Raadiomikrofon

Raadiomikrofon ehk juhtmevaba mikrofon on mikrofon ilma kaablita, mis ühendaks mikrofoni otse helisalvestus- või võimendusseadme külge.

Raadiomikrofonil on mitmeid standardeid, sagedusi ja signaaliedastuse tehnoloogiaid, mille abil asendatakse mikrofoni kaabel ja saadakse juhtmevaba mikrofon. Selline seade suudab signaale edastada näiteks läbi raadiolainete, kasutades UHF- või VHF-sagedusi, FM, AM või erinevaid digitaalseid modulatsioone. Mõned odavama hinnaklassi seadmed kasutavad infrapunakiirgust. Infrapunakiirgust kasutavad mikrofonid vajavad toimimiseks takistustevaba tsooni mikrofoni ja vastuvõtja vahel, samas kallimatel raadiosagedusi kasutavatel juhtmevabadel mikrofonidel seda kitsendust pole.

Mõned seadmed töötavad ühel kindlal sagedusel, kallimad lasevad kasutajal ise valida, millisel sagedusel töötada – nii hoitakse ära olukord, kus teised seadmed võivad mikrofoni signaali segama hakata. Samuti saab ise sagedusi valides samal ajal mitut raadiomikrofoni kasutada.

Ajalugu

Mitmed eraisikud ja organisatsioonid väidavad, et on raadiomikrofoni loojad.

Reg Moores konstrueeris raadiomikrofoni, mida kasutati esimest korda 1949. aastal muusikalis "Aladdin on Ice".

John F. Stephens konstrueeris FM-tehnoloogiat kasutava juhtmevaba mikrofoni 1951. aastal USA merejalaväe Memphise baasis esitatava muusikali tarvis. Igal peaosatäitjal oli oma mikrofon/saatja. Seade jäi silma USA salateenistusele (United States Secret Service), mis lasi Stephensil oma leiutist muuta, nii et seda saaks kasutada pealtkuulamisoperatsioonide läbiviimiseks.

Herbert "Mac" McClelland, McClelland Soundi asutaja Wichitas USA Kansase osariigis kohandas 1951. aastal juhtmevaba mikrofoni USA pesapalli meistriliiga MLB kohtunikele kandmiseks Lawrence-Dumont Stadiumil. Kohtunikud kandsid seadme saatjat seljakinnitusega. Organisatsioon Shure Incorporated aga väidab, et just nende Vagabondi süsteem aastast 1953 oli esimene raadiomikrofon.

Aastal 1957 demonstreeris Saksa helitehnikatootja Sennheiser, mis kandis sel ajal nime Lab W, koostöös Saksa ringhäälinguga Norddeutscher Rundfunk (NDR) raadiomikrofoni süsteemi. Alates 1958. aastast turustati seda süsteemi läbi Telefunkeni Mikroporti nime all.

Esimese jäädvustatud patenditaotluse esitas Raymond A. Litke, ameeriklasest elektriinsener, koos ühenduse Educational Media Resourcesiga ja San Jose State College’iga, kes leiutas juhtmevaba mikrofoni 1957. aastal, et tulla vastu televisiooni, raadio ja õppesüsteemide kasvanud multimeedia nõudlusele. Tema Ameerika Ühendriikide patendinumber oli 3134074 ja see esitati algselt 8. jaanuaril 1960 ning patent anti välja 19. mail 1964. See on esimesena patent kaasaskantavale ja praktilisele juhtmeta mikrofonile. Lõpuks oli olemas töökindel ja juhtmevaba mikrofon selge helituvastuse ning ulatusega, mis oli praktiliselt sama hea kui juhtmeid/kaableid kasutades. Sellest seadmest tehti tarbijale 1959. aastaks kaks varianti: käeshoitav ja "käed vabad" (’’lavalier’’ mikrofon) versioon. Litke tuli välja mõistega "lavalier mikrofon" ja kaasas selle termini ka oma patenditaotlusse. Peamine saatjamoodul oli sigarisuurune seadeldis, mis kaalus ligikaudu 0,2 kg. Föderaalne Kommunikatsioonide Komisjon (FCC) andis Litke juhtmevabale mikrofonile kasutada 12 sagedust.

