原创无数数据传输：从模拟数传电台到数字数传电台

 2007-8-10 09:50  2150 3 3 分类: 通信

自十九世纪末马可尼发明无线电以来，采用电台（英文RADIO即无线电）通过无线电波传递信息已与人类的生活越来越密不可分，从航海、军用、广播电视到移动电话都是电台的范畴，传输的信息从模拟信息的电码、话音、图像到全部数字化的各种数据流，电波工作的频段从长波、短波、超短波到微波、红外线和光（纤），采用的通信技术从模拟调制到数字调制、从单信道到多信道、从常规固定频道到跳频、从单载波到多载波、从频分（FDMA）到时分（TDMA）再到码分（CDMA）、从窄带64Kbps到宽带几十Mbps，采用的器件（技术）从电子管、晶体管、集成电路、单片机、DSP到软件无线电……
　　调制（即把要传输的信息调整到与传输的通道匹配）是电台的关键技术，没有调制，任何信息都搬不到空中成为电波，亦就没有电台。更重要的是，先进的调制方式可以在有限的射频带宽内更远更可靠地传输更高速的数据。调制方式根据调制信号是模拟的（如音频信号）还是数字的（如RS232异步串行数据）的，分为模拟调制（如FM调频和AM调幅）和数字调制，目前大量民用的对讲机和第一代大哥大手机是模拟调频的，还有调频广播等。数字调制分为线性幅度调制和频率相位调制（参1：P333，下同）。数字频率调制有FSK（如低速1200bps无线寻呼，参1：P335）、CPFSK（如数字数传电台，参1：P336）、GMSK（如GSM第二代数字手机，参1：P337）、四电平调频 (高速FLEX寻呼，参1：P337)。数字调频的调制可以通过VCO压控振荡（参1：P251）实现，亦用数字式调频（参1：P252）实现。数字调频的解调分相干解调（参1：P253）和非相干解调（参1：P266）。
1、模拟数传电台
　　数传电台是无线数据传输电台的简称，而数据传输最早出现的应用是数据遥控遥测，有别于目前无线微波电台、无线以太网、GPRS手机等先进数据传输设备，习惯上，数传电台就指传遥控遥测数据用的电台，我国无线电管理部门把223~235M/821~825
M/2.4~2.4835GHz等频段指配给数传业务（参2）。数据遥控遥测是随着采用计算机进行数据处理而应生的业务，而六、七十年代只有模拟FM调制技术的音频（300~3400Hz）通信电台，因此把101010……数据流通过单频（如FSK的1=1200 Hz，0=1800 Hz）来代表，再作为音频信号进行模拟FM调制就实现了早期的数传电台，其本质是预FSK（或MSK、GMSK）调制加FM调频这样的二次调制（参3），如下图所示：

模拟数传电台示意图

　　由于调频对讲机和MODEM已大量普及民用，价格低（如日精ND889 25W电台，成本约为500元人民币，蓝波4800MODEM成本约为200元人民币）是它的最大优势，但缺陷亦是明显的，广大用户及专业人员都知道，这种二次调制的由MODEM加调频电台拼凑起来的二加一数传电台产品有：⑴速率低，⑵会丢字头，⑶会出现尾噪声乱码，⑷没有其它任何附加功能等特点。蓝波公司编的ND88X系列说明书中强调MODEM数据的收发需要有严格的时序与电台的收发相配合正是基于上述问题，但模拟电台收发起停的一致性要精确到毫秒是不可能的，所以丢字头和出乱码是必然的（而通话对讲差300毫秒亦不会丢字）。需要指出的是，随着DSP数字技术的发展，这种模拟电台加MODEM的模拟数传电台在国外已基本被数字调制的数字数传电台淘汰，尽管国内市场——电力用户负荷监控系统（注意：不是电力调度通信系统，电力调度通信系统要求很高，以电力行业的实力，用的是光纤通信，而且是多种通信手段并存的）及水利等部门还在用，亦是日精主要用户群，但原因很简单：电力用户负荷、水利雨量/水位等数据传输没有多少实时性要求（1200bps，一天数次采集）、可靠性要求不高（一次不对再传一次），某个用户的负荷监控不到亦没任何关系，既不影响供电，也不影响抄表收费（各地供电部门经常与我们做交流，很多电力用户负控系统是应付达标创一流评比的摆设，与电力调度通信根本是两码事）。
2、数字数传电台

　　正像第一代模拟调频手机（大哥大）有杂音大、功能少、对讲机能收听等缺点，公众移动通信已为数字调制GMSK的GSM系统替代，并很快发展到第三代数字调制加扩频技术的3G一样；市场不大的遥控遥测数传领域亦由模拟调频电台加MODEM的模拟数传电台发展为各种用DSP实现的数字调制（如CPFSK、GMSK等）的数字数传电台。如下图所示：

数字数传电台示意图

　　与手机的GMSK数字调制解调技术一样，CPFSK数传电台有别于模拟调频电台加MODEM的数传电台的核心是基带信号处理（参1：P215的“4.6部分响应技术”）。CPFSK采用DSP数字信号处理完成用两个Nyguist波形、根自乘余弦响应值之和的带根双二进制滤波的基带信号处理以及Viterbi软判决译码等，这是单片机加FSK芯片等永远亦不可能实现的。
　　与模拟手机到数字手机的变革一样，用数字调制的数传电台实现了模拟调制的数传电台不可能实现的高速（19200bps）、高可靠（不丢字头、不乱码）及附加功能（如功率计、场强仪、误码仪、网管功能、参数状态动态智能化管理。
　　基于DSP的数字调制数传电台从2000年进入中国市场以来，尽管成本价格远高于模拟电台，由于其高速、高可靠及远距离传输等明显优势而得到了在石油/天然气、水/电力/热网/煤气、铁路/交通/公安/安防/消防、路灯/地震/气象/环保、GPS、金融、冶金/化工及工业过程控制自动化等数据采集与控制应用，并深受好评。可以预见，与公众移动通信或国外数传电台市场的变革一样，基于DSP的数字数传电台随着成本价格的下降，必将在遥控遥测领域取代基于MODEM的模拟调频数传电台，使得我们的无线遥控遥测及工控自动化系统更实时高速、更安全可靠、更灵活方便！