【摘要】 隨著國內(nèi)文化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大型晚會、演唱會、展會等活動規(guī)模變得越來越大。無論是無線音頻設備使用的通道數(shù)，還是演出所需要使用的區(qū)域，都不斷地增加，系統(tǒng)應用的難度越來越高。加上中國的第五代通訊系統(tǒng)的高速發(fā)展，面對各種因素演出中的無線音頻系統(tǒng)即將面臨更嚴峻的考驗。

本文將通過近年大型演出中無線音頻系統(tǒng)應用的經(jīng)驗以及與多個無線音頻系統(tǒng)公司交流的內(nèi)容，普及基本無線音頻設備的無線電知識，增強音響工程師對無線音頻系統(tǒng)的認識。使得他們能夠根據(jù)無線音頻系統(tǒng)的設置和技巧規(guī)范操作流程，在有限的頻譜資源里發(fā)揮無限的價值。

【關鍵詞】無線音頻  無線話筒  天線系統(tǒng)  頻率規(guī)劃  

信息的傳遞是人與人最根本的交流方式。從古時候的信鴿到現(xiàn)代化的手機，我們不斷尋找著最快捷高效的傳遞信息的方式。隨著無線技術的發(fā)展，更能擺脫有線帶來的束縛，實現(xiàn)可靠的、實時性的信息傳遞。目前無線音頻系統(tǒng)被廣泛應用于現(xiàn)場演出、演唱會、展會等等音頻制作環(huán)境中，由于不受“有線”的束縛，使得演出者的表演空間更為廣闊，表演形式更為靈活自由，因而更受到演出者、制作團隊的喜愛。無線音頻系統(tǒng)使能否正確地安全使用，直接關系到演出的安全和質(zhì)量。特別是在直播大型晚會和重要會展活動中，如何確保無線音頻系統(tǒng)的使用安全，是保證活動成功很重要的組成部分。本文就以無線電的原理以及無線音頻設備的實際應用，讓音響工程師對無線音頻系統(tǒng)有更深入的認識，并能夠在實際應用中保證整場活動的安全進行。

一.    無線電原理

1.    無線電波傳輸

無線電是指一類由特定的物理源中不斷變化的電壓或電流所形成的隨時間變化的電磁場。這些源既可以是人造的，如電力和電子電路，也可以是天然的，如大氣(雷電)和星辰(太陽黑子)。電磁場變動由源向外輻射形成一種模式，稱為無線電波。

無線電波既有電場分量，也有磁場分量（見圖1）。這些分量的變化沿著無線電波傳播的方向上具有同樣的相對格局，但它們彼此成90度角。特別是電場分量，是它決定了無線電波的“極化方向”角。這在天線的設計和操作中尤其重要。

圖1 無線電波

2.無線電波調(diào)制

無線電“信息”一般是用一種頻率傳輸。這種單一的電磁波的振幅、頻率或某些其他特征(例如相位)是不同的。無線電波本身并不是信息，而是信息的載體。當無線電波包含信息時，它就被稱為無線電“信號”。

無線電波的這種信息攜帶變化的一般術語是“調(diào)制”。如果波的振幅被改變，這種技術就稱為調(diào)幅(AM)。如果頻率被改變，就稱為調(diào)頻(FM)。如果相位被改變，則稱為調(diào)相(PM)。對于市面上絕大部分無線話筒廠家都采用調(diào)頻(FM)技術（見圖2）。用典型的FM信號能夠承載更多的“信息”，發(fā)送更高保真度的音頻信號。另外，接收機(FM調(diào)頻)的固有特點就是對許多常見的無線電噪音源不敏感，能夠更好地抵制各類噪音。因此下面所提及的無線音頻系統(tǒng)，都是以FM調(diào)頻的系統(tǒng)為基礎。當音頻信號加載在射頻信號上, 射頻信號就不是單一一個固定的頻率。而是在載頻頻率上下一點地頻率來回移動。以載頻頻率為準, 射頻信號頻率向高和向低偏轉(zhuǎn)的值稱為頻偏（f0 ± 偏差）（見圖3）。

