【摘要】 随着国内文化产业的发展，大型晚会、演唱会、展会等活动规模变得越来越大。无论是无线音频设备使用的通道数，还是演出所需要使用的区域，都不断地增加，系统应用的难度越来越高。加上中国的第五代通讯系统的高速发展，面对各种因素演出中的无线音频系统即将面临更严峻的考验。
本文将通过近年大型演出中无线音频系统应用的经验以及与多个无线音频系统公司交流的内容，普及基本无线音频设备的无线电知识，增强音响工程师对无线音频系统的认识。使得他们能够根据无线音频系统的设置和技巧规范操作流程，在有限的频谱资源里发挥无限的价值。
【关键词】无线音频 无线话筒 天线系统 频率规划
信息的传递是人与人最根本的交流方式。从古时候的信鸽到现代化的手机，我们不断寻找着最快捷高效的传递信息的方式。随着无线技术的发展，更能摆脱有线带来的束缚，实现可靠的、实时性的信息传递。目前无线音频系统被广泛应用于现场演出、演唱会、展会等等音频制作环境中，由于不受“有线”的束缚，使得演出者的表演空间更为广阔，表演形式更为灵活自由，因而更受到演出者、制作团队的喜爱。无线音频系统使能否正确地安全使用，直接关系到演出的安全和质量。特别是在直播大型晚会和重要会展活动中，如何确保无线音频系统的使用安全，是保证活动成功很重要的组成部分。本文就以无线电的原理以及无线音频设备的实际应用，让音响工程师对无线音频系统有更深入的认识，并能够在实际应用中保证整场活动的安全进行。
一. 无线电原理
1. 无线电波传输
无线电是指一类由特定的物理源中不断变化的电压或电流所形成的随时间变化的电磁场。这些源既可以是人造的，如电力和电子电路，也可以是天然的，如大气(雷电)和星辰(太阳黑子)。电磁场变动由源向外辐射形成一种模式，称为无线电波。
无线电波既有电场分量，也有磁场分量（见图1）。这些分量的变化沿着无线电波传播的方向上具有同样的相对格局，但它们彼此成90度角。特别是电场分量，是它决定了无线电波的“极化方向”角。这在天线的设计和操作中尤其重要。
图1 无线电波
2.无线电波调制
无线电“信息”一般是用一种频率传输。这种单一的电磁波的振幅、频率或某些其他特征(例如相位)是不同的。无线电波本身并不是信息，而是信息的载体。当无线电波包含信息时，它就被称为无线电“信号”。
无线电波的这种信息携带变化的一般术语是“调制”。如果波的振幅被改变，这种技术就称为调幅(AM)。如果频率被改变，就称为调频(FM)。如果相位被改变，则称为调相(PM)。对于市面上绝大部分无线话筒厂家都采用调频(FM)技术（见图2）。用典型的FM信号能够承载更多的“信息”，发送更高保真度的音频信号。另外，接收机(FM调频)的固有特点就是对许多常见的无线电噪音源不敏感，能够更好地抵制各类噪音。因此下面所提及的无线音频系统，都是以FM调频的系统为基础。当音频信号加载在射频信号上, 射频信号就不是单一一个固定的频率。而是在载频频率上下一点地频率来回移动。以载频频率为准, 射频信号频率向高和向低偏转的值称为频偏（f0 ± 偏差）（见图3）。
图2 FM调频技术图示
图3 调制载波图示
而随着音频技术的日益进步，传统模拟无线系统产品已经不能满足越来越复杂的演出需求了。各音频设备厂家也顺应潮流的发展，推出各种数字无线产品来替代模拟无线产品(见图4)。
图4 模拟和数字载波技术
数字调制方式有幅移键控(ASK),频移键控(FSK)相移键控(PSK)。它是把模拟音频信号改变数字音频信号（1和0），再加载到载波频率上（见图5）。与模拟信号相比，数字信号在抗干扰性、信号稳定性、频谱利用效率、动态范围、频率响应有着质一般的改变。随着目前音频技术的发展，数字无线产品会逐渐取代模拟产品，进入数字无线音频技术的时代。
