梁都朝 南海航海保障中心廣州通信中心

1.NAVDAT HF系統(tǒng)概述

NAVDAT是用于在水上特定頻段的海上安全信息數(shù)字廣播系統(tǒng)。目前NAVDAT的研究主要集中在NAVDAT MF系統(tǒng)（500kHz）的研究，在HF頻段應(yīng)用還較為空白。根據(jù)ITU-R M.2058-0 建議書，NAVDAT HF系統(tǒng)是基于4226kHz、6337.5kHz、8443kHz、12663.5 kHz、16909.5kHz、22450.5kHz等頻率建立岸到船的數(shù)字通信技術(shù)方案，使用的頻道帶寬為10 kHz，可用于數(shù)據(jù)流（DS）的16-QA M信號(hào)原數(shù)據(jù)速率通常在20kbit/s左右。對(duì)比NAVDAT MF系統(tǒng)，其傳輸頻道更多，船舶可自適應(yīng)選擇信道佳的頻道接收，覆蓋范圍也更廣，能有效覆蓋A1、A2、A3乃至A4海區(qū)。

2.系統(tǒng)架構(gòu)

與NAVDAT MF 系統(tǒng)相同，NAVDAT HF系統(tǒng)也是由信息和管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射機(jī)、HF傳輸通道及船載接收機(jī)5部分組成。其中，信息和管理系統(tǒng)用于接收主管部門安全信息，并對(duì)相關(guān)安全信息進(jìn)行編輯送到發(fā)射機(jī)播發(fā)，同時(shí)對(duì)發(fā)射機(jī)設(shè)備進(jìn)行管理與監(jiān)控，信息和管理系統(tǒng)與發(fā)射機(jī)之間通過寬帶網(wǎng)絡(luò)相連接。發(fā)射機(jī)接收來(lái)自SIM的安全信息，將其調(diào)制為每個(gè)子載波均采用QAM調(diào)制的多載波正交頻分復(fù)用（OFDM）信號(hào)，經(jīng)過功率放大及天線輻射向船舶廣播。RF射頻信號(hào)經(jīng)過高頻無(wú)線信道傳播后由船載接收機(jī)接收解調(diào)相關(guān)信息。

3.NAVDAT HF系統(tǒng)的技術(shù)特性

3.1 OFDM調(diào)制原理

NAVDAT HF系統(tǒng)對(duì)信號(hào)調(diào)制的核心技術(shù)是多載波正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)。OFDM的基本原理是把一個(gè)高速的數(shù)據(jù)流分解為若干個(gè)低速的子數(shù)據(jù)流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流經(jīng)過調(diào)制，構(gòu)成多個(gè)并行的已調(diào)信號(hào)，在多個(gè)正交的子載波上同時(shí)進(jìn)行傳輸。在OFDM系統(tǒng)架構(gòu)中每個(gè)子信道上的子載波頻率互相正交，頻譜上雖然重疊，但每個(gè)子載波卻不受其他的子載波影響，這樣大大提高了頻譜的效率。OFDM技術(shù)在Wi-Fi、WiMAX技術(shù)、4G等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。它之所以備受關(guān)注，其中一條重要的原因是它各子信道的調(diào)制和解調(diào)可以采用離散反傅里葉變換（IDFT）和離散傅里葉變換（DFT）實(shí)現(xiàn)，載波數(shù)大的系統(tǒng)也可采用快速反傅里葉變換（IFFT）和快速傅里葉變換（FFT）實(shí)現(xiàn)。

離散傅里葉變換(DFT)，以及其離散傅里葉逆變換(IDFT)，定義如下：

頻域內(nèi)每個(gè)采樣點(diǎn)xDFT[k]均是時(shí)域內(nèi)所有采樣點(diǎn)x[n]的線性疊加，時(shí)域內(nèi)每個(gè)采樣點(diǎn)x[n]均是頻域內(nèi)所有采樣點(diǎn)xDFT[k]的線性疊加。若OFDM 發(fā)送端N點(diǎn)序列，則OFDM基帶信號(hào)為：

其中，T是OFDM符號(hào)持續(xù)時(shí)間，子載波頻率fk＝k/T。令ts＝0，在T區(qū)間內(nèi)對(duì)S[t]做N 次采樣，采樣時(shí)刻tn＝nT/N(n＝0，1，2…N-1)，則

綜上所述，OFDM調(diào)制可以采用IDFT實(shí)現(xiàn)，反之OFDM解調(diào)能采用DFT實(shí)現(xiàn)。

（1）副載波QAM調(diào)制。

OFDM的副載波調(diào)制由相應(yīng)的星座映射完成，將分組碼元做一次調(diào)制，再經(jīng)由IDFT分布到各個(gè)子信道上去。調(diào)制的方式可以有許多種，包括BPSK、QPSK、QAM等。在NAVDAT HF系統(tǒng)中，調(diào)制信息流MIS總是使用4-QAM副載波編碼，從而很好地在輸入接收機(jī)前解調(diào)。而發(fā)射機(jī)信息流（TIS）和數(shù)據(jù)流（DS）調(diào)制則根據(jù)信道具體情況選擇使用4-QAM,16-QAM或64-QAM編碼，具體方式根據(jù)有用信號(hào)的強(qiáng)度決定。QAM調(diào)制是幅度調(diào)制和相位調(diào)制的組合，相位與幅度狀態(tài)定義了一個(gè)數(shù)字或數(shù)字的組合，然后將碼元信息根據(jù)QAM星座圖映射成d(i)=ai+jbi形式。它將原來(lái)單一的數(shù)據(jù)之中，引入了虛部，使其變成了一個(gè)復(fù)數(shù)，可以方便進(jìn)行復(fù)數(shù)的IDFT或IFFT變換。