Lavalier käed vabad tüüpi mikrofon

Vega Electronics andis oma 1959. aastal toodetud miniseadmele nimeks Vega-Mike. See leidis esmakordset kasutust USA televisiooni poolt 1960. aastal Demokraatide ja Vabariiklaste Rahvuslikul Konventsioonil (Democratic and Republican National Convention). Seade võimaldas telereporteritel vabalt mööda ruumi ringi liikuda, samal ajal osalejaid intervjueerides. Presidendikandidaadid Kennedy ja Nixon olid esimesed kuulsused, kes kasutasid juhtmevaba mikrofoni. USA telejaam American Broadcasting Company (ABC) lõpetas selle seadme testimise enne konventsiooni, aastal 1959. Uudistesaatejuht John Daly ei hoidnud 1960. aasta juuli uudistesaates kiidusõnu selle leiutise aadressil tagasi. Seda juhtmevaba mikrofoni katsetati esimest korda Stanfordi Ülikooli olümpiamängudele pääsemise katsevõistlustel aastal 1959.

Litke väidab ise, et sai leiutise jaoks inspiratsiooni mesilaste omavahelisest tiibadega suhtlemisest.

Järjekordne Saksa tehnikatootja, Beyerdynamic, väidab, et esimese raadiomikrofoni leiutas Hung C. Lin. Seadeldise nimi oli Transistophone ja tootmine algas 1962. aastal. Samuti väidetakse, et esimest korda kasutas raadiomikrofoni filmi tegemisel Rex Harrison 1964. aasta linateoses "Minu veetlev leedi".

Tänapäeva raadiomikrofoni tehnoloogia, mis pakkus esimest korda juhtmega mikrofoni helikvaliteeti ja dünaamilist ulatust, kaasnes kompressor-ekspanderi turuletoomisega Nady Systems, Inc.-i poolt. Todd Rundgren ja The Rolling Stones olid esimesed populaarsed muusikud, kes sellist süsteemi oma kontserdi ajal kasutasid. Nady systems, Inc. sai ka selle tehnoloogilise saavutuse eest 1996. aastal Emmy auhinna.

Eelised ja puudused

Eelised:

• Suurem liikumisvabadus artistile või kõnelejale.
• Pole kaablite pideval liigutamisel ja kurnamisel esinevaid probleeme.
• Vähenenud oht kaablite otsa komistada.

Puudused:

• Piiratud tegutsemisraadius, umbes 100 meetrit. Kallimad süsteemid võivad seda raadiust ületada, samas odavamatel võib olla veel väiksem raadius.
• Potentsiaalne signaalide interferents, mis võib olla põhjustatud teistest raadiolainetel töötavatest seadmetest, sh teistest juhtmevabadest raadiomikrofonidest. Tänapäeval on olemas küllalt seadmed, mis võimaldavad juba sagedusi valida ja on kuluefektiivsed, hoides ära selle probleemi.
• Tööaeg on piiratud aku kestvusega; tavalistel seadmetel on aku tööaeg lühem saatja elektriringi spetsifikatsiooni tõttu ja seadme lisafunktsioonide tõttu juhul, kui neid on.
• Müra või surnud kohad (kohad, kus seade ei tööta, eriti ühe antenniga süsteemides).
• Piiratud arv samal ajal ja kohas töötavaid mikrofone, mis tuleneb raadiokanalite (sageduste) piiratud arvust.

Efektiivsuse parandamine

Professionaalsed seadmed edastavad signaale VHF- või UHF-raadiosagedustel ja neil on kaks eraldi vastuvõtjamoodulit, mõlemal oma antenn. Selline seadistus kõrvaldab surnud kohad (kaks faasi nullivad teineteist) ja vead, mis põhjustatud raadiolainete peegeldumisest eri pindadelt.

