Вместо предисловия.
Любая система оповещения включает в себя пять основных узлов: это микрофон, усилитель, громкоговоритель, источник питания и коммуникационную сеть или интерфейс соединений. Если система оповещения является локальной, то при её реализации не возникает каких либо технических проблем.
Совсем иная ситуация складывается при необходимости доставки звуковой информации на значительные расстояния, напр. в системах массового оповещения населения при ЧС (ГО) или при митингах и демонстрациях с большим числом участников. Можно вспомнить кадры старой кинохроники, где А. Руцкой, обращаясь к протестующим держал в руках два микрофона от двух мегафонов. Передние ряды его слышали, а остальные?
Проложить оперативно коммуникационную сеть на улице или площади с митингующими – нонсенс. Аналогичная ситуация при школьных линейках на открытом воздухе, на речных и морских пляжах и т. д. и т. п. Не следует забывать и о стоимости упомянутой выше сети, особенно при прокладке её на большие расстояния (напр. в системах оповещения ГО). Часто стоимость кабеля и затраты на его прокладку превышают стоимость всей остальной аппаратуры.
Значительные технические проблемы возникают при доставке звуковой информации воюющим сторонам для ведения агитации и пропаганды, а так же проведения психологических акций (см. ниже).
Многих проблем можно избежать, если использовать в этих случаях беспроводные громкоговорители. Отпадает не только надобность в прокладке дорогостоящих коммуникационных сетей, но и существенно возрастают при этом эксплуатационные возможности системы.
Простейший беспроводной громкоговоритель
В состав любого беспроводного громкоговорителя должны входить три очевидных узла; это собственно громкоговоритель со встроенным усилителем мощности в трансформаторном отсеке (продаются на многих торговых площадках), приёмник радиосигналов (или рация) и блок питания. Объединив эти узлы в единую конструкцию, получаем простейший беспроводной громкоговоритель, который управляется или с другой рации, или с радиомикрофона. Полный комплект такой системы отображён на рис 1.
Аналогичную структуру можно реализовать, используя технологию Bluetooch. Достаточно укомплектовать активный (с усилителем) рупорный громкоговоритель весьма дешёвым приёмным модулям Bluetooch и источником питания. Второй, столь же дешёвый, передающий модуль с источником питания устанавливается в микрофонный узел и беспроводная система, кажется, готова к эксплуатации. Но это только кажется.
Рис 1.
Ложка дёгтя
Простейшие инженерные решения, приведённые выше оказываются совершенно непригодны для использования на практике.
Так, например, использование типовых аналоговых радиостанций для поставленных целей практически невозможно по следующим причинам:
Во первых канал радиосвязи не защищен от доступа посторонней радиостанции, работающей на той же частоте. Не спасает и использование в рации субтонов для определения «свой – чужой», поскольку субтоны в настоящее время применяются практически во всех аналоговых радиостанциях.
Во вторых, получаемый аудиосигнал с рации имеет очень низкое качество – велик уровень искажений. С учётом больших искажений в рупорном громкоговорителе, конечное качество звука оказывается совершенно неприемлемым. Весьма значительным является и уровень коммутационных помех при переходных процессах при дистанционной дезактивации (отключения) беспроводного громкоговорителя.
Третьей причиной является проблема смена рабочей частоты радиоканала в случае поражения его в процессе работы помехой, напр. другой более мощной радиостанцией.
И если в рации-микрофоне это сделать элементарно, то в приёмнике, который удалён от оператора на десятки метров – невозможно.
Разумеется, что цифровой канал связи (цифровые радиостанции), казалось бы, более пригоден для поставленной цели.
Во первых, отсутствуют шумовые помехи в приёмнике (и громкоговорителе) при отключении передатчика.
Во вторых, в приёмнике уже заложена функция опознавания «свой -чужой» методом сравнения приходящего кода и кода, записанного в памяти.
В третьих: в цифровых радиостанциях уже заложена функция автоматической смены рабочей частоты канала при наличии большого уровня помех в функционирующем канале по аналогии с системой Bluetooch.
Но к сожалению, в цифровых радиостанциях используется вокодерный метод передачи речевого сигнала, когда вместо полноценного звукового аудиосигнала передаются лишь его характерные признаки, по которым робот в приёмнике синтезирует исходный звуковой сигнал по аналогии с системой сотовой связи GSM. Напомним, что вокодерная связь применялась в США ещё в 1959 году для дальней бомбардировочной авиации, где полоса частот радиоканала канала связи была менее 1000 Гц.
