基本介紹
簡介,典型套用,一種無線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,
簡介
無線數傳電台大致分為兩種，一種是傳統的模擬電台，另一種為採用DSP技術的數字電台，傳統的模擬電台一般是射頻部分後面加數據機轉換為數位訊號方式來傳輸數據，全部調製、解調、濾波和糾錯由模擬量處理完成，如果需要進行數據的任何其它處理，那么附加的部件、專用的晶片、或微處理機必須加到設計中。因為收發機相當多的功能是在硬體中完成，任何校準或無線電的調整必須在硬體級上進行；例如，扭動一個螺絲調整或更換部件。又因為設計是以硬體為基礎的，因而它是一個固定的設計。這就是說，不改變硬體就不能改變功能和性能。
芬蘭SATEL數傳電台
美國MDS數傳電台這種模擬電台大部分由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，其速率比較低，時延大，操作也不方便，但是因為價格比較低廉，在自來水監控、遠程抄表、水文檢測等實時性不高的地方有著廣泛套用，而且占據數傳大部分市場，無線數傳電台可與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數傳電台隨著在最近的二十多來年積體電路的複雜性和集成度的飛速增加，開發出專用處理晶片器，它能實時或“線上”進行數位訊號處理（DSP技術），無線數傳電台部分甚至全部採用數字處理技術技術，這些電台通常被稱為數字電台，隨著DSP技術廣泛套用，技術成本和核心器件降低能夠是大多數廠家所能接受，使其DSP技術進入更多產品領域，相比較傳統的模擬電台，數字電台的數據信號處理允許很複雜的算法在實時中使用並可被嵌入產品內，DSP相關的晶片是軟體控制的，在不改變硬體的情況下，可在系統內改變它們的性能和/或任務。這意味著在產品售出後的升級或另增加的特性可加到產品上，不必把電台返回到製造廠， 從某種意義上來講，數字電台控制精度更高，沒有與模擬量元件有關的誤差問題，功耗更低，實時性穩定性更高，市場中占據大部分中高端用戶，比如鐵路場站調度、工業控制，GPS差分，遠程測量測控等行業處於主流地位。隨著數位訊號處理技術和高性能，低價格數位訊號處理器正在使採用DSP技術的數字電台有著向全行業擴展的蔓延的趨勢，不久將來大功耗、低速率、低精度模擬電台將退出數傳市場，包括傳統的模擬對講和尋呼業務。 隨著汽車電子、儀器儀表等行業的發展，另一種微功率數傳廣泛被人們接受，這種微功率數傳因為其價格低廉、使用方便在套用領域取得了迅猛發展，這類技術的代表如Zigbee和CFDA，兩者均具有低功耗、高速率、自組網的特點，使用靈活方便未來發展不可限量，但是這種產品在長距離傳輸局限比較大，僅限於小範圍局部套用。 無論模擬電台、數字電台和微功率數傳，在市場的空間一直不是很大，一是傳統的SCADA系統的每個節點的一次性造價較高，隨著GPRS和CDMA網路的日漸成熟，資費和終端日趨便宜，瓜分了部分原有的數傳電台的市場，在實時性要求不高、系統覆蓋範圍又大的系統中，如抄表系統，鐵路列控系統這一現象尤為突出；雖然SCADA系統的發展很快，但數傳電台的市場並沒有得到回響的提高，反而有所下降。二是數傳電台不同於其它行業有明確的行業標準，數傳電台的行業標準，尤其是高速數據傳輸的通信規約、協定，至今尚沒有一個明確的、統一的行業標準。造成大部分廠商產品自成體系、互不兼容，從而很難規模化套用，影響了行業發展。 以上這些值得數傳電台的生產商、代理商就現在的數傳市場應該去探討、去深思；也期待國家和行業聯盟去規範和支持，但我們也沒有必要悲觀，數傳做為通信行業最早的傳輸手段，仍然有著無法比擬的優勢，比如移動性、時延的穩定和可靠性，在專網市場仍然有舉足輕重的地位和優勢，正是數傳電台不可替代性和優勢使得國際上一些有遠見數傳廠家針對市場現狀不斷創新發展，比如GE MDS剛剛發布的SD4、SD4系列數字電台，將專業無線數字電台提到一個新的高度，該系列電台從寬頻前端射頻部分到數位訊號處理部分全部採用先進數字處理的技術，收信發信機採用軟體無線電的全數字硬體結構，直接通過脈衝調製傳送信號而無傳統的中頻處理單元，其產品設計也更綠色、更環保，在寬頻、收發精度控制和傳輸穩定可靠性方面優勢更明顯。這種新的軟體無線電台將無線數傳帶到新的高度。也為無線數傳市場帶來了新的發展空間和活力；讓我們看到無線數傳依然春光無限。
MDS數傳電台
芬蘭SATEL數傳電容典型套用
電氣SCADA系統
無人機系統
電氣分布自動化
交通控制系統
石油/天然氣生產過程自動化
工業自動化過程控制
水處理
一種無線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。
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。
圖2 激勵器單元原理框圖
考慮到一般需要外接蓄電池作為電源，激勵器電源輸入可採用7809三端穩壓器穩壓，以提供較寬的電壓動態範圍。同時，也可採用多級LC濾波來改善穩壓和降噪效果。
功放單元
功放單元的主要任務是把激勵器送來的射頻信號經功放模組放大到44 dBm，然後經過低通濾波器濾除高次諧波後送給雙工器，最後通過天線發射出去。如果天線出現開路或短路，那么功率將反射回來，此時檢測電路將進行檢波，然後比較放大，再送一個信號給MCU，由MCU控制相關電路關斷功放，以達到保護功放模組的目的。功放電路的組成如圖3所示。
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。
當射頻信號經天線送到雙工器後，再經過第一級帶通濾波器濾波，並經限幅後將送給高放電路。然後進入第二級帶通濾波器濾波，最後送給雙平衡混頻器混頻。限幅電路的作用是防止強幹擾信號損壞高放前端組件。
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。
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。
圖5 系統電源結構框圖
控制和基帶單元
控制單元以ATMEGA64為核心來完成本機工作狀態的控制，包括收發信機的頻合數據，面板顯示器、鍵盤的控制，工作頻段控制，數傳以及話音通信狀態的控制等。
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。
圖6 基帶單元原理框圖