Teine viis, millega võimalik helikvaliteeti (õigemini dünaamilist raadiust) parandada, on companding. Nady Systems, Inc. oli esimene, kes juba 1976. aastal sellist tehnoloogiat pakkus. Tehnoloogia põhines patendil, mille sai firma asutaja John Nady.

Mõnedel mudelitel on signaalitugevuse muutmise seade mikrofoni küljes, et suuta vastu võtta eri tasemete heliallikaid; näiteks valjud instrumendid või tasased hääled. Reguleeritav tugevus aitab ära hoida ülevõimendamist.

Mõnedel mudelitel on reguleeritav squelch, mis vaigistab väljundi, kui vastuvõtja ei saa mikrofonilt tugevat või kvaliteetset signaali, selle asemel, et lihtsalt müra väljundisse lasta.

Tooted

Raadiomikrofoni esimene tootja oli Vega Electronics Corporation. AKG Acoustics, Audio Ltd, Audio-Technica, Electro-Voice, Lectrosonics, MIPRO, Nady Systems, Inc, Samson Technologies, Sennheiser, Shure, Sony ja Zaxcom on kõik suuremad raadiomikrofonisüsteemide tootjad. Nad on teinud märkimisväärseid täiustusi, tulemaks toime eespool mainitud puudustega. Näiteks, kuigi nendel mikrofonidel on piiratud sagedusala, milles nad töötavad, võimaldavad mitu kallima klassi süsteemi üle 100 mikrofoni üheaegset töötamist. Samas paljude mikrofonide samaaegsel töötamisel tõuseb sellise süsteemi hind komponentide spetsifikatsiooni ja konstruktsiooni tõttu. See on üheks põhjuseks, miks eri juhtmevabadel süsteemidel on suhteliselt suured erinevused hinnas.

Üldiselt eristatakse kolme tüüpi raadiomikrofone: käeshoitav, plug-in ja bodypack:

• Käeshoitav näeb välja nagu tavaline juhtmega mikrofon, aga tal võivad olla suuremad seadme gabariidid, et saatja ja akud ära mahuksid.
• Plug-in, plug-on, slot-in või kuubikustiilis saatjad kinnitatakse tavalise mikrofoni alla, seejärel muudetakse see juhtmevabaks seadmeks.
• Bodypack on väike pakk, mis hoiab endas saatjat ja akusid, aga mitte mikrofoni ennast. Bodypacki saab kinnitada vööle või mujale ning sealt väljub juhe kõrvaklappidesse ja käed vabad (hands-free) mikrofoni.

"Shotgun" juhtmeta mikrofon, mida kasutatakse telestuudiotes

Mitmed tootjad, mille hulgas on Sennheiser, AKG, Nady Systems, Lectrosonics ja Zaxcom pakuvad plug-in-tüüpi saatjat olemasolevale juhtmega mikrofonile, mis pannakse mikrofoni XLR väljundisse ja seejärel edastab signaale tootja standardvastuvõtjale. Selline konstruktsioon pakub mitmeid integreeritud süsteemide hüvesid ja võimaldab juhtmeta kasutada selliseid mikrofone, millele ei pruugi juhtmevaba ekvivalenti olla. Näiteks võib plug-in saatjat kasutada televisiooni või filmi helitöötlusinsener, et võimaldada "shotgun"-tüüpi mikrofonil muutmist juhtmevabaks, mis omakorda hoiab ära ohtlikud olukorrad kaablitega ning samal ajal lubab suuremat liikumisvabadust. Plug-in saatjad võimaldavad ka väga vanadest mikrofonidest teha juhtmevabad mikrofonid. See on kasulik siis, kui kunstilistel või muudel visuaalsetel põhjustel kasutatakse vanu mikrofone. Juhtmete puudus võimaldab antud juhul kiireid stseenide vahetusi ja vähendab ohtu, et keegi juhtmete otsa komistaks. Mõnedel juhtudel võivad sellised plug-in saatjad anda 48 voldist fantoomvoolu, mis võimaldab kasutada condenser mikrofonide tüüpe.

