简述数字语音对讲模式

根据Mike Myer, Mark Kleine幻灯片, 文字内容由BG3MDO撰写

Text written by BG3MDO, based on Mike Myer and Mark Kleine’s slides.

概述

一般而言,一个传统的对讲系统由发送端和接收端组成,在发送端模拟的语音信号被加载到高频信号上(调制)得以向空间发射,而接收端再将接收到的高频信号还原(解调)成语音信号。

相对而言,在数字语音对讲系统里,发送端使用模拟数字转换器(ADC)将模拟的语音信号转化为数字信号,经过压缩处理后的数字信号再调制到高频信号上,在接收端,接收到的射频信号被解调成为数字信号,再经过解压缩等处理还原成原始数字语音信号,经过数字模拟转换器(DAC)变换为人们可以收听的模拟语音信号。

假定所有的数据都被很好的接收,数字系统可以提供更纯净的语音信号。因为是数字系统,更多的信息可以被加载到高频信号里,使得数字系统不仅能传送语音还能传送多种数据,同时数字信号也容易被纠错,所以数字系统具有更好的通信距离。除此之外,数字系统还更节省频谱资源,更省电。

关键技术

AMBE+ 声码器,声码器 (Vocoder 或Voice Codec) 的一种,由DVSI  (Digital Voice System, Inc) 开发,此技术拥有专利,且受专利保护。声码器的作用是将ADC转换的语音数据进行压缩,使其数据量更小,在传送时占用更少的频谱资源,以满足对讲机频谱规划的要求。除了压缩,声码器还担任解压缩工作,将压缩的数据再次还原为DAC可以转化的语音信号。因此声码器需要同时存在于收发端。

D-STAR 是最早的针对业余无线电所提出的数字对讲模式。语音的压缩采用了AMBE+。

DMR 和 C4FM 使用了较为新版本的声码器 AMBE+2,而AMBE+2向前兼容AMBE+声码器

调制方式,通过何种方式将数据携带到高频信号上。例如GMSK, 高斯最小移频键控,4FSK,四级移频键控, C4FM,连续四级频率调制。

复用方式,多路通信实现方式,FDMA频分复用,TDMA, 时分复用。

前向纠错 (FEC, Forward Error Correction),  增加数据通讯可靠度的方法,利用额外数据进行传输冗余,当传输中出现错误,允许接收器再利用冗余数据再构建数据。

数据格式

和所有的数传模式一样,数字对讲机的数据是以数据帧的形式传送的,数据帧也可以看做是数传中比较小的数据块单位,或者说是数据的格式,协议。 不同数字对讲模式,除了可能使用不一样的语音压缩办法,声码器。其数据帧的定义也不同。下面展示了三种不同数字对讲模式的数据帧结构。

 

可以看出D-STAR,呼号信息被携带在帧头,语音数据在帧尾部以72字节,24字节交替封入一帧。DMR也类似,但DMR的同步信息出现在数据和语音中,每个同步间隔30毫秒,每一帧包含330毫秒长的语音数据。而八重洲的Fusion,正好是语音数据交替在一帧中,每一帧660个比特长。

主流模式技术参数对比

 

D-STAR

D-STAR是一个开放标准,它由JARL (Japan Amateur Radio League), 日本业余无线电协会制定。D-STAR标准于2001年正式发布,于2004年,日本ICOM公司开始遵循这一标准生产D-STAR数字对讲设备,其生产的设备涵盖常用的2米,70厘米,和23厘米等波段。近来,日本建武公司也开始生产符合D-STAR标准的手持数字电台。

D-STAR使用AMBE+声码器,语音数据流为3000 bps, 在信道中,额外的 1200 bps 前向纠错数据被加入,故DSTAR的语音流为 4800 bps。在D-STAR中,额外一个1200bps 速率通道可以被用于数据传输。

D-STAR 支持 GPS,GPS信息可被携带在通信帧中,D-STAR 符合FCC ID的要求。

八重洲 System Fusion

System Fusion 由八重洲公司开发制定的,期间借鉴了P.25的大量标准,System Fusion 又被称为 C4FM。Fusion 中文含义为“融合”之意,八重洲中继的最大特色就是支持模拟和数字混合模式。System Fusion 使用 AMBE+2 声码器,并提供了多种数字模式。如, DN (Digital Narrow), 数字窄带,此模式下支持语音和数据同时传递。 DW (Digital Wide), 数字宽带,此模式下,全部传输带宽将被用于语音传输,用于增强语音清晰度。高速数据, 在此模式下数据传输速率为 9600pbs, 用于传输图片, 文字等数据。当被选择为自动模式时,System Fusion可以自动识别模拟或数字模式,并进行自动模式转换。

目前八重洲是唯一的System Fusion制造商,并且此标准由八重洲所拥有。System Fusion 内建APRS,也能支持传统APRS操作。System Fusion 符合FCC ID的要求。

DMR

DMR (Digital Mobile Radio) 由ETSI (European Telecommunications Standards Institute – 欧洲电信标准协会)主持开发, 并目标商业化应用,其第一个标准于2005年公布。DMR 使用了 AMBE+2 声码器,并且采用了TDMA时分复用方式,在一个 12.5KHz 的信道中实现了2路通信, 明显的优势就是一个中继台可以支持两路互不影响的对讲。DMR获得广大厂商支持和授权,市面上DMR设备比较丰富,但初衷是商业用途,大部分不是很轻松的修改频率。 和DSTAR,System Fusion一样,DMR也支持短信功能。

DMR分为三层,DMR Tire I/II/III,Tier I,第一层级,这类设备仅仅支持单频的对讲,早期宝丰 DM-5R属于这类。 Tier II,第二层,支持差频收发,和中继,也是业余无线电爱好者主要使用的,比如TYT MD-380。Tier III,第三层,面向集群系统。

由于不是专为业余无线电爱好者设计的,其使用CCS7 ID或者DMR ID作为身份标识,因此DMR不满足FCC ID的要求。DMR也不能合法的支持GPS定位数据,但的确存在GPS DMR设备,但基本都是基于DMR修改协议的。

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