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通信百科
2023-05-13 08:38:09

对讲机的工作原理:组成、无线收发与PTT通信流程

对讲机为什么按下PTT就能讲话?本文从麦克风、发射机、接收机、天线和扬声器等组成部分入手,介绍对讲机的半双工通信、无线发射与接收流程,以及模拟和数字对讲机的主要区别。
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对讲机的工作原理:组成、无线收发与PTT通信流程

对讲机是一种双向无线通信设备。两台或多台对讲机设置在能够互通的频道后,不需要依赖公共电话网络,就可以通过无线电波完成短距离或区域内语音通信。

它和手机通话最大的区别之一,是大多数对讲机采用半双工方式:平时处于接收状态,需要讲话时按下PTT(Push To Talk)键切换到发射状态,讲话结束后松开PTT,再回到接收状态。

松开PTT → 接收
按下PTT → 发射
讲话结束 → 松开PTT → 继续接收

对讲机的工作原理与PTT无线通信示意
对讲机通过PTT在发射和接收状态之间切换,完成半双工无线通信。

对讲机主要由哪些部分组成

一台手持对讲机虽然体积不大,内部实际上同时包含语音处理、无线发射、无线接收和控制电路。

麦克风

麦克风负责采集讲话人的声音,并把空气中的声波转换成电信号。后续的音频处理、编码或调制都以这一路信号为基础。

发射部分

发射部分负责把语音信息处理成适合无线传输的射频信号。按下PTT以后,发射链路启动,处理后的无线信号经过功率放大,再从天线发送出去。

接收部分

接收部分负责从天线取得无线信号,并从中恢复语音。对讲机没有按下PTT时,通常保持接收状态,持续监听当前频道。

天线

天线同时承担发射和接收任务。发射时把射频电信号转换成电磁波,接收时再把空间中的无线电波转换成接收电路能够处理的电信号。

天线是否与工作频段匹配,会直接影响发射效率和接收效果。随意更换不匹配的天线,可能导致通信距离下降。

扬声器

接收机恢复出音频以后,通过音频功放驱动扬声器,把电信号重新转换成人耳可以听到的声音。

控制与电源

PTT、频道旋钮、音量键、显示屏和功能按键都属于控制部分。电池则为射频、音频和控制电路供电。

数字对讲机内部还会增加语音编码、数字信号处理和协议控制等功能。

按下PTT以后,对讲机是怎么把声音发出去的

从讲话到另一台对讲机听到声音,可以拆成发射和接收两条链路。

第一步:麦克风采集语音

讲话时产生的声波进入麦克风,麦克风将声音转换成音频电信号。

人声 → 麦克风 → 音频电信号

第二步:进行语音处理和调制

模拟对讲机通常会对音频信号进行放大、滤波等处理,再使用FM等方式把语音信息加载到射频载波上。

数字对讲机则会先把语音数字化,再经过语音编码、纠错和协议处理,最后根据所采用的无线标准进行数字调制。

不同数字无线系统使用的调制方式并不完全相同,所以不能简单认为所有数字对讲机都使用同一种PSK或QAM调制。

第三步:射频功率放大

调制后的射频信号功率还比较小,需要经过射频功率放大器提高到设备设定的发射功率。

发射功率会影响无线覆盖,但它不是决定通信距离的唯一因素。天线、频率、地形、建筑物和接收机性能同样重要。

第四步:通过天线发射

经过功率放大的射频信号送到天线,由天线转换成无线电波向周围空间传播。

麦克风 → 音频处理 → 调制/编码 → 射频放大 → 天线 → 无线电波

另一台对讲机是怎么收到声音的

接收过程基本与发射过程相反。

天线接收无线信号

在覆盖范围内、工作在对应频道的接收机,可以通过天线取得无线射频信号。

进入接收机的信号通常很弱,还可能夹杂其他频率和噪声,因此不能直接送到扬声器。

射频前端进行选择和放大

接收电路通过滤波、低噪声放大和频率选择,把需要的无线信号从其他信号中分离出来。

这也是为什么接收机灵敏度、选择性和前端滤波会影响实际接收效果。

解调或数字解码

模拟FM对讲机通过解调恢复原来的音频信号。

数字对讲机则需要先完成数字解调、纠错和协议处理,再通过语音解码恢复音频。

扬声器播放

