Coordinación de radio frecuencias para sistemas inalámbricos · Transmisión de la radio...

Coordinación de radio frecuencias para sistemas inalámbricos

Gabriel Benitez, Shure Inc.

Ciudad, Pais

Mes, Año

AgendaInformación básica sobre la radio frecuencia

Propiedades de una onda de radioDentro de un sistema inalámbrico

1.

Cambios en el ruido de piso de RFCompatibilidadCoordinación de frecuenciasFuentes de interferencia de RF

2.

Interferencia multivíaAntenas diversificadas y no diversificadas

3.

Ubicación correcta de antenaTipo de antenasSistemas de antenas distribuidas

4.

SquelchTipos de circuitos squelch

5.

BateríasAlcalinas vs recargables

Información básica sobre la radio frecuencia Propiedades de una onda de radio

Transmisión de la radio frecuencia

•

Ondas de radio:–

Variaciones de un campo electro magnético en el espacio

–

Pueden viajar por grandes distancias desde su fuente

•

Señales de radio:–

Ondas de radio son “moduladas”

para llevar información–

Pueden ser manipuladas en amplitud, frecuencia y o fase

y-axis

x-axis

Direction of propagation

Magnetic field

Electric field

Propiedades de la radio frecuencia

•

Velocidad:–

3x108

metros por segundo en el vacio, igual a la velocidad de la luz–

La velocidad es constante en un medio

•

Medio:–

Una onda de radio no requiere materia física para propagarse–

Una onda de radio se mueve más eficientemente en el vacio

•

Polarización:–

Componente eléctrico es perpendicular al componente magnético–

Una onda de radio es polarizada en el sentido de su componente eléctrico–

Generalmente es paralelo al eje de la antena transmisora

C = 3 X 108

metros / segundo

L = 300 / F en metros, donde

F = frecuencia en MHz

C = L x FC = velocidad de la luz, L = longitud de onda, F = frecuencia

UHF

3.0 1.5 1.0 0.75 0.6 0.5 0.43 0.375 0.333 Metros

100 200 300 400 500 600 700 800 900 MHz

VHF

Ecuación de una onda de radio

104

105

106

107

108

109

1010

1011

1012 1013

1014

1015

1016 1017 1018

1019 1020

1021

1022 1023

1024

Luz visible

Ultra violeta

Rayos X

Rayos gama, rayos

cosmicos

LF

MF

HF

VHF

UH

F SH

F

EH

F

VLF

InfrarojaTelevisión e

sistemas inalámbricos

Radar, micro-

ondas

Frecuencia en Hz

Longitud de onda en metros

104 103

102

10 1 10-1

10-2

10-3

10-4 10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

10-10

10-11 10-12

10-13 10-14 10-15 10-16

AM radio

FM radio

El espectro de radio

Time

Ampl

itude

Amplitud modulada (AM)

Time

Ampl

itude

Frecuencia modulada (FM)

f0Frequency

Ampl

itude

Espectro de FM: señal no modulada

Frequency

Ampl

itude

(f0

+ deviation)f0

(f0

- deviation)

Espectro de FM: señal modulada

Propagación: Longitud de onda vs obstáculo

Longitud de onda

Longitud de onda > obstáculo:

LA ONDA SIGUE DE LARGO

Obstáculo de metal

Propagación: Longitud de onda vs obstáculo

Metal ObstacleLongitud de onda

Longitud de onda < obstáculo:

LA ONDA ES REFLEJADA

Obstáculo de metal

Longitud de onda > apertura:

LA ONDA ES REFLEJADA

Obstáculo de metal

Apertura

Propagación: Longitud de onda vs obstáculo

Longitud de onda

Propagación: Longitud de onda vs obstáculo

Longitud de onda

Longitud de onda < apertura:

LA ONDA PASA

Obstáculo de metal

Apertura

Información básica sobre la radio frecuenciaDentro de un sistema inalámbrico

Procesamiento de audio para ir a radio

•

Reducción de ruido–

Pre-énfasis y de-énfasis

•

Mejoramiento al rango dinámico–

Sistemas de companding

•

Posible procesamiento análogo o digital

ENCODE TRANSMITTER RECEIVER DECODE

RF

Audio Audio

Frecuencia

Ampl

itud

10 Hz 1 KHz 10 KHz100 Hz 3 KHz300 Hz30 Hz 30 KHz

0dB

8dB

4dB

12dB

-4dB

20dB

24dB

16d

B

Ecualización pre-énfasis

Frecuencia

Ampl

itud

10 Hz 1 KHz 10 KHz100 Hz 3 KHz300 Hz30 Hz 30 KHz

-20dB

-12dB

-

16dB

-8dB

-24dB

0dB

+4dB

-4dB

Ecualización de-énfasis

Receptor: 100 dB

rango

dinámico

Transmisor:

100 dB rango

dinámico

Link de radio:

50 dB rango

dinámico

(Audio: ruido) (Audio: ruido)

-40 dB (Radio: ruido)

+10 dB (sobre modulado)

(Audio:

clipping) (Audio:

clipping)

+10 dB

+20 dB

-10 dB

0 dB

-20 dB

-30 dB

-50 dB

-60 dB

-40 dB

-70 dB

-80 dB

+10 dB

+20 dB

-10 dB

0 dB

-20 dB

-30 dB

-50 dB

-60 dB

-40 dB

-70 dB

-80 dB

Compander (2:1, relación fija)

• Existen relaciones de compresiónes más alto• Existen relaciones de compresiones variables

Receptor: 100 dB

rango

dinámico

Transmisor:

100 dB rango

dinámico

Link de radio:

50 dB rango

dinámico

(Audio: ruido) (Audio: ruido)

-40 dB (Radio: ruido)

+10 dB (sobre modulado)

(Audio clipping) (Audio clipping)

+10 dB

+20 dB

-10 dB

0 dB

-20 dB

-30 dB

-50 dB

-60 dB

-40 dB

-70 dB

-80 dB

+10 dB

+20 dB

-10 dB

0 dB

-20 dB

-30 dB

-50 dB

-60 dB

-40 dB

-70 dB

-80 dB

Compander (relación variable)

• Relación de compresión variable, umbral variable• Relación de expansión variable, umbral variable

Audio Reference Companding

•

No afecta las bajas señales de audio•

Relación de compresión varía con el nivel del audio

•

Mejora la relación de señal / ruido y el rango dinámico

Ruido de piso de RF

-40

-30

-20

-10

0

10

20-40 -30 -20 -10 0 10 20

Entrada Compresor

Salida Compresor

-50

-50

-60

-60

Audio Reference Companding

•

Una señal de audio inalámbrica suena casi idéntico a una señal de audio con cable

Beta 87A inalámbrico con companding 2:1

Beta 87A con cable

Beta 87A inalámbrico con Audio Reference Companding

Transmisor: síntesis de frecuencia

AF RF

Preamp Pre-énfasis CompresorVCO

sintetizadoRF Amp

Divisor de frecuencia

Programable –controlador PLL

Receptor: síntesis de frecuencia

IFAmp

Front End

Filtro de frecuencia intermedia

(IF)

FMDesmodulador

Expansor De-énfasis Audio

Amp

Divisor de frecuencia

Programable –controlador PLL

oscilador

local

Receptor de una conversión

RF IF AF(10.7 MHz typical)

Mixer

60 MHz

Frecuencia seleccionada

FiltroAncho de banda

efectivo

~ 20MHz

Front End: filtro Track Tuning

•

Tecnología de filtros de RF avanzada

•

Filtro se mueve junto a la frecuencia seleccionada maximizando la aislación de la señal al ruido

Front End: filtro Track Tuning

60 MHz

Frecuencia seleccionada

FiltroAncho de banda

efectivo

~ 20MHz

•

Mejora la selectividad y recepción

•

Complementa el uso de antenas y accesorios de banda ancha

•

Elimina las limitaciones de ancho de banda

1.

Cambios en el ruido de piso de RFCoordinación de frecuencias y compatibilidad

Interacción entre sistemas inalámbricos

•

Temas primarios de compatibilidad:–

Minimizar separación entre frecuencias (selectividad)–

Productos de intermodulación entre transmisores (IMD)

•

Temas secundarios de compatibilidad:–

Armónicos de cristal (frecuencia fija)–

Recpetor (oscilador local, image frequency, etc.)

