Category: 数字通信技术 for C4FM

C4FM浅谈 – 陈平(BA1HAM)

       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-991、FTM-400DR、FTM-100DR等收发信机以及DR-1X和HRI-200中继台设备的不断推出,C4FM也成为我国max万博客户端万博体育app世界杯版爱好者频繁使用的对讲机通信调制主流方式之一。

 

接收机解调输出的C4FM信号波形

 

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。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。

 

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“max万博客户端万博体育app世界杯版数字智能技术”,这是日本max万博客户端无线联盟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max万博客户端数字对讲机,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。

 

关于C4FM与D-STAR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。

 

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。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。

 

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max万博客户端万博体育app世界杯版界长期形成的习惯。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max万博客户端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max万博客户端万博体育app世界杯版通信是非常便利和重要的。因为max万博客户端万博体育app世界杯版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。max万博客户端电台的通信对象是任何其他max万博客户端电台,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max万博客户端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。