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往業餘無線電數據通訊之路

No.07   1993 Jan.   p96~104,   by 林茂榮 / BV5OC 彰化郵箱575號






前言

    自從人類以火花放電方式產生無線電波開始,可以說一直從事著數據通訊,因為早期的無線電是以開關方式產生無線電訊號,並從斷續中來編碼以互通訊息,而這編碼就是大家所熟知的莫耳斯碼。隨著技藝日漸精進,先後發明了可以掌握無線電訊號的放大器及聲音的調制技術等,才有所謂的類比通訊,像是剛開始的 AM 調制,FM 調制及目前普遍使用中的單邊帶 (SSB) 調制等。當電腦技術發達之後,尤其微電腦晶片的應用滲透到業餘無線電收發機裡頭時,不但使收發機的設計、操作產生了革命性的變化。尤其是早期累積下來的登峰造極 的類比技術經驗,加上已經很成熟的微電腦應用,使得許多業餘無線電家再回過頭來,熱衷於追求數據通訊。當然今非昔比,現代化的數據通訊豈是往日的莫耳斯碼所能相提並論,同日而語者。

    雖然大多數的業餘無線電活動,依舊進行著,但是在一些特殊規畫出的頻率角落裡,正熱鬧滾滾地展現出前所未有的景象。莫耳斯碼 (CW)、無線電傳打字 (RTTY)、AMTOR、PACTOR、包封通訊 (PACKET) 各自佔領一片天空。現在就從 CW 開始吧!以最原始的數據通訊為起點,從歷史與技術的立場,詳盡地來討論上述各種不同數據通訊在業餘無線電活動的地位。為了讓大家能更清楚地了解這些數據通訊原理,利用這個機會,先逐項說明它們的基本原理,並盡可能地,用比較的方式,來對它們做剖析,以便更深一層的認識與了解,盼能達到 熟能生巧的境界。按著再根據各種不同的數據通訊模式,如何在業餘無線電活動中操作。


數據通訊模式

    莫耳斯碼是業餘無線電模式通訊的祖師爺。早期無線電有如一片靜土,因此對通訊模式的稱呼可以隨意,例如把 CW 和莫耳斯碼通訊劃上等號,把中波 (MW) 廣播和 AM 劃上等號,其實 AM 和 CW 都只是一種調制方式。莫耳斯碼乃使用最原始的開關動作發射訊號。利用這種方式把由不同長短音組合而成的電碼送出。這些碼每個都有唯一性,例如英文字母 E 是一短音,而數字 0 是由五個長音來表示。由於莫耳斯碼的編碼乃沿續傳統的技藝精神,把最常用的英文字母,編成最省時的傳送碼。像是前面的例子,傳送英文字母 E 只須要傳送 數字 0 的十分之一時間,所以基本上利用莫耳斯碼傳送英文字母,還算是很有效率。

    學會莫耳斯碼並不很困難,而利用莫耳斯碼做通訊所須的設備也很精簡,電鍵、收發機、操作人員,如此而已。甚至供做莫耳斯碼通訊的收發機,並不像單邊帶通訊等其他模式,須要複雜的技術與價昂的零件。所以至今仍然有很多自製收發機的愛好者,還是以莫耳斯碼通訊收發機為出發點,尤其是所謂低功率愛好者 (QRPer) 更是如此。

    然而莫耳斯碼所應用的按鍵式開關配合長短音,對人而言,是最簡單不過了。但是對電腦而言,要辨識莫耳斯碼卻是一份很難的工作,原因在於莫耳斯碼的長短音所劃的發音長短是與傳速有關的。因為它是相對的長短音,而不是絕對的,所以慢速傳送的短音,有可能與快速傳送的長音,有一樣的發音長度。盡管困難,微電腦的發達還是製造出可以解出莫耳斯碼的機器。而且出現在市場上的更是推陳出新,一代比一代好。可惜到目前為止,最好的解碼機器仍然比不上訓練有素的莫耳斯碼操作員。

    值得注意的是,因為莫耳斯碼而發展出來的 特殊縮語、簡碼 (例如 Q 碼、Z 碼等)而創造了許多不朽的事蹟跟傳說。不僅如此,像下面的這些話,你依然常會聽到:「莫耳斯碼通訊是單位頻寬內,最有效率的通訊方式」,「莫耳斯碼通訊根本沒有頻寬限制」。但後面的說法,倒是有點走火入魔了,參看圖 1,很明顯地,莫耳斯碼通訊還是須要某些頻寬的。圖 1 的頻譜是 60 WPM,並在規定的切換動作下所產生的。很顯然,莫耳斯碼通訊不占頻寬的說法不攻自破。當然有一些技巧是在往這個不可能達到的目標靠近。像是同調莫耳斯碼 (COHERENT CW) (註 1) 及將在最近幾年內出現 的 F.S.A.G. (frequency sensitive and gate) 技巧。(註 2) 前者同調莫耳斯碼因為須要極為精確的同步訊號,現在還停留於試驗階段。而後者的技巧,因為材料元件的限制,最早也要在 1994 年之後,才可實際應用。

Fig 01
圖 1:典型的莫耳斯碼訊號頻譜。



無線電傳打字 (RTTY)

