Доповідь доктора Себастьяна Георгі, Хенріка Мірончука та Метью Хейзеля 

Вступ

Професійні бездротові мікрофонні системи й системи персонального моніторингу (IEM), як відомо, давно є стандартною апаратурою для живих концертів. Більш того, для сучасних сценічних шоу, котрі так вражають публіку високоякісним і потужним звуком та яскравими й масштабними акустичними ефектами, така апаратура є необхідною умовою. Відповідно, чим масштабнішим  та складнішим з технічного погляду є шоу, тим більше головним учасникам, виконавцям та їх звукорежисерам, необхідне якомога надійніше й функціональніше бездротове обладнання, що забезпечує не лише звук виняткової якості, а й за будь-яких умов - стабільний бездротовий аудіосигнал з мінімально можливою його затримкою.
 
Втім, як все частіше демонструє практика, традиційні протоколи та стандарти передачі бездротового аудіо, зокрема 4G LTE, 5G NR, Bluetooth та WiFi, попри досить високу їх ефективність, вельми жорстким технічним вимогам щодо організації та проведення таких заходів на професійному рівні вже не відповідають.
 
Проблема - в тому, що більшість сучасних професійних бездротових мікрофонних та IEM-систем належать до категорії так званих вузькосмугових. Тобто мікрофони у них аудіосигнал передають на виділених частотах у діапазоні 200 кГц, і до цього ж діапазону "прив'язані" масивні приймачі сигналу (зазвичай змонтовані у стандартних рекових стійках). І ця класична топологія "one-on-one" є надзвичайно вразливою до різноманітних перешкод, як від зовнішніх бездротових пристроїв, так від ефекту багатопроменевого розповсюдження, спричиненого плануванням та структурою конкретних приміщень.

Одним із найдосконаліших та найефективніших методів усунення цієї проблеми віднедавна стала фірмова технологія бездротової багатоканальної передачі аудіосигналу WMAS, що її впродовж декількох років розробляли й удосконалювали спеціалісти Sennheiser. Створена на її основі екосистема Spectera з інноваційним інтегрованим трансивером (прийомопередавачами) від Analog Devices, наразі є новим стандартом якості й продуктивності для бездротових аудіосистем професійного рівня та потужною й надійною технічною основою для успішної реалізації проєктів найвищого рівня складності.
 
У 2017 році, після кількох років наполегливої дослідницької та підготовчої роботи, Sennheiser успішно завершила етап стандартизації WMAS. Нові бездротові багатоканальні аудіосистеми відтоді вказані окремим розділом в останній редакції стандарту ETSI EN 300 422-1, тож виробники офіційно мають змогу надавати користувачам усю інформацію про переваги нових технологій широкосмугового зв'язку.
 
А з 2025 року, з початком серійного виробництва першої двобічноспрямованої широкосмугової бездротової екосистеми Spectera від Sennheiser, етап переходу від аналогових частотно-модульованих схем передачі аудіосигналу до повністю цифрових завершено остаточно, і світова індустрія аудіо нарешті має комплексне та повністю готове до професійного використання рішення на основі технологій мультиплексування з ортогональним частотним поділом каналів (OFDM), дуплексу із часовим поділом (TDD) та багаторазового доступу із часовим поділом (TDMA).
 
Фактично ж Spectera, що функціонує згідно з нормативним режимом WMAS, знаменує початок наступного етапу розвитку індустрії професійного аудіо, з переходом від старої симплексної, із фіксованим з'єднанням і одноканальної схеми передачі аудіосигналу до повністю дуплексної, багатоканальної та широкосмугової.

Ще на початку розробки екосистеми Spectera інженерам Sennheiser довелося остаточно відмовитися від старих архітектур, насамперед від усталеної дискретної супергетеродинної структури приймачів, на користь нової схеми двобічноспрямованого зв’язку на основі інноваційних високоінтегрованих радіочастотних прийомопередавачів сімейства ADRV9002 компанії Analog Devices, Inc (ADI).
 
