“A fizikai megvalósíthatóság határán” – Interjú Gerrit Buhe-val, a Sennheiser elektronikai és jelfeldolgozó rendszereinek fejlesztési vezetőjével

A legnagyobb kihívás az volt – mely ugyanakkor egy állandó kihívást is jelent -, hogy egy olyan digitális átvitelt és valóban rendkívüli hangzásbeli jellemzőket kínáló vezeték nélküli mikrofon rendszert fejlesszünk ki, mely a fizikai megvalósíthatóság határait súrolja. Amint elérjük ezeket a fizikai határokat, az egységes műszaki megoldás – pozitív értelemben – a darabjaira hull. Számos területen mentünk el a legapróbb részletekig, és sok olyan kis megoldást fejlesztettünk ki, melyek lehetővé tették számunkra, hogy az audio jelek esetében a megszokottnál nagyobb adatátviteli sebességet érjünk el.

Analóg vezeték nélküli rendszereinket olyan eseményeken és show-műsorokban használják, melyek rendszerint nagyszámú csatornát alkalmaznak – és a digitális vezeték nélküli rendszereinknek minden tekintetben legalább annyira jól kell teljesíteniük! Azért kell az UHF-tartományon belül működnünk, mivel ez az egyetlen olyan frekvencia-tartomány, ahol jelenleg nagyméretű, több-csatornás installációk felállítása lehetséges. Mindamellett ahhoz, hogy egy vezeték nélküli rendszer engedélyt kapjon az UHF tartomány használatára, a vezeték nélküli kapcsolatnak nem szabad túllépnie egy bizonyos csatorna sávszélességet. Ez határt szab az adatátvitel sebességének. Sőt mi több, a nagy adatátviteli sebességhez egy jó jel-zaj viszony is abszolút elengedhetetlen. Ez fizika, melyet nem lehet megkerülni. Figyelmünket ezért arra összpontosítottuk, hogy az UHF sávban megbízhatóan megvalósítható, lehető legjobb adatátviteli sebességet biztosítsuk, mely egyben optimális hangminőséget és nagy dinamika-tartományt is eredményez. Ezt mindenekelőtt a legmodernebb és legnagyobb frekvencia-hatékonyságú modulációs módszerek saját igényeinkhez igazításával értük el. Másodsorban pedig a nem audio adatok arányának minimálisra csökkentse érdekében nagyszámú kifinomult extrát fejlesztettünk ki.

(nevetés) Tökéletesen ideális digitális vezeték nélküli mikrofon nem létezik – de úgy gondolom, nagyon közel vagyunk hozzá! De komolyan, nem létezik olyasmi, hogy minden alkalmazás számára ideális mikrofon, mivel az előbb említett fizikai korlátoknak köszönhetően egy digitális mikrofonnak mindig ésszerű kompromisszumokat kell kötnie például a működési időt, a méretet, a tömeget vagy a hatótávolságot illetően. Mindamellett a mi rendszerünk kétféle üzemmódot kínál a vásárlók számára, és ezért az alkalmazások és forgatókönyvek nagy sávszélességét képes lefedni. Eddig nem sikerült még az UHF tartományban vezeték nélkül olyan kiváló hangminőséget elérni, mint most a Digital 9000 rendszerrel.

A nagy-felbontású (High-Definition) üzemmódot és a nagy-hatótávolságú (Long-Range) üzemmódot. A HD üzemmód kompromisszumoktól mentes hangminőséget kínál, az audio jel tömörítése nélkül – pontosan úgy, mintha egy vezetékes mikrofont használna. Ez még új alkalmazási területeket is nyit a vezeték nélküli mikrofon számára. Például a magas igényeket támasztó jazz koncerteken csak vezetékes mikrofonokat használtak, mivel az analóg vezeték nélküli rendszerek zaj-elnyomó kompandere elfogadhatatlan volt ennek a zenei stílusnak a hangzásához. A Digital 9000 rendszer – azon túl, hogy szükségtelenné teszi a kompanderek használatát – tömörítés nélkül továbbítja az audio jelet, más szavakkal a teljes adatmennyiség átvitelre kerül. Eddig még egyetlen más gyártó sem próbálkozott ilyen nagy-felbontású üzemmód felkínálásával, ebben teljesen egyedülállók vagyunk.

A nagy-hatótávolságú LR üzemmód a mi ‘igáslovunk’, mely minden kritikus helyzetben megállja a helyét. Ez az üzemmód sok interferencia forrással rendelkező, nehéz RF körülmények között is magasfokú stabilitást biztosít. Ez az üzemmód a Sennheiser saját Digitális Audio Kodekjét használja, melyre méltán vagyunk büszkék, mivel ennek is köszönhető a rendkívüli hangminőség.

