CP16: 一种面向应急无线电通信应用的汉字报文通信模式

编者按：CP16是CRAC研发的汉字字形传输方式，抗干扰能力较强，适合在恶劣传输条件下进行汉字报文通信。

1 CP16通信介绍

1.1 什么是CP16通信

CP16是Character Pattern Communication using 16-carrier Transmission，即16载频图形文字通信的英文缩写，是中国无线电协会业余无线电分会开发的一种我国特有的无线电通信模式，主要用来传输汉字等图形文字信息，也可以传输手书签名或曲线等简单形象信息。

1.2 CP16通信的由来

2008年汶川大地震后，无线电应急通信迅速成为普遍关注的话题。2009年和2014年，中国科协和中国通信学会无线电应用与管理专业委员会先后组织开展了“我国重大突发事件应急无线电应用频谱需求与管理研究”和“公共应急信息无线电发布系统研究”两个项目的研究。中国无线电协会业余无线电分会（原业余无线电工作委员会，简称CRAC）成立后即参与了相应的课题研究。

研究认为在以特大地震、海啸、洪灾、飓风等为代表的毁灭性灾害事件中，应急无线电应用的使命之一，是在第一时间通过最低限度通信能力及时 “将灾情传出去”，为综合协调的应急联动指挥系统和信息共享系统提供决策基础。

作为课题内容之一，CRAC根据这一需求并针对原有通信方式存在的一些问题，着手研究开发了一种新通信模式。经过原理设计和短波通信实验验证，形成了 CP16通信方式。

2018年，CRAC起草了《业余无线电16载频图形文字通信（CP16）传输规范》，并于2019年正式发布，成为中国无线电协会的一项技术规范。

从2016年起直至新冠肺炎疫情爆发，CRAC连续四年将CP16通信列为全国性业余无线电应急通信演练的推广项目之一。2021年 6月，CP16通信方式在工业和信息化部组织的“无线电点亮革命征程”短波通联活动中得到了成功应用（见图 1）。

图1 青海西宁与北京之间短波CP16通信效果实例

1.3 CP16是数字发送和模拟接收的混合系统

CP16通信系统用来进行低速报文传输，发射端采用数字调制方法将组成汉字的像素转换为0和1加以发送，属于数字通信。但接收端却并不进行任何解调和数字解码，而是直接将收到的射频信号（或经过频率搬移的中频或音频信号）依强度转换成不同明暗亮点显示在频率 - 时间平面坐标上，形成瀑布图，排列组合出字形或图形（见图 2），就信号加工流程而言属于模拟处理。

图2 CP16接收显示图示

2 CP16 通信的优点和适用场景

2.1 CP16 通信的优点

（1）高抗干扰性

一般数字通信对信噪比有一定要求，信噪比低于一定门限值将无法解码。CP16系统不进行解码，接收信号以亮点分布，供接收者直接阅读。由于人的大脑会自动综合背景噪声、亮点位置、报文的上下文意义，并做出快速而复杂的判断，即使信噪比非常差也还可能正确读取信息内容，因此CP16通信具有相对较好的抗干扰能力，尤其适合完成突发灾害第一时间通过短波频率向外报出灾情的关键任务。

（2）高互通性

一般的数字通信要求收发两端设备制式相同且参数设置也相同才能互相沟通，通常情况下不同行业不同单位的系统是无法互通的，这成为突发灾害情况下全社会互通信息和合作减灾的巨大障碍。即使灾区有电台呼救，被全国其他电台及时发现的概率也很低。

而CP16接收不需要解调，凡是配置瀑布图显示的接收机都可以直读报文，而且接收时不需要准确调谐到发信频率；至于发送也只需为任何通用电台增加一个简单的外接CP16调制器，或者使用PC电脑软件。这使得CP16成为唯一一种能使全国各行业电台在应急通信中具有汉字报文无障碍互通功能的特殊通信模式。