圖2 FM調(diào)頻技術圖示

圖3 調(diào)制載波圖示

而隨著音頻技術的日益進步，傳統(tǒng)模擬無線系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)不能滿足越來越復雜的演出需求了。各音頻設備廠家也順應潮流的發(fā)展，推出各種數(shù)字無線產(chǎn)品來替代模擬無線產(chǎn)品(見圖4)。

圖4 模擬和數(shù)字載波技術

數(shù)字調(diào)制方式有幅移鍵控(ASK),頻移鍵控(FSK)相移鍵控(PSK)。它是把模擬音頻信號改變數(shù)字音頻信號（1和0），再加載到載波頻率上（見圖5）。與模擬信號相比，數(shù)字信號在抗干擾性、信號穩(wěn)定性、頻譜利用效率、動態(tài)范圍、頻率響應有著質(zhì)一般的改變。隨著目前音頻技術的發(fā)展，數(shù)字無線產(chǎn)品會逐漸取代模擬產(chǎn)品，進入數(shù)字無線音頻技術的時代。

 圖5 數(shù)字音頻信號調(diào)制圖示

（三）射頻干擾

演出活動使用中的無線音頻系統(tǒng)經(jīng)常會受到不明的干擾。這些干擾分為兩大類：外部干擾和內(nèi)部干擾。
外部干擾指的是無線環(huán)境中，存在影響無線系統(tǒng)使用的干擾源。常見的外部干擾源有：

1.同頻干擾，使用相同頻率的其他無線設備。

2.開路電視干擾，一般為8MHz帶寬（見圖6）。  

圖6電視的無線頻率

3.交流電磁干擾：LED屏幕（見圖7）、無線圖像傳輸系統(tǒng)、無線內(nèi)通系統(tǒng)、電動控制器等等。

圖7 LED屏幕的交流電磁干擾

內(nèi)部干擾指的是無線系統(tǒng)發(fā)射機或者接收機產(chǎn)生的互調(diào)干擾。

非線性電路的一個特點是，其輸出中包含作用于電路的原始信號以外的 “新”信號，這些增加的信號稱為互調(diào)失真產(chǎn)物（IMD）。當發(fā)射機彼此靠得很近時就會發(fā)生互調(diào)失真。來自每個發(fā)射機的信號在另一個發(fā)射機的輸出級產(chǎn)生互調(diào)失真產(chǎn)物。這些新信號與原始信號一起發(fā)送，可以被以相應的互調(diào)失真頻率工作的接收機拾取。

以兩臺發(fā)射機為例，互調(diào)失真產(chǎn)物是由以頻率F1和頻率F2工作的兩個相鄰發(fā)射機產(chǎn)生的兩個所謂的三階產(chǎn)物。產(chǎn)生的互調(diào)失真產(chǎn)物可按下列公式計算：

圖8無線發(fā)射機的互調(diào)干擾

IMD1 =(2 x F1)– F2

IMD2 =(2 x F2)– F1

隨著無線系統(tǒng)發(fā)射機越多，他們內(nèi)部之間會產(chǎn)生更多的互調(diào)產(chǎn)物(見圖9)。   

圖9 對數(shù)周期振子天線

二.    無線音頻系統(tǒng)的組成

1.    天線系統(tǒng)

天線

市場上最為常見的無線音頻設備天線類型：指向性天線和全指向型天線。

（1）指向性天線主要有兩種：對數(shù)周期振子陣(LPDA)天線和強指向圓極化天線。

對數(shù)周期振子陣(LPDA)天線（見圖9）：屬于線極化天線。當對數(shù)周期天線的振子面水平放置時，輻射或接收水平極化波；當它的振子面垂直放置時，則輻射或接收垂直極化波。用于舞臺演出的LPDA天線角度一般在70°-120°之間。

強指向圓極化天線（見圖10）：

圖10強指向圓極化天線

角度較窄，無論是收信天線極化方向如何，感應出的信號都是相同的。多用于無線耳返系統(tǒng)。

（ 2 ） 全指向型天線（見圖11）：在無線音頻系統(tǒng)中，對1/2和1/4波長鞭狀天線的簡稱，全稱為水平平面全方向天線。水平方向圖上表現(xiàn)為360°都均勻輻射，也就是平常所說的無方向性，它的最低端和頂端接受能力最弱。

