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本文轉載自《電子制作》雜志 2015 年 11 月（上）總第 294 期
C4FM 是目前市場上愛好者們比較喜歡的對講機的一種調制方式，在專業數字化對講機應用中也有比較成熟的使用歷史。美國數字對講機制式 Project 25（簡稱 P25）的第一版標準就采用了 C4FM 的調制方式。在摩托羅拉 ASTRO 等數字對講機產品中就廣泛的應用了 C4FM 的調制方式。
隨著 YAESU 公司的 FT1D、FT2DR、FT-991、FTM-400DR、FTM-100DR 等收發信機以及 DR-1X 和 HRI-200 中繼臺設備的不斷推出，C4FM 也成為我國業余無線電愛好者頻繁使用的對講機通信調制主流方式之一。
C4FM 調制的基本原理
C4FM 的英文全稱是 Constant Envelope 4-Level Frequency Modulation，即連續包絡 4 級頻率調制。它和大家熟知的傳統模擬調頻 FM 沒有實質區別，只是調制射頻輸入信號的不是語音的模擬信號，而是只有四種電平狀態的數字信號。
如果把一個電平在 -3V、-1V、+1V、+3V 之間跳變的電壓信號疊加到一個普通 FM 調制電路，輸出的就是一串四級頻率鍵控的射頻調制信號，其頻率根據輸入電平在四個頻偏值之間跳變。從低到高的四個頻率可以分別代表 00、01、10、11 四種數字值，即每一個調制符號可以表達兩位二進制數，這就是 C4FM 信號。
YAESU 數字對講以 C4FM 方式工作時，發射端以每秒 4800 次的速度改變送到調制器的信號電平，在調制信號中形成每秒 4800 個“符號”，我們稱它的調制速率是 4800 波特。如上所述每個符號表達兩位二進制數據，所以 C4FM 的數據傳輸率是 9600 位/秒。
在一定的調制速率下，C4FM 信號占用的頻帶寬度與調制器的頻偏系數有關。YAESU 數字對講機把頻偏選擇為使實際信號帶寬為 12.5 kHz。
C4FM 射頻信號經放大后通過天線發射到空間。通信對方接收到的射頻信號經過調頻解調器，也就是模擬 FM 通信中常說的鑒頻電路，解調得到的就是幅度在四種電壓電平間變化的 C4FM 基帶信號（圖 1）。再經過電平的邏輯判斷和變換，得到了兩位二進制數字序列。為了提高抗干擾性能，從四級電平波形提取數字信號的過程通常采用一定的算法，而不是使用簡單的電壓比較器。
圖 1 ? ?接收機解調輸出的 C4FM 信號波形
如果系統工作在數字傳送模式，得到的數據序列就是待傳送的數字信息，可以用單片機程序根據預先約定的協議和應用將數字信息流進一步變換成可以顯示的格式。
如果系統工作在語音對講模式，得到的數字信息還要送入語音解碼模塊，還原成語音信號的波形，放大后推動耳機或揚聲器。
關于 D-STAR
D-STAR 原先是 Digital Smart Technologies for Amateur Radio 的縮寫，即“業余無線電數字智能技術”，這是日本業余無線聯盟 JARL 在上世紀 90 年代中期制訂一種數字技術標準，包含了話音的數字編碼標準、調制方法、分組交換協議等方面的內容，其調制方法包含了 MSK 和 C4FM 等多種選擇。
后來日本的 ICOM 公司推出了根據 D-STAR 標準設計生產的業余數字對講機，把 D-STAR 注冊成為 ICOM 的一個商標。這樣就容易使人把 D-STAR 理解成一種與 C4FM 無關的具體的數字化對講機制式或者調制方式了。其實真正的 D-STAR 和 C4FM 不是同一范疇的名詞。 不過為了簡化敘述，本文以下敘述中所有的名詞“D-STAR”不是指 JARL 的 D-STAR 系統標準，而是狹義地指 ICOM D-STAR 數字對講機調制方式。