Очевидно, что качество синтезированной речи малопригодно для ретрансляции, не говоря уже о музыкальном сигнале. Кроме того, цифровые радиостанции имеют и очень высокую стоимость.
Радиоканал из приёмопередающих модулей Bluetooch имеет другие недостатки. Несмотря на весьма высокие качественные показатели (полоса частот 20Гц – 18кГц, искажения менее 0,5%) его применение весьма ограничено по следующим причинам:
Дело в том, что система Bluetooch имеет функцию свободного доступа к любому частотному каналу из 79 разрешённых в диапазоне 2,4 гГц,
С одной стороны это очень удобно: если какие то каналы заняты, или поражены возникшей помехой – система находит другие свободные частотные каналы и синхронизируется с ними. Но поскольку все сотовые телефоны и смартфоны имеют встроенную систему Bluetooch, то не факт, что ваш громкоговоритель соединится именно с вашим передатчиком, а не с посторонним смартфоном, если у него так же активирована функция Bluetooch. Громкоговоритель просто «зависнет» на чужом телефоне.
Правда в последних версиях Bluetooch предусмотрен вариант поиска именно «своего» приёмника по ранее занесённой в память передатчика информации, однако время поиска может растянуться до нескольких десятков секунд, что не всегда допустимо в системах оповещения. Кроме того протяжённость радиотракта из модулей Bluetooch не превышает обычно 10 метров, хотя и существуют системы Bluetooch с радиусом действия до нескольких десятков и даже сотен метров.
. В активных рупорных громкоговорителях (с встроенным усилителем), имеющихся в продаже используются усилители класса D, тактовая частота в которых около 600 кГц и гармоники этой частоты при широтно-импульсной модуляции меандра, затрудняют работу УКВ и FM радиоприёмников, в том числе и радиостанций этого диапазона в радиусе 5- 10 метров.
И здесь возникает вопрос о возможности построения и целесообразности использования беспроводных громкоговорителей в системах оповещения.
Беспроводной громкоговоритель нужен.
Как известно, любое изобретение, или открытие есть ответ на запрос общества на данный момент времени. Так было изобретено колесо, самобеглая коляска, телефон, смартфон и т. д. В определённой мере это относиться и к беспроводному громкоговорителю.
Немногим более лет пятнадцати тому назад можно было видеть, как наш город опутывают проводами в буквальном смысле слова. Областное руководство с подачи ГО и МЧС решило развернуть систему звукового оповещения населения при ЧС, тем более, что город расположен на берегу Волги, чуть ниже Горьковского водохранилища.
На остановках общественного транспорта, на столбах освещения и т. д. устанавливались рупорные громкоговорители, которые через полевой кабель???? (т.е. по сути времянку времён ВОВ, называемую полёвкой) подключались к усилителям.
Полёвка подвешивалась на тех же опорных столбах, что и силовой кабель. Длина пролётов некоторых линий достигала 7 км, т. е. в линии было минимум 14 скруток полёвки, поскольку бухта провода 500 метров. Соответственно устанавливались десятки усилителей в различных госучреждениях города.
В областных СМИ и на региональном ТВ прошла соответствующая реклама, но на мои запросы в администрацию города, ГО и МЧС о надёжности системы, контроля её исправности, 100% готовности к часу «Х» ответа не последовало.
Мне, как технарю, было очевидно, что любое элементарное КЗ в таком кабеле или громкоговорителе, обрыв кабеля под тяжестью налипшего снега, полностью нарушает функционирование всей системы, или большей её части. К настоящему времени, видимо, что- то уже, наверно, подправили, поскольку по региональному ТВ часто и регулярно идёт информация, что такого то числа будет идти проверка системы оповещения (талантливейший вариант постоянного контроля исправности системы) и граждан просят особо не беспокоиться. Полагаю, что и в других городах ситуация не лучше.
Администрации города было предложено решить эту проблему с помощью беспроводных рупорных громкоговорителей (БРГ), у которых в трансформаторном отсеке вместо согласующего трансформатора размещены усилитель мощности и приёмник, оба в интегральном исполнении.
Такой БРГ подключается через влагозащищённый адаптер к имеющейся уже там сети 220 вольт. Предлагались так же и варианты с буферным аккумулятором и подзарядкой его как от сети, так и солнечных батарей.