恢复出的音频经过功率放大后送入扬声器,最终重新变成人耳能够听到的声音。

无线电波 → 天线 → 射频接收 → 解调/解码 → 音频放大 → 扬声器

为什么对讲机不能两个人同时讲话

普通手持对讲机通常工作在半双工模式。同一无线信道在一个时刻主要由一方占用。

用户按下PTT以后,本机从接收状态切换到发射状态。此时同一频道的其他对讲机主要负责接收。

讲话结束后松开PTT,发射停止,本机再次进入接收状态,另一方才可以按下PTT回复。

A按PTT讲话 → B接收 → A松开PTT → B按PTT回复 → A接收

这也是对讲通信中常说“讲话结束要释放PTT”的原因。如果一方长时间占用发射,其他用户就难以使用同一无线信道讲话。

模拟对讲机和数字对讲机的工作方式有什么不同

两类设备都要经过“采集声音、无线发射、无线接收、恢复声音”这条基本链路,差别主要发生在语音处理、调制和无线协议部分。

项目 模拟对讲机 数字对讲机
语音处理 以模拟音频处理为主 语音数字化并进行编码处理
无线调制 常见FM 随DMR、PDT、P25等标准而不同
业务能力 主要是语音通信 可扩展号码、组呼、短消息、定位等能力
弱信号听感 信号变弱后噪声逐渐增加 在可解码范围内语音较稳定,超过门限后可能快速恶化

数字通信并不代表无线覆盖一定无限增加。它仍然受到频率、天线、发射功率、建筑物和地形等无线传播条件限制。

频道、频率和静噪码分别是什么

实际使用对讲机时,经常会同时看到“频道”“频率”和CTCSS/DCS等设置,这几个概念并不完全相同。

频率

频率决定无线设备在哪一段射频资源上发射和接收。专业无线系统使用什么频率,需要符合所在国家和地区的无线电管理要求。

频道

频道可以理解为对讲机中已经配置好的通信参数组合。用户选择“频道1”时,设备内部可能对应某个具体收发频率以及相关信令参数。

数字系统中的频道关系可能更复杂。例如部分TDMA数字系统可以在一个射频载波上划分不同时间资源,因此不能把“一个频率永远只等于一个语音信道”作为固定规则。

CTCSS和DCS

模拟对讲机常使用CTCSS或DCS控制静噪开启。

发送端在语音中附加对应信令,接收机只有检测到匹配的码时才打开扬声器。这样可以减少听到同频其他用户通话的情况。

但CTCSS/DCS并不是加密。如果其他用户直接监听同一频率并关闭相应静噪限制,仍有可能听到语音。

为什么两台对讲机有时距离很近也通不了

对讲机能否正常通信,并不只由标称发射功率决定。

实际覆盖通常受下面几个因素影响:

  • 使用频段;
  • 天线性能和安装状态;
  • 发射功率;
  • 接收机灵敏度;
  • 建筑物、山体和地下空间遮挡;
  • 周围无线电干扰;
  • 用户所处高度;
  • 是否经过中继台扩大覆盖。

例如在开阔区域,两台手持机之间的无线传播条件较好;进入钢筋混凝土建筑、地下室或矿井以后,同样功率的设备通信距离可能明显下降。

需要覆盖更大区域时,专业无线系统通常会建设中继台:

手持对讲机A → 中继台 → 手持对讲机B

中继台通常安装在较高位置,并使用更合适的天线系统,因此能够改善直接手持机互通受到的地形和距离限制。

对讲机实际使用时需要注意什么

使用之前先确认双方频道和相关通信参数一致。数字系统还可能涉及色码、时隙、通话组等参数,需要按照系统规划配置。

讲话时按住PTT,等待设备完成发射切换后再开始说话,可以减少开头第一个字被截掉的情况。讲话结束后及时松开PTT,让其他用户获得信道使用机会。

对讲机使用的无线频率和发射参数还需要符合当地无线电管理规定。公众免许可设备和专业无线电台的频率、功率及使用条件并不相同,不应随意修改到未经允许的频率工作。

对于工厂、矿山、交通、应急等专业项目,还需要根据现场覆盖范围、建筑结构、人员数量以及是否需要组呼、调度、定位等能力,确定使用普通直通对讲、数字系统还是增加中继和调度平台。

从工作过程来看,对讲机最核心的链路并不复杂:麦克风把声音变成电信号,发射机完成处理和无线发射;另一台设备由天线接收无线信号,经过解调或数字解码后,再通过扬声器恢复成声音。PTT则负责在这两条链路之间切换。

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