Juhtmevaba Sennheiser 5212 saatja

Vastuvõtjad

Vastuvõtjaid on mitut tüüpi. True Diversity vastuvõtjatel on kaks raadiomoodulit ja kaks antenni. Diversity-vastuvõtjatel on üks raadiomoodul ja kaks antenni, kuigi mõnikord ei pruugi teine antenn nähtav olla. Non-diversity vastuvõtjatel on ainult üks antenn.

Tavaliselt hoitakse vastuvõtjaid poolpüstiku (half-rack) konfiguratsioonis, nii et need kaks saaks ühte püstiksüsteemi paigaldada. Mõningates muusikalide lavastustes võib ühes püstikus olla üle 40 raadiomikrofoni.

Videokaamerates kasutatavad vastuvõtjad kinnitatakse sageli bodypack-konfiguratsioonis, tavaliselt kaamera välgukinga peale. Väikseid true diversity vastuvõtjaid, mis käivad paljude professionaalsete videokaamerate kinnitusse, toodavad Sennheiser, Lectrosonics ja Sony. Vähem nõudliku või odavama videotehnika puhul kasutatakse tavaliselt non-diversity vastuvõtjaid, sest saatjast teatud raadiuses on tulemus rahuldav.

Ribalaius ja spekter

Peaaegu kõik raadiomikrofonid kasutavad lairiba FM-modulatsiooni, mille jaoks on tarvis 200 kHz ribalaiust. Kuna ribalaiuse kasutus on suhteliselt suur, piiratakse raadiomikrofone kasutama sagedusi alates VHF-st.

Paljud vanemad raadiomikrofonide süsteemide tööala on VHF-i sagedusala elektromagnetilises spektris. Selles sagedusalas töötavaid süsteeme juhitakse sageli kristalli kaudu ja seega töötavad nad vaid ühel sagedusel. Juhul, kui see sagedus on õigesti valitud, võib süsteem aastaid ilma tõrgeteta töötada.

Enamik tänapäevastest raadiomikrofonisüsteemidest kasutab UHF televisiooni sagedusala; USA-s on see vahemikus 470–698 MHz. Aastal 2010 väljastas USA Föderaalne Kommunikatsioonide Komisjon (Federal Communication Commission) TV-sagedusala kasutatavatele seadmetele uued määrused. Ka teistel riikidel on sarnased piirangud, näiteks Suurbritannias on UHF TV-sagedusala vahemik 470–854 MHz. Tavaliselt töötavad raadiomikrofonid kasutamata televisioonikanalitel, milles on ruumi ühele-kahele mikrofonile iga megahertsi kohta sagedusspektris.

Intermodulatsioon (IM) on suureks probleemiks, kui ühes kohas on töös mitu süsteemi. IM esineb siis, kui kaks või enam RF-signaali segunevad mittelineaarse mikroskeemiga, nagu näiteks ostsillaatori või mixeriga. Sellisel juhul võivad tekkida teatavad sageduste kombinatsioonid. Näiteks kombinatsioonid 2A-B, 2B-A ja A+B-C, kus A, B ja C on tänapäeval kasutatavad sagedused. Kui üks nendest kombinatsioonidest sarnaneb teise süsteemi sagedusega (või algse A, B või C sagedusega), siis sellel kanalil tekivad signaalihäired. Selle probleemi saab lahendada arvutades kõik võimalikud kombinatsioonid ise või programmi abil.

Digitaalsed juhtmevabad hübriidsüsteemid

Digitaalsed hübriidsüsteemid kasutavad analoog-FM-signaaliedastust koos digitaalse signaalitöötlusega (DSP), mis võimendab süsteemi. DSP kasutamine võimaldab selliseid töövõtteid, mis on analoogsignaali puhul võimatud, näiteks ennustusalgoritme, millega saavutatakse väiksem amplituud sageduslikus spektris, lisaks vähendatakse müra ja teisi soovimatuid artefakte.

