Entendiendo los sistemas de microfonía inalámbrica

Los micrófonos inalámbricos se utilizan en espectáculos donde los intérpretes han de moverse libremente por el escenario sin la limitación que impone la presencia de un cable.

Los sistemas de microfonía inalámbricos convierten las señales de audio procedentes de un micrófono o de un instrumento en señales de radiofrecuencia, que pueden ser transmitidas por el aire desde un emisor hasta un receptor, donde se volverán a convertir a la señal de audio original.

En todos estos sistemas siempre hay pérdida de calidad: la señal será más susceptible de recibir interferencias si se transporta por radiofrecuencia que si lo hace a través de un cable. A esto hay que añadir la pérdida de calidad que supone el procesado de la señal, tanto en emisión como en recepción, para poder adaptarla a las características del medio de transmisión. Esto afecta tanto al ancho de banda de la respuesta en frecuencia como al margen dinámico.

Los sistemas de microfonía inalámbricos están compuestos por una fuente de entrada que genera señal de audio —como un micrófono o un instrumento—; un emisor, que normalmente se coloca adosado al cuerpo del intérprete; y un receptor, que se coloca en la entrada correspondiente del canal de la mesa de mezclas asignado a ese micrófono. También existen adaptadores inalámbricos que convierten cualquier micrófono común en un micrófono inalámbrico, convirtiendo la señal de audio en señal de radiofrecuencia apta para la transmisión.

El emisor y el receptor han de estar sintonizados —es decir, trabajar en la misma frecuencia portadora— para que se produzca el transporte de la señal de radiofrecuencia.

Para minimizar los problemas que pueden aparecer durante el transporte, que normalmente se presentarán en forma de interferencias, se ha desarrollado la técnica diversity, que consiste en colocar dos sistemas de recepción en diferentes lugares del recinto que recibirán las señales del mismo emisor. Es decir, cada micrófono cuenta con un emisor y dos sistemas de recepción sintonizados en la misma frecuencia, colocados en diferentes lugares. De esta forma se puede seleccionar la señal más limpia en recepción. Entiéndase aquí que puede duplicarse únicamente la antena, o también el módulo de recepción, todo ello integrado en un mismo receptor como dispositivo físico.

Transmisor de radiofrecuencia

El primer bloque de un transmisor de radiofrecuencia es la entrada de audio: aquí se realiza la adaptación eléctrica adecuada entre la fuente de entrada y el resto del dispositivo. Para ello cuenta con unos controles de ganancia (sensibilidad) y unos conmutadores de impedancia de entrada. Si es necesario proporcionar alimentación fantasma se activa también desde este bloque.

Posteriormente se encuentra el bloque de procesado o tratamiento de señal. Aquí se prepara la señal para su transmisión, tratando de compensar las limitaciones impuestas por el medio. Para ello se somete a la señal de audio a varios procesos:

Pre-énfasis: consiste en una ecualización que amplifica la señal de audio en la banda de más alta frecuencia para reducir los efectos adversos de ruido que existen en esa parte del espectro y que aparecen durante la transmisión en FM.

Compresión: consiste en la compresión del margen dinámico de la señal de audio, con un ratio de valor típicamente 2:1 para adaptar la señal al rango dinámico limitado de transmisión FM (50 dB.). El proceso de compresión reduce el rango dinámico del audio antes de que se transmita.

A continuación se encuentra un limitador, que regula la dinámica de la señal de audio para evitar saturaciones de esta antes del proceso de modulación de la misma.

El siguiente bloque es el modulador de radiofrecuencia. La señal de audio se envía a un mezclador, donde un oscilador controlado por tensión (VCO) genera una señal portadora de alta frecuencia. Es en este bloque donde realmente se convierte la señal de audio en una señal de radiofrecuencia mediante una modulación en frecuencia (FM). El valor de la frecuencia de la señal portadora varía en función de las variaciones de amplitud de la señal de audio a transmitir, la combinación de estas dos señales, portadora y audio, da lugar a la señal de radiofrecuencia que finalmente se transmite.

El último bloque previo a la transmisión de la señal es el del procesado de la señal de radiofrecuencia. Una vez modulada la señal, se filtra para eliminar las posibles frecuencias espúreas que hayan podido aparecer durante el proceso de modulación y se amplifica con la potencia suficiente para lograr cubrir la distancia requerida en transmisión. En el caso concreto de la microfonía inalámbrica la potencia de transmisión suele variar entre 10 y 50 mw.

Para asegurar una transmisión eficaz de la energía radiada es conveniente contar con valores de ROE (Relación de Ondas Estacionarias) cercanos a la unidad en este bloque final del transmisor. Este parámetro establece la relación entre la energía aplicada eficazmente a la onda de radiofrecuencia a transmitir y, la que se pierde, generando además la aparición de ondas estacionarias en la antena de transmisión que volverán al cuerpo de éste provocando un funcionamiento indeseado del mismo. Un valor de ROE cercano a la unidad implica que no existe potencia reflejada, y por tanto tampoco pérdida de energía.

Receptor de radiofrecuencia

El receptor de radiofrecuencia normalmente posee algún tipo de indicador de tipo vúmetro que permite controlar el nivel de la señal de audio, incluso un indicador de sobrecarga (overload) que avisará si se produce saturación de señal. También resulta muy útil que incorpore algún tipo de dispositivo medidor de nivel de señal de RF. De este modo se puede monitorizar si la recepción, y con ello la transmisión, se están llevando a cabo correctamente.