Разумеется, что в данную комплектацию входил и декодер кода доступа, исключающий возможность функционирования системы от посторонней радиостанции. Вариант предложенного тогда технического исполнения отображён на рис 2.
Рис. 2
Алгоритм функционирования системы в целом достаточно прост. Информация на БРГ может поступать от любого, уже неиспользуемого вещательного УКВ ЧМ передатчика (диапазон 66 – 74 мГц), либо от передатчика звукового сопровождения аналогового ТВ, надобность в которых в настоящее время также отпала.
В типовом режиме БРГ осуществляет трансляцию вещательной программы с пониженным уровнем громкости (фоновым) , в том числе и рекламы (что приносит деньги на ремонт и обслуживание системы) и в строго определённые часы. Это своеобразный контроль за исправностью системы. При возникновении ЧС в сигнал радиостанции подмешивается код переключения БРГ на полную мощность и система готова для трансляции сообщения о ЧС.
Было изготовлено несколько образцов таких БРГ, проведены испытания от маломощного передатчика, но это ничего не изменило в позиции руководства. Оно по-прежнему отстаивало проводной вариант. Правда, автору дали возможность выступить по региональному ТВ с демонстрацией работы системы,
Тем не менее в числе приглашённых на расширенное совещание у полпреда президента по вопросам оповещения населения при ЧС его фамилии не было. Как, впрочем, и фамилии главного инженера городских радиотрансляционных сетей.
В качестве дополнения к теме уместно заметить, что к настоящему моменту времени научно – технологический прогресс в сфере радиоэлектроники уже позволяет создать более совершенную модель БРГ для решения поставленной выше задачи и разместить в данном отсеке даже сетевой адаптер питания. т.е. создать законченный моноблок с защитой по классу IP66 .
Этому способствовало, в частности, появление более совершенных сетевых адаптеров и малогабаритных (15 х 15 мм) цифровых модулей FM стерео приёмников с поддержанием функции RDC/rbds, т.е. c подканалом приёма цифрового кода на второй поднесущей частоте 51 кГц, комплексного стереосигнала. Этот подканал используется в приёмниках для визуального отображения бренда станции, погоды или рекламы (KT0911, KT0923, QN8035, Si4703, RDA5807 и др.)
Цифровой подканал как нельзя лучше подходит для передачи кода доступа а так же для переключения уровня мощности БРГ. Напомним, что первая основная поднесущая 19 кГц используемая в качестве пилот-сигнала для декодирования стереосигнала в случае отсутствия в приёмнике RDS опции так же может использоваться в качестве кода доступа, причём желательно в сочетании с второй частотой, напр. 16 кГц, образуя DTMF сигнал.
И если возникшую техническую проблему удалось решить легко и просто, то сдвинуть бюрократическую машину оказалось не по силам.
Разумеется, было очень жаль потраченного времени и денег. Однако работы в данном направлении продолжались. Поэтому впоследствии были созданы версии БРГ с двумя приёмниками. По одному из каналов с помощью простейшего и дешёвого радиомикрофона реализовывалась обычная типовая функция системы служебного оповещения на автостанциях, ЖД-платформах, бензоколонках, учебных заведениях, рынках и т. д.
Второй же канал находится в спящем режиме и активировался только при получении сигнала с кодом доступа от вещательной УКВ радиостанции при необходимости трансляции сообщения о ЧС. Увы, но и этот вариант БРГ поддержки так же не получил.
Здравый смысл подсказывал, что работы в данном направлении следует свернуть, однако не всех случаях здравый смысл – руководство к действию и поступкам.
Неудачи – катализатор прогресса
В предыдущих примерах применения БРГ есть пусть и не очень удачная, но всё же альтернатива, пусть проводная. Однако возникают ситуации, в которых без БРГ просто не обойтись.
Как известно, наша страна богата на бунты, демонстрации, шествия и стихийные митинги. Озвучить площадь с числом митингующих в несколько сотен, а то и десятков сотен человек за 2 – 3 минуты можно только с помощью полностью автономных БРГ и курьеров, которые размещают эти БРГ с интервалом 50 – 100 метров по периметру площади. снабдив выступающего специализированным радиомикрофоном. Аналогичная ситуация имеет место и на театре военных действий, учениях, пляжах, школьных линейках и т. д.
