1、SCADA系列數字電臺簡介

A、數字電臺
SCADA系列點對多點電臺是遙控遙測工業自動化行業的頂級產品。它的電路采用DSP數字信號處理芯片,實現信道編碼,前向糾錯等功能。它采用CPFSK數字調制解調、Viterbi譯碼、均衡軟判決等技術,軟件處理增益達7dB。生產工藝全部表面貼片焊接。產品的穩定性、可靠性、抗干擾性、傳輸速率和傳輸距離遠遠超過模擬數傳電臺。電臺的通訊范圍在50公里以上。可以全雙工、半雙工或單工方式工作,收發同頻或異頻,EIA-232數據接口異步透明傳輸。電臺支持話音通訊,通過復用器可以實現數話同傳。
電臺自帶電壓表、溫度計、功率計、場強及干擾測試儀、誤碼統計、軟件RTU等目前市場上其它品牌電臺所不具備的功能。電臺故障告警如溫度過高過低(-40~+70℃)、供電電壓超范圍(10.5~16VDC)、異步串口數據格式不匹配等自動提示輸出。
SCADA電臺獨有的系統網管軟件InSite 6,實現空中遠程設置系統內其它電臺參數如串口格式、發射功率、工作頻率等,也可以實現空中遠程監測系統內其它電臺狀態如工作電壓、工作溫度、接收信號強度、信噪比、誤碼率、狀態告警等。
SCADA系列電臺具有多種機型,以滿足不同系統要求,如中繼臺、全雙工電臺、雙機熱備電臺等。
B、性能特點
◆ 技術指標高:DSP電臺,前向糾錯信道編碼,CPFSK數字調制解調,Viterbi譯碼,均衡軟判決,尾噪聲抑制
◆ 運行可靠:發射啟動快,收發轉換快,可以連續發射,功耗低,工作溫度范圍廣,能在各種極其惡劣環境下工作
◆ 設置靈活:所有參數包括頻率、功率、接口格式等通過軟件設置
◆ 有網管:遠程空中設置電臺參數或監視電臺狀態及告警
C、技術指標
一般性能
工作頻段:130-174/220-240/330-512MHz
運行模式:半雙工,單工
數據接口:透明RS-232,DB25孔
空中速率:9600/19200bps
數據時延:< 7ms
發射單元
調制方式:CPFSK
發射功率:1-5瓦/1-25瓦(連續)
頻率穩定性:+/-1.5ppm
發射啟動:數據直接啟動
啟動時間:< 3ms
鄰道輻射:-65dB
超時定時器:1-255秒
接收單元
類型:雙超外差式
誤碼率/靈敏度:-110dBm@10-6 BER
頻率穩定性:+/-1.5ppm
鄰道選擇性:60dB
交調抑制:-70dB
電源要求
供電電源:13.8VDC(10.5-16VDC范圍)
發射電流:< 2A,發射功率5瓦時
接收電流:< 125mA
休眠狀態:15mA
外形尺寸
機箱:鑄鋁
尺寸:5.08×14.29×18.4cm
重量:1公斤
使用環境
溫度范圍:-40℃ to +70℃
濕度范圍:95%@40℃非冷凝
選配
內置功放模塊(最大25W)
對講話咪
多信道板(16CH)
D、網管功能
網管(Network Management System)是指通過網絡中的某一點,利用PC等終端,實現全網絡系統中各通信設備的管理。
INSITE無線電系統網管軟件是SCADA系列無線數據傳輸系統網管軟件。它利用一臺PC機,可以對一個點對多點系統的基站、遠程站、中繼站進行遠程監測控制。即可以很方便地在辦公室監測X710數字電臺系統的狀態,而不必去現場更改系統設置參數,也可以在網絡系統中的任何一個站點,如主站、中繼站、遠程站,運用INSITE網管軟件進行管理監控。

Insite網管功能界面圖
INSITE軟件有許多功能,在SCADA系列無線電系統中很容易實現。主要的功能包括:
◆內置RTU模擬器:可以用INSITE將網絡中任何電臺的RTU模擬器打開,檢查無線鏈路的質量和電臺的設置。可以用其它輪詢軟件對RTU模擬器輪詢。
