基本介紹
核心介紹,我國數傳電台的歷史,套用,電力 電氣,油田、煤礦,城市水處理、集中供熱等市政工程,城市安防，野外監控,一種數傳電台的設計方案,激勵器單元,功放單元,接收機單元,電源設計,控制和基帶單元,
核心介紹
數傳電台（radio modem），又可稱為“無線數傳電台”、“無線數傳模組”。是指藉助DSP 技術和無線電技術實現的高性能專業數據傳輸電台。 數傳電台的使用從最早的按鍵電碼、電報、模擬電台加無線MODEM，發展到目前的數字電台和DSP、軟體無線電；傳輸信號也從代碼、低速數據（300～1200bps）到高速數據（N*64K～N*E1），可以傳輸包括遙控遙測數據、動態圖像等業務。美國MDS數傳電台，芬蘭SATEL數傳電台為目前國際上比較知名的數據傳輸電台。
芬蘭SATEL數傳電台
美國MDS數傳電台概述
無線數傳電台是採用數位訊號處理、數字調製解調、具有前向糾錯、均衡軟判決等功能的無線數據傳輸電台。區別與模擬調頻電台加MODEM的模擬式數傳電台，數字電台提供透明RS232接口，傳輸速率19.2Kbps，收發轉換時間小10ms，具有場強、溫度、電壓等指示，誤碼統計、狀態告警、網路管理等功能。無線數傳電台作為一種通訊媒介，與光纖、微波、明線一樣，有一定的適用範圍：它提供某些特殊條件下專網中監控信號的實時、可靠的數據傳輸，具有成本低、安裝維護方便、繞射能力強、組網結構靈活、覆蓋範圍遠的特點，適合點多而分散、地理環境複雜等場合，可與PLC，RTU，雨量計、液位計等數據終端相連線。
芬蘭SATEL數傳電台
美國MDS數傳電台我國數傳電台的歷史
在VHF/UHF超短波無線通信領域，除了對講機、車載電台、手機等早已為老百姓習以為常的無線通信終端產品外，還有一個相對而言比較專業、不為大部分人所知的特殊的通信設備，那就是超短波無線數傳電台(以下簡稱數傳電台)。顧名思義，數傳電台就是用於數據傳輸的電台，與常規的用於話音通信的電台的區別在於：數傳電台主要的功能是利用現有的超短波無線信道實現遠程數據傳輸，當然，很大一部分數傳電台同時也保留了通話功能，可以數話兼容。由於一般被用於工業遠程控制與測量系統，即我們常說的遙控遙測系統(或SCADA系統)，使用環境可能會十分惡劣，因此數傳電台在技術指標及可靠性方面要求比語音電台更嚴格。
芬蘭SATEL數傳電台
美國MDS數傳電台雖然不為大部分人所熟知，但就短暫的現代通信的發展史而言，數傳電台的歷史也可以算得上有些“悠久”了。一直沿用至上世紀末的用摩爾斯代碼發“電報”的發報機，可以認為是數傳電台的“開山鼻祖”，要知道，發明電報的時候，可以用來通話的電台還沒有誕生呢!當然經過一百多年的“進化”，現在的數傳電台的工作頻段及工作原理與發報機相比已經有很大差別，不可同日而語了。
數傳電台的工作原理簡述如下：大家知道，由於數據信號是一種脈衝信號，而脈衝信號所占用的頻譜十分豐富。如果脈衝信號像話音信號一樣直接送去窄帶超短波電台的發射機調製，那么由於電台發射機及接收機的頻寬的限制，脈衝信號在傳輸過程中頻譜會大量丟失，產生很大的失真、衰落，從而導致數據傳輸誤碼甚至完全失敗。尤其是傳輸速率在1200bps以上時，這種直接調製的方式就完全不可取了。為了實現在無線信道上的可靠、高速的數據傳輸，就必須在常規的超短波調頻電台內部植入一個數據機(MODEM)，傳送數據時通過MODEM的調製器把脈衝信號(即數據信號)轉換成模擬信號，接收時則正好經歷一個相反的過程，通過MODEM的解調器把接收到的模擬信號還原成脈衝信號。
從原理上看，數傳電台並不複雜，無非是在傳統的調頻電台的基礎上加上了一個MODEM。但實際上，數傳電台無論在技術發展層面還是在市場推廣層面，已經走過一段相對漫長而且複雜的歷史，現狀如何?又何去何從?也許是眾多業界同仁十分關心的問題。