Distancia mínima entre frecuencias

•

Cada sistema debe operar en una frecuencia individual

•

La mínima separación entre frecuencias: 0.4 -

1.5 MHz

•

La distancia mínima es una función de selectividad del receptor

Frecuencia

Amplitu0 dB

0 kHz

-3 dB 200 kH

z

-15 dB 300 kH

z

-50 dB 400 kH

z

-1 dB 100 kH

z

Productos de intermodulación -

transmisores

•

Causado por falta de linealidad en los circuitos

•

Ocurre entre dos o más transmisores

•

Generado en transmisores y o receptores

•

Intensidad de productos de IMD–

Proporcional al cuadrado de la potencia de transmisión–

Inversamente proporcional al cuadrado de la separación de la transmisión

•

Productos matemáticos de dos

frecuencias•

Productos matemáticos de dos

frecuencias

–

Segundo orden•

2 x f1•

2 x f2•

f1 + f2•

f1 -

f2

–

Tercer orden•

3 x f1•

3 x f2•

(2 x f1) + f2•

(2 x f1) -

f2•

(2 x f2) + f1•

(2 x f2) -

f1

–

Cuarto orden•

(3 x f1) + f2•

(3 x f1) -

f2•

(3 x f2) + f1•

(3 x f2) -

f1•

(2 x f1) + (2 x f2)•

(2 x f1) -

(2 x f2)

–

Quinto orden•

(3 x f1) + (2 x f2)•

(3 x f1) -

(2 x f2)•

(3 x f2) + (2 x f1)•

(3 x f2) -

(2 x f1)

–

Etc

Intermodulación

59 MHz59

59 MHz59

MHz

59 59 600 605 610585580575

Circuitlineal

Circuito no

Circuitos lineales vs. No lineales

Intermodulación: 2 transmisores -

3er orden

190 195 200185

590

590

595

595

585

(2 x 590)-595=585

600

(2 x 595)-590=600

IM1

= 2xf1

– f2 IM2

= 2xf2

– f1

? ?

4 frecuencias ocupadas

190 195 200185

582

595+590-603=582 603+595-590=608

608

603-595+590=598

598 603

603

590

590

595

595

IM1

= f1

+ f2 – f3 IM2

= f1 – f2

+ f3 IM3

= f2

+ f3 – f1

Intermodulación: 3 transmisores -

3er orden

? ? ?

3 frecuencias más ocupadas

582 608598 603

603

590

590

595

595

600

585 611 616577

590

Intermodulación: 2 & 3 transmisores -

3er orden

?? ?

?

? ?

?

? ?

12 frecuencias ocupadas

9 transmisores encendidos

• Los picos rojos son transmisores• Los picos grises son productos de intermodulación• Estas frecuencias son completamente compatibles

Armónicos de cristal

•

Debido a circuitos multiplicadores en transmisores de cristal

•

No se producen en circuitos de frecuencia sintetizada

160 180 220140 200 240120

Transmisores de frecuencia sintetizada: no existen multiplicadores

– no existen armónicos

Transmisor controlado por cristal: x multiplicadores =

armónicos de cristal

f0 +f0 /xf0 -f0 /xf0 +2f0 /xf0 -2f0 /x

f0f0

Armónicos de cristal

Tuned to: f1(LO1 =f1 -IF)

Tuned to: f2(LO2 =f2 -IF)