图5 数字音频信号调制图示
（三）射频干扰
演出活动使用中的无线音频系统经常会受到不明的干扰。这些干扰分为两大类：外部干扰和内部干扰。
外部干扰指的是无线环境中，存在影响无线系统使用的干扰源。常见的外部干扰源有：
1.同频干扰，使用相同频率的其他无线设备。
2.开路电视干扰，一般为8MHz带宽（见图6）。
图6电视的无线频率
3.交流电磁干扰：LED屏幕（见图7）、无线图像传输系统、无线内通系统、电动控制器等等。
图7 LED屏幕的交流电磁干扰
内部干扰指的是无线系统发射机或者接收机产生的互调干扰。
非线性电路的一个特点是，其输出中包含作用于电路的原始信号以外的 “新”信号，这些增加的信号称为互调失真产物（IMD）。当发射机彼此靠得很近时就会发生互调失真。来自每个发射机的信号在另一个发射机的输出级产生互调失真产物。这些新信号与原始信号一起发送，可以被以相应的互调失真频率工作的接收机拾取。
以两台发射机为例，互调失真产物是由以频率F1和频率F2工作的两个相邻发射机产生的两个所谓的三阶产物。产生的互调失真产物可按下列公式计算：
图8无线发射机的互调干扰
IMD1 =(2 x F1)– F2
IMD2 =(2 x F2)– F1
随着无线系统发射机越多，他们内部之间会产生更多的互调产物(见图9)。
图9 对数周期振子天线
二. 无线音频系统的组成
1. 天线系统
天线
市场上最为常见的无线音频设备天线类型：指向性天线和全指向型天线。
（1）指向性天线主要有两种：对数周期振子阵(LPDA)天线和强指向圆极化天线。
对数周期振子阵(LPDA)天线（见图9）：属于线极化天线。当对数周期天线的振子面水平放置时，辐射或接收水平极化波；当它的振子面垂直放置时，则辐射或接收垂直极化波。用于舞台演出的LPDA天线角度一般在70°-120°之间。
强指向圆极化天线（见图10）：
图10强指向圆极化天线
角度较窄，无论是收信天线极化方向如何，感应出的信号都是相同的。多用于无线耳返系统。
（ 2 ） 全指向型天线（见图11）：在无线音频系统中，对1/2和1/4波长鞭状天线的简称，全称为水平平面全方向天线。水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，它的最低端和顶端接受能力最弱。
图11 全指向型天线
馈线
射频馈线是无线音频系统传输射频信号的同轴线缆。射频馈线均以为阻抗50Ω的同轴电缆，不建议使用阻抗为75Ω的视频同轴线缆，否则可能会出现因为阻抗不匹配而导致的断频后果。
射频馈线的衰减量和衰减的指标由线长、频率和馈线的技术指标（见图12）所决定。等量条件下：线越长，线损越高；频率越高，线损越高。通过查询射频馈线的衰减量，通过了解射频馈线上产生的衰减量，可以使用有源天线或者单独的线上补偿器对馈线上产生的衰减量进行补偿或衰减。馈线上损失了多少信号， 就使用补偿器进行了同等数量的补偿。衰减补偿的最佳结果是“零增益”。
图12 射频馈线衰减比例
2.无线话筒系统
无线话筒系统为射频和音频电子设备高度专业化的集成，它代替了用于连接话筒到音频设备的缆线。发射机将音频信号转换为无线电信号，并将其发送到周边区域。接收机拾取或接收无线电信号，并将其转换回音频信号。
（1）发射机
发射机既可以是固定的，也可以是便携。常用便携式发射机有腰包式、手持式和插入式。虽然发射机在外观上相当不同，但内部都是完成相同的任务：用输入音频信号调制无线电载波并有效地传输最终的无线电信号（见图13）。
图13 音频发射机工作原理
（2）接收机
