数传电台（借助DSP技术的数据传输电台）

核心介绍

数传电台（radio modem），又可称为“无线数传电台”、“无线数传模块”。是指借助DSP技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台。数传电台的使用从最早的按键电码、电报、模拟电台加无线MODEM，发展到目前的数字电台和DSP、软件无线电；传输信号也从代码、低速数据（300～1200bps）到高速数据（N*64K～N*E1），可以传输包括遥控遥测数据、动态图像等业务。美国MDS数传电台，芬兰

SATEL数传电台

数字电台是数字式无线数据传输电台的简称。即采用数字信号处理、数字调制解。

美国MDS数传电台

无线数传电台是采用数字信号处理、数字调制解调、具有前向纠错、均衡软判决等功能的无线数据传输电台。区别与模拟调频电台加MODEM的模拟式数传电台，数字电台提供透明RS232接口，传输速率19.2Kbps，收发转换时间小10ms，具有场强、温度、电压等指示，误码统计、状态告警、网络管理等功能。无线数传电台作为一种通讯媒介，与光纤、微波、明线一样，有一定的适用范围：它提供某些特殊条件下专网中监控信号的实时、可靠的数据传输，具有成本低、安装维护方便、绕射能力强、组网结构灵活、覆盖范围远的特点，适合点多而分散、地理环境复杂等场合，可与PLC，RTU，雨量计、液位计等数据终端相连接。

芬兰SATEL数传电台

美国MDS数传电台

数传电台历史

在VHF/UHF超短波无线通信领域，除了对讲机、车载电台、手机等早已为老百姓习以为常的无线通信终端产品外，还有一个相对而言比较专业、不为大部分人所知的特殊的通信设备，那就是超短波无线数传电台(以下简称数传电台)。顾名思义，数传电台就是用于数据传输的电台，与常规的用于话音通信的电台的区别在于：数传电台主要的功能是利用现有的超短波无线信道实现远程数据传输，当然，很大一部分数传电台同时也保留了通话功能，可以数话兼容。由于一般被用于工业远程控制与测量系统，即我们常说的遥控遥测系统(或SCADA系统)，使用环境可能会十分恶劣，因此数传电台在技术指标及可靠性方面要求比语音电台更严格。

芬兰SATEL数传电台

美国MDS数传电台

虽然不为大部分人所熟知，但就短暂的现代通信的发展史而言，数传电台的历史也可以算得上有些“悠久”了。一直沿用至上世纪末的用摩尔斯代码发“电报”的发报机，可以认为是数传电台的“开山鼻祖”，要知道，发明电报的时候，可以用来通话的电台还没有诞生呢！当然经过一百多年的“进化”，现在的数传电台的工作频段及工作原理与发报机相比已经有很大差别，不可同日而语了。

数传电台的工作原理简述如下：大家知道，由于数据信号是一种脉冲信号，而脉冲信号所占用的频谱十分丰富。如果脉冲信号像话音信号一样直接送去窄带超短波电台的发射机调制，那么由于电台发射机及接收机的带宽的限制，脉冲信号在传输过程中频谱会大量丢失，产生很大的失真、衰落，从而导致数据传输误码甚至完全失败。尤其是传输速率在1200bps以上时，这种直接调制的方式就完全不可取了。为了实现在无线信道上的可靠、高速的数据传输，就必须在常规的超短波调频电台内部植入一个调制解调器(MODEM)，发送数据时通过MODEM的调制器把脉冲信号(即数据信号)转换成模拟信号，接收时则正好经历一个相反的过程，通过MODEM的解调器把接收到的模拟信号还原成脉冲信号。

从原理上看，数传电台并不复杂，无非是在传统的调频电台的基础上加上了一个MODEM。但实际上，数传电台无论在技术发展层面还是在市场推广层面，已经走过一段相对漫长而且复杂的历史，现状如何？又何去何从？也许是众多业界同仁十分关心的问题。