（3）多信道接收

大部分电台的接收机信号通道同一时间只能处理一个信道，而CP16的一幅瀑布图可以同时显示很多信道的CP16报文，不同频率的信号处于不同位置，一目了然。这为应急通信中同时全面掌握情况提供了便利手段，大大方便了子系统之间的信息汇总，增强了协调和指挥能力。

（4）易操作性

虽然与语音通信相比，传统的摩尔斯电码通信也具有较高的抗干扰性能，但电码的收发，尤其是低信噪比条件下的抄收，需要较高的操作技能，非三两日能练就。

而在CP16 通信中，任何有文字阅读能力的人都可以进行对信号的直接解读，其发送操作也只需通过电脑或手机录入文字，几乎人人都会。CP16的这种易操作性对于应急通信显然是很重要的优点。

2.2 在业余无线电领域的特殊应用

CP16的前述通用优点也适用于业余业务，但对于业余无线电领域还有一些特殊应用场景。

例如开展与卫星、空间站上的业余空间电台之间的天地通信实践，是世界公认的青少年开展无线电和航天科技活动的重要形式，接收业余卫星信标则是其中最容易普及的入门项目。UHF及更低频段的业余卫星经常设置CW信标，用摩尔斯电码下传卫星平台的遥测数据等信息。如果改用CP16发送卫星信标，不但可以使下传数据更便于解读，还可以简化跟踪多普勒频移的技术要求，更有利于启蒙性质的普及活动。

3 CP16 通信原理

3.1 通信原理

CP16通信原理很简单。首先将待发送的汉字等图形文字按照行和列分割为像素矩阵，为便于辨别，像素矩阵至少取16 行 ×16 列 = 256个像素才能使诸如“赢”“鹰”这样比较复杂的简体汉字笔画得到比较清晰的显示。

发送时按一定的像素周期依次对字符阵列进行扫描，每次得到一个像素行中的16列像素的状态，分别用来控制在频率轴均匀分布的16路载波。“黑点”对应载频有输出，无“黑点”则对应载频无输出。将所有载波叠加在一起，就是CP16的输出信号。

这样的信号到达接收端后会在瀑布图的 16 个相应频率位置显示出来，有载频信号的位置会出现亮点。如果瀑布图的滚动速度相对于行周期比较缓慢，亮点浓缩为亮线，则构成所发送汉字的一行像素。

每进入一个新的像素周期，发送端就按顺序采集下一个像素行，接收端也随着显示一行新像素。经过16个像素周期（也就是一个字周期）完成一个汉字的传输。整个调制机理可参阅图3。

图3 CP16调制原理图示

3.2 CP16 信号的产生

CP16信号的产生原理并不复杂。从基本功能上说，系统中需要具有图形字符的像素存储器、16路可以分别启闭的正弦波发生器、一个模拟加法电路以及相应的时序和控制电路。

实际上现在很多大规模器件已经集成了很多电路功能，使生成 CP16 信号并不需要如此多的硬件部件。只要有一个带有存储器的数字微处理器，就可以通过数字直接合成（DDS）方案生成CP16信号：预先存储每一路载波在各时刻应有的幅度采样值，不断根据当前像素行上各列像素的状态计算出所有载波的综合瞬时值；再配置一个数模转换器，将此值转换为模拟电压就可以了。当然这两个硬件模块还可以进一步省略，因为具有多媒体功能的现代PC个人电脑和移动电话本身都已经包含处理器和数模转换器的功能，直接利用就可以了。

目前用PC电脑、移动电话、专用单片机硬件接口等不同配置方式，产生音频CP16基带信号的方案都已得到实现，成本很低廉。其中有些已经试用于实际通信，并正在不断改进中。CP16音频基带信号可以直接送入任何型号的单边带话音发射机的话筒输入口。单边带发射机起着频率搬移的作用，把CP16基带信号搬移到所需的射频频率并加以发射。

4 相关技术因素

4.1 干扰的影响

当接收端受到不同干扰时，干扰信号会在瀑布图上显示为一定类型的亮点组合。例如白噪声显示为大致均匀分布的亮点雪花，等幅波干扰显示为一条细直线，它们会与接收到的CP16汉字点阵混叠在一起。