Teine lähenemisviis on kasutada DSP-d analoog compandingi skeemide emuleerimiseks, mis tagab vanemate analoogsüsteemide ühildavuse uuemate süsteemidega.

Digitaalsed süsteemid

Digitaalseid raadiomikrofonide süsteeme on palju ning neile on ka erinevaid digitaalseid modulatsiooniskeeme võimalik rakendada. Digitaalheli andmetihendust kasutatakse tavaliselt eesmärgiga vähendada kasutusel olevat RF-ribalaiust. Ribalaiuse efektiivse kasutamise olulisus ilmneb ka sellest, et tihendamata heli edastamist professionaalsetes süsteemides püütakse üldiselt hoiduda.

Zaxcom, Lectrosonics 700, AKG ja MIPRO on arendanud süsteeme, mis kasutavad näiteks 200 kHz kitsasriba UHF-ülekande sagedusi digitaalsete signaalide kindlal bitikiirusel, need on samad UHF-sagedused, mida kasutavad analoog-FM-süsteemid. Need süsteemid kodeerivad RF-signaalikandjasse ühe või kaks digitaalse heli kanalit. Sellise süsteemi eelised on madal müratase ja moonutuste hulk, võimalus signaali krüpteerida, ja suurendatud andmeedastuse töökindlus.

Täisdigitaalseid süsteeme on mitmesuguseid. Osad süsteemid kasutavad sagedushüpitamisega spektrilaotuse (Frequency-Hopping Spread Spectrum) tehnoloogiat, mis sarnaneb juhtmeta telefonide tööpõhimõttega. Kuna see võib vajada lairiba FM-signaalist rohkem ribalaiust, siis sellised mikrofonid töötavad tavaliselt 900 MHz, 2,4 GHz või 6 GHz litsentseerimata (reguleerimata) sagedustel. 900 MHz sagedusala töötab ainult USA ja Kanada territooriumil, sest enamikus teistes riikides kasutab sama sagedusala GSM mobiilivõrk. 2,4 GHz sagedusala ähvardab üha enam ummistumine, sest seda mõjutavad paljud süsteemid, kaasaarvatud WiFi (juhtmevaba kohtvõrk, standarditega 802.11b/g/n), Bluetooth ja mikrolaineahjude "leke". 6 GHz sagedusalal on probleeme leviulatusega (vajab takistamata vaatevälja), sest kasutab ülekandeks väga lühikesi signaalikandja lainepikkusi.

Digitaalseid raadiomikrofone on tavalise raadioskanneriga raske pealt kuulata, sest sellised seadmed suudavad ainult tavapäraseid analoogmodulatsioone, nagu näiteks FM ja AM, demoduleerida. Siiski võivad mõned raadiomikrofonide süsteemid kasutada kodeerimistehnoloogiat, et ennetada tõsisemat signaalide pealtkuulamist, mis võib põhjustada kriitilise tähtsusega info lekkimist.

Digitaalsete raadiomikrofonide tootjate hulka kuuluvad AKG-Acoustics, Audio-Technica, Lectrosonics, Line 6, MIPRO, Sony ja Zaxcom.

White Space'i seadmed (USA-s)

On olemas liikumine, mille eesmärgiks on isiklike litsentseerimata lairiba kasutavate seadmete lubamine USA UHF televisiooni sagedusspektris. Neid seadmeid toetavad firmad, kes soovivad selliseid seadmeid arendada ja võimalikult kiiresti turule tuua. Sellistel White Space'i seadmetel (WSD-d) on kohustuslik GPS-i olemasolu ja ligipääs asukoha andmebaasile, et seadmed ei segaks teisi seda sagedusala tarbivaid kasutajaid. White Space'i seadmete arendustöö toimub paljudes riikides.

Välislingid

• Discussion regarding the reassignment of Channel 69 frequencies in the UK