Sicherer Betrieb von Mehrkanalanlagen

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yamaha4711
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Da es aktuell und wohl auch in Zukunft immer wieder Fragen zu Mehrkanalanlagen gibt bzw. geben wird, würde ich gerne ein kleines Tutorial hier einstellen, sofern dies erlaubt ist.

Aufgrund der fallenden Kosten im Bereich Funkmikrofone und der schieren Anzahl an Geräten, welche in den unterschiedlichsten Frequenzbereich arbeiten, kann es schnell zu Irritationen kommen, welche dann auch noch durch Marketing unnötig forciert werden. Da steht der unbedarfte Nutzer dann da und wird von allen Seiten mit möglichen und auch unmöglichen Konstellationen zugeschüttet.

Zunächst möchte ich sagen, dass der Betrieb, vor allem der sichere Betrieb von Mehrkanalanlagen nicht trivial ist und hierfür ein einfaches Basiswissen nicht wirklich weiter hilft. Man sollte schon von Dingen wie Frequenzhub, Trennschärfe, effektive Bandbreite, Intermodulationsprodukte, Einstreuungen, Interferenz, Abschattung, Beugung, Streuung, Absorbtion gehört haben und auch halbwegs verstanden haben, was das bedeutet. Nicht ohne Grund gibt es bei größeren Events die Position des Frequenzmanagers mit eindeutiger Kompetenz im Bereich HF. Eine komplette Abhandlung der Begrifflichkeiten möchte ich vermeiden, da man sich dies auch selbst erlesen kann. Der Quellen gibt es viele. Daher nur eine ganz grobe Klärung der Begrifflichkeiten. Es geht mir hauptsächlich darum, so manch unbedarftem Nutzer die Augen zu öffnen, damit man weiß worauf man sich einlässt und worin die Unterschiede im Detail liegen.

Bis zu 6 Anlagen sollten mittlerweile durch die Hersteller und deren Bedienungsanleitungen, sowie den vorgegebenen Frequenzen zu 90% sicher beherrschbar sein, solange man nicht in der untersten Schublade wühlt.. Es soll hier vor allem um Funkanlagen gehen, bei denen mehr als 6 Kanäle simultan laufen sollen und dies eben betriebssicher.

Vorausschicken möchte ich die immer wieder vernachlässigte Position des Mikrofonmangagemnts auf der Bühne. Je mehr Mikros generell im Einsatz sind, vor allem wenn diese durchwechseln, desto wichtiger wird diese Position und sollte auch unbedingt besetzt und ernst genommen werden. Im Bühnenstress ist es schnell mal geschehen, dass das Mikro vertauscht wird oder gar nicht erst aktiviert ist. Auch der Sitz von Headsets oder Lavaliers kann und muss an dieser wichtigen Position kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert werden. Nichts ist schlimmer, als dass eine Person auf der Bühne steht und das Mikrofon, aus welchen Gründen auch immer, nicht nutzbar ist. So etwas ist peinlich und unprofessionell, auch bei kleinen Darbietungen.

Was uns allein klar sein muss: Es kann immer nur einen aktiven Sender auf einer spezifischen Trägerfrequenz geben. Dieser Träger muss dazu noch einen frequenztechnisch ausreichenden Abstand zu einem benachbarten Träger haben. Dadurch ist die Anzahl der maximal möglichen Trägerfrequenzen innerhalb eines Frequenzbandes begrenzt.
Ein Sender kann dabei durchaus mehrere, gleich eingestellte Empfänger versorgen, welche aber in jedem Fall genau dasselbe Signal ausgeben werden. Dieses Prinzip findet beim In-Ear-Monitoring Anwendung: Ein Sender, mehrere Empfänger. Oder ganz banal beim guten alten Radio.

