Цифровая система инфракрасного распределения звука Integrus

Валерий Красильников

В 2003 г. компания Bosch Security Systems (ранее Philips CSI) объявила о выпуске первой в мире полностью цифровой системы инфракрасного распределения звука Integrus. Система предназначена главным образом для беспроводной трансляции каналов синхронного перевода во время проведения международных конференций. Применение современных технологий и передача аудиосигналов в цифровой форме позволили решить многие проблемы, присущие аналоговым системам инфракрасного распределения, и реализовать в системе Integrus новые функциональные возможности. В данной статье рассмотрен состав системы, приведены краткие сведения по технологии цифровой передачи сигнала, даны рекомендации по проектированию, а также представлены спецификации простейших систем.

1. Обзор системы

Система Integrus предназначена для беспроводной трансляции аудиосигналов с помощью инфракрасного излучения. Основная область применения системы – мероприятия с участием разноязычных делегатов (международные конференции, симпозиумы и др.). Для того чтобы иноязычные участники понимали представляемые материалы, привлекаются переводчики-синхронисты. Речь переводчиков транслируется в месте проведения мероприятия, при этом участники выбирают нужный им язык и слушают перевод через наушники. Integrus можно также использовать для передачи музыкальных программ (как моно, так и стереофонических).
Ниже приведены основные компоненты системы.

Передатчик
Это основной элемент системы Integrus. Существуют четыре типа передатчиков:
• LBB 4502/04 – с выходами на 4 аудиоканала;
• LBB 4502/08 – с выходами на 8 аудиоканалов;
• LBB 4502/16 – с выходами на 16 аудиоканалов;
• LBB 4502/32 – с выходами на 32 аудиоканала.

Интерфейсные модули
Для подключения разнообразных конференц-систем можно использовать один из двух интерфейсных модулей, монтируемых в корпус передатчика:
• LBB 3423/20 – модуль интерфейса с системой DCN;
• LBB 3422/20 – модуль с симметричным аудиовходом/модуль переводчиков. Модуль предназначен для подключения аналоговых дискуссионных или конференц-систем (например, CCS-800), либо шестиканальных пультов переводчика типа LBB 3222/04.

Излучатели
Имеются три типа излучателей:
• LBB 3410/05 – излучатель с широкой диаграммой направленности для небольших помещений;
• LBB 4511/00 – излучатель средней мощности для малых и средних помещений;
• LBB 4512/00 – излучатель большой мощности для средних и больших помещений.
На любом излучателе имеется переключатель полной и половинной мощности. Излучатели можно монтировать на стены или потолок, также есть напольные подставки.

Приемники
В системе могут быть использованы три типа приемников:
• LBB 4540/04 – для 4 аудиоканалов;
• LBB 4540/08 – для 8 аудиоканалов;
• LBB 4540/32 – для 32 аудиоканалов.
Приемники могут работать как с NiMH аккумуля-
торами типа LBB 4550/00, так и с одноразовыми батарейками. Зарядное устройство находится внутри приемника.

Оборудование для зарядки
Для системы Integrus могут быть использованы как мобильные чемоданы LBB 4560/00, так и стационарные шкафы LBB 4560/50 для зарядки и хранения приемников. В каждое устройство можно поместить до 56 приемников.

2. Технология

2.1 Инфракрасное излучение

Работа системы Integrus основана на передаче модулированного инфракрасного излучения, котрое является частью спектра электромагнитного излучения, состоящего из видимого света, радиоволн и других видов излучения. Длина волны инфракрасного излучения чуть больше, чем у видимого света. Так же как видимый свет, инфракрасное излучение отражается от твердых поверхностей и проходит сквозь светопрозрачные материалы, например через стекло. Спектр инфракрасного излучения представлен на рис. 1 вместе со спектрами других видов излучения.