我们现在所说的数传电台，在欧美日等西方发达国家起步较早。早在上世纪六、七十年代，以MOTOROLA为代表的通信厂商开始涉足无线数据通信领域，超短波数据通信只是其中的一个分支。当时在西方发达国家，调频对讲机已经开始普及，同时由于对工业自动化程度的要求也越来越高，越来越多的领域需要建立遥控、遥测系统，取代昂贵的、效率低下的人工作业，于是无线数据传输业务就应运而生。不过由于当时的频率合成等技术还没有成熟，同时要传输的数据量也不大，因此那时的数传电台实际上比较“简陋”，只是在原有的调频对讲机或车载电台的基础上加装了一个低速率的调制解调芯片，所以严格来说只是一款话音电台的“改装机”，还不是真正意义上的专业的数传电台。当时较为典型的MODEM芯片之一就是MOTOROLA的MC145442。这也是最早采用FSK(频移键控)制式的MODEM芯片之一，与常规的话音电台配合后可以在超短波窄带信道上实现最高300bps的传输速率。以后发展起来的MSK、FFSK、GMSK、QPSK、CPFSK等等，五花八门的调制解调技术，以及AM7910、M7512B、TC3105、FX604、FX469、FX909 、FX589等一系列从低速向高速发展的MODEM芯片，直至现在常用的利用数字信号处理器(DSP)设计的软件MODEM，都是在早期的FSK原理技术的基础上，随着集成电路及软件技术的进步，经过不断改良而发展起来的，万变不离其宗。即便是MC145442这样的低速芯片，直至今天，仍然还有人在使用它，还没有成为文物，足见其稳定性及生命力。

我国在无线数据通信技术方面，与欧、美、日等发达国家相比，起步较晚，至少落后了20年左右，但发展较快。无线数传电台概念在我国的形成，应该是在改革开放后的80年代初期，但在整个80年代，由于我国的软件及硬件技术还比较落后，系统集成水准还比较低，因此数传电台也只是在水利、电力、自来水等极少数的几个领域进行一些试验性的、小范围的、小批量的应用。看到无线数据通信的发展前景，当时的国家无线电管理委员会还专门辟出了223~235MHz的无线数据通信专用频段，避免了与当时的150MHz、450MHz等语音通信设备争夺有限的频率资源，这一有远见的做法为日后数传电台及遥控遥测系统的快速发展奠定了良好的政策基础。

进入90年代初期，随着改革开放的深入，以电力、水利、自来水、石油、环保、热网等为代表的国民经济的重要行业发展迅速，对自动化程度的要求也日益提高。我国的遥控遥测系统(简称“三遥”系统或SCADA系统)市场由此由实验阶段逐渐进入了高速发展阶段，从民用到军用，应用领域也越来越广泛，需求量也越来越大。数传电台于是进入了一个蓬勃发展期。最常见、最典型的遥控遥测系统有：电力负荷监控系统、配网自动化系统、水文水情测报系统(即流域防汛监测系统)、自来水管网监测系统、城市路灯监控系统、铁路信号监控系统、热网监控系统、输油供气管网监测系统、GPS定位系统、集中抄表系统、地震测报系统、无线电子称重系统(主要用于港口码头的装卸作业)、自动报靶系统、无人飞机控制系统、防火防盗系统、环境监测系统等等自动化系统。

应用

数传电台

数传电台

油田、煤矿等地理环境复杂。油井分布较广，采用人工监控设备和数据采集十分不便，实时性差，有线传输也不方便。无线数传电台是非常理想的数据传输手段，提供实时可靠的监控数据。

水文监控、气象、环保水利、气象等部门需要自动采集雨量、水位、流量、蒸发量、空气质量等水文、环境参数的地方，特别适用于偏远山区、地势险要的水文站、监测点。

水处理远程实时监控系统是用现代化的通讯技术、计算机技术和自动监测仪器，对各远端设备及水质、流量等参数进行远程实时监控，实现了水处理的自动化、信息化、网络化。城市供热联网，各片区热力站等逐步要求无人职守，采用无线传输数据是理想又经济的方式。

数传电台

数传电台在视屏监控方面也有相当突出的表现，特别是在一些环境恶劣，不易铺设电缆的环境下，通过对视屏信号的高压缩来实现数传电台的信号传输。

设计方案

方案所介绍的全双工数传电台主要采用频分双工(FDD-Frequency Division Duplexing)工作方式。它主要由接收单元、激励器单元、功放单元、控制单元、电源单元、基带单元六部分组成。