LO1

LO2

Si f2 =LO1 , el receptor 1 puede interferir con el receptor 2

Si f1 =LO2 , el receptor 2 puede interferir con el receptor 1

Receiver 1

Receiver 2

Interferencia del oscilador local

fLO =f0 -IFf0

fimage =f0 -2xIF

IFIF

Interferencia “Image Frequency”: baja injección

fLO =f0 +IFf0

fimage =f0 +2xIF

IFIF

Interferencia “Image Frequency”: alta injección

Asegurando compatibilidad entre sistemas

•

Elegir un grupo compatible pre-seleccionado:–

Un “grupo”

es compuesto por frecuencias programadas–

Un “canal”

es una frecuencia dentro de ese grupo–

Todos los “canales”

en un “grupo”

son compatibles

-o-•

Calcular un juego compatible de frecuencias:–

Considerar distancia mínima entre frecuencias–

Considerar distancia entre frecuencias e IMD–

Debe ser calculado por programa de computadora -

WWB

Grupo pre-

seleccionado

Todos los canales de este grupo son compatibles

Ejemplo de grupos compatibles pre-seleccionados

No hay garantía de compatibilidad mezclando grupos diferentes

Usando Shure Wireless Workbench Software

Wireless Workbench Software

•

Funciones primarias:–

Monitoreo remoto de sistemas inalámbricos–

Control remoto de sistemas inalámbricos–

Rápida programación de sistemas inalámbricos–

Escaneo de espectro de radio

•

Funciones secundarias:–

Análisis de compatibilidad de frecuencias–

Coordinación y síntesis de frecuencias

Wireless Workbench Software

DeviceManager –

receptores en

red

Alert Manager –

avisos y alertas en

tiempo real de los receptores

individuales

Notes Manager

Detailed Status –

RF,Audio, batería, potencia de transmisión

Waterfall Plot –Escanea RF a través del tiempo

Monitoreo y control de sistemas: iIndividual o en red

Otras pantallas de Wireless Workbench

RF Frequency Plot

Creación de grupos personalizados

RF History Plot

Compatibilidad y síntesis de frecuencias

Escanea receptores conectados a la red para encontrar el mejor grupo compatible en una banda

Analiza compatibilidad de receptores conectado a la red o una lista de frecuencias definida por el usuario

Sintetiza nuevas frecuencias compatibles para receptores contectados a la red o nuevas frecuencias determinadas segúnel requerimientos del usuario

Frequency Compatibility Program

Resumen de Wireless Workbench Software

•

Monitoreo y control remoto de parametros vitales para múltiples receptores inalámbricos

•

Creación y almacenamiento de grupos personalizados de frecuencias

•

Preparación rápida de inalámbricos (en red) para eventos grandes

•

Wizards: compatibilidad y selección automática de frecuencias

•

Sincronización infraroja al transmisor

•

Programa completo de compatibilidad de frecuencia

1.

Cambios en el ruido de piso de RFFuentes de interferencia

Video (imagen)

Croma (color)

Audio (sonido)

Frecuencia

Ampl

itud

8 MHzfv fa

4.43 MHz

fc

1.25 MHz .25 MHz

Espectro -

canal de televisión análoga (PAL)

Espectro -

canal de televisión digital (DTV)

Frecuencia

Ampl

itud

8 MHz

Evitar canales de televisión ocupados

•

Transmisoras de televisión–

Al aire libre 70-80 km–

Local cerrado 40-50 km

•

Existen diferentes canales en diferentes ciudades

•

TV análoga y TV digital (DTV) presentan el mismo efecto:–

Más cortes de señal de RF–

Rango reducido–

TV análoga y digital afecta la calidad de audio por igual

•

Televisión digital puede ser VHF o UHF

Espectro UHF: interferencias de canales de TV

•

¡Evitar canales de televisión ocupados!

Fuentes secundarias de interferencia

•

Transmisiones de radio desconocidas–

Sistemas de monitoreo inalámbrico in-ear–

Sistemas de intercom inalámbrico–

Transmisores STL (studio transmitter link)–

Transmisores fuera de la banda UHF (taxi, policía, etc.)–

Celulares y agendas electrónicas GSM (generalmente interfieren en audio)

•

Equipos digitales cercanos–

Procesadores de audio DSP (CD players, DAT, efectos)–

Computadoras y controladores de luces (pantallas LED, dimmers)

•

Equipos de alta potencia–

Motores, HVAC, Luces [generalmente producen RFI cuando se encienden y apagan ej: ballast de luces fluorecentes]

2. Interferencia multivía

ReceptorTransmisor

Señal directa Señal indirecta (multivía)

Superficie reflectiva de metal (tamaño físico mayor a longitud de onda)