由于常见干扰的图形与汉字笔画有非常明显的差别，接收者很容易根据图形规律的差别从相当强烈的干扰背景中正确识别汉字。通常在短波单边带通话已经比较困难的恶劣情况下，CP16汉字报文还会具有相当的可读性。

4.2 CP16的传输速度

CP16是一种低速报文系统，主要用来传输实时报文，一般来说接收端瀑布图的滚动显示以每1至4秒钟一个汉字比较适合阅读。

以每2000毫秒传输一个16×16点阵汉字、相邻汉字之间增发一个空行进行分隔为例进行计算，像素周期（即扫描停留在每行的时间）为2000 ÷（16+1）≈ 117.6毫秒。

每个像素周期切换一次信号， 因此符号速率为1000÷117.6 ≈ 8.5波特。

每个信号含有16个像素的有无状态，因此每个载频的数据速率为16×8.5 = 136比特 / 秒，总数据速率为136×16 = 2176 比特 / 秒。

在实际通信中，传输速度可以根据信号传播条件等具体情况选择，当接收端反映信噪比很差时，可适当降低发送速度，利用瀑布图的积分效应增强报文与背噪的反差。

4.3 CP16的载频间隔和带宽

上例中每路载频受到8.5波特的开关调制，发射类别相当于A1A，按照通常公式计算，必要带宽需要30-40Hz（可参阅《中华人民共和国无线电频率划分规定》附录 3）。不过CP16依靠宽带瀑布图显示信息，只要求接收端瀑布图的分辨率带宽做到能从位置上清楚区别各路载频就好，它们之间略有重叠并不影响字形可读性。因此CP16载频间隔可以选择得更小，实践表明取10-20Hz并没有问题。

这样一来CP16信号的总必要带宽可以按照最高最低载频之差，加上最高最低载频按A1A计算的必要带宽来计算。

例如载频间隔为11Hz， 总共15个间隔，采用8.5波特、 衰落电路， 则必要带宽可取为11×15+8.5×5 ≈ 280Hz。

也就是说，理论上每个3kHz单边带话音信道最多可以容纳九个CP16信道，CP16 的频谱利用率还是不错的。

4.4 CP16信号特强时的处理

在实际通信中发现，正常强度的CP16信号显示出来的汉字比较清晰，但当本地调试收发信机近在咫尺时，信号过于强大，显示质量反而会变差。

这是因为在频谱显示系统中决定分辨率带宽的滤波器特性不会是绝对的矩形，导致过于强大的信号会泄漏到邻近频率，使瀑布图的细小亮点向左右发散。

此外，发射端产生的实际CP16信号也可能因相位抖动、互调等原因在载频附近产生微弱的杂散分量。如果CP16信号过强，这些微弱的邻频也会显现为亮点两侧的亮度扩散。

因此在接收特强CP16信号时应适当增大射频衰减，可能的话，可以为瀑布图设置适当的调色板参数。

CP16通信中任何时候都不要利用接收机的自动增益控制功能（AGC）来自动衰减信号，因为AGC根据信号平均强度压缩信号，会打乱CP16原有的载频间幅度比例，降低显示质量。

5 结束语

CP16通信方式从酝酿到投入实际运用走过了将近10年的路程，各地无线电爱好者通过几届演练探索了推广经验，各地无线电管理部门则刚刚通过“‘无线电点亮革命征程’短波通联活动”把它展示到专业通信领域。

各方面的实验、测试和应用证明了它确实具有适合突发重大灾害应急通信的一些特殊能力。

但它毕竟还属于一种新的通信模式，还需要积累更多的应用经验，进行必要的技术改进，丰富配套软硬件的开发和利用，扩大宣传推广，为更多的无线电台增加CP16应急接收和发射能力，才能充分发挥这种通信方式应有的功效。

建立跨行业、跨单位的应急通信协调机制，建设以旨在克服短波传播固有缺陷的 SDR 接收站共享网络等也十分必要。多管齐下，一定能将突发重大灾害时“将灾情传出去”的能力提高到一个新水平。

文：陈平