2.2 Обработка сигнала
В системе Integrus используются несущие высокой частоты (2 – 8 МГц) для предотвращения проблем, вызываемых интерференцией с источниками света (см. пункт 2.7). Высокое качество звука обеспечивается за счет использования цифровой обработки аудиосигнала.
Обработка сигнала в передатчике может быть представлена в виде следующих основных шагов (рис. 2):

1. Аналого-цифровое преобразование. Каждый аналоговый аудиоканал преобразуется к цифровому виду.
2. Сжатие. Цифровые сигналы подвергаются процедуре сжатия для увеличения объема информации, передаваемой по каждой несущей. Коэффициент сжатия соответствует требуемому качеству звука.
3. Создание протокола. Оцифрованные сигналы группируются по четыре, образуя поток цифровой информации. При этом происходит дополнительная обработка сигналов по специальному алгоритму, позволяющему приемнику определить и откорректировать ошибки, возникающие при передаче сигнала.
4. Модуляция. Высокочастотный сигнал несущей фазово модулирован с потоком цифровой информации.
5. Излучение. До восьми модулированных сигналов несущей направляются на излучатели, которые преобразуют их в модулированный инфракрасный свет.
В приемниках реализована обратная схема преобразования модулированного инфракрасного сигнала в отдельные аналоговые аудиоканалы.

2.3 Режимы качества
Передача сигнала в системе Integrus выполняется в следующих режимах качества:
• моно, стандартное качество, до 32 каналов;
• моно, улучшенное качество «премиум», до 16
каналов;
• стерео, стандартное качество, до 16 каналов;
• стерео, улучшенное качество «премиум», до 8
каналов.
В режиме стандартного качества используется меньший диапазон воспроизводимых частот, достаточный для передачи речи. Режим улучшенного качества «премиум» обеспечивает полноценное качество музыкального звучания, сравнимое с качеством CD.

2.4 Несущие и каналы
В зависимости от типа используемого передатчика система Integrus способна передавать до восьми несущих. Каждая несущая может содержать до четырех
аудиоканалов. Максимальное число каналов на несущую зависит от выбранного режима качества. Стереосигналы используют частотный диапазон в два раза более широкий, по сравнению с моносигналом. Режим улучшенного качества «премиум» также в два раза превышает частотный диапазон режима стандартного качества.
Возможна комбинация каналов с различными режимами качества в случае непревышения общего частотного диапазона. В таблице 1 приведены все возможные комбинации каналов на одну несущую.

2.5 Характеристики инфракрасных систем
Система инфракрасного излучения должна обеспечивать прием сигнала без помех всеми участниками мероприятия, находящимися в помещении. Для этого необходимо использовать требуемое количество излучателей, размещенных на тщательно выбранных местах таким образом, чтобы все помещение было равномерно покрыто инфракрасным излучением соответствующей мощности.
При проектировании системы инфракрасного распространения сигналов следует учитывать ряд вопросов, влияющих на равномерность распределения и качество инфракрасного сигнала.

2.6 Направленная чувствительность приемника

Приемник имеет максимальную чувствительность, когда он направлен прямо на излучатель. Ось максимальной чувствительности направлена вверх под углом 45° (рис. 3). При повороте приемника в пределах + 45° наблюдается незначительный эффект ослабления чувствительности. Однако этот эффект стремительно нарастает при повороте на большие углы.