    緊跟隨在莫耳斯碼之後,並且取而代之的是無線電傳打字 (RTTY)。無線電傳打字的老祖宗是應用在有線通訊上的自動訊息傳送系統。為了能自動處理訊息,電傳打字機器變得很複雜。有一部份資深的業餘無線電家,目前仍然利用二次世界大戰留下來的電傳打字機器,經過改造後,接在無線電收發機使用,而成為無線電傳打字,其實業餘無線電傳打字也就是濫觴於此。現在業餘無線電活動中的無線電傳打字也建立在這個基礎上。從 1940 年代起,使用至今,在無線電傳打字機器或者稱終端機的技藝,雖然有很明顯的改善,但風貌依然不變。

    業餘無線電傳打字至今乃舊沿用先前的 5 位爻鮑多碼 (BAUDOT CODE) 也稱木蕊 (MURRAY) 碼。但是 5 位爻能夠編出來的碼有限,每爻有 '0' 與 '1' 兩種情況,5 爻則總共可以有 32 種不同的組合。但是 26 個英文字母,加上 0 到 9 的數字有 10 個,及一些標點符號,很顯然 32 個碼是不夠用的。還好有人想出了變通的辦法,那就是在原先的 32 個碼當中,挪出二個碼做為控制碼,使原來的 32 個碼,可以擴充到 60 個碼,而一舉解決了碼不夠用的難題。然而基本的問題是解決了,但有限的 60 個碼,還是容納不了英文的小寫 字母及額外的控制碼,而丟下了一些遺憾。

    當然一定會有人想到要利用原為電腦而設的 7 位爻美國國家標準資料交換碼 (ASCII) 來做無線電傳打字碼,這樣子就有了,128 個碼可運用,不論英文字母的大小寫,0 到 9 的 10 個數字,及一些標點符號和控制碼,再也不是問題了。經由不斷地爭取,主管美國聯邦通訊的官方,也在 1980 年才允許把 ASCII 碼應用在業餘無線電傳打字通訊上。但是允許了 ASCII 碼之後,很多在高頻活動的業餘無線電傳打字愛好者,馬上體會到高頻的業餘無線電傳打字通訊活動,總是會留下殘缺不全的局面。一碰到雷電的大氣雜訊或其他人為干擾 ,不只扭曲了通訊內容,若恰巧錯誤成為控制碼,還會肆意破壞顯示畫面或列印結果。所以除非傳播狀況頂好,否則利用 ASCII 碼的高頻業餘無線電傳打字通訊,一般都只能抱殘守缺。因此目前業餘無線電傳打字範疇內,還是以傳統的鮑多碼無線電傳打字為主。

    鮑多碼及 ASCII 碼的電子層面,都屬於非同步型,它們被定義出來的碼,都有告知碼開頭的起始爻 (START BIT) 及碼結束的停止爻 (STOP BIT),因此無線電傳打字每一碼都可獨立被接收。下面要介紹的其他數據通訊模式,則都屬沒有起始爻及停止爻的同步型訊號。

    如何把無線電傳打字的每爻 "0" 與 "1",利用無線電訊號傳送出去呢?一般高頻的無線電傳打字是使用按鍵移動頻率 (FSK:FREQUENCY SHIFT KEYING) 技巧。它又分為兩個層次,一種是直接控制收發機的射頻振盪器,這種方式一般稱為 FSK。另外一種方式是利用聲頻調制,通常選單邊帶的下邊帶 (LSB) 如同麥克風一樣,把記號 (MARK) 及空間 (SPACE) 的音對調制上去,這種方式就稱做 AFSK。大部份新興的業餘無線電收發機都可以利用 AFSK 的方式做業餘無線電傳打字通訊。有些收發機則可以接受 "0" 與 "1" 的控制訊號,而在收發機裡頭自行產生音對,並以 AFSK 的方式調制收發機。FSK 調制方式中,分別代表 "0" 與 "1" 兩頻率差,就稱為頻率位移,簡稱為移頻。標準的業餘無線電傳打字採用 170Hz 的移頻。

    沿用古早的定義 (註 3),代表記號的頻率就稱為記號頻率 (MARK FREQUENCY),代表空間的頻率就稱空間頻率 (SPACE FREOUENCY)。在高頻業餘無線電傳打字通訊中,記號頻率是 2125Hz,空間頻率是 2295Hz。除了 170Hz 的移頻外,還有其他兩種標準的移頻,分別是 425Hz 及 850Hz。

    在一般情況下,170、425、850 Hz 移頻,分別稱做窄、中、及寬移頻 (NARROW、MEDIUM AND WIDE SHIFT)。另外代表記號頻率與空間頻率的音對也有兩群,像 2125 及 2295 Hz 就是典型的高音對 (HIGH TONE PAIR) 窄移頻。另有一群較低的音對組合,稱為低音對 (LOW TONE PAIR),例如低音窄移頻的記號頻率與空間頻率分別是 1275 及 1445 Hz。不同的音對及移頻請參看表 1。

    音對與移頻的應用,完全沒有硬性規定,因此常可在其他業務或商用通訊中,發現五花八門的組合方式,還好業餘無線電領域內,大都依照上面所提過的方式組合,這種因約定而成俗,使業餘無線電傳打字通訊得以不多費心思,便能通暢無阻地彼此進行通訊。

    無線電傳打字通訊介面從最簡單的自製到很複雜的商品,差異極大。性能絕佳的解碼器會是一種結構極複雜的機器,價格自然也非同小可。無線電傳打字理論上可以採用極限速度下的任何傳速。但是業餘無線電傳打字大都採用 45 鮑或 75 鮑兩種速度。而若使用 ASCII 碼時,則習慣採用 110 鮑的傳速。從 45 鮑到 110 鮑,就相當於每秒 6 到 10 個字母 (CPS) 的速度。