Begrifflichkeiten
a) Frequenzhub, Nennhub
Um ein Audiosignal über einen HF Träger zu übertragen muss dieser auf geeignete Art und Weise moduliert werden, d.h. die Eigenschaften des Audiosignals müssen dem HF Trägermit auf den Weg gegeben werden. Dies geschieht in der analogen Welt vornehmlich mittels Frequenzmodulation (FM). Dazu wird der HF Träger um seine Mittenfrequenz, welche man auch als Trägerfrequenz bezeichnet und am Sender/Empfänger eingestellt wird, angehoben/abgesenkt. Damit man in hinreichender Qualität ein Audiosignal im Bereich 20 - 20.0000 Hz übertragen kann, sollte der Frequenzhub doppelt so groß sein, also +/- 40 kHz. Diese Kenngröße ist wichtig für die Berechnung der maximalen Anzahl an Kanälen, welche simultan arbeiten können.
Nehmen wir an die Trägerfrequenz sei 650,250 MHz. Aus obiger FM Modulation ist nun nicht genau nur diese Trägerfrequenz durch diesen einen Sender okkupiert, sondern der Frequenzbereich 650,250 MHz +/- 40 kHz, also 650,210 - 650,290 MHz. Damit ist innerhalb dieses Frequenzbereichs kein weiterer Sender mehr möglich, da dies sonst zu einer Frequenzkollision führen wird.

b) Trennschärfe
Jeder Empfänger hat als Kenngröße seine sogenannte Trennschärfe. Wie der Name es schon sagt, bezieht sich diese Kenngröße darauf, wie gut ein Empfänger zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Trägerfrequenzen trennen kann. Je besser die Trennschärfe, desto weniger wird die Empfangsstufe durch benachbarte Trägerfrequenz gestört, Allerdings kostet es enormen Aufwand, um entsprechende Filterstufen, vor allem im Bereich HF Technik, zu konstruieren. Daher sind Geräte mit einer hohen Trennschärfe nicht gerade billig und oftmals ist genau das der Hinderungsgrund bei billigeren Anlagen, welche eben aufgrund ihrer endlichen Trennschärfe dann nicht mehr genau zwischen zwei nahe beieinander liegenden Trägern unterscheiden können. Damit sinkt automatisch die Anzahl an möglichen Trägerfrequenzen und damit die Anzahl der möglichen, simultan zu betreibenden Kanälen.

c) effektive Bandbreite
Eine weitere Eigenheit der FM Modulation sind die dabei entstehenden Seitenschwingungen. Ein Sender strahlt nicht voll diskret innerhalb seines Trägers ab, sondern erzeugt bedeuerlicherweise Seiten- oder Nebenschwingungen, welche sich aber berechnen lassen. Diese Seitenschwingungen hängen von der Güte des Senders ab und von seinen Kenngrößen wie Frequenzhub und Modulationsfrequenz. Je größer der Hub und die zu übertragende Nutzfrequenzbandbreite im Audiobereich ist, desto größer fallen diese Seitenschwingungen aus. In der Praxis geht man davon aus, dass diese Seitenschwingungen störend sind, solange sie über 10% der Hauptschwingung betragen. Daraus und aus der Trennschärfe des Empfängers ergibt sich dann eine Mindestbandbreite zur Übertragung eines Kanals für einen spezifischen Träger. Dadurch muss jeder benachbarte Träger um mindestens diesen Betrag nach oben oder unten versetzt sein, damit es zu keiner Frequenzkollision kommt und das System betriebssicher funktioniert. In der Regel liegt dieses effektive Bandbreite bei 400-500 kHz. Bei preisgünstigen Anlagen kann es auch mal deutlich über 800 kHz liegen, bei sehr guten Anlagen auch mal unter 200 kHz. Es ist leicht einzusehen, dass bei einer hinreichend guten Abstimmung zwischen Sender und Empfänger auch deutlich mehr Anlagen simultan betrieben werden könnten, wenn da nicht noch andere pysikalische Eigenheiten wären.

d) Intermodulationsprodukte
Jeder Sender wechselwirkt aufgrund der abgestrahlten HF Energie mit anderen Sendern und Empfängern in seiner näheren Umgebung. Dabei entstehen durch nichtlinearitäten unter anderem sogenannte Intermodulationprodukte, welche als Summe aus mindestens zwei Sendern durch Überlagerung entstehen und einen "virtuellen" Träger entstehen lassen. Dieser Träger blockiert damit diese Frequenz, so dass diese nicht mehr nutzbar ist. Störend dabei sind vor allem Intermodulationen 3. Ordnung, welche sich berechnen lassen und in jedem Fall beim Frequenzmanagment mit einbezogen müssen. Aufgrund dieser Intermodulationsprodukte fallen bestimmte Bereich innerhalb eines diskreten Frequenzbereiches weg und damit sinkt die Anzahl der möglichen Kanäle zum Teil drastisch. So kann es sein, dass aufgrund nur einer bestimmten Trägerfrequenz gleich 4 andere Trägerfrequenzen eben durch Intermodulation blockiert werden und damit nicht mehr nutzbar sind.