Interferencia multivía

Multipath Interference

11

10

100

1000

RF-input voltage

2 3 Time [s]

Sistema no diversificado

Sistema diversificado

Receptor

Switch de antena

Antena A Antena B

Diversificación de antenas predecibles

Comparador predecible

Sistemas de diversificación

Shure Predictive Diversity

Receptor 1

Antena A

Diversificación de antenas -

conmutación de repectores

Conmutador Audio switch

Receptor 2

Antena B

Sistemas de diversificación

True Diversity

Receptor 1

Antena A

Diversificación de antenas -

combinación de repectores

Combinador de audio

Receptor 2

Antena B

Sistemas de diversificación

Shure MARCAD - Maximum Ratio Combining Audio Diversity

3. Ubicación correcta de antenas

Variedades de antenas

•

1/4 de onda–

Debe estar perpendicular a un plano de tierra

•

1/2 de onda–

Telescópica o cable–

Para aplicaciones de montaje remoto

•

Direccional–

Yagi (banda corta)–

Log periodic (banda ancha)–

Helicoidal (banda ancha)–

Excelente para incrementar distancia o para ambientes cargado de RF

120

Antena direccional activa

•

Permite recibir una señal de RF a una mayor distancia ( >100 m)

•

Amplificador interno (+3dB, +10dB) compensa por pérdidas que ocurren en cables largos

•

Generalmente requiere voltaje CC para operar

Log periodic (con amplificador)Helicoidal

(cortesía de

Professional Wireless Systems)

Antenas remotas para recepción

Ubicación de antenas

•

Posición para recibir el mejor ángulo de polarización

Receptor no diversificado: vertical

Receptor diversificado: 90°

apart

90°

Ubicación de antenas

•

Distancias entre antenas–

Mínima: > ¼

de onda–

Mejor distancia: > 1 de onda completa

VHF: 37cmUHF: 7cm

Ubicación de antenas

•

Distancia mínima entre antena transmisora y antena receptora debe ser por lo menos 3 metros

> 3 metros

Ubicación de antenas

•

Las antenas deberían estar por encima de la audiencia y otros obstáculos

•

Aproveche la altura

> 2 m

¿Ubicación de antenas?

Antennas inside steel enclosure

¿Ubicación de antenas?

Configuración de sistemas

•

Más de 3 sistemas Distribuidor de antenas•

Receptores escondidos Antenas remotas•

Larga distancia Antenas direccionales

Distribución de antenas

•

Previene la interacción entre antenas receptoras ubicadas en proximidad–

Splitter pasivo divide un par de antenas a dos receptores diversificados ~3dB de pérdida por split

–

Splitter activo divide un par de antenas a 4-5 receptores diversificados: sin pérdidas

–

Se puede conectar múltiples distribuidores para alimentar una gran cantidad de receptores

Splitter pasivo “B”

(-3dB pérdida)

Splitter pasivo “A”

(-3dB pérdida)

Antena “A”Antena “B”

Distribución de antenas pasivas

Antena “A”Antena “B”

Distribución de antenas activas –

un nivel

Antena “A”Antena “B”

Distribución de antenas activas –

dos niveles

Antena “B”

Antena “A”

Distribución activa > 2 distribuidores

No se recomienda cascadear más de dos niveles de distribución

Distribuidor primario

Distribuidores secundarios

Pérdidas en cables coaxiales

•

Se debe usar cables coaxiales de 50 Ω

•

Se recomienda <5 dB de pérdida a través de un cable

•

Cables NO recomendados: RG59, RG6, RG11 (75 Ω)

Pérdida típica para cables de 50

Pérdida 200 MHz dB/100 ft

Pérdida 200MHz dB/10m

Pérdida 400 MHz dB/100 ft

Pérdida 400MHz dB/10m

Pérdida 600 MHz dB/100 ft

Pérdida 600MHz dB/10m

Pérdida 800 MHz dB/100 ft

Pérdida 800 MHz dB/10m

RG-58 C/U Belden 8262 8.1 2.7 12.4 4.1 15.9 5.2 19.4 6.4RG-8X Belden 9258 4.9 1.6 7.6 2.5 9.9 3.2 12.2 4.0RG213/U Belden 8267 3 1.0 4.5 1.5 5.8 1.9 7.1 2.3RG-8/U Belden 8237 2.8 0.9 4.2 1.4 5.3 1.7 6.4 2.1