Радиомикрофон полностью автономных БРГ должен функционировать по выше рассмотренному алгоритму вещательной FM или УКВ радиостанции – транслировать код доступа, дистанционно активировать или дезактивировать БРГ, переключать уровни мощности, включать и выключать музыкальное фоновое сопровождение, сигналы привлечения внимания и т. д. и т. п.
Классический подход к созданию такого радиомикрофона обуславливает весьма высокую конечную стоимость последнего, поэтому совершенно не случайно, что из всего многообразия выпускаемых за рубежом достаточно мощных электромегафонов не один из них не комплектуется радиоканалом с системой радиоуправления. Поэтому был необходим совершенно иной подход к созданию подобных устройств, позволяющий разумно совместить экономические и технические проблемы.
Тезис Эйнштейна гласит: все знают, что это невозможно, но находиться невежда, который этого не знает, он то и делает открытие (или изобретение В.К.).
Не вызывает сомнения тот факт, что в этом варианте радиомикрофон, так же, как и приёмник БРГ должны работать уже на частотах в несколько сотен мГц для обеспечения приемлемых размеров внутренней или наружной антенны.
Но нужна ли кварцевая стабилизация частоты того и другого. Оказывается, что нет. Отказ от системы PLL (или ФАПЧ с ГУН, кварцем и счётчиком) резко упрощает и удешевляет как передатчик, так и приёмник. Для локальных радиосетей законодательство России допускает такую вольность.
Коль скоро в системе принципиально необходима трансляция кода доступа, то не составляет труда реализовать автоподстройку приёмника по коду доступа в несущей. Более того, наличие такого режима даёт возможность не прерывать связь при изменении частоты радиомикрофона, в случае ухода с каналов, поражённых помехами. Время поиска и захвата частоты передатчика в приёмнике составляет несколько долей секунды (0,1-0,2сек) в безпомеховом эфире и до секунды при наличии помех. Напомним, что в системе Bluetooch это время исчисляется от нескольких секунд до десятков секунд.
Более подробная информация о таких радиомикрофонов будет изложена во второй части статьи, а на рисунках ниже приведён просто внешний вид одной из наиболее используемой модели. Боковой тангентой подаётся питание на радиомикрофонии, что обуславливает активацию всей системы, и, соответственно, перевод БРГ из спящего режима в рабочий, причём всё это в течении долей секунды. Тангенты на лицевой панели позволяют включать музыкальное сопровождение или спецсигналы, а так же изменять несущую частоту радиомикрофона.
Далее приведём примеры практического применения носимых БРГ.
На рис. 3 и 4 приведены фото БРГ общего назначения для школьных линеек на открытом воздухе, спортивных мероприятий, рекламных акций, а так же для использования на стихийных митингах, демонстрациях, футбольных матчах.
Рис. 3
Поскольку такие БРГ проектировались, как универсальные звуковые станции, они оснащены двумя радиоканалами (в этой версии один для трансляции музыки через через смартфон и Bluetooch, другой – для трансляции речевых сообщений на фоне музыки), мощными литий-ионно-фосфатными аккумуляторами с индикацией степени заряда, а так же рядом других опций - теплозащита, автовыключение и т. д. и т. п.
Попытки встроить МП 3 плеер в радиомикрофон натолкнулись на проблему защиты плеера от радиоизлучения радиомикрофона, но она вполне может быть решеначуть позднее.
Опытные образцы БРГ хорошо себя зарекомендовали на слётах мотоциклистов и велосипедистов, а так же в уличных конфликтах с полицией, трансляцией гимна России, при проведении силовых акций.
БРГ в армии
В далёкие 80 годы Муромский радиозавод выпускал аккумуляторные звукоусилительные станции с возможностью выноса двух рупорных громкоговорителей по 50 Вт на расстояние до 500 метров с помощью того же полевого кабеля. Цель: максимально приблизить источник звука к окопам противника и из-за укрытия вести агитацию и пропаганду.
Аналогичные установки в то же время производились и в США. (АRM-250). Но у этих станций была предусмотрена дополнительная опция: встроенный кассетник, с комплектом кассет, на которых были записаны: плач ребёнка, зовущего маму, ритмическая музыка со стенаниями женщины и т.д. Опция рассчитана на психологическое воздействие измученных долгой осадой солдат противника в дотах, дзотах и других укрытиях. Признаюсь в краже идеи встраивания плеера у американцев.