e) Einstreuungen
Des Weiteren sind die Sender/Empfänger empfindlich gegenüber Einstreuungen, wie sie z..B. von anderen Sendern verursacht werden (DVB-T, Mobilfunk, etc.). Aber auch die auf der Bühne befindlichen Sender können sich gegenseitig, abgesehen von den aus d) bekannten Intermodulationsprodukten, stören, in dem z.B. einfach die HF Eingangsstufe oder eine Zwischenstufe übersteuert wird. Dies geschieht vornehmlich dann, wenn sich Sender und Empfänger oder eben auch Sender und Sender zu nahe kommen. Dies ist dann gar meist unabhängig von den gewählten Trägerfrequenzen. Daher müssen Sender und Empfänger in jedem Fall hinreichend gut baulich abgeschirmt sein und es müssen eben bestimmte Regeln in der Konstruktions des HF Teiles beachtet werden, damit dieses Risiko minimiert wird. Je besser, desto mehr Sender und Empfänger können auf einer definierten Fläche gleichzeitig eingesetzt werden. Hilfreich bei dieser Art von Störung ist eine Minimierung der Sendeleistung am Sender, sofern dies möglich ist.

f) Interferenz
Interferenzen treten immer dann auf, wenn zwei Quellen interagieren, dabei ist es unerheblich ob es sich um eine primäre Quelle (z.B. Sender) oder eine sekundäre Quelle (z.B. reflektierende oder streuende Begrenzungsfläche) handelt. Bei der Interferenz muss man zwischen destuktiver Interfernz (Abschwächung, Auslöschung) und konstruktiver Intrerferenz (Überhöhung) unterscheiden. Beide Fälle sind nicht optimal, da bei einer Überhöhung es z.B. zu einer Übersteuerung der Eingangsstufe kommen kann. Das Phänomen Interferenz ist oftmals für sogenannte Dropouts, welche punktuell auftreten, verantworlich, da durch destruktive Interfernz das Signal an einem Punkt im Raum extrem schwach wird. Aus diesem Grund sind heute die meisten Funkanlagen als Diversity ausgeführt. Dabei wird im einfachsten Fall zwischen zwei unabhängigen Antennen, welche auf ein und dasselbe Empfängsmodul auflaufen Stumpf je nach Signalstärke hin- und hergeschaltet (Antennendiversity). Bem besseren True Diversity wird jede Antenne an ihren eigenen Empfangteil angeschlossen und das jeweils beste Signal wird an die weiterverarbeitenden Stufen durchgeschaltet.

g) Abschattung
Je kürzer die Wellenlänge ist, desto unwilliger geht eine elektromagnetische Welle um eine Ecke. Dies führt vor allem bei Trägern im Bereich 1800 MHz und 2400 MHt (WLAN) zu Abschattungen, sobald sich Sender und Empfänger nicht mehr "sehen". Gerade bei höheren Frequenzen ist es ratsam eine Sichtverbindung aufrecht zu erhalten, um eben Abschattungen zu vermeiden.

h) Beugung
Der Effekt der Beugung einer elektromagnetischen Welle ist dafür verantwortlich, dass man auch um Ecken Empfangen kann. Sozusagen ist die Abschattung der Effekt einer nicht mehr genügenden Beugung. Je länger die Wellenlänge ist, desto effektiver wird eine Welle gebeugt und geht damit besser um Ecken.

i) Streuung
Wellen werden je nach Wellenlänge an Objekten, welche Unregelmässigkeiten im Bereich ihrer Wellenlänge oder des vielfachen davon aufweisen gestreut. Dabei wird, wie auch bei Reflektion oder Beugung, die Feldstärke abgeschwächt und es kommt zu Interferenzen.