2.7 Площадь покрытия излучателя
Площадь покрытия излучателя зависит от числа несущих, а также от его выходной мощности. У излучателя типа LBB4512/00 она в два раза больше, чем у LBB4511/00. Площадь покрытия может быть удвоена также путем установки рядом двух одинаковых излучателей. Суммарная энергия излучения перераспределяется между несущими, поэтому с увеличением числа несущих пропорционально уменьшается площадь покрытия. Для обеспечения соотношения сигнал/шум, равного 80 дБ, мощность инфракрасного излучения в зоне приема должна быть не менее 4 мВт/м2. На рис.4 представлена зависимость площади покрытия от числа несущих, а на рис.5 диаграмма направленности в полярных координатах для одной, двух, четырех и восьми несущих. Площадь внутри соответствующей диаграммы характеризует максимальную область уверенного приема инфракрасного излучения.
Пересечение трехмерной диаграммы направленности с горизонтальной плоскостью называется следом (белая область на рис. 6, 7 и 8). Другими словами, след диаграммы направленности – это часть горизонтальной плоскости, на которой мощность инфракрасного излучения достаточна для обеспечения качественного приема сигнала приемником, направленным в сторону излучателя. Таким образом, размер и расположение следа диаграммы направленности зависят от высоты и угла наклона излучателя.

2.8 Внешнее освещение
Система Integrus практически не подвержена влиянию внешнего освещения. На нее не влияют флуоресцентные лампы, например термолюминесцентные или энергосберегающие лампы, а также солнечный свет и искусственное освещение от ламп накаливания или галогеновых ламп до 1000 люкс. При более высокой освещенности, получаемой от ламп накаливания или галогеновых ламп, таких как лампы точечного света или сценического света, необходимо обеспечить прямую видимость между излучателями и приемниками. Для помещений с большими незатемненными окнами необходимо предусмотреть размещение дополнительных излучателей. Перед проведением мероприятия на открытом воздухе следует выполнить предварительное тестирование для определения требуемого количества излучателей. При установке достаточного количества излучателей система будет работать без ошибок даже при ярком солнечном свете.

2.9 Объекты, поверхности, отражения
Различные объекты, находящиеся в помещении, где проводится мероприятие, оказывают существенное влияние на распределение инфракрасного излучения. При этом важную роль играют также текстура и цвет объектов, стен и потолков.

Инфракрасное излучение отражается почти от любой поверхности. Так же как в случае видимого света, гладкие, яркие и блестящие поверхности имеют хорошие отражающие свойства. Темные и шероховатые поверхности поглощают значительное количество инфракрасного излучения (рис. 9). За небольшим исключением, инфракрасное излучение не проходит сквозь материалы, являющиеся непрозрачными для видимого света.
Проблему распространения инфракрасного излучения в условиях сложной геометрии стен и наличия мебели можно решить путем установки необходимого количества излучателей и их правильной ориентации. Мощность поля инфракрасного излучения при этом должна быть достаточна в любой точке помещения.
Не следует направлять излучатели на окна без штор, иначе большая часть инфракрасного излучения будет потеряна.

2.10 Расположение излучателей
При выборе мест размещения излучателей необходимо учитывать тот факт, что приемники могут принимать как прямое, так и отраженное инфракрасное излучение. Разумеется, наилучшим вариантом является прямой прием инфракрасного излучения, тем не менее не следует бороться с отражением излучения, поскольку отражение улучшает прием сигнала. Излучатели должны быть размещены достаточно высоко, чтобы впереди сидящие участники не загораживали поток излучения (рис. 10 и 11).
На рис. 12 и 13 показано, как инфракрасное излучение может быть направлено на участников мероприятия. В первом случае участник находится в зоне прямой видимости излучателя, поэтому на приемник он получает комбинацию прямого и отраженного излучения. Во втором случае нет прямой видимости между излучателем и приемником, поэтому на приемник попадает сигнал, отраженный от нескольких поверхностей.
В помещениях с центральным расположением участников мероприятия достаточно разместить излучатели под потолком в углах. В помещениях с малым или даже отсутствующим отражением, например в затемненных кинозалах, излучатели должны находиться на прямой видимости между излучателем и приемником.
Если направленность приемника изменяется в зависимости от места участника, лучше всего расположить излучатели по углам помещения (рис. 14).
Если аудитория всегда обращена в сторону излучателей, нет необходимости устанавливать излучатели сзади (рис. 15).
Если путь инфракрасному сигналу частично прегражден, например балконом, требуется дополнительный излучатель для покрытия «затемненной» области.