激励单元完成射频信号的调制和音频信号的处理，即把要调制的话音、数据送到VC0调制并进行电压放大。它由话放处理、数字锁相环、压控振荡器、电压放大器、功率调整电路、电源电路组成。图2所示是激励器单元的组成框图。图中，麦克风送来的微弱信号首先送给话放处理电路，以进行话音放大、滤波、预加重等信号处理，然后经过电子开关送给压控振荡器进行直接调频，同时将基带处理后的数字信号也经过电子开关切换后送给压控振荡器进行直接调频。锁相环路可选用快恢复二极管来提高锁相环路的锁定速度，环路滤波器可选用无源比例积分滤波器，VCO则采用模块化设计。数字锁相环芯片采用日本富士通的MBl504H集成电路芯片，该芯片集成化程度高、体积小，特别是其泵电源高达 V，可相对降低VCO的压控灵敏度。为了减小发射机在较宽温度范围内的频率变化，建议采用温补晶体振荡器作基准频率。由于VCO输出的信号较弱，只有数个毫瓦，故可经过功分后，将一路送给鉴相器与基准频率进行比较，并产生误差电压以控制VCO的频率至设定频点，另一路送给电压放大器，然后经三级放大处理，使其能够推动功放电路工作。

激励器单元原理框图

考虑到一般需要外接蓄电池作为电源，激励器电源输入可采用7809三端稳压器稳压，以提供较宽的电压动态范围。同时，也可采用多级LC滤波来改善稳压和降噪效果。

功放单元的主要任务是把激励器送来的射频信号经功放模块放大到44dBm，然后经过低通滤波器滤除高次谐波后送给双工器，最后通过天线发射出去。如果天线出现开路或短路，那么功率将反射回来，此时检测电路将进行检波，然后比较放大，再送一个信号给MCU，由MCU控制相关电路关断功放，以达到保护功放模块的目的。功放电路的组成如图3所示。

功放单元组成框图

接收单元可完成射频信号的解调和音频信号的处理。它一般由滤波器、选择回路、高放、双平衡混频器、一中放、二中放组成。其中二中放由二本振、二混频、鉴相器、静噪控制电路组成，混频器中的一中频为21.4MHz，二中频为455KHz，混频方式为外差式。

当射频信号经天线送到双工器后，再经过第一级带通滤波器滤波，并经限幅后将送给高放电路。然后进入第二级带通滤波器滤波，最后送给双平衡混频器混频。限幅电路的作用是防止强干扰信号损坏高放前端组件。

高放电路一般采用双调谐回路和一级放大形式，输入输出回路均采用抽头形式可使电路匹配、增益兼顾。高放管可选用低噪声管2SC3356，其特点是具有很低的噪声和较高的功率增益。经高放放大的信号再与压控送来的第一本振信号经过双平衡混频器进行混频。2SC3356是集成组件，特点是噪声低，高次组合少。一为21.4MHz的信号经过两级中频放大后，可送到中放集成电路TA31136FN，与20.945MHz晶体振荡器产生的二本振进行混频，而混出的455kHz二中频信号，则经过455kHz陶瓷滤波器滤波后，通过二中放的5脚输入。限幅放大器的输出可在内部直接驱动，并在外部通过相移线圈完成鉴频，鉴频输出的音频信号由9脚输出。该信号一路经电子开关送给去加重、滤波、放大后送给扬声器还原声音。另一路经过滤波后送给基带信号处理器。

接收机单元原理框图

通过系统电源可对外接直流电源进行滤波、反极性保护等处理，然后输出稳定的电源电压，同时，电源还必须进行必要的短路和过流保护。系统电源可外接+12 V直流电，然后通过反极性保护电路，来防止电源接反。再经过多级LC滤波电路来滤除各种杂波和高低频交流干扰后，送到电源继电器，由继电器控制面板电源开关，来开关整机电源。其电源电路的结构原理图如图5所示。

系统电源结构框图

控制单元以ATMEGA64为核心来完成本机工作状态的控制，包括收发信机的频合数据，面板显示器、键盘的控制，工作频段控制，数传以及话音通信状态的控制等。

基带单元则负责处理本机和计算机终端的数据交换。它以DSP芯片ADSP-2185M为核心，并以单片机AT90S8515以及CPLD复杂可编程逻辑器件来组成控制和接口电路。同时以数模和模数转换，以及运算放大器等构成信号与电台的接口电路。基带单元则采用DSP进行数字信号的调制与解调。图6给出了基带单元的构成原理框图。

基带单元原理框图