    多數業餘無線電家利用無線電傳打字進行對談、閒聊、及進行獵取遠方訊號的活動。其實業餘無線電傳打字通訊不失為一種便捷的通訊方式。正當無線電傳打字通訊可望為新興的電子郵箱 (MAIL BOX) 服務時,由於無線電傳打字的鮑多碼或 ASCII 碼都沒有偵錯及自動校正的設計,而功虧一簣。因而此項的需求就轉向其他的數據通訊方式,像是 AMTOR、包封 (PACKET) 等方式。


AMTOR

鮑多碼 文字 圖型 AMTOR 碼
11000 A - 1110001
10011 B ? 0100111
01110 C : 1011100
10010 D   1100101
10000 E 3 0110101
10110 F   1101100
01011 G   1010110
00101 H   1001011
01100 I 8 1011001
11010 J BELL 1110100
11110 K ( 0111100
01001 L ) 1010011
00111 M . 1001110
00110 N , 1001101
00011 O 9 1000111
01101 P 0 1011010
11101 Q 1 0111010
01010 R 4 1010101
10100 S ' 1101001
00001 T 5 0010111
11100 U 7 0111001
01111 V = 0011110
11001 W 2 1110010
10111 X 1 0101110
10101 Y 6 1001010
10001 Z + 1100011
00010 CARRIAGE RETURN 0001111
01000 LINE FEED 0011011
11111 LETTERS 0101101
11011 FIGURES 0110110
00100 SPACE 0011101
00000 NIL 0101011
  RQ 0110011
  BETE 1100110
  ALPHA 1111000
  CONTROL 1 1010011
  CONTROL 2 0101011
  CONTROL 3 1001101
圖 2:AMTOR 的 4/3 碼。

    AMTOR 是由 G3PLX 根據 1950 到 1960 後期,把發展為船台與岸台聯絡的商用無線電傳打字系統,移植過來做為業餘無線電通訊用。原商用系統稱為 TOR (TELEPRINTING OVER RADIO),在國際聯盟的 CCIR 建議書及美國聯邦通訊的 FCC 建議書內,都稱它為直接列印無線電報 (DIRECT PRINTING RADIOTELEGRAPH)。AMTOR 的特性在 CCI R476-4 及 CCI R 625 中都下過定義,但這些建議書內都漏掉了 AMTOR 的「監聽」或「傾聽」 (MONITOR OR LISTEN) 模式的相關敘述。與無線電傳打字一樣,高頻的 AMTOR 依然使用單純的按鍵移動頻率 技術,並利用 170 Hz 移頻。但是與商用的 TOR 系統 (有時稱 SITOR) 也不完全一樣,它們的極性相反,也就是記號及空間的定義相反,至於傳速,兩者都採用 100 鮑的傳速。前面提過 AMTOR 是採同步訊號傳送。每個字由 7 爻組成。其實它的編碼,可以說是鮑多碼加上偵錯技巧而已,也就是說 AMTOR 的 7 爻當中,必定含有 4 爻記號,3 爻空間 (用數位邏輯的說法,就是有 4 個 "1" 及 3 個 "0"),用 AMTOR 的術語來說稱為 4 個 B 及 3 個 Y,參看圖 2,AMTOR 傳送就是利用這種永遠是 4/3 比例來做偵錯,如果核對結果不是 4:3 ,就認為傳送的字元有誤。這也是 AMTOR 的偵錯原理。

    AMTOR 的操作模式有兩種,一為 ARQ (AUTOMATIC REPEAT REQUEST),另一為 FEC (FORWARD ERROR CORRECTION)。在 ARQ 模式裡,發射台送出一串含有 3 個字母的脈衝後,便切回到接收狀態。接收的電台利用 4/3 的偵錯原理核對每一字母,假如這串脈衝所含的三個字母完全正確無誤,接收台會回送一個控制碼給發射台,請它繼續送出下一串脈衝資料,萬一有了任何字母不符合 4/3 偵錯,表示接收資料有誤,那接收台會回送給發射台一個控制碼,請求重發上一個脈衝資料。

    在 ARQ 操作模式中,兩對通電台,像是一往一返地對答,但實際上,卻只做單方向的數據傳送。發射台被稱作 ISS (INFORMATION SENDING STATION),接收台被稱為 IRS (INFOMATION RECEIVING STATION),在通訊過程中,永遠是 ISS 的台把資料送給 IRS 台。當然並不是說永遠只能由甲台傳給乙台,AMATOR 中有一特殊的 "OVER" 控制碼,它可以把原為 IRS 台轉為 ISS 台,而自己則轉為 IRS 台。也就是當有一甲台為 ISS,乙台為 IRS 時,兩者一往一還的脈衝中,只有甲台傳送資料給乙台,而乙台只回應 " 請發來下一脈衝資料 " 或 "請重發上一脈衝" 的控制碼,直到甲台送出一個特殊的 "OVER" 控制碼 (+?) 給乙台時,乙台才變為 ISS,甲台轉為 IRS。ARQ 因為利用簡單的回答方式來校正傳送的資料,因此只能同時兩台對通,當然兩台對通時,可以有其他的第三台去監聽,可是監聽台,雖然有偵錯的能力,但卻沒有校正的機會。

