无线数传电台
无线数传电台又可称为"数传电台"，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，主要应用在石油/天然气生产过程的自动化。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、数字化语音、动态图像等业务。美国MDS数传电台，芬兰SATEL数传电台为目前国际上比较知名的数据传输电台。
简介
无线数传电台大致分为两种，一种是传统的模拟电台，另一种为采用DSP技术的数字电台，传统的模拟电台一般是射频部分后面加调制解调器转换为数字信号方式来传输数据，全部调制、解调、滤波和纠错由模拟量处理完成，如果需要进行数据的任何其它处理，那么附加的部件、专用的芯片、或微处理机必须加到设计中。因为收发机相当多的功能是在硬件中完成，任何校准或无线电的调整必须在硬件级上进行；例如，扭动一个螺丝调整或更换部件。又因为设计是以硬件为基础的，因而它是一个固定的设计。这就是说，不改变硬件就不能改变功能和性能。
这种模拟电台大部分由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，其速率比较低，时延大，操作也不方便，但是因为价格比较低廉，在自来水监控、远程抄表、水文检测等实时性不高的地方有着广泛应用，而且占据数传大部分市场，无线数传电台可与PLC，RTU，雨量计、液位计等数据终端相连接。
随着在最近的二十多来年集成电路的复杂性和集成度的飞速增加，开发出专用处理芯片器，它能实时或“在线”进行数字信号处理（DSP技术），无线数传电台部分甚至全部采用数字处理技术技术，这些电台通常被称为数字电台，随着DSP技术广泛应用，技术成本和核心器件降低能够是大多数厂家所能接受，使其DSP技术进入更多产品领域，相比较传统的模拟电台，数字电台的数据信号处理允许很复杂的算法在实时中使用并可被嵌入产品内，DSP相关的芯片是软件控制的，在不改变硬件的情况下，可在系统内改变它们的性能和/或任务。这意味着在产品售出后的升级或另增加的特性可加到产品上，不必把电台返回到制造厂，从某种意义上来讲，数字电台控制精度更高，没有与模拟量元件有关的误差问题，功耗更低，实时性稳定性更高，市场中占据大部分中高端用户，比如铁路场站调度、工业控制，GPS差分，远程测量测控等行业处于主流地位。随着数字信号处理技术和高性能，低价格数字信号处理器正在使采用DSP技术的数字电台有着向全行业扩展的蔓延的趋势，不久将来大功耗、低速率、低精度模拟电台将退出数传市场，包括传统的模拟对讲和寻呼业务。随着汽车电子、仪器仪表等行业的发展，另一种微功率数传广泛被人们接受，这种微功率数传因为其价格低廉、使用方便在应用领域取得了迅猛发展，这类技术的代表如Zigbee和CFDA，两者均具有低功耗、高速率、自组网的特点，使用灵活方便未来发展不可限量，但是这种产品在长距离传输局限比较大，仅限于小范围局部应用。无论模拟电台、数字电台和微功率数传，在市场的空间一直不是很大，一是传统的SCADA系统的每个节点的一次性造价较高，随着GPRS和CDMA网络的日渐成熟，资费和终端日趋便宜，瓜分了部分原有的数传电台的市场，在实时性要求不高、系统覆盖范围又大的系统中，如抄表系统，铁路列控系统这一现象尤为突出；虽然SCADA系统的发展很快，但数传电台的市场并没有得到响应的提高，反而有所下降。二是数传电台不同于其它行业有明确的行业标准，数传电台的行业标准，尤其是高速数据传输的通信规约、协议，至今尚没有一个明确的、统一的行业标准。造成大部分厂商产品自成体系、互不兼容，从而很难规模化应用，影响了行业发展。以上这些值得数传电台的生产商、代理商就现在的数传市场应该去探讨、去深思；也期待国家和行业联盟去规范和支持，但我们也没有必要悲观，数传做为通信行业最早的传输手段，仍然有着无法比拟的优势，比如移动性、时延的稳定和可靠性，在专网市场仍然有举足轻重的地位和优势，正是数传电台不可替代性和优势使得国际上一些有远见数传厂家针对市场现状不断创新发展，比如GE MDS刚刚发布的SD4、SD4系列数字电台，将专业无线数字电台提到一个新的高度，该系列电台从宽带前端射频部分到数字信号处理部分全部采用先进数字处理的技术，收信发信机采用软件无线电的全数字硬件结构，直接通过脉冲调制发送信号而无传统的中频处理单元，其产品设计也更绿色、更环保，在宽频、收发精度控制和传输稳定可靠性方面优势更明显。这种新的软件无线电台将无线数传带到新的高度。也为无线数传市场带来了新的发展空间和活力；让我们看到无线数传依然春光无限。
典型应用
电气SCADA系统
无人机系统
电气分布自动化
交通控制系统
石油/天然气生产过程自动化
工业自动化过程控制
水处理
一种无线数传电台的设计方案
方案所介绍的全双工数传电台主要采用频分双工(FDD-频率 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。
图1 数传电台结构原理框图
激励器单元
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株式会社的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，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。
图2 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
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，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。
图3 功放单元组成框图
接收机单元
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，二中频为，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，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。是集成组件，特点是噪声低，高次组合少。一为的信号经过两级中频放大后，可送到中放集成电路TA31136FN，与晶体振荡器产生的二本振进行混频，而混出的二中频信号，则经过陶瓷滤波器滤波后，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。
图4 接收机单元原理框图
电源设计
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。
图5 系统电源结构框图
控制和基带单元
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。
图6 基带单元原理框图
参考资料
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