Мікросхеми серії ADRV9002 є рішенням системним, кожна замінює собою до 20 високопродуктивних дискретних компонентів, ефективно функціонує у радіочастотному діапазоні від 30 МГц до 6 ГГц і здатна якісно обробляти вузькосмугові та/або широкосмугові сигнали у діапазоні від 12 кГц до 40 МГц. При цьому ADRV9002 повною мірою відповідає найжорсткішим вимогам сучасних надскладних аудіопроєктів, що вже не раз було доведено досвідом багаторічної успішної співпраці Sennheiser та ADI.
 
Мікросхема ADI повністю відповідає усім основним вимогам щодо аудіорішень найвищого професійного рівня:

• Блокування радіочастотного сигналу - проблеми з блокуванням сигналу аж до 10 дБм у суміжних каналах дуже часто виникають у бездротових ручних чи поясних передавачів, коли виконавці на сцені чи у студії працюють поруч один з одним (співають чи грають дуетом тощо) і антени пристроїв перемежовуються у ближньому полі.
• Низька затримка - сьогодні у професійних проєктах більш-менш прийнятною умовою є безперервний аудіосигнал з типовою швидкістю передачі даних від 250 кбіт/с та затримкою від 1 мс. У найближчій же перспективі тривалість лише 250 біт уже, по суті означатиме обмеження затримки. А у багатоканальних проєктах таку низьку затримку не здатна забезпечити жодна із сучасних бездротових систем стандартної конструкції. Для цього потрібні пропрієтарні, більш досконалі, а отже й більш ефективні рішення.
• Надійність - професійні бездротові мікрофонні системи та системи персонального моніторингу застосовуються на початковому і тому найважливішому етапі аудіопродакшина, де халтури й помилок не має бути жодної, адже кожна коштуватиме занадто дорого для всього проєкту. Додає проблем і те, що на цьому етапі для мінімізації затримки у передачі аудіосигналу не використовуються технологія ARQ (автоматичний запит на повторну передачу) та інші відповідні рішення, а вимоги до стабільності фізичного сигналу найвищі.
• Значна автономність та малі розміри - за сучасними професійними стандартами типові бездротовий мікрофон та бездротовий модуль системи персонального моніторингу мають без підзарядки працювати не менше 5 годин у режимі безперервної передачі й прийому аудіосигналу. При цьому сам такий модуль (ручний чи поясний передавач) має бути якомога меншим за розмірами, що автоматично накладає істотні обмеження на розміри та ємність його акумулятора. Відповідно, мініатюрний двобічноспрямований бездротовий модуль створити можна лише на основі інноваційних високоінтегрованих радіочастотних прийомопередавачів.
• Частотний ресурс - якщо донедавна він точно розподілявся на діапазони, призначені окремо для телемовлення й окремо для професійного бездротового аудіообладнання (це діапазони 800 МГц і 700 МГц, а також додатковий 600 МГц у США), то сьогодні, зі збільшенням кількості масштабних подій, значним підвищенням їх рівня складності та кількості й рівня складності задіяної в них бездротової апаратури, попит на перерозподіл частотного ресурсу зростає надзвичайно швидко. А оскільки майже скрізь частотний ресурс є обмеженим, організаторам подій та технічним фахівцям доводиться шукати нові шляхи доступу до нього. Тож найзатребуванішими є технологічні рішення, що забезпечують доступ до діапазону вище 1 ГГц з можливістю розгортання в інші доступні діапазони, максимальну продуктивність робочих процесів, а також однаково швидко й просто адаптуються як до технічних умов конкретного проєкту, так і до персональних вимог виконавця на сцені. Такі рішення професійного ґатунку наразі теж можливі лише завдяки інтегрованим радіочастотним трансиверам, що здатні якісно працювати на різних частотах.