    ARQ 模式下的通訊,對通台要彼此同步。為了要有正確的同步,AMTOR 通訊模式,呼叫的台就叫做主台 (MASTER),而被呼叫的的台則稱為副台(SLAVE),為了要有密切的同步,就由主台來主導收發的控制。而 AMTOR 本身又是採用同步型格式,不像非同步格式有啟始爻及停止爻,因此 AMTOR 的解碼機須要很精確的時序控制,這比起解無線電傳打字 (RTTY) 訊號的機器自然來得更複雜。

    AMTOR 的 ARQ 模式中,利用選呼 (SELCAL SELECTIVE CALL) 來互相辨認。由主台發出想要接聯的副台之選呼以建立起通訊,當副台收到呼叫自己選呼的主台訊號時,馬上發出回應,而正式建立起了兩台的通訊連線。在建立兩台通訊連線的過程中,只有選呼符合的台才會有反應。根據 CCI R-476 建議書,只要有對方的選呼,便可建立起通訊。但是 CCI R-625 建議書規定,要彼此交換選呼之後,才能建立起通訊,這裡所用的選呼也比較長,是七個字母,而不是 CCI R-476 的四個字母。雖然 CCI R-625 及 CCI R-476 都允許用在業餘 無線電通訊,但是絕大多數的業餘 AMTOR 通訊,都採用 CCI R-476 的四個字母選呼。與 "OVER" 一樣,AMTOR 也有一特殊的 " 終止碼 " 來結束 ARQ 通訊。

    AMTOR 的 FEC 模式,是屬於單向方式的通訊,它很像廣播電台,只要配備有 AMTOR 接收裝置,都可以在頻率上守聽解碼。在 FEC 模式中,沒有用到選呼。在業餘無線電裡頭,FEC 模式通常被用來做 AMTOR 通訊的 CQ 呼叫,有時圓桌式的聊天 (ROUND- TABLE RAG-CHEWING) 也會利用 FEC 模式進行。FEC 很像無線電傳打字,發射台送完訊息之後,便從發射回到接收狀態,做好接收它台訊號的準備。 FEC 模式裡,接收台不會發出 ARQ 模式中 " 請發來下一脈衝資料 " 或 " 請重發上一脈衝 ' 的校正用控制碼。但是 FEC 仍然保有偵錯 及校正的能力,4/3 比例的偵錯,及每個字母發送兩次的校正。但是不能像 ARQ 模式一樣配合接收台的 " 請發來下一脈衝資料 " 或 " 請重發上一脈衝 " 的控制碼,使得校正的功能無法發揮,而得不到零錯誤的數據傳輸。

    FEC 中相同資料重複送出二次的間隔時間拉得夠開,讓接收台有足夠的時間來偵錯,萬一第一次接收的資料,因為受雜訊干擾或其他因素的影響,出現錯誤,也許第二次接收時,可以補上正確的接收資料,接收的 AMTOR 解碼機,對接收到的成串資料,馬上進行解碼及做 4/3 的偵錯,通過 4/3 偵錯的字母,會被送到輸出 裝置,像是印表機或顯示螢光幕。如果第一次的接收資料沒有通過 4/3 的偵錯,就等待第二次接收,第二次同樣會把通過 4/3 偵錯的正確資料輸出。如果不幸兩次都沒有通過 4/3 的偵錯程序,則會輸出一個空格或劃一底線,來表示有一字母沒有通過偵錯。

    FEC 的校正能力,顯然來不及 ARQ 那麼健全。因為只有兩次的機會,在高頻的惡劣傳導狀況下,通不過偵錯的機會很大,所以有些錯誤字母,沒有機會校正。然各有所長。FEC 雖然犧牲了校正能力,但卻可以提供一對多台的通訊。

    另外有一種使用在商業系統的通訊模式,叫做 " 選呼 FEC",這種模式須要像 ARQ 一樣的選呼,只有與發射台傳出的選呼符合的電台,才會接收該發射台資料。通常這用在商業用的基地台比較多,利用這種方式,可以把電文或相關資料同時傳給幾個特定的對象。在接收方面,也可以利用同樣的方式來設定接收特定電台發射出來的資料。例如船台,可以設定幾組想要接收的基地 (海岸)台選呼,這樣一來,只有碰到已經設定的電台訊號。才會有反應並啟動接收電文的程序。當然碰到帶有緊急通告電文的話,基於安全第一的觀念,這個時候就不管發射台的選呼有無被設定,接收台一律優先印出。

    不論是商用的 SITOR 或業餘無線的 AMTOR,已經廣泛地應用在全球各地。當然它得寵的主因,就是本身包含有偵錯及校正能力,因而 W5SMM 發展出來的 APLINK 佈告欄網路用程式,就是利用這項優點把高頻與極高頻之間的資料網路聯接起來,利用高頻的 AMTOR 把洲際間聯接起來,配合區域性的極高頻或超高頻包封通訊,讓資訊很快地能在洲際間流通,暢行無阻。至於洲際間的高頻數據傳輸為什麼不採用包封方式,而用 AMTOR 呢?這是因為後者的傳輸不只可靠而且快速,我們待一會兒再討論。

    然而 AMTOR 傳輸也不是可以達到絕對正確的境界,它也是有某些限制的。例如成串的脈衝,往往會有多爻的錯誤機會,萬一單串脈衝裡的字母有兩處同時發生錯誤,那麼雖然通過 4/3 的偵錯,但所得到的結果卻是 " 負負得正 " 的錯誤資料。這樣子的錯誤的卻是不會常發生,但畢竟它還是可能發生。

