【摘要】 隨著國內文化產業的發展，大型晚會、演唱會、展會等活動規模變得越來越大。無論是無線音頻設備使用的通道數，還是演出所需要使用的區域，都不斷地增加，系統應用的難度越來越高。加上中國的第五代通訊系統的高速發展，面對各種因素演出中的無線音頻系統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應用的經驗以及與多個無線音頻系統公司交流的內容，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的認識。使得他們能夠根據無線音頻系統的設置和技巧規范操作流程，在有限的頻譜資源里發揮無限的價值。

【關鍵詞】無線音頻  無線話筒  天線系統  頻率規劃  

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。隨著無線技術的發展，更能擺脫有線帶來的束縛，實現可靠的、實時性的信息傳遞。目前無線音頻系統被廣泛應用于現場演出、演唱會、展會等等音頻制作環境中，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。無線音頻系統使能否正確地安全使用，直接關系到演出的安全和質量。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“調制”。如果波的振幅被改變，這種技術就稱為調幅(AM)。如果頻率被改變，就稱為調頻(FM)。如果相位被改變，則稱為調相(PM)。對于市面上絕大部分無線話筒廠家都采用調頻(FM)技術（見圖2）。用典型的FM信號能夠承載更多的“信息”，發送更高保真度的音頻信號。另外，接收機(FM調頻)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，都是以FM調頻的系統為基礎。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的值稱為頻偏（f0 ± 偏差）（見圖3）。

圖2 FM調頻技術圖示

圖3 調制載波圖示

而隨著音頻技術的日益進步，傳統模擬無線系統產品已經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展，推出各種數字無線產品來替代模擬無線產品(見圖4)。

圖4 模擬和數字載波技術

數字調制方式有幅移鍵控(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，數字信號在抗干擾性、信號穩定性、頻譜利用效率、動態范圍、頻率響應有著質一般的改變。隨著目前音頻技術的發展，數字無線產品會逐漸取代模擬產品，進入數字無線音頻技術的時代。

 圖5 數字音頻信號調制圖示

（三）射頻干擾

演出活動使用中的無線音頻系統經常會受到不明的干擾。這些干擾分為兩大類：外部干擾和內部干擾。
外部干擾指的是無線環境中，存在影響無線系統使用的干擾源。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、無線內通系統、電動控制器等等。

圖7 LED屏幕的交流電磁干擾

內部干擾指的是無線系統發射機或者接收機產生的互調干擾。

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失真產物（IMD）。當發射機彼此靠得很近時就會發生互調失真。來自每個發射機的信號在另一個發射機的輸出級產生互調失真產物。這些新信號與原始信號一起發送，可以被以相應的互調失真頻率工作的接收機拾取。

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

圖8無線發射機的互調干擾

IMD1 =(2 x F1)– F2

IMD2 =(2 x F2)– F1

隨著無線系統發射機越多，他們內部之間會產生更多的互調產物(見圖9)。   

圖9 對數周期振子天線

二.    無線音頻系統的組成

1.    天線系統

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：對數周期振子陣(LPDA)天線和強指向圓極化天線。

對數周期振子陣(LPDA)天線（見圖9）：屬于線極化天線。當對數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。

（ 2 ） 全指向型天線（見圖11）：在無線音頻系統中，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量的補償。衰減補償的最佳結果是“零增益”。

圖12 射頻饋線衰減比例

2.無線話筒系統

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

（1）發射機

發射機既可以是固定的，也可以是便攜。常用便攜式發射機有腰包式、手持式和插入式。雖然發射機在外觀上相當不同，但內部都是完成相同的任務：用輸入音頻信號調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。它們內部都是完成相同的任務：有效地接收無線電信號并將其轉換為適當的音頻信號輸出（見圖14）。   

圖14音頻接收機工作原理

3.無線耳返系統

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

無線耳返系統主要由固定式發射機、便攜式接收機、耳機及天線系統組成。它的工作原理是發射機把經過混音由輔助輸出端口輸出的模擬音頻信號轉為射頻無線（RF）信號，表演者佩戴的便攜式接收機拾取信號并將其轉換回音頻信號。
無線耳返系統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的應用

近年來隨著演出和會展行業的高速發展，舞臺演出規模越來越大，主要演員的人數不斷增加，業內對專業無線音頻產品的需求逐年增加，同時對于無線技術的要求和難度也逐漸增高。從業者需要規范對于無線音頻系統的工作流程，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為例，分享無線音頻工程師的工作規范流程。

1.無線環境勘測

（1）勘測現場環境，溝通需要覆蓋的使用區域

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（白色虛線內為所需覆蓋區域）。

（2）溝通活動所需要的無線話筒通道數、無線發射機類型等等。

圖15 演出區域

工作任務是需要拾取國旗護衛隊的腳步聲，拾取國旗護衛隊的口令聲音。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通道的無線腰包發射機。

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

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

2.天線系統設計

（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的難度。需要設計4組天線去覆蓋。根據場地和活動需求，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

根據各工種位置和天線最優覆蓋演出區域的位置，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 天線覆蓋區域

（3）    確定饋線長度

確定好天線和無線話筒系統的位置后，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。根據饋線的技術指標（700MHz下100米線損12dB）。根據線損需要增加線上補償器。

3.無線頻率規劃

（1）對現場環境進行一定時間的掃頻，并記錄頻譜數據。

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

（2）進行無線頻率協調會

現場經常會有不明的突發干擾。通過長時間對射頻環境的監測，發現是相關單位內通的中繼器。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，產生的諧波直接影響到無線話筒的使用。經過協調溝通后，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調計算

除了監測到一些外來的突發干擾外，通過和官方的溝通，我們也了解到現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）根據頻譜數據和無線設備通道數量計算備份頻點

把我們使用的無線音頻系統通過網絡連接到專業的無線管理軟件，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，以防遇到突發干擾時，能夠立即避開干擾（見圖19）。

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

當無線音頻系統搭和頻率規劃做好后，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，在使用區域內進行全方位檢測。另外通過接收機面板和監控軟件，監測到無線話筒在每個點的信號強度。如果發現無線話筒斷頻或者掉頻，會對系統做進一步的調整。

圖19 通過專業軟件計算頻點

4.現場無線音頻狀態監測

（1）對無線傳輸的音頻進行監聽無線系統和頻率規劃做好后，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聽，保證音頻能正常輸出（見圖20）。

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

圖20 現場對無線系統的監聽

四.    國內無線音頻系統的發展方向

1.    設備數字化

隨著專業無線音頻技術的更新，模擬無線音頻設備的產品已經達不到日益增長的需求。各個專業音頻設備公司都開始更新換代，無線音頻系統全數字化只是時間的問題。無論是從安全性、功能性還是聲音質量，數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.設備規模化

現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，多區域的天線覆蓋也變得越來越常見；活動使用的無線通道數量越來越多，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，這對無線音頻系統來說是一個考驗。

3. 人員專業化

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技術人員。在中國無線音頻系統常常不被重視，導致時常出現演出活動的不順利甚至造成演出中斷。在國外演出行業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，確保現場使用的專業無線音頻設備安全工作，使整套音頻系統正常運轉。把無線音頻設備管理當作一個專業技能知識，才能更好地適應當今發展迅速的節目形式和節目內容。

無線音頻系統的傳輸雖然“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。無線音頻系統在實際設計與操作中應科學而認真地注重過每一個細節，過去因為國內的音頻從業者對無線音頻系統的不重視，導致出現各種演出意外。嚴格按照無線音頻操作規范，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．《無線音頻系統的設置技巧與操作流程規范》，2017.

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