Die Wirkung des Körpers auf die Übertragungseigenschaften von drahtlosen Mikrofonen
Durch die Zuteilung des 700-MHz-Bandes für Mobilfunk werden die verfügbaren Frequenzen für drahtlose Mikrofone weiter sinken. Aus diesem Grund müssen neue Frequenzbänder für diese Anwendung gefunden werden. Der menschliche Körper hat einen grossen Einfluss auf die Übertragungseigenschaften von drahtlosen Mikrofonen und muss deshalb mitberücksichtigt werden.
Dr. Ivica Stevanovic, Konzessionen und Frequenzmanagement
Durch die geplante Zuteilung des 700-MHz-Bandes für mobile Breitbanddienste werden die verfügbaren Frequenzen für drahtlose Mikrofone (Professional Wireless Microphone Systems; PWMS) sinken (Abbildung 1). Deshalb wird es schwieriger, den steigenden Übertragungsbedarf dieser Mikrofone im Rest des UHF-Bandes abzudecken.
Damit die Kontinuität der Dienste von drahtlosen Mikrofonen gewährleistet ist, wurden andere Lösungen gesucht, wie z. B. die Verschiebung der Betriebsfrequenzen in höhere Bandbreiten oder der Einsatz von modernsten Technologien, einschliesslich digitaler drahtloser Mikrofonsysteme.
Abbildung 1: Durch die Zuteilung des UHF-Bandes für mobile Breitbanddienste steht drahtlosen Mikrofonen immer weniger Spektrum zur Verfügung (digitale Dividende 1 und 2).
Eine der grössten Herausforderungen bei einer Verschiebung der Betriebsfrequenzen in höhere Bandbreiten ist die Ausbreitungsdämpfung durch den menschlichen Körper ("Body Loss"). Drahtlose Mikrofone werden hauptsächlich in der Nähe des Körpers verwendet. Befindet sich der Körper zwischen dem Mikrofon und dem Empfänger, wird das vom Mikrofon zum Empfänger übertragene Signal gedämpft. Der Einfluss des menschlichen Körpers ist komplex und hängt von mehreren Faktoren ab. Er muss richtig charakterisiert werden, damit der Qualitätsverlust zwischen Mikrofon und Empfänger quantifiziert werden kann.
In einer Studie wurde untersucht, welchen Einfluss der menschliche Körper auf die Übertragungseigenschaften von drahtlosen Mikrofonen in Abhängigkeit der Frequenz, des Mikrofontyps sowie der Körpergrösse hat. Die Studie wurde von der Stiftung IT'IS (Information Technology In Society) der ETH Zürich durchgeführt und vom BAKOM finanziert.
Methode und Simulationsszenarien
Für die Studie wurden numerische Simulationen mit drei realistischen Modellen des menschlichen Körpers durchgeführt. Diese sogenannten Phantome repräsentieren Nutzende mit unterschiedlichem Body-Mass-Index (Abbildung 2), das heisst mit einem Gewicht zwischen 30 und 120 kg und einer Grösse zwischen 1,35 und 1,78 m (repräsentative Stichprobe für den gesamten Anwenderkreis). Grundlage für die Phantome bildeten hochauflösende MRI-Bilder von gesunden Freiwilligen.
Abbildung 2: Die in der Studie verwendeten Körperphantome.
Für die Simulationen wurden mehr als 80 verschiedene Gewebearten mit spezifischen, in der Online-Datenbank der ETH Zürich (www.itis.ethz.ch/database) definierten Eigenschaften verwendet.
Drahtlose Mikrofone werden entweder in der Hand gehalten (hand-held, Abbildung 3) oder am Kopf angebracht und mit einem Kabel mit dem Sender verbunden, der am Gürtel getragen wird (body-pack, Abbildung 4).
Abbildung 3: Szenarien mit in der Hand gehaltenen Mikrofonen (hand-held).
Abbildung 4: Eines der Szenarien mit einem am Körper befestigten drahtlosen Mikrofon (body-pack).
Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Die Strahlungsdiagramme und die spezifischen Absorptionsraten (SAR) wurden für zahlreiche Frequenzen vom VHF-Band (235 MHz) bis zum SHF-Band (6 GHz) ermittelt. Die Wechselwirkung zwischen dem Mikrofonsystem und dem menschlichen Körper hängt von der Betriebsfrequenz des Mikrofons ab, was sich auch in den Ergebnissen niederschlägt.
Bei tiefen Frequenzen wirkt der Körper wie ein Absorber und dämpft die in alle Richtungen emittierte Strahlung. Bei Simulationen in die Hauptrichtung lag der "Body Loss" für am Körper getragene Mikrofone bei rund 15 dB und für in der Hand gehaltene bei rund 5 dB. Die Dämpfung in abgeschatteter Richtung ist bei diesen Frequenzen kleiner als bei höheren Frequenzen.
Bei höheren Frequenzen wirkt der Körper mehr als Reflektor und absorbiert weniger Energie. In bestimmten Richtungen wird der Gewinn sogar erhöht. In abgeschatteter Richtung nimmt die Dämpfung mit der Frequenz zu und hängt stark von der Körpergrösse ab.
Abbildung 5: Die Strahlungsdiagramme für die VHF-Frequenz von 235 MHz.
Abbildung 6: Die Strahlungsdiagramme für die SHF-Frequenz von 6 GHz.
Abbildung 7: Die spezifischen Absorptionsraten für am Körper getragene drahtlose Mikrofone.
Die Studie ist essenziell, um ermitteln zu können, ob sich höhere Frequenzbänder für drahtlose Mikrofonanlagen eignen. Die Ergebnisse und Schlussfolgerungen wurden bereits der SRG, der APWPT (Association of Professional Wireless Production Technologies), Sennheiser und anderen Interessierten sowie den nationalen Verwaltungen in der Projektgruppe PT SE7 des ECC/WGSE (Electronic Communications Committee - Working Group Spectrum Engineering) mitgeteilt.
Neben dem "Body Loss" beeinflussen auch noch andere Faktoren die Qualität des Signals zwischen dem Mikrofon und dem Empfänger. So wird die Übertragung im freien Raum oder bei Hindernissen rund um das Mikrofon gedämpft. Der Einfluss hängt ausserdem sehr stark von der Frequenz ab.