2.11 Наложение следов диаграмм
направленности и эффект многолучевого
распространения волн
Когда следы диаграмм направленности двух излучателей частично перекрываются, общая площадь покрытия может быть больше, чем простая сумма двух отдельных следов. В зоне перекрытия сигналы излучателей складываются, при этом площадь, где обеспечивается требуемая мощность излучения, увеличивается.
Однако имеет место и обратный эффект, когда вследствие разницы в задержке сигнала, получаемого приемником от двух или более излучателей, мощность результирующего сигнала уменьшается (эффект многолучевого распространения волн). В наихудшем случае это может привести к полной потере сигнала в зоне перекрытия (так называемые «черные пятна»). На рис. 17 и 18 схематично представлены эффект наложения следов диаграмм направленности и эффект многолучевого распространения волн.
Чем меньше частота несущей, тем меньше приемник реагирует на разницу в задержке сигнала. Задержки сигнала могут быть компенсированы с помощью специальных переключателей, установленных на излучателях.

3. Проектирование системы Integrus

3.1 Прямоугольный след диаграммы направленности
Для однозначного определения оптимального числа инфракрасных излучателей, требуемых для обеспечения 100%-ного покрытия зала, необходимо провести испытание на месте установки. Однако хорошая оценка может быть получена с использованием так называемого метода «гарантированных прямоугольных следов». На рис. 19 и 20 проиллюстрировано понятие «прямоугольного следа». Очевидно, что площадь прямоугольного следа меньше реального следа диаграммы направленности. Заметим, что на рис. 20 величина офсета X отрицательна, так как излучатель смонтирован за горизонтальной точкой начала прямоугольного следа.
В табл. 2 приведены значения площади и линейных параметров прямоугольных следов для различного числа несущих, а также различных значений высоты и угла наклона излучателей. Под «высотой» понимается высота размещения излучателя над плоскостью приема, а не над полом.
Существует эмпирическое правило для систем, в которых используется до четырех несущих, заключающееся в том, что если приемник может принимать сигналы от двух расположенных рядом излучателей, расстояние между этими излучателями может быть увеличено примерно в 1,4 раза (рис. 20).

3.2 Размещение излучателей
При проектировании размещения излучателей следует учитывать следующее:
• для определения мест установки излучателей следуйте рекомендациям п.2.3;
• определите по таблице параметры прямоугольных следов;
• нанесите прямоугольные следы на план помещения;
• если в некоторых зонах помещения приемник может принимать сигналы от двух расположенных рядом излучателей, определите эффект наложения и нарисуйте расширения следа на плане помещения;
• определите достаточность покрытия площади зала излучателями, расположенными в выбранных местах;
• если площадь покрытия не достаточна, добавьте дополнительные излучатели.
На рис. 14, 15 и 16 представлены примеры размещения излучателей.

3.3 Кабельная сеть
Разница в задержке сигнала возникает вследствие разной длины кабеля между передатчиком и излучателями. Для минимизации риска возникновения черных пятен используйте по возможности равные отрезки кабеля между передатчиком и каждым излучателем (рис. 21).
При подключении излучателей в цепочку кабельная сеть должна быть по возможности симметричной (рис. 22 и 23). Задержки сигнала вследствие разной длины кабеля могут быть компенсированы с помощью специальных переключателей, установленных на излучателях.