 圖11 全指向型天線

饋線

射頻饋線是無線音頻系統(tǒng)傳輸射頻信號的同軸線纜。射頻饋線均以為阻抗50Ω的同軸電纜，不建議使用阻抗為75Ω的視頻同軸線纜，否則可能會出現(xiàn)因為阻抗不匹配而導致的斷頻后果。

射頻饋線的衰減量和衰減的指標由線長、頻率和饋線的技術指標（見圖12）所決定。等量條件下：線越長，線損越高；頻率越高，線損越高。通過查詢射頻饋線的衰減量，通過了解射頻饋線上產(chǎn)生的衰減量，可以使用有源天線或者單獨的線上補償器對饋線上產(chǎn)生的衰減量進行補償或衰減。饋線上損失了多少信號， 就使用補償器進行了同等數(shù)量的補償。衰減補償?shù)淖罴呀Y果是“零增益”。

圖12 射頻饋線衰減比例

2.無線話筒系統(tǒng)

無線話筒系統(tǒng)為射頻和音頻電子設備高度專業(yè)化的集成，它代替了用于連接話筒到音頻設備的纜線。發(fā)射機將音頻信號轉(zhuǎn)換為無線電信號，并將其發(fā)送到周邊區(qū)域。接收機拾取或接收無線電信號，并將其轉(zhuǎn)換回音頻信號。

（1）發(fā)射機

發(fā)射機既可以是固定的，也可以是便攜。常用便攜式發(fā)射機有腰包式、手持式和插入式。雖然發(fā)射機在外觀上相當不同，但內(nèi)部都是完成相同的任務：用輸入音頻信號調(diào)制無線電載波并有效地傳輸最終的無線電信號（見圖13）。

圖13 音頻發(fā)射機工作原理

（2）接收機

接收機有固定式和便攜式兩種設計。它們內(nèi)部都是完成相同的任務：有效地接收無線電信號并將其轉(zhuǎn)換為適當?shù)囊纛l信號輸出（見圖14）。   

圖14音頻接收機工作原理

3.無線耳返系統(tǒng)

個人監(jiān)聽系統(tǒng)共有兩個基本種類：無線系統(tǒng)或有線系統(tǒng)。隨著音頻技術的不斷提升，舞臺的制作尺寸不斷變大，監(jiān)聽音箱不能均勻覆蓋整體舞臺，演出者隨著節(jié)目的創(chuàng)新需要更多的表演方式。因此無線耳返系統(tǒng)已經(jīng)是必備的音頻設備，而且需要覆蓋的區(qū)域越來越大。

無線耳返系統(tǒng)主要由固定式發(fā)射機、便攜式接收機、耳機及天線系統(tǒng)組成。它的工作原理是發(fā)射機把經(jīng)過混音由輔助輸出端口輸出的模擬音頻信號轉(zhuǎn)為射頻無線（RF）信號，表演者佩戴的便攜式接收機拾取信號并將其轉(zhuǎn)換回音頻信號。
無線耳返系統(tǒng)與無線話筒信號流向相反外，其余外觀、指向及阻抗等基本相似。

三.大型演出中的無線音頻系統(tǒng)的應用

近年來隨著演出和會展行業(yè)的高速發(fā)展，舞臺演出規(guī)模越來越大，主要演員的人數(shù)不斷增加，業(yè)內(nèi)對專業(yè)無線音頻產(chǎn)品的需求逐年增加，同時對于無線技術的要求和難度也逐漸增高。從業(yè)者需要規(guī)范對于無線音頻系統(tǒng)的工作流程，確保演出能順利進行。以中華人民共和國成立70周年天安門慶祝活動無線音頻系統(tǒng)為例，分享無線音頻工程師的工作規(guī)范流程。

1.無線環(huán)境勘測

（1）勘測現(xiàn)場環(huán)境，溝通需要覆蓋的使用區(qū)域

當知道能參加重要的國慶活動時，立即和使用方進行良好溝通。了解這次無線需要覆蓋的區(qū)域（見圖15）：總長度280米，從人民英雄紀念碑到國旗桿（白色虛線內(nèi)為所需覆蓋區(qū)域）。