接收机有固定式和便携式两种设计。它们内部都是完成相同的任务：有效地接收无线电信号并将其转换为适当的音频信号输出（见图14）。
图14音频接收机工作原理
3.无线耳返系统
个人监听系统共有两个基本种类：无线系统或有线系统。随着音频技术的不断提升，舞台的制作尺寸不断变大，监听音箱不能均匀覆盖整体舞台，演出者随着节目的创新需要更多的表演方式。因此无线耳返系统已经是必备的音频设备，而且需要覆盖的区域越来越大。
无线耳返系统主要由固定式发射机、便携式接收机、耳机及天线系统组成。它的工作原理是发射机把经过混音由辅助输出端口输出的模拟音频信号转为射频无线（RF）信号，表演者佩戴的便携式接收机拾取信号并将其转换回音频信号。
无线耳返系统与无线话筒信号流向相反外，其余外观、指向及阻抗等基本相似。
三.大型演出中的无线音频系统的应用
近年来随着演出和会展行业的高速发展，舞台演出规模越来越大，主要演员的人数不断增加，业内对专业无线音频产品的需求逐年增加，同时对于无线技术的要求和难度也逐渐增高。从业者需要规范对于无线音频系统的工作流程，确保演出能顺利进行。以中华人民共和国成立70周年天安门庆祝活动无线音频系统为例，分享无线音频工程师的工作规范流程。
1.无线环境勘测
（1）勘测现场环境，沟通需要覆盖的使用区域
当知道能参加重要的国庆活动时，立即和使用方进行良好沟通。了解这次无线需要覆盖的区域（见图15）：总长度280米，从人民英雄纪念碑到国旗杆（白色虚线内为所需覆盖区域）。
（2）沟通活动所需要的无线话筒通道数、无线发射机类型等等。
图15 演出区域
工作任务是需要拾取国旗护卫队的脚步声，拾取国旗护卫队的口令声音。由于活动的特殊性需要利用无线话筒拾取脚步声和口令声，相比起有线枪式话筒拾取的声音，方便实施工作，声音更加饱满真实且能获得更大的传声增益。共需要32通道的无线腰包发射机。
（3）初步扫描场地频点数据，或通过查阅该场地的历史扫频数据，选定使用设备的频段。
通过专业的频谱管理设备，我们提前到现场进行的对射频环境的扫描。通过频谱监测软件，初步算出最大的可用频点数量并对其进行分析，选出射频环境较为干净的使用频段。
2.天线系统设计
（1）确定天线选型
由于需要无线的范围比较广，增加了设计天线系统的难度。需要设计4组天线去覆盖。根据场地和活动需求，使用了不同种类的天线（见图16、17）（全指向天线、强指向天线、双极化天线）。
图16强指向天线
图17双极化天线
（2）确定天线安装点
根据各工种位置和天线最优覆盖演出区域的位置，确定好天线的安装点。这次采用了Quadversity™ 四分集功能。通过2组ABCD天线，去覆盖280米长的国旗护卫队行走之路。我们对天线的覆盖角度、距离等作出评估，正确地摆放天线的位置（见图18） 。天线矩阵均匀覆盖需要使用的区域，使活动需要使用的地方都能正常接收无线音频的信号。
图18 天线覆盖区域
（3） 确定馈线长度
确定好天线和无线话筒系统的位置后，需要考虑链接它们的射频馈线的长度。这次使用的射频馈线最长的达到100米，最短的也要30米。所以选用的都是低损耗的50欧姆同轴馈线。
（4）确定线上损耗与补偿增益
根据无线音频馈线长和线的技术指标，确认好同轴馈线的损耗。其中最长的馈线为100米。根据馈线的技术指标（700MHz下100米线损12dB）。根据线损需要增加线上补偿器。
3.无线频率规划
（1）对现场环境进行一定时间的扫频，并记录频谱数据。
把无线音频系统正确地搭建好后，就需要对现场的射频环境作一定时间监测。通过频谱管理器和专业的无线管理软件，我们可以从频谱图知道现场存在的固定射频设备或者是外来的突发干扰。
（2）进行无线频率协调会
