關(guān)于海岸電臺(tái)進(jìn)行NAVDAT試驗(yàn)的技術(shù)分析

◎ 賈玉良 羅明標(biāo) 廣州通信中心

關(guān)于海岸電臺(tái)進(jìn)行NAVDAT試驗(yàn)的技術(shù)分析

◎ 賈玉良 羅明標(biāo) 廣州通信中心

海岸電臺(tái)是全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GMDSS）兩大系統(tǒng)之地面通信系統(tǒng)，是海上安全通信的重要參與者，由于該系統(tǒng)主要采用的是二十幾年前模擬通信技術(shù)，目前已無法滿足現(xiàn)在數(shù)字通信技術(shù)和船上用戶需求。NAVDAT的提出給出了一種全新的數(shù)字傳輸安全信息廣播解決方案。隨著GMDSS現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，海岸電臺(tái)通過對(duì)NAVDAT進(jìn)行前期試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于后期進(jìn)行GMDSS技術(shù)升級(jí)改造具有重要的參考價(jià)值。

NAVDAT海岸電臺(tái) OFDM 軟件調(diào)制解調(diào)

1.NAVDAT的提出

隨著GMDSS現(xiàn)代化復(fù)審的不斷深入，作為GMDSS中主要承擔(dān)安全信息播發(fā)系統(tǒng)的NAVTEX，由于數(shù)據(jù)傳輸速率低、功能單一等缺點(diǎn)，制約了其在新環(huán)境下的應(yīng)用。2012年ITU發(fā)布了工作在500 KHz 頻帶的中頻海上移動(dòng)服務(wù)數(shù)字廣播系統(tǒng) NAVDAT，播發(fā)由岸到船的與海上安全相關(guān)信息的技術(shù)建議書。

2.NAVDAT 技術(shù)特性

NAVDAT是一種新型的岸基海上數(shù)字廣播系統(tǒng)，它采用最新數(shù)字傳輸技術(shù)，在500kHz上播發(fā)海上安全信息和其他服務(wù)信息。NAVDAT通過播發(fā)消息、文本、文件或圖像，實(shí)現(xiàn)海圖改正信息等航行相關(guān)安全信息的快速推送，并實(shí)現(xiàn)與船舶信息系統(tǒng)的無縫連接。NAVDAT系統(tǒng)通過聯(lián)網(wǎng)播發(fā)，還可實(shí)現(xiàn)A2海區(qū)的覆蓋。因此，NAVDAT可增強(qiáng)海事信息業(yè)務(wù)能力，是GMDSS現(xiàn)代化和e航海中的關(guān)鍵系統(tǒng)。

NAVDAT采用了一種類似于NAVTEX的時(shí)隙分配方式，便于IMO以相同的方式進(jìn)行協(xié)調(diào)。其也可以以單頻網(wǎng)絡(luò)的方式工作。

無論采用何種播發(fā)方式，NAVDAT都會(huì)提供廣播、選擇性播發(fā)、特定播發(fā)等三種不同的播發(fā)模式。此外，NAVDAT 還提供對(duì)于任意種類的岸到船信息的加密廣播服務(wù)。

由于NAVDAT采用了數(shù)字編解碼技術(shù)，使得在10KHz帶寬的頻道上，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)15-25kb/s，是NAVTEX系統(tǒng)的300倍。正是NAVDAT高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，使得它擴(kuò)大了安全信息的播發(fā)范圍，能夠播發(fā)諸如海圖，氣象云圖，數(shù)據(jù)等等。NAVDAT能夠以友好的交互方式在接收端顯示，并能夠?qū)⑿畔⒄现翆?dǎo)航設(shè)備（ECDIS、INS）。

3.NAVDAT系統(tǒng)分析

3.1試驗(yàn)必要性

NAVTEX系統(tǒng)作為一個(gè)上世紀(jì)七十年代設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，存在播發(fā)速率低、播發(fā)及時(shí)性差、不能滿足播發(fā)各類MSI數(shù)據(jù)的要求、不能滿足播發(fā)海事新業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的要求、不能播發(fā)多媒體信息、無法與船舶信息系統(tǒng)和設(shè)備無縫連接，需要人工操作等問題。

以廣州海岸電臺(tái)為例，廣州海岸電臺(tái)“全球海上遇險(xiǎn)和安全系統(tǒng)”建設(shè)工程實(shí)施已近20年，現(xiàn)有NBDP/FEC廣播已很少船舶收聽，NAVTEX廣播又存在以上諸多缺陷，已無法滿足現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)和船舶上用戶需求，亟需通過技術(shù)更新提高海上通信服務(wù)能力。NAVDAT在中頻500KHz有著良好的傳輸能力，可達(dá)250-300 nm，能有效覆蓋珠三角及粵東粵西沿海重要水域，同時(shí)滿足現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)要求。利用廣州海岸電臺(tái)現(xiàn)有播發(fā)能力，僅需要對(duì)信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過程加以干預(yù)，就能進(jìn)行NAVDAT的試播發(fā)。3.2NAVDAT系統(tǒng)架構(gòu)

NAVDAT系統(tǒng)主要由信息及管理系統(tǒng)SIM（System of Information and Management）、岸臺(tái)網(wǎng)絡(luò)、岸臺(tái)發(fā)射機(jī)、傳輸通道、船臺(tái)接收五部分構(gòu)成。

下圖為NAVDAT的詳細(xì)的系統(tǒng)架構(gòu)圖1。

在SIM模塊中，岸臺(tái)在收到各個(gè)數(shù)據(jù)源（氣象局，海洋局，VTS，RCC等）信息后，通過文件復(fù)用器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要是優(yōu)先級(jí)和時(shí)間有效性的設(shè)置，對(duì)于需要加密服務(wù)的消息的加密，消息向岸基網(wǎng)絡(luò)的傳輸?shù)?。文件?fù)用管理和岸基發(fā)射管理主要通過特定的人機(jī)交互接口完成。