D-STAR 和 C4FM 調制一樣，都屬于頻分多址體制（Frequency Division Multiple Access, FDMA），每個用戶獨占一個頻道。D-STAR 調制也是用數字信號去進行頻率調制，只不過所用的調試方式是 GMSK（高斯最小頻移鍵控），用兩種頻率分別反映兩種電平狀態。也就是發送的每個符號只代表一位二進制數據的 0 或者 1 兩種狀態。圖 2 是接收機解調輸出的 GMSK 信號波形。
圖 2 ? ?接收機解調輸出的 GMSK 信號波形
關于 C4FM 與 D-STAR 數據傳輸速率與占用頻帶寬度的比較
每種調制方法都會有自己的優點與缺點，沒有絕對的好壞，使用者考慮角度不同，選擇結果也會不同，所以，各種系統才有自己的生命力。
C4FM 與 D-STAR 的一個明顯的技術指標差別，是數據傳輸率不同。根據上面的介紹，它們的調制速率都是 4800 波特，但 C4FM 每個調制符號包含兩位數據而 GMSK 只包含一位，所以 C4FM 的數據傳輸速率是 9600 位/秒，比 D-STAR 的 4800 位/秒高一倍。每個信道可以傳輸更多的數據，當然是一種重要的優點。
當然，這并不等于說得到這種優點不需要付出代價。GMSK 解調比較簡單，只要判別調制信號頻率相對于載頻的偏移方向就可以了，在有干擾的情況下誤碼率較低。而 C4FM 的解調要判別調制信號頻率屬于四個等級中的哪一級，容易受干擾。為了補償這一點，除了采用更好的判別算法外，C4FM 采用比 D-STAR 更大的調制頻偏，拉大四種信號狀態的間距。其結果是 C4FM 信號占用的頻帶比 D-STAR 寬，這是為得到高出一倍的數據傳輸率所付出的代價。從設計理論上講，D-STAR 信號所占用頻帶只是 C4FM 的一半，就是 6.25 kHz。不過實際上并不能省出一半頻譜資源來，還要考慮一些其它因素。
一個因素是，6.25 kHz 對于一般對講機是相當窄的頻帶，已經可以和收發信機本身的頻率偏差相提并論，為了保證所有設備在最環偏差情況下不至發生互相干擾，D-STAR 的實際信道同隔需要放寬。
另一個因素是頻譜的形狀。圖 3 是未調制載波 CW（黃色）、強語音調制的模擬 FM（天藍色）、D-STAR（綠色）和 C4FM（紫紅色）四種信號頻譜圖的疊加比較。可以看出，C4FM 和模擬 FM 信號的帶寬相仿，在 -26 dB 時約為 12.5 kHz，ICOM D-STAR 帶寬稍窄，-26 dB 時約為 10 kHz。
圖 3 ? ?幾種常見信號的頻譜比較
雖然 D-STAR 在低于峰值 26 dB 處的帶寬比 C4FM 窄，但它們的頻譜形狀不同，再往下很快出現一個臺階，帶寬就顯著變寬了。這意味著，當發射一方周圍一定距離內還有其他同類電臺時，由于信號強，這個寬臺階處的分量會對附近電臺接收遠方的鄰頻道電臺產生干擾。這種干擾的實際影響比相同條件下的模擬 FM 信號要嚴重得多，因為 FM 信號的實際頻帶與語音的頻率和強度有關，話音不太強時頻帶很窄，對鄰頻道的干擾通常只發生在話音很強的瞬間。而數字模式的帶寬卻基本與語音強度無關，基本不隨時間變化。因此，為了防止 D-STAR 數字信號頻譜下面臺階的干擾，D-STAR 電臺的頻率間隔應該選擇得比 10 kHz 還要大。
根據國外一些業余無線電愛好者的實際試驗，認為 D-STAR 實際可用的信號間隔不能少于 10 kHz 到 11 kHz。這樣折衷下來，C4FM 在頻帶占用上只是略大于 D-STAR，但換來了高出一倍的數據速率，優勢不言而喻。
關于 C4FM 的技術兼容性
模擬 FM 和數字 C4FM 對講機發射部分的功能原理框圖如圖 4 所示。兩種調制方式下的射頻部分基本功能是一樣的，只是在模擬 FM 對講時話音信號直接作為射頻的調制信號，而在數字對講時話音信號先經過語音編碼模塊（聲碼器）處理為數字信號，一般是二進制信號，為了調制出 C4FM 射頻信號，需要先轉換成四級電平信號（這個過程實際上也是一種調制），然后再送到調制模塊對射頻進行調制。如果工作在數字信息傳輸模式，則只需把數字信號直接送入調制部分。
圖 4 ? ?模擬 FM / 數字 C4FM 發射機原理框圖