◆INSITE軟件監測無線電系統運行狀態,診斷通信中由電臺,RTU,電源或傳輸路徑引起的問題。用此系統經常可以檢測到一些小問題,并作糾正,以避免影響到整個網絡的運行。如果必須去現場檢查,檢查人員用網管系統提供的信息通常對所發生的故 障有所判斷,并做好相應的準備。此外,INSITE可以用于判斷問題是在電臺上或RTU上,并可以從中心控制室重置RTU,清除RTU故障。
◆遠電臺設置:許多電臺的參數可以通過無線信道遠程設置。例如:輸出功率,設置類型,超時定時時延,接收發射頻率,數據速率和格式等。根據電臺類型不同,有不同的參數可以設置。
◆報警設置:
A、圖形顯示報警數據,顏色標識。點擊查看報警信息。可以讓用戶設置什么報警會引起外部觸動開關啟動。
B、非中斷式的報警診斷輪詢:連續的或定時的報警查詢,不用中斷用戶的數據傳輸。
C、快速報警狀態指針:如果電臺對網管輪詢沒有響應。它能很快被發現。可用中斷式診斷,迅速查詢電臺報警。
◆電臺自動搜索:電臺搜索功能可以自動生新的設備清單。在30分鐘內,可以完成從0000到底9999的缺省地址碼搜尋。搜尋結果可以加入新的設備清單,或加入現有的設備清單。
◆支技使用編碼操作開關COS:用一臺PC機連接多個位于同一地點的基站電臺。這一特性可以解決用遠程電臺做基站電臺引起的診斷口地址問題,COS編碼操作開關性能內置在X790基站電臺內。如果多個基站不在同一地點,此方案無效。
◆提供休眠喚醒方式:在一些使用太陽電源的場合,電臺常常設為休眠模式,只有通信時被喚醒。如果在網管時需要喚醒電臺,采集數據,可以用“喚醒模式”,采集完數據后,又將電臺變到休眠模式。
◆INSITE與企業網絡聯接,可以讓系統主管,工程師可以在任何時候得到報警信息,甚至在遠離網管終端時,報警信息可以通過電子郵件,短信息等方式傳達給相關人員。
◆INSITE提供三個層次的企業網連接:
ODBC把網管數據鏈接到本地或遠端的數據庫。
DDE動態數據交換服務器與本機上其它的應用程序或網絡上其它應用程序分享數據。
TCP/IP遠程接入服務器。
ODBC參數:如果網絡中有SQL數據庫服務器,允許用戶設置登錄用戶名和密碼。
◆在線幫助手冊。
2、應用之一:點對多點/遠距離/高速/高可靠無線數據采集控制系統
用無線電臺方式實現遠程數據采集、監視與控制,相對于架設專用電纜(或光纜)、租用電信專線等,具有造價低廉、施工快捷、運行可靠、維護簡單等優點。
用深圳華夏盛公司SCADA系列電臺組建油田/天然氣、水處理、電力、煤氣、鐵路、地震/氣象/環保、GPS、金融、公安/交通/安防、化工、工業控制自動化等數據采集與控制系統結構如下圖:
Insite網管功能界面圖
INSITE軟件有許多功能,在SCADA系列無線電系統中很容易實現。主要的功能包括:
◆內置RTU模擬器:可以用INSITE將網絡中任何電臺的RTU模擬器打開,檢查無線鏈路的質量和電臺的設置。可以用其它輪詢軟件對RTU模擬器輪詢。
◆INSITE軟件監測無線電系統運行狀態,診斷通信中由電臺,RTU,電源或傳輸路徑引起的問題。用此系統經常可以檢測到一些小問題,并作糾正,以避免影響到整個網絡的運行。如果必須去現場檢查,檢查人員用網管系統提供的信息通常對所發生的故 障有所判斷,并做好相應的準備。此外,INSITE可以用于判斷問題是在電臺上或RTU上,并可以從中心控制室重置RTU,清除RTU故障。
◆遠電臺設置:許多電臺的參數可以通過無線信道遠程設置。例如:輸出功率,設置類型,超時定時時延,接收發射頻率,數據速率和格式等。根據電臺類型不同,有不同的參數可以設置。
◆報警設置:
A、圖形顯示報警數據,顏色標識。點擊查看報警信息。可以讓用戶設置什么報警會引起外部觸動開關啟動。
B、非中斷式的報警診斷輪詢:連續的或定時的報警查詢,不用中斷用戶的數據傳輸。
C、快速報警狀態指針:如果電臺對網管輪詢沒有響應。它能很快被發現。可用中斷式診斷,迅速查詢電臺報警。
◆電臺自動搜索:電臺搜索功能可以自動生新的設備清單。在30分鐘內,可以完成從0000到底9999的缺省地址碼搜尋。搜尋結果可以加入新的設備清單,或加入現有的設備清單。
◆支技使用編碼操作開關COS:用一臺PC機連接多個位于同一地點的基站電臺。這一特性可以解決用遠程電臺做基站電臺引起的診斷口地址問題,COS編碼操作開關性能內置在X790基站電臺內。如果多個基站不在同一地點,此方案無效。
◆提供休眠喚醒方式:在一些使用太陽電源的場合,電臺常常設為休眠模式,只有通信時被喚醒。如果在網管時需要喚醒電臺,采集數據,可以用“喚醒模式”,采集完數據后,又將電臺變到休眠模式。
◆INSITE與企業網絡聯接,可以讓系統主管,工程師可以在任何時候得到報警信息,甚至在遠離網管終端時,報警信息可以通過電子郵件,短信息等方式傳達給相關人員。
◆INSITE提供三個層次的企業網連接:
ODBC把網管數據鏈接到本地或遠端的數據庫。
DDE動態數據交換服務器與本機上其它的應用程序或網絡上其它應用程序分享數據。
TCP/IP遠程接入服務器。
ODBC參數:如果網絡中有SQL數據庫服務器,允許用戶設置登錄用戶名和密碼。
◆在線幫助手冊。
2、應用之一:點對多點/遠距離/高速/高可靠無線數據采集控制系統
用無線電臺方式實現遠程數據采集、監視與控制,相對于架設專用電纜(或光纜)、租用電信專線等,具有造價低廉、施工快捷、運行可靠、維護簡單等優點。
用深圳華夏盛公司SCADA系列電臺組建油田/天然氣、水處理、電力、煤氣、鐵路、地震/氣象/環保、GPS、金融、公安/交通/安防、化工、工業控制自動化等數據采集與控制系統結構如下圖:

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INSITE軟件有許多功能,在SCADA系列無線電系統中很容易實現。主要的功能包括:
◆內置RTU模擬器:可以用INSITE將網絡中任何電臺的RTU模擬器打開,檢查無線鏈路的質量和電臺的設置。可以用其它輪詢軟件對RTU模擬器輪詢。
◆INSITE軟件監測無線電系統運行狀態,診斷通信中由電臺,RTU,電源或傳輸路徑引起的問題。用此系統經常可以檢測到一些小問題,并作糾正,以避免影響到整個網絡的運行。如果必須去現場檢查,檢查人員用網管系統提供的信息通常對所發生的故 障有所判斷,并做好相應的準備。此外,INSITE可以用于判斷問題是在電臺上或RTU上,并可以從中心控制室重置RTU,清除RTU故障。
◆遠電臺設置:許多電臺的參數可以通過無線信道遠程設置。例如:輸出功率,設置類型,超時定時時延,接收發射頻率,數據速率和格式等。根據電臺類型不同,有不同的參數可以設置。
◆報警設置:
A、圖形顯示報警數據,顏色標識。點擊查看報警信息。可以讓用戶設置什么報警會引起外部觸動開關啟動。
B、非中斷式的報警診斷輪詢:連續的或定時的報警查詢,不用中斷用戶的數據傳輸。
C、快速報警狀態指針:如果電臺對網管輪詢沒有響應。它能很快被發現。可用中斷式診斷,迅速查詢電臺報警。
◆電臺自動搜索:電臺搜索功能可以自動生新的設備清單。在30分鐘內,可以完成從0000到底9999的缺省地址碼搜尋。搜尋結果可以加入新的設備清單,或加入現有的設備清單。