    另外以現今的資料傳輸標準來看,AMTOR 的傳送速度稍微慢了些。就算在完全沒有發生錯誤傳輸的 ARQ 模式下,AMTOR 的最大傳送速度是每秒 6.67 個字母 (CPS),相當於每分鐘 66 字 (WPM),或者說相當於 50 鮑傳送速度的無線電傳打字。而若碰到錯誤扣掉再次傳送甚至反覆多次傳送的時間,傳送速度便大大地滑落。所以若有一大筆的資料要傳送,要是選用如蝸牛爬行速度的 AMTOR,恐怕會是一件曠日費時的工作。

    由於採用 4/3 的偵錯技巧,雖然 AMTOR 是 7 爻碼,但卻只能提供 36 種不同的編碼。因此 AMTOR 依然沿用鮑多碼擴充編碼數的技巧,使用了分別代表 "LTRS"' 及 "FIGS" 的二個控制碼,所以 AMTOR 也同樣要面對鮑多碼所碰到的難題:編碼不足,無法容納下英文的小寫字母及其他許多電腦用的控制碼。這個缺點在商用的船台與岸台之間的電文傳輸或業餘無線電的數據通訊,並算不了什麼,但是若要依靠它來傳輸電腦資料,那不足額的編碼恐怕會是一個很大的障礙。

    AMTOR 與無線電傳打字及莫耳斯碼一樣,算是占用頻寬不大的發射方式,參看圖 3,這是一個典型的 AMTOR 用的頻譜,其實 45 鮑的無線電傳打字所占的頻譜也與圖 3 相類似。若把旁波問題及解調濾波器的頻寬一併考慮進去。而所有電台同時裝用 500Hz 頻寬的濾波器,那麼可以每隔 1KHz 規劃為 AMTOR 的一個通訊頻道,也不會互相干擾。

Fig 03
圖 3:AMTOR 的典型頻譜。



PACTOR

    PACTOR 發跡於歐洲,它是由 DL6MAA、DF4KV、DL1ZAM 及 DJ3FCJ 共同發展出來的一種新的數據通訊模式。這種模式還很新,甚至連美洲大陸使用 PACTOR 者也不多見。實際上 PACTOR 還在發展中,許多新添的功能依舊尚未定案。PACTOR 可算是是 AMTOR 的承先啟後者。PACTOR 針對 AMTOR 傳速慢的缺點開刀,PACTOR 已經拋開傳統的包袱,不再使用鮑多碼,而改採 ASCII 碼。偵錯的方式也改了,仿效包封通訊的偵錯方式,而不再是 AMTOR 的 4/3 偵錯方式。同時 PACTOR 也引進了資料壓縮技巧,企圖增進傳輸效率。可惜的是採用的 郝夫曼編碼 (HUFFMAN ENCODING) 壓縮技巧往往只對本文 (TEXT) 資料有效,對於非本文資料的數據傳輸,並沒有明顯的好處。比較特別的是,PACTOR 似乎有一點點的智慧,在傳輸錯誤很少時,PACTOR 會自動把傳送速度從 100 鮑提升到 200 鮑。 PACTOR 依舊在進行試驗,目前看來,理想的傳導狀況下,高頻 PACTOR 可以比 AMTOR 高出兩倍的傳送速度,若加上資料壓縮技巧,也可以得到兩倍的效率。這加起來相當於增快 4 倍的傳送速度,收獲不算少。PACTOR 與 AMTOR 及無線電傳打字一樣,都採用 170Hz 移頻的按鍵移動頻率的調制方式。


包封通訊 (PACKET)

    由於 TAPR (TUCSON AMTEUR PACKET RAOIO GROUP) 的努力,以 ANSI X.25 規約為藍本,加以修改而創新出 " 包封通訊 "。包封通訊的引進可以稱得上是對業餘無線電數據通訊的一次大革新。與 AMTOR 類似,包封通訊也是以一串脈衝方式傳送,一串串的脈衝就稱為資料包 (DATA PACKETS)。但是不像 AMTOR 的是,包封通訊採用了 ASCII 碼,整個資料包都包含有呼號做辨識,所以這種傳送方式容許一包包的資料經過其他中繼台傳送,每個資料包最後面都含有一個 CRC (CYCLIC REDUNOANCY CHECK) 核對碼,接收台取得資料包之後,會根 據接收到的資料自行計算出 CRC 核對碼值,並與資料包內的 CRC 核對值做比較,如果兩值不一致,表示資料有誤,就要求對方重發該資料包。包封通訊採取的通訊程序,活像 AMTOR 的 ARQ 模式,如果把 ARQ 看做是一種總稱的話,那包封通訊就可以說是另一種的 ARQ 數換通訊。與 AMTOR 一樣,包封訊號中帶有呼號,只是包封通訊可以使用全部呼號,而不像 AMTOR 只能使用 4 個字母當選呼。包封通訊當然也只限於兩台同時在聯線上。