El primer bloque del receptor es conocido como Front End. Aquí se realiza el filtrado dejando pasar sólo la banda donde se encuentre la frecuencia sintonizada (frecuencia portadora). La calidad del receptor dependerá en gran medida de la calidad y la precisión de actuación de estos filtros.

Posteriormente se encuentra un amplificador de radiofrecuencia que dotará a la señal de radiofrecuencia del nivel adecuado para poder seguir trabajando con ella. Normalmente la señal recibida es débil, debido a que ha sufrido atenuación por distancia al cubrir el trayecto de transmisión requerido, y también a que ya de por sí la potencia de partida es de un valor relativamente bajo —recordemos que oscila entre 10 y 50 mw—.

El siguiente bloque está formado por un oscilador y un mezclador. Los receptores de radiofrecuencia están basados en la heterodinación de la señal; es decir, que dependiendo de cuál sea la frecuencia de sintonización (fsint) del sistema se generará un valor de frecuencia en el oscilador (fvco) de modo que la resta de ambos valores dé como resultado el valor conocido como Frecuencia Intermedia (10.7 MHz. en los sistemas que utilizan demodulación FM, fsint – fvco = FI). Esta circunstancia permite que todos los procesos posteriores, principalmente la demodulación, se realicen siempre en los mismos valores de frecuencia independientemente de la frecuencia de sintonización del sistema, lo que conlleva una simplificación en el diseño y una mejor calidad en el tratamiento de la señal al minimizar los errores de operación y procesado de esta.

El ancho de banda del filtro de Frecuencia Intermedia determina la selectividad del sistema: si presenta una alta selectividad puede operar con frecuencias de trabajo más próximas. Una vez que se ha rebajado la señal al valor de frecuencia intermedia se procede a la demodulación de esta, en este caso se realiza una demodulación FM extrayendo la señal de audiofrecuencia para tratar de restaurarla a su estado original.

Una vez que se tiene señal de audio se lleva a cabo su procesado o tratamiento. Aquí se devuelve a su estado inicial tratando de compensar las limitaciones impuestas por el medio de transmisión. Para ello se somete a la señal de audio a varios procesos complementarios a los llevados a cabo en el módulo de transmisión, recordemos que estos fueron pre-énfasis y compresión, por lo que ahora se somete a la señal a procesos de de-énfasis y expansión.

De-énfasis: consiste en una ecualización que atenúa la señal de audio en la banda de más alta frecuencia. Cuando se combina con un “pre-énfasis” en el transmisor, se reduce el ruido de alta frecuencia hasta 30 dB.

Expansión: consiste en la expansión del margen dinámico de la señal de audio, con un ratio de valor típicamente 1:2 para devolver la señal a su rango dinámico original. El propósito del proceso de compresión/expansión, más conocido como companding o compander, es conservar la proporción original de la señal a ruido.

Cada fabricante diseña companding diferentes, utiliza ratios de compresión y expansión levemente diferentes, y tiempos de ataque y recuperación también dispares, lo que origina que los sistemas no sean realmente compatibles entre sí, esto sucede incluso dentro de la misma marca en diferentes gamas. Esta es la circunstancia que hace que los sistemas no sean del todo compatibles entre sí, puede suceder que se transmita y se reciba la señal de radiofrecuencia; pero no se escuche la señal de audio con suficiente calidad.

Este procesado puede ser también multibanda. Tiene el inconveniente de que suele introducir algo de ruido en graves, y además sucede que cada marca coloca la frecuencia de corte en un valor diferente, y utilizan tiempos de ataques y recuperación también dispares en cada banda que hace a los sistemas menos compatibles aún. Existirá transmisión-recepción; pero con mala calidad de audio.

El último bloque del receptor es un amplificador de audio que aporta a la señal la ganancia suficiente para poder entrar en el previo de la mesa de mezclas.

Para mejorar la recepción de la señal de radiofrecuencia, que suele verse comprometida por la existencia de ruido e interferencias, se ha diseñado un sistema conocido como Squelch, que consiste en un silenciamiento automático de la señal de entrada cuando esta no se adapta a las condiciones requeridas. Se puede producir de dos modos diferentes

• Por amplitud (threshold). Si la señal recibida tiene un nivel inferior a un umbral marcado por el usuario en el receptor ésta se silencia automáticamente. Presenta el inconveniente de que no detecta las interferencias, de modo que si la señal entrante tuviera un valor de energía superior al umbral, pero con interferencias, el squelch permanecería abierto y la señal seguiría su curso. Su ajuste óptimo es justo por encima del ruido máximo existente en cada momento.
• Por tono piloto codificado o subtono. Se emite un tono en un valor de frecuencia concreto cuando se está transmitiendo señal de radiofrecuencia desde el emisor al receptor. El receptor comprueba las señales entrantes y chequea si el tono piloto de alta frecuencia está presente. Si está presente deja pasar la señal al receptor; si no lo encuentra, el receptor asume que la señal no es de su propio transmisor y se mantiene silenciado incluso si la señal de interferencia es muy fuerte. En el proceso de encendido, la portadora emite instantáneamente, y el tono se incorpora después de que la señal de RF se estabilice. De esta forma se enmascara cualquier ruido de encendido. En el proceso de apagado, el tono deja de emitirse inmediatamente silenciándose así el receptor, la portadora se desconecta después, de esta forma se enmascara cualquier ruido de apagado. Los sistemas de silenciamiento por tono piloto pueden ser engañados por una intermodulación que se produzca justo en ese valor de frecuencia.