岸臺(tái)網(wǎng)絡(luò)可以是高速連接、低速的數(shù)據(jù)連接或者文件共享系統(tǒng)。

在岸基發(fā)射系統(tǒng)中，控制器主要用于檢查發(fā)射前頻帶是否空閑，通過同步時(shí)鐘同步岸臺(tái)信號(hào)，控制發(fā)射參數(shù)、時(shí)間和發(fā)射計(jì)劃，排版消息文件（分割成包）。

作為整個(gè)系統(tǒng)中重點(diǎn)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，調(diào)制器主要有3種輸入信息流：調(diào)制信息流（MIS）、發(fā)射信息流（TIS）、數(shù)據(jù)流。MIS主要用來提供頻譜占有信息以及發(fā)射信息流和數(shù)據(jù)流的調(diào)制模式（4、16或者64 QAM）。為了在接收端有良好的解調(diào)，MIS流通常也在4-QAM子載體上編碼。TIS主要是接收端的信息，比如數(shù)據(jù)流的錯(cuò)誤編碼（由于中頻波白天主要通過地波傳輸，晚上通過地波+電波的方式傳播，這個(gè)值會(huì)不同），發(fā)射機(jī)ID，時(shí)間和日期等。TIS流可以在4或者16-QAM上編碼。數(shù)據(jù)流主要包括需要傳輸?shù)南⑽募?/p>

在船端接收系統(tǒng)中，接收天線可以是磁場天線或者電場天線。射頻前端包括射頻濾波、射頻放大和基帶輸出，對(duì)于射頻前端，高敏感性和高動(dòng)態(tài)范圍是必須的。接收系統(tǒng)中的解調(diào)模塊對(duì)基帶OFDM信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，重構(gòu)包含發(fā)射信息文件的數(shù)據(jù)流。它提供時(shí)間/頻率同步，信道判斷，自動(dòng)調(diào)制恢復(fù)，糾錯(cuò)等功能。文件解復(fù)用器接收來自控制器的文件，審核消息文件是否正確，如有需要解密消息文件，使消息文件對(duì)終端應(yīng)用可用，刪除過期文件等。消息文件應(yīng)存儲(chǔ)在船臺(tái)服務(wù)器中，并通過特定人機(jī)交互接口和其他終端應(yīng)用交互。

在OFDM生成階段可以采用硬件設(shè)備，也可以采用軟件無線電方式，在服務(wù)器或者發(fā)射器前端實(shí)現(xiàn)報(bào)文的調(diào)制。同樣在接收機(jī)端，也可以通過軟件解調(diào)接收信號(hào)。這里介紹軟件調(diào)制解調(diào)的過程，如下圖2所示。

用軟件方式實(shí)現(xiàn)消息、報(bào)文、圖以及岸臺(tái)發(fā)射機(jī)信息等數(shù)據(jù)的OFDM信號(hào)調(diào)制，可以通過以下3個(gè)步驟：

1）將待發(fā)射數(shù)據(jù)編碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼元，再對(duì)比特流進(jìn)行16-QAM映射；

2）之后根據(jù)得到的幅度、相位值生成150路子載波。為保證OFDM信號(hào)的正交性，相鄰子載波頻率偏移41.66Hz，然后生成OFDM波形；

3）進(jìn)行保護(hù)間隔、峰均比抑制等保護(hù)處理后保存為WAV文件。

在接收端還原具體信息，有以下2個(gè)步驟：

①接收WAV音頻文件，根據(jù)OFDM導(dǎo)頻信號(hào)鎖定OFDM音頻信號(hào)；根據(jù)OFDM解調(diào)原理，將音頻波形解調(diào)為二進(jìn)制碼元；

②對(duì)二進(jìn)制碼元進(jìn)行轉(zhuǎn)換，根據(jù)固定子載波中的信息生成報(bào)文、圖文件、調(diào)制信息以及臺(tái)站發(fā)射機(jī)標(biāo)識(shí)信息等。

圖1　 NAVDAT系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2　 NAVDAT調(diào)制解調(diào)流程圖

4.試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

NAVDAT系統(tǒng)是GMDSS現(xiàn)代化和e航海中的關(guān)鍵系統(tǒng)，NAVDAT系統(tǒng)是海事信息播發(fā)上的一次數(shù)字化革命，將增強(qiáng)海事信息服務(wù)能力。GMDSS現(xiàn)代化尚處于論證和設(shè)計(jì)階段，我國海岸電臺(tái)應(yīng)抓住這一機(jī)會(huì)，加快技術(shù)研究和系統(tǒng)研制，并盡快進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測試驗(yàn)證，形成符合國際標(biāo)準(zhǔn)框架的NAVDAT信息播發(fā)和接收的國內(nèi)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)我國在GMDSS現(xiàn)代化中的地位，亦符合我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)的要求。

5.總結(jié)

本文對(duì)NAVDAT的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了分析和建議，對(duì)海岸電臺(tái)進(jìn)行GMDSS現(xiàn)代化改造建設(shè)提供些許的參考。

[1]ITU.ITU-R M.2010 Characteristics of a digital system,named Navigational Data for broadcasting maritime safety and security related information from shore-to-ship in the 500 KHz band[S]. Geneva:Electronic Publication,2012: 2-8.

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[3]高旭.水上通信業(yè)務(wù)中軟件調(diào)制解調(diào)技術(shù)的研究[D].大連海事大學(xué).2015.