    AMTOR 每一串脈衝只含有 3 位元資料,但是包封通訊的資料包,可大可小,常用的有 32、64 或 80 位元資料,每包資料最多可以容許裝上 256 位元。包封通訊的每一串脈衝可以隨意發射,而不用像 AMTOR 要彼此保持密切的時序同步。這是因為包封通訊應用了 CSMA (CARRIER SENSE MULTIPLE ACCESS) 技巧,也就是每次發射之前必定先頃聽,如果頻率上有包封通訊訊號在,就會暫緩發射,直到頻率空閒下來。因此包封模式允許在同一頻率上有多組的包封通訊存在,這種特點對早期在極高頻上的包封通訊真可算得上是一種恩寵,但是 越來越多人加入包封通訊陣容之後,電台一多,擠在同一頻率上,像沙丁魚般,讓通訊速度緩慢下來,而再也稱不上是什麼優點,如果同一頻率擠進 10 台以上的訊號,那一切的通訊就會像是雙腳陷入泥沼一樣,寸步難行。至於高頻的包封通訊速度 (300 鮑)原本就只有極高頻 (1200 鮑)的四分之一,所以只要同一頻率有三對包封通訊在,便會開始感受到有如陷入泥澤的傳送速度,所以同一頻率有三對包封通訊應該是高頻包封通訊的極限。

    極高頻內的數據通訊廣泛地採用包封方式進行。標準的極高頻調頻包封通訊採用 1200 鮑的傳速,1000Hz 的移頻。這原是貝爾 202 (BELL 202) 數據機標準。但是目前有不少人在極高頻或超高頻中改用 2400 鮑傳速及相移調制 (PSK) 的技巧做包封通訊,這是很明顯的一種傾向,同時更有一些人把傳送速度提高到 9600 鮑。至於高頻內的包封通訊,則使用 300 鮑的傳送速度,200Hz 移頻的按鍵移動頻率 (FSK) 調制。高頻的包封通訊並不算很成功,原因就在於調制的方式及本身應用 AX.25 規約的緣故,下面我們就來探討這些問題。

    高頻的包封通訊調制,是以貝爾 103 (BELL 103) 300 鮑電話數據機為基礎。這種調制方式頗適合可以提供穩定訊號又無雜訊干擾的有線網路,但是移植到高頻來,便問題叢生。首先,高頻的電波傳導狀況特殊,因為電離層的折射,形成了高頻有所謂的電離層多路徑失 (IONOSPHERIC MULTIPATH DISTORTION),不論用任何調制方式,只要傳送速度超過 100 到 150 鮑,電離層多路徑失真便會造成不良的影響。多路徑的傳導,往往可以使訊號延遲 3 到 5 毫秒左右,而 300 鮑傳送速度中每爻脈衝只用 3.3 毫秒,所以資料很容易被多路徑 傳導的延遲時間吃掉。另外 300 鮑傳送速度,卻只有 200Hz 移頻,這也會使得高頻內不易釐清資料爻。實際上,若用傳統的解碼方式,利用機械式濾波器分別來辨識只有 200Hz 間隔的 " 空間 " 與 " 記號 " 訊號,根本不可能。所以若追溯以往,用工程的眼光來看,在高頻上,使用 200Hz 移頻,300 鮑傳送速度的組合,是一種錯誤的決定。AX.25 規約對有線傳輸或極高頻都很合適,但是把 AX.25 規約套到高頻上來用,難免問題重重。首先包封通訊的資料包內有過多的無用資料,像是呼號或不滿整包所裝進去的空白。再者,包封通訊 是採偵錯 (ERROR DETECTION) 模式,而非直接校正 (DIRECT ERROR CORRECTION) 模式。那就是 CRC 值被算出後,只能得知整包資料有誤,而必須請求重發整包資料。雖然可以調整資料包的容量,使重發資料包的機會減少,而得到改善。但是若錯誤的比例高到一定程度,這種手段,於事無補。況且資料包所含的位元數一旦降下來,實際上也是無形地降低傳輸速度,因為資料包內位元數減少,整個資料包所含有用資料的比例就愈小。所以要有最起碼的效率,每個資料包應該至少含有 64 位元,這個時候相互矛盾的問題產生了。包封通訊中資 料包愈長,出現錯誤的機會愈大,一旦有了錯誤,就算只有其中一位元有誤,也必須重發整個資料包,所以碰到傳播狀況差,整個高頻網路上的包封通訊,就會像雙腳陷入沼澤一樣,難以前進。高頻上的大氣干擾,往往會出現一很強而寬的脈衝,此脈衝一旦破壞資料包中的任何字元,整個資料包就必須再送一次。理想情況下,300 鮑傳輸速度的包封通訊,大約相當於每秒 15 到 20 個字母。但是碰到很差的情況,傳輸速度會劇降到每秒 2 到 4 個字母。這種傳輸速度,比只有三分之一傳速及占用更窄頻寬的 AMTOR 還差。

    另外把 CSMA 的構想及觀念拿到高頻來應用,也是削足適履的做法,因為 CSMA 的作用,若碰到連續的大氣雜訊或鄰頻的干擾,整個通訊會很快陷入癱瘓而宣告停擺。另外一種常碰到干擾的情況是,因為發射台在沒有收到第三台的訊號時,把資料包順利送出,但它卻無法得知,接收的對方可能正受到很強的第三台干擾。這種情形在高頻波段內很容易發生。參看圖 4,是包封通訊的頻譜,看來效率極差,若要兩頻道包封通訊不互相干擾,至少要隔 2KHz 以上。

    在極高頻或超高頻使用包封通訊的確了得,但是在高頻上的包封通訊,恐怕就綁手束腳,發揮不出用途來。實際上,僅面對高頻收發機的線路研究來衡量,高頻包封通訊所產生出來的訊號,就是一種自相矛盾的錯誤。