Досконале рішення - прийомопередавач ADRV9003 від Analog Devices
 
Інноваційні високоінтегровані прийомопередавачі серії ADRV9002 від ADІ дали змогу інженерам Sennheiser успішно завершити розробку нової професійної аудіосистеми, котра відповідає усім технічним вимогам і стабільно якісно функціонує навіть у найскладнішому радіочастотному середовищі.
 
А трансивер ADRV9003, що впевнено забезпечує понад 150 дБ динамічного діапазону та одночасно приймає як блокуючі, так і потрібні аудіосигнали, для ефективної роботи саме у концертних та аудіопроєктах найвищого технічного рівня підходить оптимально, зокрема й в умовах значного перевантаження доступного радіочастотного діапазону.

Плата трансивера ADRV9002 від Analog Devices

Плюс до цього, ADRV9003 також має відмінну характеристику лінійності (IIP3=22 дБм при G=30 дБ та NF=12 дБ - зі зменшенням підсилення лінійність покращується) і оснащений вбудованими осциляторами з наднизьким рівнем фазовим шумом, завдяки чому значно знижує потенційну ймовірність змішування компонентів сигналів й таким чином істотно зменшує забруднення потрібного сигналу блокуючим. А для подальшої передачі потрібного сигналу його з найвищою точністю виділяють спеціальні програмовані цифрові фільтри високого порядку. Таким збалансованим поєднанням аналогового й цифрового функціоналу проблему блокування частот прийомопередавач ADRV9003 вирішує надійно та ефективно.

В сучасних аудіосистемах саме трансивер ADRV9003 є базовою технологічною складовою підсистеми багаторазового доступу із часовим поділом (TDMA) на основі технології мультиплексування з ортогональним частотним поділом каналів (OFDM).
 
А в нових системах Sennheiser з їх унікальним протоколом, що вимагає надшвидкого радіочастотного інтерфейсу, ADRV9003 з внутрішніми блоками, оптимізованими для детермінованої й динамічної роботи, забезпечує стабільно ефективне функціонування обладнання у будь-яких умовах, зокрема й у вкрай жорстких. Крім того, перемикання між прийомом і передачею даних трансивер здійснює всього за 4 мкс, допомагаючи витримувати ще й суворі вимоги щодо затримки аудіосигналу.
 
Для ефективної роботи систем WMAS такий надійний радіочастотний інтерфейс має вирішальне значення, бо забезпечує стабільність сигналу на найважливішому для продакшина фізичному рівні. Плюс, з ADRV9003 система WMAS є конструктивно більш простою, що у нинішніх умовах сприяє також економії на компонентах і матеріалах, а отже й зменшенню навантаження на ланцюжок поставок.
 
Сам цей прийомопередавач виконаний на одному кристалі й в процесі виробництва проходить декілька комплексних етапів тестування, що теж значно сприяє якісній та узгодженій роботі всієї системи. А можливість програмування ADRV9003 істотно спрощує та прискорює процес оновлення її прошивки, як для термінового усунення потенційних проблем, так і для подальшого розширення та удосконалення функціоналу.
 
Додамо також, що архітектура приймача, забазована на внутрішньому високому динамічному діапазоні, суттєво нівелює і цілу низку обмежень радіочастотної фільтрації. А це, своєю чергою, створює умови для реалізації універсальних програмованих рішень і створення на їх основі універсальних систем, здатних однаково якісно працювати у радіочастотному діапазоні від 30 МГц до 6 ГГц. Для задоволення ж вимог щодо енергозбереження, ADRV9003 має опцію динамічного пониження живлення внутрішніх блоків. В енергозберігаючих режимах пробудження тракту даних приймача або передавача разом із відповідним джерелом гетеродина може здійснюватися за 40 мкс.