對講機接收部分的信號流程與發射部分相反，如圖 5 所示。模擬和數字對講方式的射頻部分功能相同，只是在模擬對講時射頻信號鑒頻解調出來的就是話音信號，可以直接放大收聽，而數字對講時鑒頻解調得到的是 C4FM 四級電平信號，需要先轉換成二進制數據流，再經過語音解碼模塊處理為話音信號。如果工作在數字傳輸方式，只需把轉換得到的二進制數據流直接輸出使用就可以了，例如送到單片機加以處理并顯示出來。
圖 5 ? ?模擬 FM / 數字 C4FM 接收機原理框圖
如果數字對講機語音編碼采用的方法不同，即使接收并解調出由語音變換成的數字序列，也是無法聽出語音信息的。由于性能、價格、版權等原因，不同廠商會采用不同的語音編碼方法。例如 D-STAR 采用的聲碼器是由專門廠商以芯片形式提供的，編碼方法是不公開的，業余無線電愛好者不可能通過編出第三方解碼程序來把接收機里的數字序列還原為語音信號。僅此一點，就目前而言，不同的數字對講機系統之間直接在語音級實現互通兼容是十分困難的。
既然不同制式的設備不能直接兼容互通，還有什么兼容性可言嗎？其實從整體觀點看，技術上還是有兼容性問題的。
頻譜利用的兼容性
傳統模擬 FM 對講機的信道間隔為 12.5 kHz，成為業余無線電界長期形成的習慣。D-STAR 的理論帶寬為 6.25 kHz，具有占用頻譜窄的優點，但如前面敘述，實際使用的信道間隔應設置到 10 kHz 才能較好地避免鄰近信道干擾。這樣，如果 D-STAR 按照 10 kHz 步長安排信道的中心頻率，就會和模擬 FM 信號的信道頻率分布不相重合，因此一個 D-STAR 信號的占用范圍可能影響到兩個 FM 信道。這種頻譜應用上的不下兼容不能不說是一個遺憾，除非 D-STAR 使用中放棄它節省頻譜的目標，采用 12.5 kHz 的信道間隔。
美國 P25 第二版本、摩托羅拉的 MOTOTRBO 數字對講機、海能達數字對講機都采用了12.5 kHz 信號間隔，并采用時分多址體制（Time Division Multiple Access，TDMA）將一個頻道輪流分時提供給兩對用戶使用。雖然所有各種制式的設備之間都無法直通兼容通話，但 C4FM 與這些制式以及傳統 FM 設備在頻譜占用方面具有兼容性，只要正確按 12.5 kHz 間隔配置信道頻率，就不會影響到臨近頻道上其它制式用戶的通信。
設備的技術兼容性
理論上一部數字對講機里可以集成進各種制式的功能模塊，但鑒于成本，實際上一般數字對講機都以保證一種制式的性能為主，順便實現對其他制式的兼容工作能力，通常是按照主要制式的要求設計射頻濾波器，用切換增加額外的調制或解調模塊的辦法實現多制式兼容。
D-STAR 制式對講機射頻部分的信道是為適應預定的 6.25 kHz 窄帶指標而設計的，如果不增設額外的濾波器，勉強兼容工作在 FM 方式時性能就不理想了。而 C4FM 的信道帶寬和傳統 FM 一樣都是 12.5 kHz，而且 C4FM 的射頻調制器本來就是 FM 調制器，因此 C4FM 數字設備本來就具備理想的 FM 收發功能，關掉語音編解碼模塊就是完美的模擬 FM 收發信機，因此 C4FM 設備與傳統FM系統的跨制式兼容性很好。
圖 6 ? ?八重洲數字對講機全家福
YAESU 數字業余設備產品正是充分利用了 C4FM 的這一特點，做到在數字和模擬兩種制式之間以理想的性能進行輕松自如的切換，這對于業余無線電通信是非常便利和重要的。因為業余無線電通信和專業通信不同，專業通信具有特定的通信對象和通信任務，在設計系統時通常會保證每個用戶收到的信號都達到一定的信噪比，只要采用統一的數字制式就可以實現高質量的語音通信。業余電臺的通信對象是任何其他業余電臺，有時對方的信號可能很微弱，如用數字模式，由于信號低于解碼門檻，完全無法工作。這種情況下模擬 FM 通信雖然質量會大打折扣，但畢竟仍然可能維持通信。因此業余數字對講機是否具備理想的模擬FM兼容能力，是衡量災害應急通信和 VHF/UHF DX 通信適應能力的重要考慮因素之一。
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