Fig 04
圖 4:包封通訊的典型頻譜。



不同模式的比較

    上面我們討論了 5 種數據通訊模式,分別是莫耳斯碼、無線電傳打字、AMTOR、PACTOR、及包封通訊。它們都可應用在高頻的數據通訊。下面針對它們的性能,包括資料傳輸速度、偵錯技巧、及頻寬及頻寬效率等逐項進行討論。


資料傳輸速度

    表 1 是各種數據通訊模式應用在高頻上頭,所能期望的傳輸速度。典型的莫耳斯碼傳輸速度是每分鐘 20 字組以下,它相當於每秒 2 個字母 (2 CPS),當然訓練有素者,往往可以高達每分鐘 60 字組或更快,但這可以看成是例外。雖然有解碼機器可以利用,不過莫耳斯碼一般須要人工操作,當然它沒有任何偵錯的能力。

    無線電傳打字的典型傳輸速度是 45 鮑,也有少部份是更高的 75 鮑。至少無線電傳打字可以有每秒 10 個字母的傳輸速度。無線電傳打字依然沒有自動偵錯糾正的能力。AMTOR 比較單純,最理想時的傳輸速度是每秒 6.67 個字母,當然傳輸過程發生錯誤時,由於反覆的傳輸,會使速度慢下來。 AMTOR 本身有偵錯的功能,傳輸過程出現的錯誤,可以由反覆傳送來糾正錯誤。利用 AMTOR 的 ARQ 模式,一般說來,典型的傳輸速度是每秒 5 個字母。

    PACTOR 是針對 AMTOR 傳輸速度慢的缺點而改善的,所以它在電波傳導狀況很好時,以 200 鮑的傳速,可以使傳輸速度高過每秒 13 個字母。另外 PACTOR 特有的資料壓縮技巧,若起了作用,還可以加倍傳輸速度,然而前面提過,在高頻波段內以按鍵移動頻率調制做 200 鮑的傳送是冒險了些,同時資料壓縮往往也不能達到 2 倍速的效果。 PACTOR 的表現仍然有待進一步試驗,典型的 PACTOR 傳輸速度大約是每秒 10 個字母左右。

    前面講了很多有關包封通訊在高頻應用時的嚴重毛病,現在雖然包封通訊使用者不乏其人。然而以 20 公尺波段而言,長期使用下來的經驗,包封通訊的傳輸速度大約每秒 4 個字母左右,有時還會更慢。

COMPARISON HF DATA MODES
- HF Data Throughput -
RATE COMMON NAME Usable
Data Bits
MAXIMUM
CPS/hps
TYPICAL
CPS/bps
ERROR
CORRECT
HF SUITABILITY
45 BD "60 WPM" RTTY 5 bits 6/30 * None GOOD, Few Errors
75 BD "100 WPM" RTTY 5 bits 10/50 * None GOOD, Some Errors
110BD "100 WPM" ASCII 7 bits 10/70 * None FAIR, Many Errors
300 BD "300 BAUD" ASCII 7 bits 30/210 * None VERY BAD, All Errors
100 BD "AMTOR/SITOR" 5 bits 6.67/50 6/30 Yes VERY GOOD, No Errors
300 BD "HF PACKET" 8 bits 20/160 2/16-4/32Yes POOR, Many Repeats
1200 BD "VHF PACKET" 8 bits 80/640 0/0 Yes VERY BAD, No Data
    * = No error correction, reception of good or bad data is at constant rate
    CPS = Characters-Per-Second Data Throughput
    bps = Bits-Per-Second Data Throughput
表 1:各種數據通訊的傳送速度。



偵錯技巧

    莫耳斯碼及無線電傳打字部沒有自動偵錯功能。像莫耳斯碼,人類的腦袋瓜就是很好的翻譯器,而通常人們會把漏掉的莫耳斯碼以 " 空白或劃底線 " 技巧做記號,這當然也可以看做是一種偵錯,因為整篇通訊若缺幾個字母,是無損電文的,因為可以根據前後文,把漏掉的字母補上。當然啦,這對閒聊之類的通訊的確是個不錯的校正方式。可惜的是,萬一通訊的電文並非一般文字內容而是密碼的話,那又另當別論。

    AMTOR 的 ARQ 模式有偵錯功能,同時利用反覆傳送的方式,可以把錯誤糾正過來。然而 AMTOR 所使用的 4/3 比例偵錯方式,也不能達到十全十美,AMTOR 依然可能出現錯誤內容。至於 AMTOR 的 FEC 模式亦有同樣的偵錯方式,並以每個字母傳送二次的方式做糾正,可是一旦兩次都發過了,依然沒有正確接收,那就束手無策了,FEC 模式常會出現漏網之魚,逃過偵錯系統,出現錯誤的結果。

    PACTOR 同包封通訊一樣,使用 CRC 偵錯技巧,糾正的動作也和 AMTOR 一樣,利用反覆傳送的方式來達成。CRC 的偵錯能力顯然比 4/3 比例偵錯好多了,能通過 CRC 偵錯成為漏網之魚的錯誤,可說是少之又少。

    包封通訊的偵錯與糾正,可以說和 PACTOR 是一個模樣。因為 CRC 偵錯能力頗為健全,所以沒有人會懷疑包封通訊在傳輸過程會產生錯誤。但得到這樣結果所必須付出的代價是:往往把傳輸速度犧牲在造成反覆傳送的費時過程裡。


