C4FM浅谈

2019年1月5日 评论 4,587

C4FM是目前市场上爱好者们比较喜欢的对讲机的一种调制方式,在专业数字化对讲机应用中也有比较成熟的使用历史。美国数字对讲机制式Project 25(简称P25)的第一版标准就采用了C4FM的调制方式。在摩托罗拉ASTRO等数字对讲机产品中就广泛的应用了C4FM的调制方式。

随着Yaesu公司的  FT1D、FT2DR、FT-70DR、FT-991A、FTM-400DR、FTM-100DR、FTM-3207DR、FTM-7250DR等收发信机以及DR-1X、DR-2X和HRI-200中继台设备的不断推出,C4FM也成为我国业余无线电爱好者频繁使用的对讲机通信调制主流方式之一。

C4FM调制的基本原理

C4FM的英文全称是Constant Envelope 4-Level Frequency Modulation,即连续包络4级频率调制。它和大家熟知的传统模拟调频FM没有实质区别,只是调制射频输入信号的不是语音的模拟信号,而是只有四种电平状态的数字信号。

如果把一个电平在-3V、-1V、+1V、+3V之间跳变的电压信号相机加到一个普通FM调制电路,输出的就是一串四级频率键控的射频调制信号,其频率根据输入电平在四个频偏值之间跳变。从低到高的四个频率可以分别代表00、01、10、11四种数字值,即每一个调制符号可以表达两位二进制数,这就是C4FM信号。

Yaesu数字对讲以C4FM方式工作时,发射端以每秒4800次的速度改变送到调制器的信号电平,在调制信号中形成每秒4800个“符号”,我们称它的调制速率是4800波特。如上所述每个符号表达两位二进制数据,所以C4FM的数据传输率是9600位/秒。

在一定的调制速率下,C4FM信号占用的频带宽度与调制器的频偏系数有关。Yaesu数字对讲机把频偏选择为使实际信号带宽为12.5kHz。

C4FM射频信号经放大后通过天线发射到空间。通信对方接收到的射频信号经过调频解调器,也就是模拟FM通信中常说的鉴频电路,解调得到的就是幅度在四种电压电平间变化的C4FM基带信号(图1)。再经过电平的逻辑判断和变换,得到了两位二进制数字序列。为了提高抗干扰性能,从四级电平波形提取数字信号的过程通常采用一定的算法,而不是使用简单的电压比较器。

C4FM浅谈图1   接收机解调输出的C4FM信号波形

如果系统工作在数字传送模式,得到的数据序列就是待传送的数字信息,可以用单片机程序根据预先约定的协议和应用将数字信息流进一步变换成可以显示的格式。

如果系统工作在语音对讲模式,得到的数字信息还要送入语音解码模块,还原成语音信号的波形,放大后推动耳机或扬声器。

关于DSTAR

D-SATR原先是Digital Smart Technologies for Amateur Radio的缩写,即“业余无线电数字智能技术”,这是日本业余无线联盟JARL在上世纪90年代中期制订一种数字技术标准,包含了话音的数字编码标准、调制方法、分组交换协议等方面的内容,其调制方法包含了MSK和C4FM等多种选择。

后来日本的ICOM公司推出了根据DSTAR标准设计生产的业余数字对讲机,把D-STAR注册成为Icom的一个商标。这样就容易使人把D-STAR理解成一种与C4FM无关的具体的数字化对讲机制式或者调制方式了。其实真正的D-STAR和C4FM不是同一范畴的名词。 不过为了简化叙述,本文以下叙述中所有的名词“DSTAR”不是指JARL的DSTAR系统标准,而是狭义地指ICOM DSTAR数字对讲机调制方式。

DSTAR和C4FM调制一样,都属于频分多址体制(frequency division multiple access, FDMA),每个用户独占一个频道。DSTAR的调制也是用数字信号去进行频率调制,只不过所用的调制方式是GMSK(高斯最小移频键控),用两种频率分别反映两种电平状态。也就是发送的每个符号只代表一位二进制数据的0或1两种状态。图2是接收机解调输出的GMSK信号波形