◆支技使用編碼操作開關COS:用一臺PC機連接多個位于同一地點的基站電臺。這一特性可以解決用遠程電臺做基站電臺引起的診斷口地址問題,COS編碼操作開關性能內置在X790基站電臺內。如果多個基站不在同一地點,此方案無效。
◆提供休眠喚醒方式:在一些使用太陽電源的場合,電臺常常設為休眠模式,只有通信時被喚醒。如果在網管時需要喚醒電臺,采集數據,可以用“喚醒模式”,采集完數據后,又將電臺變到休眠模式。
◆INSITE與企業網絡聯接,可以讓系統主管,工程師可以在任何時候得到報警信息,甚至在遠離網管終端時,報警信息可以通過電子郵件,短信息等方式傳達給相關人員。
◆INSITE提供三個層次的企業網連接:
ODBC把網管數據鏈接到本地或遠端的數據庫。
DDE動態數據交換服務器與本機上其它的應用程序或網絡上其它應用程序分享數據。
TCP/IP遠程接入服務器。
ODBC參數:如果網絡中有SQL數據庫服務器,允許用戶設置登錄用戶名和密碼。
◆在線幫助手冊。
2、應用之一:點對多點/遠距離/高速/高可靠無線數據采集控制系統
用無線電臺方式實現遠程數據采集、監視與控制,相對于架設專用電纜(或光纜)、租用電信專線等,具有造價低廉、施工快捷、運行可靠、維護簡單等優點。
用深圳華夏盛公司SCADA系列電臺組建油田/天然氣、水處理、電力、煤氣、鐵路、地震/氣象/環保、GPS、金融、公安/交通/安防、化工、工業控制自動化等數據采集與控制系統結構如下圖:
點對多點系統結構
主站用多套點對點設備疊加,配合路器、分路器及全向天線組成天饋線共用系統,根據不同位置分布架設多個遠端外圍站,即構成點對多點無線通信系統。
典型案例:山東電力、江蘇電力、福建電力等。
4、應用之三:大范圍/大容量/專用GPS無線數據網絡
用戶容量是專用無線數據網絡的重要指標。無線數據網絡的用戶規模是由無線電臺的數據速率、收發轉換時間和傳輸的信息量決定的。為滿足大容量的要求,專用無線數據網絡的電臺必須提供高的數據速率,如19200bps以上,并能夠迅速的收發轉換,時間在10ms內。
目前的專用無線數據網絡設備基本上都是采用常規調頻電臺加MODEM的方式實現的。電臺工作于230MHz、800MHz數傳業務頻段和350MHz、800MHz集群業務頻段。在25KHz信道,數據速率基本上是1200bps、2400bps,一些采用GMSK等MODEM芯片把輸出的低頻信號直接加到VCO輸入端能實現9600bps的無線數據傳輸,但該方式的射頻指標,難于滿足信息產業部規定要求,且其10-6誤碼靈敏度很低,通信距離非常近,實際當中無法使用。另外,常規調頻電臺的收發轉換時間在50-100ms左右,不能實現高速收發轉換。
深圳華夏盛公司采用前向糾錯編碼、軟件無線電、數字調制相干解調、Viterbi軟判決和表面貼片一體化設計等技術,提供高性能、高穩定、高可靠的DSP無線電臺。電臺提供標準RS-232接口可直接與計算機、GPS接收機控制板連接。25KHz信道間隔空中數據傳輸速率為19200bps,10-6誤碼靈敏度-111dBm,收發轉換時間在7ms以內,電臺其它指標亦符合信息產業部的要求。
假設每個用戶終端需要傳輸50字節的信息,采用華夏盛電臺只需要分配:
50×10÷19200+7=33ms的時隙給每個電臺。
同樣情況,采用調頻電臺加MODEM,一般為2400bps方式則需要分配:
50×10÷2400+50=258ms的時隙。二種情況用戶容量相差約8倍。如果要求GPS系統每10秒鐘更新一次信息,采用調頻電臺加MODEM方式容納不了40個用戶,而采用華夏盛電臺可容納300個用戶。