现场经常会有不明的突发干扰。通过长时间对射频环境的监测，发现是相关单位内通的中继器。由于是大功率的无线设备，加上距离接收天线比较近，一但设备打开时，产生的谐波直接影响到无线话筒的使用。经过协调沟通后，相关单位把中继器移离到天线较远的地方使用。
（3）对需要使用的无线设备进行频率协调计算
除了监测到一些外来的突发干扰外，通过和官方的沟通，我们也了解到现场还会有的无线设备。例如LED大屏、对讲机、无线摄像机等等。通过了解到他们的工作频段，在场所有已知的无线设备进行频段划分，避免相互干扰。
（4）根据频谱数据和无线设备通道数量计算备份频点
把我们使用的无线音频系统通过网络连接到专业的无线管理软件，我们能够使用软件计算出可用的安全的频点。同时也需要计算出安全的备用频点，以防遇到突发干扰时，能够立即避开干扰（见图19）。
（5）对无线设备在场地内各个位置的信号强度进行监测，以验证天线系统布置正确合理。
当无线音频系统搭和频率规划做好后，需要验证他们的安全性。最有效的就是工作人员在现场模拟一下使用时的情况，我们佩戴着话筒进行走场测试，在使用区域内进行全方位检测。另外通过接收机面板和监控软件，监测到无线话筒在每个点的信号强度。如果发现无线话筒断频或者掉频，会对系统做进一步的调整。
图19 通过专业软件计算频点
4.现场无线音频状态监测
（1）对无线传输的音频进行监听无线系统和频率规划做好后，也可能因为设备的原因而导致断音。例如话筒头进汗水等突发或者是电池没电等原因，这需要通过软件或者接收机前面板对音频进行监听，保证音频能正常输出（见图20）。
（2）对无线设备通道进行监测通过软件或者是接收机前面板，监测到到无线话筒的射频状态和通道质量。如出现射频信号弱或者是过载，就需要及时调整。
图20 现场对无线系统的监听
四. 国内无线音频系统的发展方向
1. 设备数字化
随着专业无线音频技术的更新，模拟无线音频设备的产品已经达不到日益增长的需求。各个专业音频设备公司都开始更新换代，无线音频系统全数字化只是时间的问题。无论是从安全性、功能性还是声音质量，数字无线音频设备都远远超过了模拟音频设备，适应各种演出和会展活动。
2.设备规模化
现在的演出活动不再是简单的舞台，不再是十多个无线音频通路的设备就能完成的。随着舞美结构越来越复杂，多区域的天线覆盖也变得越来越常见；活动使用的无线通道数量越来越多，有的大型活动甚至需要同时使用100多个通路的无线音频设备或者更多，这对无线音频系统来说是一个考验。
3. 人员专业化
无线音频设备有着革命性的改变，同时考验着使用它们的专业技术人员。在中国无线音频系统常常不被重视，导致时常出现演出活动的不顺利甚至造成演出中断。在国外演出行业中有一个特别的音频技术工种：无线管理工程师。他们会为演出活动做无线技术保障工作，确保现场使用的专业无线音频设备安全工作，使整套音频系统正常运转。把无线音频设备管理当作一个专业技能知识，才能更好地适应当今发展迅速的节目形式和节目内容。
无线音频系统的传输虽然“看不见，摸不着”，但通过严谨而细心的工作与频率规划相结合，超大型的、多通道的无线话筒在大型演出能够顺利进行。无线音频系统在实际设计与操作中应科学而认真地注重过每一个细节，过去因为国内的音频从业者对无线音频系统的不重视，导致出现各种演出意外。严格按照无线音频操作规范，能够使演出者能在舞台上不受连接线材的束缚而完美演绎，不受无线频率的干扰而烦恼，增强演出的观赏性及效果。B&P
参考文献
一.中文部分
1．沈嘉强、陈宇功、杨明聪．《无线音频系统的设置技巧与操作流程规范》，2017.
2．Shure Audio Institute. www.shure.com.