С помощь БРГ такая станция реализуется достаточно просто, что и показано на рис. 4. Подзарядка аккумуляторов такой установки осуществляется либо от сети 220 вольт, либо от борт-сети транспортного средства (см. фото).
Рис. 5
Возможно, в условиях СВО с активным использованием наземных дронов в виде радиоуправляемой колёсной базы – тележки ( вариант доставки БРГ к передовой) подобная станция найдёт нишу для своего применения. В этом случае не будет необходимости гонять многотонные БРДМ или БМП с громоздкой акустикой на передовую для ведения агитации и пропаганды.
Кроме того, данный комплект БРГ обеспечивает несравненно более высокое качество звука, ввиду меньших расстояний до слушателей и, соответственно, меньших потерь высокочастотных составляющих звука в среде распространения, которые особенно заметны при высокой влажности.
БРГ на транспортных средствах.
Автомобили, на крыше которых или под капотом установлен рупорный громкоговоритель на дорогах России не редкость. Во многих случаях они задекорированы так называемой «люстрой». Это машины полиции и ГИБДД в частности, машины скорой помощи, машины и катера МЧС, рыбоохраны и т. д. и т. п.
В проводном варианте исполнения системы оповещения в салоне этих автомобилей размещается усилитель с проводным микрофоном, что затрудняет работу водителя, особенно болтающийся витой шнур от микрофона. Здесь следует иметь ввиду, что в салоне может находится ещё и рация, так же с выносном микрофоном. Крепление всех узлов стационарное.
Использование БРГ позволяет отказаться, как от усилителя в салоне, так и витого шнура микрофона. Магнитное крепление БРГ на капоте авто решает проблему его быстрой установки и снятия.
Один из вариантов исполнения БРГ для транспортного средства приведён на рис. 5 с питанием от прикуривателя автомобиля.
Рис. 6
- По исполнению он может быть одноканальным или двухканальным, с сиреной или без, с обычным креплением, или магнитным с усилием отрыва более 30 кг. т. д. и т. п. Время его установки не превышает времени извлечения последнего из багажника автомобиля.
Здесь сразу стоит указать, что себестоимость такого комплекта достаточно низка, значительно ниже, например, своего проводного собрата с аналогичными электрическими показателями.
Вместо эпилога
Не так давно находился около месяца в небольшом городке Махмутлар. (Турция) Уличная система оповещения жителей городка работала выше всяких похвал. Из рупорных громкоговорителей, размещенных на столбах освещения (см. фото на рис. 7) регулярно доносились призывы совершить утренний, полуденный и вечерний намаз и которые были слышны даже через плотно закрытые окна (работали кондиционеры).
Рис.7
Как видно из фото, никаких внешних соединительных проводов у осветительного столба нет. Просто они проложены под землёй и выходят на распределительную коробку у основания столба. Каково же было моё удивления, когда случайно удалось заглянуть в неё. Там был только силовой кабель. Не будут же турки копать отдельную траншею и под «полёвку»
С другой стороны на столбе виден металлический ящик. Логично было предположить, что в ящике размещён адаптер питания и усилитель мощности, но эфирный радиоприемник – вряд ли. Антенны не было, а металл не прозрачен для радиоволн.
Позже удалось выяснить, что звуковая информация доставляется к столбу по системе высокочастотного уплотнения силовых и кабельных линий, точно так же как и в системах проводного трёхпрограмного вещания России (частоты 78 кГц и 120 кГц.
Такой вариант решения проблемы уличного оповещения населения бесспорно является более совершенным в экономическом плане и, следовательно, более целесообразным, чем вариант, предложенный автором. Остаётся в данном случае лишь склонить голову перед турецкой инженерной мыслью.
Но я твёрдо убеждён, что если бы на том совещании были и представители городской радиотрансляционной сети, вопрос о применении высокочастотного уплотнении силовых сетей был бы поставлен на обсуждение. Правда, тогда вряд ли были бы созданы описываемые выше БРГ с такими расширенными функциями.
Ну, а пока, где возможно «тянут полёвку», ведь разница в закупочной цене даже полёвки на заводе – изготовителе, не говоря уже о громкоговорителях, и представляемой к оплате государством измеряется не в процентах, а в разах.
Автор: Кибакин Владислав Михайлович.