我們現在所說的數傳電台，在歐美日等西方已開發國家起步較早。早在上世紀六、七十年代，以MOTOROLA為代表的通信廠商開始涉足無線數據通信領域，超短波數據通信只是其中的一個分支。當時在西方已開發國家，調頻對講機已經開始普及，同時由於對工業自動化程度的要求也越來越高，越來越多的領域需要建立遙控、遙測系統，取代昂貴的、效率低下的人工作業，於是無線數據傳輸業務就應運而生。不過由於當時的頻率合成等技術還沒有成熟，同時要傳輸的數據量也不大，因此那時的數傳電台實際上比較“簡陋”，只是在原有的調頻對講機或車載電台的基礎上加裝了一個低速率的調製解調晶片，所以嚴格來說只是一款話音電台的“改裝機”，還不是真正意義上的專業的數傳電台。當時較為典型的MODEM晶片之一就是MOTOROLA的MC145442。這也是最早採用FSK(頻移鍵控)制式的MODEM晶片之一，與常規的話音電台配合後可以在超短波窄帶信道上實現最高300bps的傳輸速率。以後發展起來的MSK、FFSK、GMSK、QPSK、CPFSK等等，五花八門的調製解調技術，以及AM7910、M7512B、TC3105、FX604、FX469、FX909 、FX589等一系列從低速向高速發展的MODEM晶片，直至現在常用的利用數位訊號處理器(DSP)設計的軟體MODEM，都是在早期的FSK原理技術的基礎上，隨著積體電路及軟體技術的進步，經過不斷改良而發展起來的，萬變不離其宗。即便是MC145442這樣的低速晶片，直至今天，仍然還有人在使用它，還沒有成為文物，足見其穩定性及生命力。
我國在無線數據通信技術方面，與歐、美、日等已開發國家相比，起步較晚，至少落後了20年左右，但發展較快。無線數傳電台概念在我國的形成，應該是在改革開放後的80年代初期，但在整個80年代，由於我國的軟體及硬體技術還比較落後，系統集成水準還比較低，因此數傳電台也只是在水利、電力、自來水等極少數的幾個領域進行一些試驗性的、小範圍的、小批量的套用。看到無線數據通信的發展前景，當時的國家無線電管理委員會還專門辟出了223~235MHz的無線數據通信專用頻段，避免了與當時的150MHz、450MHz等語音通信設備爭奪有限的頻率資源，這一有遠見的做法為日後數傳電台及遙控遙測系統的快速發展奠定了良好的政策基礎。
進入90年代初期，隨著改革開放的深入，以電力、水利、自來水、石油、環保、熱網等為代表的國民經濟的重要行業發展迅速，對自動化程度的要求也日益提高。我國的遙控遙測系統(簡稱“三遙”系統或SCADA系統)市場由此由實驗階段逐漸進入了高速發展階段，從民用到軍用，套用領域也越來越廣泛，需求量也越來越大。數傳電台於是進入了一個蓬勃發展期。最常見、最典型的遙控遙測系統有：電力負荷監控系統、配網自動化系統、水文水情測報系統(即流域防汛監測系統)、自來水管網監測系統、城市路燈監控系統、鐵路信號監控系統、熱網監控系統、輸油供氣管網監測系統、GPS定位系統、集中抄表系統、地震測報系統、無線電子稱重系統(主要用於港口碼頭的裝卸作業)、自動報靶系統、無人飛機控制系統、防火防盜系統、環境監測系統等等自動化系統。
套用
電力 電氣
SCADA（監控和數據採集）是一個廣闊的市場，包括發電系統、配電自動化、電量管理系統等等。適合用無線電控制的裝置，包括桿頂自動開關裝置、斷路器、電容器組等，尤其是10千伏變壓器的監控，其數量十分巨大，為無線數傳電台的套用開闢了廣闊的空間，因為點多而分散的10KV配變站，恰恰十分適宜數傳電台的使用，這一情況在部分省市已經得到了驗證。
油田、煤礦
水文監控、氣象、環保水利、氣象等部門需要自動採集雨量、水位、流量、蒸發量、空氣品質等水文、環境參數的地方，特別適用於偏遠山區、地勢險要的水文站、監測點。
城市水處理、集中供熱等市政工程
水處理遠程實時監控系統是用現代化的通訊技術、計算機技術和自動監測儀器，對各遠端設備及水質、流量等參數進行 遠程實時監控，實現了水處理的自動化、信息化、網路化。城市供熱聯網，各片區熱力站等逐步要求無人職守，採用無線傳輸數據是理想又經濟的方式。