C4FM浅谈

图2   接收机解调输出的GMSK信号波形

关于C4FM与DSTAR数据传输速率与占用频带宽度的比较

每种调制方法都会有自己的优点与缺点,没有绝对的好坏,使用者考虑角度不同,选择结果也会不同,所以各种系统才有自己的生命力。

C4FM与DSTAR的一个明显的技术指标差别,是数据传输率不同。根据上面的介绍,它们的调制速率都是4800波特,但C4FM 每个调制符号包含两位数据而GMSK只包含一位,所以C4FM的数据传输速率是9600 位/秒,比DSTAR的4800位/秒高一倍。每个信道可以传输更多的数据,当然是一种重要的优点。

当然,这并不等于说得到这种优点不需要付出代价。GMSK解调比较简单,只要判别调制信号频率相对于载频的偏移方向就可以了,在有干扰的情况下误码率较低。而C4FM的解调要判别调制信号频率属于四个等级中的哪一级,容易受干扰。为了补偿这一点,除了采用更好的判别算法外,C4FM采用比DSTAR更大的调制频偏,拉大四种信号状态的间距。其结果是C4FM信号占用的频带比DSTAR宽,这是为得到高出一倍的数据传输率所付出的代价。从设计理论上讲,DSTAR信号所占用频带只是C4FM的一半,就是6.25kHz。不过实际上并不能省出一半频谱资源来,还需要考虑一些其它因素。

一个因素是, 6.25kHz对于一般对讲机是相当窄的频带,已经可以和收发信机本身的频率偏差相提并论,为了保证所有设备在最坏偏差情况下不至发生互相干扰,DSTAR的实际信道间隔需要放宽。

C4FM浅谈

图3  几种常见信号的频谱比较

另一个因素是频谱的形状。图3是未调制载波CW(黄色)、强语音调制的模拟FM(天蓝色)、DSTAR(绿色)和C4FM(紫红色)四种信号频谱图的叠加比较。可以看出,C4FM和模拟FM信号的带宽相仿,在-26dB时约为12.5kHz,ICOME DSTAR带宽稍窄,-26dB时约为10kHz。

虽然DSTAR虽然在低于峰值26dB处的带宽比C4FM窄,但它们的频谱形状不同,再往下很快出现一个台阶,带宽就显著变宽了。这意味着,当发射一方周围一定距离内还有其他同类电台时,由于信号强,这个宽台阶处的分量会对附近电台接收远方的邻频道电台产生干扰。这种干扰的实际影响比相同条件下的模拟FM信号要严重得多,因为FM信号的实际频带与语音的频率和强度有关,话音不太强时频带很窄,对邻频道的干扰通常只发生在话音很强的瞬间。而数字模式的带宽却基本与语音强度无关,基本不随时间变化。因此,为了防止DSTAR数字信号频谱下面台阶的干扰,DSTAR电台的频率间隔应该选择得比10kHz还要大。

根据国外一些业余无线电爱好者的实际试验,认为DSTAR实际可用的信号间隔不能少于10kHz到11kHz。这样折衷下来, C4FM在频带占用上只是略大于DSTAR,但换来了高出一倍的数据速率,优势不言而喻。

关于C4FM的技术兼容性

模拟FM和数字C4FM对讲机发射部分的功能原理框图如图4所示。两种调制方式下的射频部分基本功能是一样的,只是在模拟FM对讲时话音信号直接作为射频的调制信号,而在数字对讲时话音信号先经过语音编码模块(声码器)处理为数字信号,一般是二进制信号,为了调制出C4FM射频信号,需要先转换成四级电平信号(这个过程实际上也是一种调制),然后再送到调制模块对射频进行调制。如果工作在数字信息传输模式,则只需把数字信号直接送入调制部分。