另外,我們在同樣的環境下,如上海市中心,目前國內高樓最密集城區做過實驗。用國內某公司提供的調頻加9600bpsMODEM方式的數傳電臺只通不到2公里(BER小于10-6),而華夏盛電臺可以覆蓋約15公里半徑。
多基站專用無線數據通信網
典型案例:上海公安局、北京交警大隊、山東公安局等
5、 應用之四:低速遠距離無線計算機局域網
兩個或多個局域網之間,用無線網絡電臺實現點對點/點對多點網絡互連,通訊距離:50公里以上,傳輸速率9.6/19.2 Kbps。系統結構拓樸圖如下:
典型案例:我軍某部地面指揮計算機局域網、遠程10KV線路高低壓電力監控與管理系統。
無數數據傳輸:從模擬數傳電臺到數字數傳電臺
自十九世紀末馬可尼發明無線電以來,采用電臺(英文RADIO即無線電)通過無線電波傳遞信息已與人類的生活越來越密不可分,從航海、軍用、廣播電視到移動電話都是電臺的范疇,傳輸的信息從模擬信息的電碼、話音、圖像到全部數字化的各種數據流,電波工作的頻段從長波、短波、超短波到微波、紅外線和光(纖),采用的通信技術從模擬調制到數字調制、從單信道到多信道、從常規固定頻道到跳頻、從單載波到多載波、從頻分(FDMA)到時分(TDMA)再到碼分(CDMA)、從窄帶64Kbps到寬帶幾十Mbps,采用的器件(技術)從電子管、晶體管、集成電路、單片機、DSP到軟件無線電……
調制(即把要傳輸的信息調整到與傳輸的通道匹配)是電臺的關鍵技術,沒有調制,任何信息都搬不到空中成為電波,亦就沒有電臺。更重要的是,先進的調制方式可以在有限的射頻帶寬內更遠更可靠地傳輸更高速的數據。調制方式根據調制信號是模擬的(如音頻信號)還是數字的(如RS232異步串行數據)的,分為模擬調制(如FM調頻和AM調幅)和數字調制,目前大量民用的對講機和第一代大哥大手機是模擬調頻的,還有調頻廣播等。數字調制分為線性幅度調制和頻率相位調制(參1:P333,下同)。數字頻率調制有FSK(如低速1200bps無線尋呼,參1:P335)、CPFSK(如數字數傳電臺,參1:P336)、GMSK(如GSM第二代數字手機,參1:P337)、四電平調頻 (高速FLEX尋呼, 參1:P337)。數字調頻的調制可以通過VCO壓控振蕩(參1:P251)實現,亦用數字式調頻(參1:P252)實現。數字調頻的解調分相干解調(參1:P253)和非相干解調(參1:P266)。
1、模擬數傳電臺
數傳電臺是無線數據傳輸電臺的簡稱,而數據傳輸最早出現的應用是數據遙控遙測,有別于目前無線微波電臺、無線以太網、GPRS手機等先進數據傳輸設備,習慣上,數傳電臺就指傳遙控遙測數據用的電臺,我國無線電管理部門把223~235M/821~825
M/2.4~2.4835GHz等頻段指配給數傳業務(參2)。數據遙控遙測是隨著采用計算機進行數據處理而應生的業務,而六、七十年代只有模擬FM調制技術的音頻(300~3400Hz)通信電臺,因此把101010……數據流通過單頻(如FSK的1=1200 Hz,0=1800 Hz)來代表,再作為音頻信號進行模擬FM調制就實現了早期的數傳電臺,其本質是預FSK(或MSK、GMSK)調制加FM調頻這樣的二次調制(參3),如下圖所示:
模擬數傳電臺示意圖
以嘉興藍波數傳電臺N88X為例,其實質就是采用單片機(232數據打包解包、電臺收發控制等)及專用FSK(或MSK、GMSK)芯片預調制而做成無線MODEM,再配上日本日精模擬FM調頻對講機(藍波公司提供的日精電臺N889信產部電臺入網證書中注明調制方式為FM,www.rec198.com)。