（2）溝通活動所需要的無線話筒通道數(shù)、無線發(fā)射機類型等等。

圖15 演出區(qū)域

工作任務是需要拾取國旗護衛(wèi)隊的腳步聲，拾取國旗護衛(wèi)隊的口令聲音。由于活動的特殊性需要利用無線話筒拾取腳步聲和口令聲，相比起有線槍式話筒拾取的聲音，方便實施工作，聲音更加飽滿真實且能獲得更大的傳聲增益。共需要32通道的無線腰包發(fā)射機。

（3）初步掃描場地頻點數(shù)據(jù)，或通過查閱該場地的歷史掃頻數(shù)據(jù)，選定使用設備的頻段。

通過專業(yè)的頻譜管理設備，我們提前到現(xiàn)場進行的對射頻環(huán)境的掃描。通過頻譜監(jiān)測軟件，初步算出最大的可用頻點數(shù)量并對其進行分析，選出射頻環(huán)境較為干凈的使用頻段。

2.天線系統(tǒng)設計

（1）確定天線選型

由于需要無線的范圍比較廣，增加了設計天線系統(tǒng)的難度。需要設計4組天線去覆蓋。根據(jù)場地和活動需求，使用了不同種類的天線（見圖16、17）（全指向天線、強指向天線、雙極化天線）。 

圖16強指向天線

圖17雙極化天線

（2）確定天線安裝點

根據(jù)各工種位置和天線最優(yōu)覆蓋演出區(qū)域的位置，確定好天線的安裝點。這次采用了Quadversity™ 四分集功能。通過2組ABCD天線，去覆蓋280米長的國旗護衛(wèi)隊行走之路。我們對天線的覆蓋角度、距離等作出評估，正確地擺放天線的位置（見圖18）    。天線矩陣均勻覆蓋需要使用的區(qū)域，使活動需要使用的地方都能正常接收無線音頻的信號。

圖18 天線覆蓋區(qū)域

（3）    確定饋線長度

確定好天線和無線話筒系統(tǒng)的位置后，需要考慮鏈接它們的射頻饋線的長度。這次使用的射頻饋線最長的達到100米，最短的也要30米。所以選用的都是低損耗的50歐姆同軸饋線。

（4）確定線上損耗與補償增益

根據(jù)無線音頻饋線長和線的技術指標，確認好同軸饋線的損耗。其中最長的饋線為100米。根據(jù)饋線的技術指標（700MHz下100米線損12dB）。根據(jù)線損需要增加線上補償器。

3.無線頻率規(guī)劃

（1）對現(xiàn)場環(huán)境進行一定時間的掃頻，并記錄頻譜數(shù)據(jù)。

把無線音頻系統(tǒng)正確地搭建好后，就需要對現(xiàn)場的射頻環(huán)境作一定時間監(jiān)測。通過頻譜管理器和專業(yè)的無線管理軟件，我們可以從頻譜圖知道現(xiàn)場存在的固定射頻設備或者是外來的突發(fā)干擾。

（2）進行無線頻率協(xié)調(diào)會

現(xiàn)場經(jīng)常會有不明的突發(fā)干擾。通過長時間對射頻環(huán)境的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)是相關單位內(nèi)通的中繼器。由于是大功率的無線設備，加上距離接收天線比較近，一但設備打開時，產(chǎn)生的諧波直接影響到無線話筒的使用。經(jīng)過協(xié)調(diào)溝通后，相關單位把中繼器移離到天線較遠的地方使用。

（3）對需要使用的無線設備進行頻率協(xié)調(diào)計算

除了監(jiān)測到一些外來的突發(fā)干擾外，通過和官方的溝通，我們也了解到現(xiàn)場還會有的無線設備。例如LED大屏、對講機、無線攝像機等等。通過了解到他們的工作頻段，在場所有已知的無線設備進行頻段劃分，避免相互干擾。

（4）根據(jù)頻譜數(shù)據(jù)和無線設備通道數(shù)量計算備份頻點

把我們使用的無線音頻系統(tǒng)通過網(wǎng)絡連接到專業(yè)的無線管理軟件，我們能夠使用軟件計算出可用的安全的頻點。同時也需要計算出安全的備用頻點，以防遇到突發(fā)干擾時，能夠立即避開干擾（見圖19）。