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图4  模拟FM/数字C4FM发射机原理框图

对讲机接收部分的信号流程与发射部分相反,如图5所示。模拟和数字对讲方式的射频部分功能相同,只是在模拟对讲时射频信号鉴频解调出来的就是话音信号,可以直接放大收听,而数字对讲时鉴频解调得到的是C4FM四级电平信号,需要先转换成二进制数据流,再经过语音解码模块处理为话音信号。如果工作在数字传输方式,只需把转换得到的二进制数据流直接输出使用就可以了,例如送到单片机加以处理并显示出来。

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图5  模拟FM/数字C4FM接收机原理框图

如果数字对讲机语音编码采用的方法不同,即使接收并解调出由语音变换成的数字序列,也是无法听出语音信息的。由于性能、价格、版权等原因,不同厂商会采用不同的语音编码方法。例如DSTAR采用的声码器是由专门厂商以芯片形式提供的,编码方法是不公开的,业余无线电爱好者不可能通过编出第三方解码程序来把接收机里的数字序列还原为语音信号。仅此一点,就目前而言,不同的数字对讲机系统之间直接在语音级实现互通兼容是十分困难的。

既然不同制式的设备不能直接兼容互通,还有什么兼容性可言吗?其实从整体观点看,技术上还是有兼容性问题的。

频谱利用的兼容性

传统模拟FM对讲机的信道间隔为12.5KHz,成为业余无线电界长期形成的习惯。DSTAR的理论带宽为6.25kHz,具有占用频谱窄的优点,但如前面叙述,实际使用的信道间隔应设置到10kHz才能较好地避免邻近信道干扰。这样,如果DSTAR按照10kHz步长安排信道的中心频率,就会和模拟FM信号的信道频率分布不相重合,因此一个DSTAR信号的占用范围可能影响到两个FM信道。这种频谱应用上的不下兼容不能不说是一个遗憾,除非DSTAR使用中放弃它节省频谱的目标,采用12.5kHz的信道间隔

美国P25第二版本、摩托罗拉的MOTOTRBO数字对讲机、海能达数字对讲机都采用了12.5kHz信号间隔,并采用时分多址体制(Time Division Multiple Access,TDMA)将一个频道轮流分时提供给两对用户使用。虽然所有各种制式的设备之间都无法直通兼容通话,但C4FM与这些制式以及传统FM设备在频谱占用方面具有兼容性,只要正确按12.5kHz间隔配置信道频率,就不会影响到临近频道上其它制式用户的通信。

设备的技术兼容性

理论上一部数字对讲机里可以集成进各种制式的功能模块,但鉴于成本,实际上一般数字对讲机都以保证一种制式的性能为主,顺便实现对其他制式的兼容工作能力,通常是按照主要制式的要求设计射频滤波器,用切换增加额外的调制或解调模块的办法实现多制式兼容。

DSTAR制式对讲机射频部分的信道是为适应预定的6.25kHz窄带指标而设计的,如果不增设额外的滤波器,勉强兼容工作在FM方式时性能就不理想了。而C4FM的信道带宽和传统FM一样都是12.5kHz,而且C4FM的射频调制器本来就是FM调制器,因此C4FM数字设备本来就具备理想的FM收发功能,关掉语音编解码模块就是完美的模拟FM收发信机,因此C4FM设备与传统FM系统的跨制式兼容性很好。

YAESU数字业余设备产品正是充分利用了C4FM的这一特点,做到在数字和模拟两种制式之间以理想的性能进行轻松自如的切换,这对于业余无线电通信是非常便利和重要的。因为业余无线电通信和专业通信不同,专业通信具有特定的通信对象和通信任务,在设计系统时通常会保证每个用户收到的信号都达到一定的信噪比,只要采用统一的数字制式就可以实现高质量的语音通信。业余电台的通信对象是任何其他业余电台,有时对方的信号可能很微弱,如用数字模式,由于信号低于解码门槛,完全无法工作。这种情况下模拟FM通信虽然质量会大打折扣,但毕竟仍然可能维持通信。因此业余数字对讲机是否具备理想的模拟FM兼容能力,是衡量灾害应急通信和VHF/UHF DX通信适应能力的重要考虑因素之一。

(文章转载自八重洲无线  作者:BA1HAM)

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