Ennek a kodeknek a használatával az LR üzemmód pontosan olyan stabil átvitelt biztosít, mint a hagyományos analóg FM átvitel, de sokkal jobb hangminőséget kínál. A Digital 9000 rendszer számos egyéb alkatrészéhez hasonlóan ennek a kodeknek is saját előtörténete van, mely teljesen szokványos módon akkor kezdődött, amikor elkezdtük áttekinteni a piacon kapható összes kodeket. Úgy találtuk, hogy ezek egyike sem felel meg az általunk támasztott magas szintű követelményeknek, ami a késleltetési időt, a dinamikai jellemzőket, a műtermékek hiányát, stb. illeti. Ezt egy hosszú ideig tartó intenzív együttműködés követte az ezen a területen érdekelt és érintett egyetemek és szakértők részvételével – többek között a hamburgi Helmut Schmidt Egyetemen oktató Zölzer professzorral.

Sajnos, ezen a ponton nem sikerült döntő áttörést elérnünk, de több különféle kérdésre is fontos megoldást találtunk, és az audio adattömörítésben elég tapasztalatot szereztünk ahhoz, hogy egy saját kodek kidolgozásával folytassuk a munkát. És állhatatosságunk meghozta gyümölcsét: a SeDAC hangminősége nagyon-nagyon magas szintű, és stabil működést biztosít még hibák előfordulása esetén is, ami rendkívül fontos a digitális átvitelnél, mivel az nem olyan “elnéző”, mint egy analóg rendszer. Annak érdekében, hogy digitális rendszerünket bizonyos mértékű ‘elnéző jóindulattal’ ruházzuk fel, a kodeket egy speciális hiba elrejtő funkcióval láttuk el, mely saját eljárásunkat a Zölzer professzor által kifejlesztett eljárással ötvözi. A hiba elrejtő funkció biztosítja, hogy a rendszer az audio jelet akkor is megbízhatóan vegye, ha az a lefedett terület határán van, így a Digital 9000 egyéb rendszereknél jobban és hosszabb ideig képes működni.

Jól példázza az analóg rendszerek elnéző természetét az, ahogy azok a térerő hézagokkal találkozva viselkednek. Ilyen gyors visszaeséseket okoz a vételi jelben a többutas terjedés, mely csaknem mindig jelen van. Egy analóg rendszerben ezek a hézagok a jel-zaj viszony arányos csökkenését okozzák, melynek pszichoakusztikus okokból rendszerint nincsenek súlyos következményei. Egy digitális rendszerben mindamellett nagy figyelmet kell fordítani az intelligens diversity és hibajavító eljárásokra vonatkozóan, hogy kivédjük a kimaradásokat az adatfolyamban vagy ami még rosszabb, az audio jelben.

A hiba elrejtő funkció esetén azt is mondhatjuk, hogy emberi tulajdonságokkal ruháztuk fel az algoritmusokat. A rendszerben több fix és egy adaptív előrejelző működik egyszerre, és ezek mindegyike előrejelzi, hogy a következő minta valószínűleg hogyan fog kinézni. Ha a jel interferenciája miatt hiányzik az audio adat, az előrejelzésben addig legsikeresebb előrejelző engedélyt kap az audio jel kijavítására. Ezek a hibák egy milliszekundumnál jóval rövidebb ideig tartanak. Az audio jelben jelentkező hosszabb hibák esetén további eljárás során vizsgálja a rendszer, hogy érdemes-e javítani a hibát, vagy a rendszer inkább óvatosan elnémítsa azt. Az összes ilyen eljárásnak további késleltetés nélkül kell véghezmennie, ami az egyik legnagyobb megoldandó kihívást jelentette számunkra.

A Digital 9000 több, mint egy digitális mérföldkő – jelentősen javította a vezeték nélküli átvitel minőségét is. A rendszert olyan nagy körültekintéssel terveztük – a maximális linearitás megtartásával a tervezés minden szakaszában -, hogy a két közeli rádiómikrofon között rendszerint fellépő erős keresztmodulációs interferencia, már a múlté. A Digital 9000 rendszer által használt digitális moduláció miatt az adóegység kimeneti szakaszainak különösen lineárisan kell működniük, mivel máskülönben a rendszer nem tudna különbséget tenni a biteket szállító számos amplitúdó és fázis státusz között. Ez a linearitás csökkenti a hatékonyságot és ezáltal az adóegység üzemidejét, cserébe viszont – a rendkívül alacsony modulációs torzítás mellett – kiküszöböli a keresztmodulációt. Emellett az adóegységek olyan izolátorokkal vannak felszerelve, melyek az RF jelet csak a jeltovábbítás irányába engedik haladni, miközben a érkező RF jelek is “ártalmatlanításra” kerülnek.