（5）對無線設備在場地內(nèi)各個位置的信號強度進行監(jiān)測，以驗證天線系統(tǒng)布置正確合理。

當無線音頻系統(tǒng)搭和頻率規(guī)劃做好后，需要驗證他們的安全性。最有效的就是工作人員在現(xiàn)場模擬一下使用時的情況，我們佩戴著話筒進行走場測試，在使用區(qū)域內(nèi)進行全方位檢測。另外通過接收機面板和監(jiān)控軟件，監(jiān)測到無線話筒在每個點的信號強度。如果發(fā)現(xiàn)無線話筒斷頻或者掉頻，會對系統(tǒng)做進一步的調(diào)整。

圖19 通過專業(yè)軟件計算頻點

4.現(xiàn)場無線音頻狀態(tài)監(jiān)測

（1）對無線傳輸?shù)囊纛l進行監(jiān)聽無線系統(tǒng)和頻率規(guī)劃做好后，也可能因為設備的原因而導致斷音。例如話筒頭進汗水等突發(fā)或者是電池沒電等原因，這需要通過軟件或者接收機前面板對音頻進行監(jiān)聽，保證音頻能正常輸出（見圖20）。

（2）對無線設備通道進行監(jiān)測通過軟件或者是接收機前面板，監(jiān)測到到無線話筒的射頻狀態(tài)和通道質(zhì)量。如出現(xiàn)射頻信號弱或者是過載，就需要及時調(diào)整。

圖20 現(xiàn)場對無線系統(tǒng)的監(jiān)聽

四.    國內(nèi)無線音頻系統(tǒng)的發(fā)展方向

1.    設備數(shù)字化

隨著專業(yè)無線音頻技術的更新，模擬無線音頻設備的產(chǎn)品已經(jīng)達不到日益增長的需求。各個專業(yè)音頻設備公司都開始更新?lián)Q代，無線音頻系統(tǒng)全數(shù)字化只是時間的問題。無論是從安全性、功能性還是聲音質(zhì)量，數(shù)字無線音頻設備都遠遠超過了模擬音頻設備，適應各種演出和會展活動。

2.設備規(guī)模化

現(xiàn)在的演出活動不再是簡單的舞臺，不再是十多個無線音頻通路的設備就能完成的。隨著舞美結構越來越復雜，多區(qū)域的天線覆蓋也變得越來越常見；活動使用的無線通道數(shù)量越來越多，有的大型活動甚至需要同時使用100多個通路的無線音頻設備或者更多，這對無線音頻系統(tǒng)來說是一個考驗。

3. 人員專業(yè)化

無線音頻設備有著革命性的改變，同時考驗著使用它們的專業(yè)技術人員。在中國無線音頻系統(tǒng)常常不被重視，導致時常出現(xiàn)演出活動的不順利甚至造成演出中斷。在國外演出行業(yè)中有一個特別的音頻技術工種：無線管理工程師。他們會為演出活動做無線技術保障工作，確保現(xiàn)場使用的專業(yè)無線音頻設備安全工作，使整套音頻系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。把無線音頻設備管理當作一個專業(yè)技能知識，才能更好地適應當今發(fā)展迅速的節(jié)目形式和節(jié)目內(nèi)容。

無線音頻系統(tǒng)的傳輸雖然“看不見，摸不著”，但通過嚴謹而細心的工作與頻率規(guī)劃相結合，超大型的、多通道的無線話筒在大型演出能夠順利進行。無線音頻系統(tǒng)在實際設計與操作中應科學而認真地注重過每一個細節(jié)，過去因為國內(nèi)的音頻從業(yè)者對無線音頻系統(tǒng)的不重視，導致出現(xiàn)各種演出意外。嚴格按照無線音頻操作規(guī)范，能夠使演出者能在舞臺上不受連接線材的束縛而完美演繹，不受無線頻率的干擾而煩惱，增強演出的觀賞性及效果。B&P

參考文獻

一.中文部分

1．沈嘉強、陳宇功、楊明聰．《無線音頻系統(tǒng)的設置技巧與操作流程規(guī)范》，2017.

2．Shure Audio Institute. www.shure.com.