточно для работы РМСС в радиусе нескольких десятков метров.
Отказ от дорогостоящей системы стабилизации частоты (кварца с ФАПЧ), как и повышающего стабилизатора напряжения приближает этот микрофон к бюджетному варианту.
Пара не дорогих батареек типа ААА ещё больше способствует достижению поставленной цели.
Все эти меры в итоге позволили преобразовать самый «тормозной» узел РМСС в самый быстродействующий.
Вопрос акустического оформления приёмника звука достаточно хорошо проработан в литературе и задерживаться на нём здесь не целесообразно. Он решается достаточно простыми типовыми конструктивными решениями. Тем не менее следует иметь ввиду, что это весьма важный узел микрофона не только с точки зрения линейности сквозной АЧХ тракта но и его устойчивости, напр. при возникновении ПОС «акустической завязки) в звуковом тракте.
Надеюсь не надо напоминать, что применяемый капсюль предпочтителен дифференциального типа (шумостойкий). Промышленность (правда не всегда наша) предлагает широкий ассортимент как электродинамических (напр.МДМ-3, МДМ-15) так и электретных капсюлей (напр. N9750BA544)
Дополним, что другим звеном, способным затянуть переходной процесс в РМСС может быть микрофонный усилитель. Но давать рекомендации по мерам снижения времени на переходные процессы в микрофонном усилителе - это просто не уважать читателя. Гораздо полезнее рассмотреть типы команд управления для РМСС и способы их формирования.
Версию применения широко распространенного в системах связи (телефония, GSM и др.) варианта cо звуковыми DTMF сигналами (напр. приёмопередающий комплект S2561A и MT8870) в данном случае пришлось отклонить, как не состоятельный, ибо время декодирования этих сигналов достаточно велико, что затрудняет работу приёмной части тракта да и вряд ли РМСС нуждается в передаче 12 команд управления.
Перевод частотного диапазона команд управления в надтональную часть спектра речевого сигнала решает проблему быстродействия, но тогда необходима и собственная индивидуальная аппаратная часть.
Исходя из эргономики (и экономики тоже) вряд ли на РМСС целесообразно размещение более двух тангент (кнопок) и использование, соответственно, только двух надтональнвх частот. Но даже в этом случае возможна передача по радиоканалу РМСС до 5 команд. Это один пилотсигнал, второй, оба сразу, двойное нажатие на каждую из кнопок.
Выбор частот команд управления может быть произвольным, главное, что бы он был выше рабочего диапазона звуковых частот РМСС и легко реализовывался аппаратурно.
. Наиболее простым вариантом в технической реализации при проведении экспериментов оказались частоты 16 кГц и 11,4 кГц.
Их легко сформировать, напр. на восьмивыводном микроконтроллере PIC 12F 629, который имеет встроенный генератор на 4 мГц и всю необходимую архитектуру для реализации делителей на 250 и 350.
Частота 16 кГц используется и в качестве контрольного пилотсигнала. При её отсутствии в принимаемом радиосигнале (посторонняя радиостанция) приёмник блокирует работу всего радиоаудиотракта. Тем самым реализуется функция «свой- чужой», а так же блокировка системы при внезапном повреждении или отказе собственного передатчика. .
С учётом всего вышесказанного структура бюджетного беспроводнго микрофона выглядит следующим образом и вряд ли нуждается в дополнительных пояснениях.
Рис 4
Опытный схемотехник может предложить десяток вариантов её схемотехнической реализации.
Радиомикрофон действительно получается получается крайне простым и дешёвым. Варианты схемотехнических решений будут приведены позднее. Главный вопрос заключается в том, как он себя покажет в реальных условиях эксплуатации, ведь его несущая частота достаточно не стабильна и какой ему нужен в этом случае приёмник.
Ответ будет дан во второй части этой статьи. Так что продолжение следует.