4. Техническая характеристика системы

Особенности и преимущества
• Система соответствует международному стандарту IEC 60914 для конференц-систем
• Система соответствует международному стандарту IEC 61603 (часть 7) для цифрового инфракрасного распространения аудиосигналов в конференц-системах и иных приложениях.
• Система поддерживает до 32 цифровых аудиоканалов.
• Беспроводная система передачи сигнала дает участникам мероприятия свободу перемещения.
• Защита информации обеспечивается самим принципом распространения инфракрасного сигнала, так как непрозрачные стены помещения играют роль барьера и защиты от подслушивания.
• Отсутствует взаимное влияние систем инфракрасной передачи сигнала, расположенных в соседних помещениях.
• Передача сигнала осуществляется в диапазоне частот 2 – 8 МГц, тем самым обеспечивая отсутствие помех от любых систем освещения.
• Цифровая передача аудиосигнала обеспечивает превосходное качество звучания.
• Эффективные методы сжатия сигналов обеспечивают незначительную потерю информации при пере-
даче.
• Безошибочная передача сигнала достигается
за счет применения комплексных методов коррекции ошибок.
• Синхронизация настроек приемника с числом используемых каналов избавляет пользователя от необходимости прокручивать неиспользуемые каналы.
• Имеется возможность гибкого программирования качества аудиосигнала на каждом канале:
– моностандартного качества для перевода речи;
– стереостандартного качества для трансляции музыкальных программ;
– моно- и стереокачества «премиум» для трансляции высококачественных аудиосигналов.
Тут приведена характеристика передачи сигнала.
Протокол и метод модуляции DQPSK

Характеристика аудиосигнала

см. таблицу

Системные ограничения

см. таблицу

5.Примерные спецификации

В приводимых ниже примерных спецификациях не учтены и не могли быть учтены конкретные конфигурации залов. Конфигурация зала может повлиять на количество и тип излучателей. Также не рассматривается вопрос о длине соединительного кабеля и количестве кабельных разветвителей и дополнительных источников питания.
Во всех спецификациях предполагается необходимость перевода на два языка (кроме основного), при этом для каждого языка используются два переводчика.

5.1 Базовая система синхронного перевода
Зал площадью 200 м2 рассчитан на 50 участников (таблица 3).
В данной спецификации не рассмотрен вопрос трансляции звука из зала переводчикам. Как правило, этот вопрос решается путем подключения линейного выхода имеющейся проводной или радиосистемы звукоусиления к линейному входу передатчика.

5.2 Система синхронного перевода
с конференц-системой CCS-800
Зал площадью 300 м2 рассчитан на 200 участников. Организован подиум с президиумом из шести человек, включая председателя. Докладчиком может быть один из членов президиума (табл. 4).
Звук докладчика транслируется к переводчикам через систему CCS-800. Применены два излучателя, так как аудитория и президиум, как правило, размещены лицом друг к другу и диаграммы чувствительности приемников развернуты в разные стороны.

5.3 Система синхронного перевода
с конгресс-системой DCN
Зал площадью 200 м2. Организован «круглый стол» на 36 человек, включая председателя. Докладчиком может быть один из участников «круглого стола». Приглашенные участники (слушатели) – 150 человек (табл. 5).

6. Заключение

Трансляция каналов синхронного перевода является основным, но не единственным возможным применением Integrus. Система может быть использована также для многоканального распределения музыки с возможностью выбора канала (например, в фитнесс-центрах, производственных помещениях и т.д.), для многоканального звукового сопровождения кинопоказа, театральных и других массовых мероприятий. Система может работать в качестве мобильного гида на выставках, экскурсиях (в том числе автобусных и водных), в музеях.
Система Integrus в совокупности с конференц- и конгресс-системами открывает широчайшие функциональные возможности для конечного пользователя, такие как подключение удаленного участника мероприятия или удаленного переводчика по телефонной линии, организация видеоконференц-связи и т.д.
В настоящей статье рассмотрен далеко не полный перечень возможного применения системы Integrus, позволяющей получать необходимую информацию на понятном языке с высочайшим качеством звука и обладать при этом свободой перемещения. Высококвалифицированные инженеры компании «Малтаск ТС», являющейся одним из дистрибьюторов фирмы Bosch Security Systems, готовы помочь вам в решении этих и других задач по функциональному наполнению залов.