頻寬及頻寬效率

    在無線電數據通訊領域內,訊號頻寬的定義及它的意義,一直是很多人存有誤解的一個參數。通常對一個訊號頻寬的定義是這樣子的:把訊號以頻率展開,在它的 -3dB 點及 -6dB 點之間取得的頻率範圍,稱為頻寬。用一般方式來了解頻寬的話,就是把兩訊號擺在相近的頻率,在兩訊號不會產生相互干擾的狀況下,兩頻率差,就可叫做頻寬。但是高頻無線電訊號光是因電離層的因素,強度變化量往往可以達到 30dB 到 50dB 之間。在旁波訊號都很寬的情況下,實際上所占的頻寬往往會比 -3dB 點與 -6dB 點所取得的值更大。圖 1 是莫 耳斯碼傳輸速度每分鐘 60 字組時的頻譜。 -50dB 點的頻寬大約是 800Hz,為了要杜絕任何可能潛在的相互干擾,此時兩莫耳斯碼訊號一定要相距 800Hz 以上。這裡的頻寬與傳輸速度有關,當速度從每分鐘 60 字組降到每分鐘 20 字組時,頻寬也從 800Hz 縮為 267Hz,這麼小的頻寬,產生相互干擾的因素就轉到收發機身上了,如果交訊的雙方收發機都採用 500Hz 頻寬的濾波器 (唯要注意的是收發機內的濾波器所指的頻寬是 -6dB 點,而不是 -50dB 點頻寬)並用解碼機做為自動收發莫耳斯碼的話,因為速度快,頻寬會大,此時通常必 須間隔 1KHz 以上,才能免於互相干擾。至於操作員利用人工音讀莫耳斯碼,因為人腦可以很精明地濾除背景雜訊或人為干擾,所以訓練有素的莫耳斯碼操作員,就算是兩訊號僅相隔 100Hz,只要訊號強度不是很接近,也就難不倒他。

    圖 3 則是 AMTOR 訊號的頻譜,這是一傳輸速度 100 鮑,170Hz 移頻的按鍵移動頻率調制訊號,實際上圖 3 的頻譜可以代表所有高頻的無線電傳打字及 AMTOR 的典型頻譜。圖 3 顯示出來的曲線,-50dB 頻寬是 1200Hz。在實際的操作狀況,如果收發機都裝有 500Hz 頻寬濾波器,那麼 AMTOR 通訊可以僅隔 1KHz 也不會相互干擾。但是如果僅利用 LSB 的 2.4KHz 頻寬濾波器,那麼 AMTOR 通訊頻道,就必須間隔 2KHz。

    圖 4 是包封通訊的頻譜,它的 -50dB 點頻寬超過 2KHz,因此在高頻的包封通訊區段內,每個頻譜道也都相隔 2KHz。如果加用 500KHz 濾波器的話,則可以把相互干擾的可能性降到最低。但是高頻的包封通訊原本就有傳導失真之虞,過窄的濾波器會使訊號失真的問題雪上加霜。


結語

    目前在業餘無線電通訊波段內,進行數據通訊的調制及規約格式有四種,那就是:莫耳斯碼、無線電傳打字、AMTOR、及包封通訊。另外有其他兩種方式,一是本文談的很少的 PACTOR,另一種是本文沒有提到的 CLOVER。這些不同模式的數據通訊在性能上各異其趣,也各有其優缺點。莫耳斯碼以設備精簡著稱。無線電傳打字操作也不難。AMTOR 的傳輸速度尚可,而且還有偵錯及校正功能,應用在高頻上頭頗為適合。而包封通訊在傳導狀況相當理想時,可以在合理的傳速下來傳送 ASCII 碼。

    數據通訊的調制技巧在業餘無線電內正如火如荼地展開,也取得不錯的成就,像極高頻的包封通訊人口日益增多,及數位訊號處理 (DSP) 技術的成熟,都是很好的例證。要不是包封通訊提供了高頻數據通訊更快更理想的調制方式,來使日益增多的高頻包封通訊網路相繼成立,業餘無線電數據通訊恐怕也不會發展得那麼快。雖然我們只談了數據通訊本身,但是更重要的是數據通訊更深一層的高頻規約 (COMMUNICATION PROTOCOL) 也要不斷地進步才行。當然廉價的個人電腦也是功不可沒。我們可以這樣說:業餘無線電絕不會站在原地踏步 ,更積極地說,業餘無線電依然默默地繼續帶動著無線電科技發展。

    註 1:同調莫耳斯碼起源很早,不少人利用高頻的標準時間標準頻率發播台做為同步訊號,來進行試驗,雖然一直無法普遍化,可是總證明了此種技術的優點。若以所占頻寬而言,可能會被 FSAG 所取代,目前這種利用 FSAG 的接收機,利用相位的分辨,幾乎可以在同一頻率上有 4 個以上的莫耳斯碼訊號。

    註 2:PULSED SYSTEM RECEIVERS USING THE FREQUENCY SENSITIVE AND GATE (FSAG). PRACTICAL WIRELESS, APRIL 1991 PP 30-31

    註 3:所謂的 "MARK" 與 "SPACE",是沿用古早時候的通訊術語,先期莫爾斯碼通訊發展到機械式記錄時,把短音及長音轉換成記錄在紙帶上的一條短線及長線,這些畫線的訊號稱為 "MARK",而空白的部份稱為 "SPACE"。現在有時就沿用這個稱呼來對應到數位通訊的 "1" 與 "0"。 END



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