j) Absorbtion
Die Energie des Senders wird, sobald die Welle ihre Quelle (Antenne) verlässt, abgedämpft. Eine extreme Form der Dämpfung ist die Absorbtion, bei welcher im schlimmsten Fall die gesamte Sendeenergie in Wärme umgewandelt wird. Jedes Material weißt für eine spezifische Wellenlänge einen spezifischen Dämpfungsfaktor aufgrund von Absorbtion auf. Besonders extrem ist dies z.B. im Bereich 2.4 GHz (WLAN). Das Fatale an diesem Frequenzbereich ist, dass Wassermoleküle in diesem Bereich zu Schwingungen angeregt werden und dadurch die Energie sehr gut absorbieren. Dummerweise besteht der Mensch hauptsächlich aus Wasser und so besteht die Wahrscheinlichkeit, dass in einem leeren Saal die Funkverbindung im Bereich WLAN noch einwandfrei funktioniert, doch spätestens wenn sich der Saal füllt, geht die Signalstärke in die Knie, bis zum Abbruch der Funkverbindung. Aber auch andere Materialien, wie Beton, Glas, Metall absorbieren die Energie eines Senders.

Mehrkanalanlage betriebssicher machen
Um eine Mehrkanalanlage betriebssicher zu machen muss man sich als erstes Gedanken über die Trägerfrequenzen machen. Hierzu ist es ratsam einen Bereich zu wählen, welcher genügend Raum nicht nur für die benötigten Trägerfrequenzen bietet, sondern auch noch genügend Raum für Ausweichfrequenzen, denn man kann immer nur direkt vor Ort feststellen, ob eine geplantes Setup auch wirklich fehlerfrei funktioniert.

Sobald man mehr als 8 Kanäle betreiben möchte, ist es mehr als empfehlenswert den Bereich 470 - 699 MHz zu wählen. Dieser Bereich ist zwar anmelde- und gebührenpflichtig, doch die notwendigen finanziellen Mittel sind im Vergleich zur Kostennote einer entsprechenden Funkanlage zu vernachlässigen. Möchte man im Bereich LTE Mittenlücke/ISM/WLAN oder auch 1800 MHz arbeiten, dann soll an dieser Stelle gesagt sein, dass dies in jedem Fall den Status jugend forscht hat und als nicht sinnvoll anzusehen ist, da hier ärger und stress vorprogrammiert sind, egal was die Hersteller in ihren Marketingaussagen dem Nutzer suggerieren mögen.

Anlagen, welche mehr als 8 Kanäle simultan können, müssen eine entsprechende Schaltbandbreite aufweisen. Je höher die Schaltbandbreite ist, also der Frequenzbereich welcher durchgängig durch die Anlage abgedeckt werden kann, desto besser und desto mehr Kanäle können theoretisch simultan betrieben werden. Die dafür notwendige HF Technik ist nicht billig und daher liegen diese Anlagen im deutlich gehobenen Preissegment. Beispiele hierfür sind die professionellen Anlagen von Herstellern wie Sennheiser (ab 2000er Serie), Shure (ULX), beyerdynamic (TG 1000), Wisycom oder auch MiPro (ACT 7x Breitband). Hier trifft man auf Schaltbandbreiten von 70 MHz und mehr.

Meist haben die Hersteller schon entsprechende Träger in Gruppen zusammengefasst, welche untereinander kompatibel sind oder der Empfänger hat eine intelligente Scanfunktion, welche die nächstmögliche freie und kompatible Frequenz herausfindet. Von Vorteil ist es, wenn die Anlage innerhalb ihrer Schaltbandbreite frei durchstimmbar ist. Dies ist bei den genannten Anlagen in der Regel innerhalb eines Frequenzrasters von üblicherweise 25 kHz auch machbar. Damit kann man vorab mit Hilfe von geeigneter Software (SIFM von Sennheiser, Workbench von Shure, u.a.) sich ein Frequenzsetup erstellen, welches zumindest theoretisch dann kompatibel ist. Dabei ist vor allem auf ein korrektes Frequenzspacing zu achten, so wie auf Intermodulationsprodukte. Auch kann man gleich, sofern man dies für die Örtlichkeit weiß, öffentliche Sender mit einbeziehen, z.B. DVB-T/DVB-T2, Betriebsfunk von Behörden oder der Bahn, Telekommunikationstrecken, Richtfunkstrecken.