Inkább azt mondanám, hogy a digitális technika egyike azon modern csodáknak, melyek a dolgokat egyszerűnek tüntetik fel – ami vagy ténylegesen így van, vagy rendkívül összetett belső folyamatok eredményeként jön létre. Az egyik kihívás például a stabil jelátvitel. A stabil adatátvitelt biztosító szokásos módszerek legtöbbje nem használható mikrofonokhoz, mivel tovább növelné a rendszer látenciaidejét. Azok a művészek, akik előadás közben a monitor rendszeren keresztül is hallják magukat, nemcsak egyfajta visszhang-hatással, hanem a tíz milliszekundumos késleltetésből adódó, elfogadhatatlan hang elszíneződéssel is meg kéne birkózniuk. Ezeket az elszíneződéseket a bizonyos audio frekvenciáknál jelentkező fázis-kioltások okozzák (fésűs-szűrő hatás), és rendkívül zavaróak.

Szabadalmaztatott megoldásaink egyike az ún. relevancia-alapú RF-csatorna kódolás. Mivel optimális hibák elleni védelmet kívánunk elérni, de ehhez a lehető legkisebb adatátviteli sebességet akarjuk alkalmazni – máskülönben az inkább az audio adatokhoz használni kívánt helyet foglalna el -, a továbbított biteket a rendszer értékeli és csoportokra osztja. Ezek között vannak ún. ‘kevésbé jelentős bitek’, melyeknél egy hiba nemigen jár következményekkel. Ezeknél teljesen elég egy alacsony szintű védelem a hibák ellen. A magasabb besorolású, jelentősebb bitek esetében a hibák elleni védelem lineárisan nő. Minél nagyobb energiájú interferenciát képes egy potenciális hiba generálni, annál erősebb lesz a hiba elleni védelem.

Az RF terjedés fizikai jellemzői természetesen azonosak, de miközben az analóg FM kapcsolatokra vonatkozóan több évtizedes gyakorlati tapasztalattal bírunk, nem létezik olyan elméleti adat, mely a ránk vonatkozó terjedési útvonalakat modellezné. A mobil kommunikáció esetében már régóta létezik ilyen adat. Például dombos területen, 50 km-es sebességnél is hozzá tudok férni számos profilhoz, és adatokhoz is jeltovábbítás céljából. A mi alkalmazásainknál azonban először be kell gyűjtenünk ezeket az adatokat. Így megnéztünk néhány koncerttermet és rendezvény helyszínt a világ különböző tájain, és méréseket végeztünk – pl. azért, hogy lássuk, milyen torzulások jelentkeznek, és megvizsgáljuk, hogyan tudnánk orvosolni a problémákat, stb. Azután modelleztük ezeket a ‘terjedési csatornákat’, hogy optimalizáljuk az általunk alkalmazott átviteli eljárások algoritmusait. Algoritmusok segítségével egyenlítjük ki az audio jeleket, illetve ezeket használjuk a diversity technikánál is.

A vezeték nélküli átvitelben a több-utas terjedés eredményeként (más szavakkal a falakkról, szerkezetekről vagy tárgyakról való visszaverődés miatt) különösen nagy kioltások jelentkezhetnek. Ezért két antennát és két teljes vételi útvonalat használunk, és mindkét útvonalat teljes mértékben demoduláljuk, egészen bit-szintig. Továbbá a vevőegység útvonalanként kiértékeli mindegyik demodulált bit megbízhatóságát. Míg a hagyományos True Diversity rendszer csak a vételi jel erősségét vizsgálja, a Digital 9000 minden egyes bit minőségét megvizsgálja és az értékelés alapján kombinálja a két vételi útvonal bitjeit. Ez elősegíti a hiba felismerést és javítást, így több hiba javítható ki. Jelentős plusz erőfeszítéseket tettünk ennek a diversity módszernek a tökéletesítése érdekében. Azzal, hogy az adatátvitel minden egyes elemére részletes aprólékossággal figyeltünk, egy olyan rendszert alkottunk, mely tényleg tökéletesebbé teszi a digitális vezeték nélküli átvitelt.

A Digital 9000-es rendszerről bővebben itt olvashat.

Képaláírások:

Gerrit Buhe.jpg: Gerrit Buhe – az elektronikai és jelfeldolgozó rendszerek fejlesztési vezetője