圖1 OFDM系統(tǒng)框圖

（2）OFDM信號(hào)生成。

如圖1所示，輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過串/并變換后，經(jīng)過QA M映射編碼，然后進(jìn)行IDFT或IFFT和并/串變換，插入循環(huán)前綴，將信號(hào)樣值通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，得到待發(fā)送的OFDM調(diào)制后的信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過無(wú)線信道后，接收機(jī)接收到的信號(hào)經(jīng)過模/數(shù)變換，去掉循環(huán)前綴，再經(jīng)過串/并變換和DFT或FFT后，恢復(fù)OFDM的調(diào)制信號(hào)，再經(jīng)過解QAM映射編碼及并/串變換還原輸入的符號(hào)信息。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸速率

根據(jù)ITU-RM.2058-0建議書，NAVDAT HF系統(tǒng)子載波的間隔Δf=41.66Hz，一個(gè)OFDM符號(hào)的發(fā)送時(shí)間是26.66us。在10KHz信道上，400ms的子幀共傳輸15個(gè)OFDM符號(hào)，每 一 個(gè)OFDM符號(hào)包含228個(gè)副載波，即攜帶228個(gè)復(fù)數(shù)信息。若采用16-QAM編碼，則其原始數(shù)據(jù)編碼速率為：Rs=4bit＊15＊228/400ms=34.2kbit/s，考慮到糾錯(cuò)編碼，當(dāng)碼率在0.5至0.75之間時(shí)，有用的數(shù)據(jù)速率在17.1kbit/s至25.65kbit/s上下，遠(yuǎn)高于MF/HF DSC、NAVTEX及FEC的100bit/s。

3.3 自適應(yīng)調(diào)制方式

OFDM技術(shù)使用了自適應(yīng)調(diào)制方式，能根據(jù)信道情況的好壞來(lái)選擇相應(yīng)的調(diào)制方式。接收信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器之后，再經(jīng)過DFT計(jì)算，實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)解調(diào)。與OFDM調(diào)制器中的情況一樣，解調(diào)器DFT的計(jì)算可以采用效率更高的FFT算法實(shí)現(xiàn)。為了從DFT值中恢復(fù)信息符號(hào)，需要估計(jì)和補(bǔ)償信道因子。初始時(shí)刻在每個(gè)子載波上發(fā)送一個(gè)已知的調(diào)制序列，或者直接發(fā)送未調(diào)制的子載波，可以完成信道估計(jì)，如果信道參數(shù)隨時(shí)間緩慢變化，則通過采用定向判決方式的檢測(cè)器的輸出判決，來(lái)跟蹤該時(shí)間的變化。因此OFDM系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成自適應(yīng)的。通過合理分配平均發(fā)送功率和每個(gè)載波傳送的比特?cái)?shù)，可以使每個(gè)子載波的傳輸速率達(dá)到最優(yōu)。與SNR低的子信道相比，在SNR高的子信道中，可以采用更大的QAM星座圖以達(dá)到更高的發(fā)送效率。在接收端，接收機(jī)能自動(dòng)掃描各頻道接收狀況并判斷S/N狀況，選擇可適應(yīng)導(dǎo)航區(qū)的最佳頻率。

4.應(yīng)用前景

目前GMDSS系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信基本使用FSK模式，F(xiàn)SK經(jīng)濾波后在可很好地應(yīng)用在DSC、NBDP、NAVTEX等業(yè)務(wù)中，但是傳輸速率較低，嚴(yán)重抑制了水上通信的發(fā)展。因?yàn)镕SK屬于單載波調(diào)制方式，使用單載波調(diào)制技術(shù)，若要增加傳輸?shù)乃俾?，所須使用載波的帶寬必須更大，但是由于中波、短波信道不理想，容易產(chǎn)生碼間串?dāng)_。在接收端，頻率響應(yīng)會(huì)變得更加陡峭，為實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)的解調(diào)，濾波器或均衡器會(huì)變得過于復(fù)雜而難以實(shí)現(xiàn)。

NAVDAT HF系統(tǒng)使用OFDM多載波傳輸，具有很高的頻譜利用率，能實(shí)現(xiàn)較高速率的數(shù)據(jù)傳輸。OFDM將信道分成多個(gè)子信道，每個(gè)子信道的帶寬也隨之減小，碼間串?dāng)_可以得到有效的克服，能夠很好地對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾，且OFDM使用自適應(yīng)調(diào)制方式，能有效提升系統(tǒng)效能。綜上原因，NAVDAT HF系統(tǒng)能克服GMDSS傳統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸過慢的問題，通過播發(fā)文本、圖像、音頻、數(shù)據(jù)集等多種格式，實(shí)現(xiàn)氣象警告、搜救信息、航行警告、航行信息、電子海圖更新和交通狀態(tài)圖等航行安全信息的快速推送。而NAVDAT HF系統(tǒng)所使用的OFDM技術(shù)也廣泛應(yīng)用于VDES、高頻數(shù)字化數(shù)據(jù)交換及電子郵件系統(tǒng)等新型水上數(shù)據(jù)通信當(dāng)中，為水上通信業(yè)務(wù)的發(fā)展提供了很好的技術(shù)方法。