(Pérdida en cable

>5 dB)

Antena “A”Antena “B”

Amplificador “A”

Amplificador “B”

Amplificadores de antenas

Salón

2Salón

1

Antena “A” Antena “A”Antena “B”Antena “B”

Combinador pasivo

“B”Combinador pasivo

“A”

Distribución de antenas –

múltiples salones

Distribución de antenas –

múltiples salones

Salón ASalón BSalón C

Rack de equipos

“B” “A”

“A”“A”“A”

“B”“B”“B”

= UA830WB

= UA221

Distribución de antenas –

múltiples salones

= se requiere fuente bias al usar más de dos amplificadores en línea

Salón ASalón BSalón C

Rack de equipos

“B” “A”

“A”“A”“A”

“B”“B”“B”

Fuente cc

= UA830WB

= UA221

Distribución de antenas –

áreas grandes

B

Sugerencias para usar antenas remotas

•

Usar antenas de ½

onda o antenas direccionales

•

Ubicarlas para obtener línea de vista

•

Separar antenas para mantener diversificación

•

Pérdida total < 5dB–

Usar longitudes mínimas de cables–

Usar cable con menor pérdida–

Usar amplificador si es necesario

•

Ganáncia total < 10dB–

Usar ganáncia mínima

4. Squelch

Circuitos de squelch

• SQUELCH

de amplitud-

depende de la intensidad de la señal de RF

• SQUELCH

–

Noise Sensitive (sensible a ruido)-

analiza la calidad de audio, busca ruido en frecuencias altas; característico de una señal de RF

•SQUELCH

–

Tone Key (llave de tono)-

tono super audible se envia con la portadora,

la salida del receptor no se habilita sin el tono presente

LED A-B indica estado del squelch

Ajusta umbral de amplitud

Audio Level

Frequency

RF Noise

Squelch Threshold

Audio Level

Frequency

RF Noise

SquelchThreshold

Audio Level

Frequency

Squelch Threshold

32 KHz Tone

Circuitos de squelch

•

Squelch de amplitud

•

Noise squelch

•

Tone Key squelch

5. Baterías

Baterías recargables

•

UR1 operando con Duracell AA NiMH 2400mAh

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

UR1 UR2

Baterías recargables

•

UR1 operando con Energizer AA NiMH 2500mAh

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

UR1 UR2

Baterías recargables

Life of Different Battery Types

5

6

7

8

9

10

0:00

1:00

2:00

3:00

4:00

5:00

6:00

7:00

8:00

9:00

10:0

0

11:0

0

Time (Hours)

Volta

ge AlkalineNiMH 8.4VNiCd 7.2V

Wireless Battery Life

4

5

6

7

8

9

10

0:00

0:57

1:54

2:51

3:48

4:45

5:42

6:39

7:36

8:33

9:30

10:2

11:2

Time (Hours)

Volts

FrequencySynthesizedCrystalControlled

•

Baterías 9V

Temas sobre baterías

•

Nuevas químicas–

Lithium Ion–

Alcalinas recargables

•

Tamaño “AA”

es el más popular y más económico

–

Circuitos requieren convertidores de CC–

Exigen circuitos más eficientes

Herramientas onlinewww.shure.com

www.shure.com/frequency

www.shure.com/frequency

Conclusión1.

Controlar ruido de RF (en lo posible)

Coordinar y compatibilizar frecuenciasEvitar fuentes primarias y secundarias de interferencia de RF

2.

Interferencia multivía

Siempre usar y mantener antenas diversificadas

3.

Ubicación correctas de antenas

Respetar distancias mínimasSiempre usar distribuidor de antenas si es necesario

4.

Squelch

Evitar el uso de squelch excepto en casos especiales

5.

Baterías

Preferible usar alcalinasUsar baterías recargables cuando es necesarioSiempre usar baterías nuevas o recién cargadas

¿Preguntas?