由于調頻對講機和MODEM已大量普及民用,價格低(如日精ND889 25W電臺,成本約為500元人民幣,藍波4800MODEM成本約為200元人民幣)是它的最大優勢,但缺陷亦是明顯的,廣大用戶及專業人員都知道,這種二次調制的由MODEM加調頻電臺拼湊起來的二加一數傳電臺產品有:⑴速率低,⑵會丟字頭,⑶會出現尾噪聲亂碼,⑷沒有其它任何附加功能等特點。藍波公司編的ND88X系列說明書中強調MODEM數據的收發需要有嚴格的時序與電臺的收發相配合正是基于上述問題,但模擬電臺收發起停的一致性要精確到毫秒是不可能的,所以丟字頭和出亂碼是必然的(而通話對講差300毫秒亦不會丟字)。需要指出的是,隨著DSP數字技術的發展,這種模擬電臺加MODEM的模擬數傳電臺在國外已基本被數字調制的數字數傳電臺淘汰,盡管國內市場——電力用戶負荷監控系統(注意:不是電力調度通信系統,電力調度通信系統要求很高,以電力行業的實力,用的是光纖通信,而且是多種通信手段并存的)及水利等部門還在用,亦是日精主要用戶群,但原因很簡單:電力用戶負荷、水利雨量/水位等數據傳輸沒有多少實時性要求(1200bps,一天數次采集)、可靠性要求不高(一次不對再傳一次),某個用戶的負荷監控不到亦沒任何關系,既不影響供電,也不影響抄表收費(各地供電部門經常與我們做交流,很多電力用戶負控系統是應付達標創一流評比的擺設,與電力調度通信根本是兩碼事)。
2、數字數傳電臺
正像第一代模擬調頻手機(大哥大)有雜音大、功能少、對講機能收聽等缺點,公眾移動通信已為數字調制GMSK的GSM系統替代,并很快發展到第三代數字調制加擴頻技術的3G一樣;市場不大的遙控遙測數傳領域亦由模擬調頻電臺加MODEM的模擬數傳電臺發展為各種用DSP實現的數字調制(如CPFSK、GMSK等)的數字數傳電臺。如深圳華夏盛公司的WDS2710是用CPFSK調制的數字數傳電臺(華夏盛提供的信產部電臺入網證書中注明調制方式為CPFSK,www.sinosun.cn)。如下圖所示:
數字數傳電臺示意圖
與手機的GMSK數字調制解調技術一樣,CPFSK數傳電臺有別于模擬調頻電臺加MODEM的數傳電臺的核心是基帶信號處理(參1:P215的“4.6部分響應技術”)。CPFSK采用DSP數字信號處理完成用兩個Nyguist波形、根自乘余弦響應值之和的帶根雙二進制濾波的基帶信號處理以及Viterbi軟判決譯碼等,這是單片機加FSK芯片等永遠亦不可能實現的。
與模擬手機到數字手機的變革一樣,用數字調制的數傳電臺實現了模擬調制的數傳電臺不可能實現的高速(19200bps)、高可靠(不丟字頭、不亂碼)及附加功能(如功率計、場強儀、誤碼儀、網管功能、參數狀態動態智能化管理,詳見:“美國MDS/日本日精/深圳華夏盛數傳電臺大比拼”,www.sinosun.cn)。
基于DSP的數字調制數傳電臺從2000年進入中國市場以來,盡管成本價格遠高于模擬電臺,由于其高速、高可靠及遠距離傳輸等明顯優勢而得到了在石油/天然氣、水/電力/熱網/煤氣、鐵路/交通/公安/安防/消防、路燈/地震/氣象/環保、GPS、金融、冶金/化工及工業過程控制自動化等數據采集與控制應用,并深受好評。可以預見,與公眾移動通信或國外數傳電臺市場的變革一樣,基于DSP的數字數傳電臺隨著成本價格的下降,必將在遙控遙測領域取代基于MODEM的模擬調頻數傳電臺,使得我們的無線遙控遙測及工控自動化系統更實時高速、更安全可靠、更靈活方便!
參考文獻:
1、西安電子科技大學郭梯云、劉增基、王新梅、詹道庸、楊洽等教授編著,中國國通信學會主編,人民郵電出版社出版的通信工程叢書《數據傳輸》
2、信息產業部無線電管理局編,人民郵電出版社出版《中華人民共和國無線電頻劃分規定》
3、國家技術監督局發布中國人民共和國國家標準GB/T16611-1996,《數傳電臺通用規范》