Hat man dann ein korrektes Frequenzsetup, heißt das noch lange nicht, dass dies auch so funktioniert. Das findest man dann immer nur direkt vor Ort heraus, doch der erfahrene Techniker hat zumindest mal einen Plan in der Tasche, von wo aus gestartet wird. Störungen treten nun hauptsächlich noch durch Abosorption, Abschattung, Reflexion und daraus resultierenden Interferenzen azf. Daher ist es abschliessend immens wichtig alle Strecken in Betrieb zu nehmen und mit jeder einzelnen Strecke den Spielbereich abzugehen. Nur so lassen sich mögliche Dropouts finden, welche unter Umständen im Betrieb unschöne Reaktionen hervorrufen können und peinlich werden.

Um sich solcher Dropouts zu verwehren ist es ratsam bei Multikanalanlagen auch auf ein Antennenarray zu setzen, vor allem wenn größere Spielflächen abzudecken sind. Hierfür werden spezielle Antennensplitter benötigt. Bei kleinen Spielflächen reicht in der Regel ein Antennenpaar. Dabei fasst man die Antenneneingänge der Empfänger mittels Antennensplitter zusammen. Damit erhalten alle Empfänger dasselbe HF Spektrum in gleichbleibender Qualität.

Hilfreich bei einer Mehrkanalanlage ist auch die Möglichkeit eines Fernzugriffs, damit man jederzeit die einzelnen Kanäle überwachen und steuern kann. Auch muss man sich darüber im Klaren sein, dass es von Vorteil ist, wenn sich eine Person um die ganzen Mikrofone kümmert und sie während der VA im Auge hat, so dass immer der richtige Sender der zutreffenden Person ausgehändigt wird. Auch das Überwachen des Ladezustandes der Sender ist an diese Person zu deligieren.

So, mehr fällt mir nicht dazu ein. Wenn also jemand noch weitere Ideen hat, immer her damit und dazu packen.

Zum Schluss noch eine kurze Zusammenfassung und den Voraussetzungen für eine funktionierende Mehrkanalanlage ist
1. Frequenzbereich im Bereich 470 - 699 MHz.
2. Die Anlage muss eine hohe Schaltbandbreite aufweisen, idealerweise > 70 MHz.
3. Erstellen eines Frequenzsetups mithilfe von geeigneter Software, damit man unter anderem Intermodulationsprodukte erkennt und damit vermeidet.
4. Prüfung des Frequenzsetups vor Ort und abgehen der Spielfläche, um vorhandene Dropouts zu finden.
5. Überwachen der Strecken und zielgerichtete Ausgabe der Strecken nach Bedarf, falls dies gewünscht ist.

Noch ein letzter Tipp. Man sollte sich eingestehen, wenn man sich nicht sicher ist und zu wenig KnowHow hat. Dann lieber sich fachkundiges Personal holen und sich das alles praktisch erklären lassen. Es ist eben nicht trivial.
 
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Sehr informative Lektüre, Danke für die Arbeit.

Ich habe allerdings noch eine Frage.

Beim Absatz Frequenzhub erklärst du, dass eine Bandbreite von +/-40khz notwendig ist um das Frequenzspektrum von 20hz bis 20khz zu übertragen.

Ich nehme an, dies gilt so nicht für den digitalen Funk, z.B. eines GitarrenSenders wie dem Line 6 Gxy, da dieses ja meinem Verständnis nach "nur" 1 und 0 sendet? Vermutlich hat ein digitales System andere Sachen auf die zu achten ist?
 
Der Artikel gilt natürlich streng nur für analoge Systeme. In der digitalen Welt kämpft man mit anderen Unzulänglichkeiten.

Zunächst einmal klingt es sehr einfach, denn man muss ja nur die Wertepaare 0 und 1 übertragen, welche man irgendwie auf einen Träger aufmoduliert. Dies kann man über die Amplitude machen, über die Frequenz oder die Phase und andere mehr oder minder intelligente Methoden.