І останнє, втім не менш важливе: універсальність ADRV9003 та можливість його переналаштування для роботи в нових діапазонах частот, дали змогу інженерам Sennheiser значно розширити потенціал системи та забезпечити її актуальність на досить віддалене майбутнє.

Поясний модуль Sennheiser Spectera з прийомопередавачем ADRV9003 від Analog Devices

Висновок

Глибокими науковими дослідженнями, розробкою та вдосконаленням бездротових багатоканальних аудіосистем інженери Sennheiser наполегливо і цілеспрямовано займається з 2013 року і сьогодні по праву вважається не тільки піонером цієї концепції, а й безумовним лідером у сфері технологій WMAS. Визначним успіхам компанії у цій вельми непростій роботі, зокрема й на етапі створення перших робочих прототипів системи значно посприяли інтегровані трансивери від Analog Devices. Саме новий ADRV9003, що належить до останнього покоління радіочастотних прийомопередавачів з програмним визначенням ADI, дав змогу Sennheiser нарешті реалізувати WMAS та розпочати серійне виробництво усіх компонентів її екосистеми.

Нова ж екосистема Spectera, розроблена на основі технології WMAS, користувачеві дає змогу за потреби професійно працювати в умовах значного дефіциту вільних частот та ефективно розгортати надскладні бездротові рішення найвищого технічного рівня навіть у дуже обмеженому діапазоні ТВ-УВЧ. При цьому Spectera будь-де і за будь-яких умов встановлюється й налаштовується швидко та зручно, без жодних ускладнень інтегрується з іншими системами, забезпечує винятково якісний і чистий звук та наднизьку затримку в передачі аудіосигналу, і загалом є комплексним та дійсно універсальним рішенням як для найрізноманітніших за масштабами та рівнем складності проєктів, так і для усунення проблеми нестачі частотного ресурсу (зокрема й за рахунок швидкого доступу до додаткових частот у діапазоні понад 1 ГГц там, де це дозволено чинним законодавством).

Про авторів

Доктор Себастьян Георгі є одним із конструкторів WMAS-екосистеми Spectera, що її наразі розробляє компанія Sennheiser. Більш ніж 10 років він займається поглибленими дослідженнями в області технологій бездротового широкосмугового зв’язку, а також розробкою методів практичного їх застосування для вирішення відповідних задач у сфері професійного аудіо. Георгі має ступінь доктора філософії у галузі технології мультиплексування з ортогональним частотним поділом каналів (OFDM) Гамбурзького технологічного університету (Німеччина).

Генрік Мірончук - старший менеджер напряму застосування продуктів компанії Analog Devices, Inc. Як кваліфікований фахівець у сфері складних трансиверів та систем АЦП/ЦАП, в ADI Генрік займається розробкою мікроконверторів, різноманітних AV-рішень, радіочастотних тюнерів, високоінтегрованих універсальних радіочастотних трансиверів та високошвидкісних дигітайзерів. Генрік має ступінь магістра Вроцлавського технологічного університету, а його глибокі  професійні знання особливостей та переваг прийомопередавачів серії ADRV9002 та тісна й продуктивна співпраця зі спеціалістами Sennheiser допомогли компанії зробити WMAS реальним продуктом.

Випускник Вустерського політехнічного інституту (WPI), Метью Хейзель в Analog Devices працює з 2006 року на посадах, пов’язаних із практичним застосуванням рішень, системною архітектурою та маркетингом, а також з технологіями інерційних MEMS, LIDAR, керування автомобільними батареями та інтегрованими радіочастотними трансиверами. Наразі Метью працює в ADI старшим продакт-менеджером напрямку трансиверів та керує маркетингом всієї серії високоінтегрованих радіочастотних трансиверів ADI і розширенням комунікаційних можливостей компанії на ринках ключових регіонів. Метью зміцнює стосунки з замовниками та особисто розвивати майбутнє бездротових комунікацій, зокрема й таких високоефективних аудіосистем, як Spectera від Sennheiser.