城市安防，野外監控
數傳電台在視屏監控方面也有相當突出的表現，特別是在一些環境惡劣，不易鋪設電纜的環境下，通過對視屏信號的高壓縮來實現數傳電台的信號傳輸。
一種數傳電台的設計方案
方案所介紹的全雙工數傳電台主要採用頻分雙工(FDD-Frequency Division Duplexing)工作方式。它主要由接收單元、激勵器單元、功放單元、控制單元、電源單元、基帶單元六部分組成。
數傳電台結構原理框圖圖1 數傳電台結構原理框圖
激勵器單元
激勵單元完成射頻信號的調製和音頻信號的處理，即把要調製的話音、數據送到VC0調製並進行電壓放大。它由話放處理、數字鎖相環、壓控振盪器、電壓放大器、功率調整電路、電源電路組成。圖2所示是激勵器單元的組成框圖。圖中，麥克風送來的微弱信號首先送給話放處理電路，以進行話音放大、濾波、預加重等信號處理，然後經過電子開關送給壓控振盪器進行直接調頻，同時將基帶處理後的數位訊號也經過電子開關切換後送給壓控振盪器進行直接調頻。鎖相環路可選用快恢復二極體來提高鎖相環路的鎖定速度，環路濾波器可選用無源比例積分濾波器，VCO則採用模組化設計。數字鎖相環晶片採用日本富士通的MBl504H積體電路晶片，該晶片集成化程度高、體積小，特別是其泵電源高達8 V，可相對降低VCO的壓控靈敏度。為了減小發射機在較寬溫度範圍內的頻率變化，建議採用溫補晶體振盪器作基準頻率。由於VCO輸出的信號較弱，只有數個毫瓦，故可經過功分後，將一路送給鑒相器與基準頻率進行比較，並產生誤差電壓以控制VCO的頻率至設定頻點，另一路送給電壓放大器，然後經三級放大處理，使其能夠推動功放電路工作。
激勵器單元原理框圖圖2 激勵器單元原理框圖
功放單元
功放單元組成框圖圖3 功放單元組成框圖
接收機單元
接收單元可完成射頻信號的解調和音頻信號的處理。它一般由濾波器、選擇迴路、高放、雙平衡混頻器、一中放、二中放組成。其中二中放由二本振、二混頻、鑒相器、靜噪控制電路組成，混頻器中的一中頻為21.4 MHz，二中頻為455 KHz，混頻方式為外差式。
高放電路一般採用雙調諧迴路和一級放大形式，輸入輸出迴路均採用抽頭形式可使電路匹配、增益兼顧。高放管可選用低噪聲管2SC3356，其特點是具有很低的噪聲和較高的功率增益。經高放放大的信號再與壓控送來的第一本振信號經過雙平衡混頻器進行混頻。2SC3356是集成組件，特點是噪聲低，高次組合少。一為21.4MHz的信號經過兩級中頻放大後，可送到中放積體電路TA31136FN，與20.945 MHz晶體振盪器產生的二本振進行混頻，而混出的455 kHz二中頻信號，則經過455 kHz陶瓷濾波器濾波後，通過二中放的5腳輸入。限幅放大器的輸出可在內部直接驅動，並在外部通過相移線圈完成鑒頻，鑒頻輸出的音頻信號由9腳輸出。該信號一路經電子開關送給去加重、濾波、放大後送給揚聲器還原聲音。另一路經過濾波後送給基帶信號處理器。
接收機單元原理框圖圖4 接收機單元原理框圖
電源設計
通過系統電源可對外接直流電源進行濾波、反極性保護等處理，然後輸出穩定的電源電壓，同時，電源還必須進行必要的短路和過流保護。系統電源可外接+12 V直流電，然後通過反極性保護電路，來防止電源接反。再經過多級LC濾波電路來濾除各種雜波和高低頻交流干擾後，送到電源繼電器，由繼電器控制臺電源開關，來開關整機電源。其電源電路的結構原理圖如圖5所示。
系統電源結構框圖圖5 系統電源結構框圖
控制和基帶單元
基帶單元則負責處理本機和計算機終端的數據交換。它以DSP晶片ADSP-2185M為核心，並以單片機AT90S8515以及CPLD複雜可程式邏輯器件來組成控制和接口電路。同時以數模和模數轉換，以及運算放大器等構成信號與電台的接口電路。基帶單元則採用DSP進行數位訊號的調製與解調。圖6給出了基帶單元的構成原理框圖。
基帶單元原理框圖圖6 基帶單元原理框圖
