L'effet du corps humain sur les propriétés de transmission des microphones sans fil
L'attribution de la bande des 700 MHz pour les communications mobiles va encore diminuer le spectre à disposition des microphones sans fil. De nouvelles bandes de fréquences devront être trouvées pour ces applications. Le corps humain joue un rôle très important sur les propriétés de transmission des microphones sans fil et doit être pris en compte.
Dr Ivica Stevanovic, Concessions et gestion des fréquences
Avec l'attribution prévue de la bande des 700 MHz pour les communications mobiles à large bande, la quantité de spectre à disposition des microphones sans fil (Professional Wireless Microphone Systems - PWMS) diminue (Figure 1). C'est pourquoi, il deviendra plus difficile de couvrir les besoins grandissants en transmission de ces microphones dans le reste de la bande UHF.
Afin d'assurer la continuité des services de microphones sans fil, d'autres solutions sont recherchées comme, par exemple, de déplacer les fréquences de fonctionnement vers les bandes plus hautes, ou bien d'utiliser des technologies de pointe, y compris les systèmes de microphones sans fil numériques.
Figure 1: Les microphones sans fil ont de moins en moins de spectre à disposition avec l’attribution de la bande UHF pour les services mobiles à large bande (dividendes numériques 1 et 2).
L'affaiblissement de propagation causé par le corps humain ("body loss") représente l'un des principaux défis pour un déplacement de fonctionnement à des fréquences plus élevées. Les microphones sans fil sont généralement utilisés à proximité du corps qui, s'il se trouve entre le microphone et le récepteur, va ainsi affaiblir le signal transmis par le microphone vers le récepteur. L'effet du corps humain est complexe et dépend de plusieurs facteurs. Il doit être correctement caractérisé afin de pouvoir quantifier une dégradation de la qualité de communication entre le microphone et le récepteur.
Une étude qui examine l'effet du corps humain sur l'affaiblissement de propagation des microphones sans fil en fonction de la fréquence, du type de microphone, ainsi que de la taille du corps humain a été réalisée par la fondation IT'IS (Information Technology In Society) de l'EPFZ et a été financée par l'Office fédéral de la communication OFCOM.
La méthode et les scénarios de simulation
Pour réaliser cette étude, les chercheurs ont utilisé des simulations numériques avec trois modèles de corps humain réalistes. Aussi appelés fantômes, ils représentent des utilisateurs avec différents indices de masse corporelle (Figure 2), soit des individus pesant entre 30 et 120 kg et mesurant entre 1,35 et 1,78 m (une approximation raisonnable pour l'ensemble de la population d'utilisateurs). Les fantômes sont basés sur des images haute résolution obtenues par la résonance magnétique de volontaires sains.
Figure 2: Les fantômes anatomiques humains utilisés dans l'étude.
Les simulations sont effectuées sur plus de 80 tissus humains avec des propriétés spécifiques, définies dans la base de données accessible en ligne (www.itis.ethz.ch/database).
Les microphones sans fil sont soit tenus en main (hand-held, Figure 3) soit portés près de la tête avec un câble de liaison à l'émetteur, ce dernier étant fixé à mi-corps sur la ceinture (body-pack, Figure 4).
Figure 3: Les scénarios avec des microphones tenus en main (hand-held).
Figure 4: Un des scenarios avec le microphone sans fil porté sur le corps (body-pack).
Résultats et conclusions
Les diagrammes de rayonnement et les taux d'absorption spécifique (SAR) ont été simulés pour une grande plage de fréquences allant de la bande VHF (235 MHz) à la bande SHF (6 GHz). L'interaction du système de microphone avec le corps humain dépend de la fréquence de transmission du microphone, et influence les résultats obtenus tout au long de l'étude.
À des fréquences basses, le corps agit comme un absorbeur et affaiblit le rayonnement dans toutes les directions. Quelques 15 dB de "body loss" pour les microphones portés sur le corps et environ 5 dB pour les microphones tenus en main (hand-held) ont été constatés dans la direction favorable. L'affaiblissement dans la direction de l'ombrage est moins important à ces fréquences par rapport à des fréquences plus élevées.
Lorsque la fréquence augmente, le corps agit davantage comme un réflecteur et absorbe moins d'énergie. Dans certaines directions le gain est même augmenté. Dans la direction de l'ombrage, l'affaiblissement augmente avec la fréquence et est fortement corrélé avec la taille du corps.
Figure 5: Les diagrammes de rayonnement pour la fréquence VHF de 235 MHz.
Figure 6: Les diagrammes de rayonnement pour la fréquence SHF de 6 GHz.
Figure 7: Les taux d'absorption spécifique pour le microphone sans fil porté sur le corps.
Cette étude est d'une grande importance lors de l'évaluation de l'aptitude des bandes de fréquences plus élevées pour les systèmes de microphones sans fil. Les résultats et les conclusions ont déjà été partagés avec la SSR, APWPT (Association of Professional Wireless Production Technologies), Sennheiser et d'autres parties prenantes et les administrations nationales au sein du groupe de projet PT SE7 de l'ECC WGSE (Electronic Communications Committee - Working Group Spectrum Engineering).
En plus de "body loss", d'autres facteurs influencent la qualité de la liaison entre le microphone et le récepteur puisque la propagation s'affaiblit en espace libre ou si des obstacles se présentent autour du microphone. Ces effets sont eux aussi très dépendants de la fréquence.