Im Shureblog gibt es einen sehr guten Artikel dazu:
https://shuredeutschland.wordpress.com/2013/07/10/funktechnik-digital-vs-analog/

In der digitalen Audiowelt hängt die oberste Grenzfrequenz von der Abtastrate ab, welche doppelt so groß sein muss. Will man also bis zu 20 kHz übertragen, so muss die Abtastrate mindestens 40 kHz betragen. Etabliert haben sich 44.1 kHz, 48 kHz und neuerdings auch 96 kHz. Diese Abtastrate in Verbindung mit einer guten Rasterung, also der Bittiefe um eine entsprechende Feine Staffelung für die Lautstärke zu bkommen, führt bei 48 kHz und 16 Bit zu einem sehr hohen Datenstrom und genau darin liegt nun das Übel.

Bei der schieren Anzahl der Datenpaare pro Zeiteinheit muß eine verlustfreie oder auch verlustbehaftete Datenkomprimierung eingesetzt werden, denn sonst würde man damit die Übertragungsbandbreite sprengen. Des Weiteren gilt auch, dass je nach Modulationsart gewisse digitale Artefakte entstehen, vor allem wenn man die Übertragung gepulst ausführt, wie man es z.B. von WLAN, UMTS, GSM, DECT kennt. Solche Pulse haben eine sehr große (theoretisch unendliche) Bandbreite und streuen deswegen sehr breit.
 
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Schöne Aufstellung!

2 Anmerkungen :
Intermodulation findet als Störenfried vor allem in der Eingangsstufe der Empfänger statt. Und auch da gibt es konstruktive Unterschiede.
Wenn mehrere Sender nahe an einem Empfänger abstrahlen, dann kann aufgrund der hohen Amplitude leichter der Fall der Intermodulation entstehen.
Daher kommt die Aussage, man solle die Sender midestens xx m vom Empfänger betreiben.

Zur Abtastrate: "mindestens doppelt so hoch wie die höchste übertragene Frequenz" ist das Nyquist Kriterium. Das gilt natürlich bei der Abtastung des Signals.
Bei der Übertragung digitaler Signale haben sich aber zunehmend Modulationsverfahren etabliert, die mehr als 1 Bit gelcihzeitig übertragen können. Dafür nutzen die dann Stufen und werden dabei natürlich quasi teilweise weider analog. So funktioniern z.B. DSL Übertragungsstrecken, die sonst die Bandbreite über das Kabel gar nicht übertragen könnten.
GSM und DECT sind gepulst, WLAN und UMTS haben andere Übertragungsverfahren, die nicht gepulst sind.
 
Wenn mehrere Sender nahe an einem Empfänger abstrahlen

Reden wir da jeweils von den Geräten, oder den Antennen? Sprich: reicht es die Sende- und Empfangsantennen zu separieren, oder wirklich von den Empfangsgeräten (dann vermutlich primär die Sendeantennen abgesetzt von Empfängern)?
 
Der Ort zwischen der wohl höchsten Exposition bezgl. eines Senders und der "empfänglichen" Stelle eines Empfängers/Senders.
Beispiel: Wenn man mit einem Hand-/Taschensender einer Antennen eines Empfängers sich nähert, so erhöht sich dadurch die Wahrscheinlichkeit, dass die Eingangsstufe dieses Empfängers Übersteuert oder dass sich Intermodulationsprodukte bilden. Dasselbe gilt auch, wenn man sich dem Empfänger selbst nähert, sofern dieser eben schlecht abgeschirmt ist. Dasselbe gilt aber auch für jeden anderen Sender, denn dessen Ausgangsstufe bzw. dessen Modulationsstufen reagieren ähnlich empfindlich und so kann es sein, dass zwei räumlich nahe beieinander liegende Sender sich ebenfalls gegenseitig "abschiessen". Dies gilt im übrigen für alle Systeme, egal ob nun analog oder digital. Was hier hilft ist die Reduktion der Ausgangsleistung, sofern dies aufgrund der Übertragungsstrecke möglich ist.
 

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