關于海岸電臺進行NAVDAT試驗的技術分析

◎ 賈玉良 羅明標 廣州通信中心

關于海岸電臺進行NAVDAT試驗的技術分析

◎ 賈玉良 羅明標 廣州通信中心

海岸電臺是全球海上遇險與安全系統（GMDSS）兩大系統之地面通信系統，是海上安全通信的重要參與者，由于該系統主要采用的是二十幾年前模擬通信技術，目前已無法滿足現在數字通信技術和船上用戶需求。NAVDAT的提出給出了一種全新的數字傳輸安全信息廣播解決方案。隨著GMDSS現代化進程的深入，海岸電臺通過對NAVDAT進行前期試驗驗證，對于后期進行GMDSS技術升級改造具有重要的參考價值。

NAVDAT海岸電臺 OFDM 軟件調制解調

1.NAVDAT的提出

隨著GMDSS現代化復審的不斷深入，作為GMDSS中主要承擔安全信息播發系統的NAVTEX，由于數據傳輸速率低、功能單一等缺點，制約了其在新環境下的應用。2012年ITU發布了工作在500 KHz 頻帶的中頻海上移動服務數字廣播系統 NAVDAT，播發由岸到船的與海上安全相關信息的技術建議書。

2.NAVDAT 技術特性

NAVDAT是一種新型的岸基海上數字廣播系統，它采用最新數字傳輸技術，在500kHz上播發海上安全信息和其他服務信息。NAVDAT通過播發消息、文本、文件或圖像，實現海圖改正信息等航行相關安全信息的快速推送，并實現與船舶信息系統的無縫連接。NAVDAT系統通過聯網播發，還可實現A2海區的覆蓋。因此，NAVDAT可增強海事信息業務能力，是GMDSS現代化和e航海中的關鍵系統。

NAVDAT采用了一種類似于NAVTEX的時隙分配方式，便于IMO以相同的方式進行協調。其也可以以單頻網絡的方式工作。

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

由于NAVDAT采用了數字編解碼技術，使得在10KHz帶寬的頻道上，數據傳輸速率高達15-25kb/s，是NAVTEX系統的300倍。正是NAVDAT高速的數據傳輸能力，使得它擴大了安全信息的播發范圍，能夠播發諸如海圖，氣象云圖，數據等等。NAVDAT能夠以友好的交互方式在接收端顯示，并能夠將信息整合至導航設備（ECDIS、INS）。

3.NAVDAT系統分析

3.1試驗必要性

NAVTEX系統作為一個上世紀七十年代設計的系統，存在播發速率低、播發及時性差、不能滿足播發各類MSI數據的要求、不能滿足播發海事新業務數據的要求、不能播發多媒體信息、無法與船舶信息系統和設備無縫連接，需要人工操作等問題。

以廣州海岸電臺為例，廣州海岸電臺“全球海上遇險和安全系統”建設工程實施已近20年，現有NBDP/FEC廣播已很少船舶收聽，NAVTEX廣播又存在以上諸多缺陷，已無法滿足現代數字通信技術和船舶上用戶需求，亟需通過技術更新提高海上通信服務能力。NAVDAT在中頻500KHz有著良好的傳輸能力，可達250-300 nm，能有效覆蓋珠三角及粵東粵西沿海重要水域，同時滿足現代數字通信技術要求。利用廣州海岸電臺現有播發能力，僅需要對信號的調制解調過程加以干預，就能進行NAVDAT的試播發。3.2NAVDAT系統架構

NAVDAT系統主要由信息及管理系統SIM（System of Information and Management）、岸臺網絡、岸臺發射機、傳輸通道、船臺接收五部分構成。

下圖為NAVDAT的詳細的系統架構圖1。

在SIM模塊中，岸臺在收到各個數據源（氣象局，海洋局，VTS，RCC等）信息后，通過文件復用器進行數據處理，主要是優先級和時間有效性的設置，對于需要加密服務的消息的加密，消息向岸基網絡的傳輸等。文件復用管理和岸基發射管理主要通過特定的人機交互接口完成。

岸臺網絡可以是高速連接、低速的數據連接或者文件共享系統。

在岸基發射系統中，控制器主要用于檢查發射前頻帶是否空閑，通過同步時鐘同步岸臺信號，控制發射參數、時間和發射計劃，排版消息文件（分割成包）。

作為整個系統中重點的調制解調技術，調制器主要有3種輸入信息流：調制信息流（MIS）、發射信息流（TIS）、數據流。MIS主要用來提供頻譜占有信息以及發射信息流和數據流的調制模式（4、16或者64 QAM）。為了在接收端有良好的解調，MIS流通常也在4-QAM子載體上編碼。TIS主要是接收端的信息，比如數據流的錯誤編碼（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，這個值會不同），發射機ID，時間和日期等。TIS流可以在4或者16-QAM上編碼。數據流主要包括需要傳輸的消息文件。

在船端接收系統中，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，對于射頻前端，高敏感性和高動態范圍是必須的。接收系統中的解調模塊對基帶OFDM信號進行解調，重構包含發射信息文件的數據流。它提供時間/頻率同步，信道判斷，自動調制恢復，糾錯等功能。文件解復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，使消息文件對終端應用可用，刪除過期文件等。消息文件應存儲在船臺服務器中，并通過特定人機交互接口和其他終端應用交互。

在OFDM生成階段可以采用硬件設備，也可以采用軟件無線電方式，在服務器或者發射器前端實現報文的調制。同樣在接收機端，也可以通過軟件解調接收信號。這里介紹軟件調制解調的過程，如下圖2所示。

用軟件方式實現消息、報文、圖以及岸臺發射機信息等數據的OFDM信號調制，可以通過以下3個步驟：

1）將待發射數據編碼轉換為二進制碼元，再對比特流進行16-QAM映射；

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

3）進行保護間隔、峰均比抑制等保護處理后保存為WAV文件。

在接收端還原具體信息，有以下2個步驟：

①接收WAV音頻文件，根據OFDM導頻信號鎖定OFDM音頻信號；根據OFDM解調原理，將音頻波形解調為二進制碼元；

②對二進制碼元進行轉換，根據固定子載波中的信息生成報文、圖文件、調制信息以及臺站發射機標識信息等。

圖1　 NAVDAT系統架構圖

圖2　 NAVDAT調制解調流程圖

4.試驗目標

NAVDAT系統是GMDSS現代化和e航海中的關鍵系統，NAVDAT系統是海事信息播發上的一次數字化革命，將增強海事信息服務能力。GMDSS現代化尚處于論證和設計階段，我國海岸電臺應抓住這一機會，加快技術研究和系統研制，并盡快進行實驗和測試驗證，形成符合國際標準框架的NAVDAT信息播發和接收的國內技術標準，增強我國在GMDSS現代化中的地位，亦符合我國海洋強國戰略目標的要求。

5.總結

本文對NAVDAT的應用技術進行了分析和建議，對海岸電臺進行GMDSS現代化改造建設提供些許的參考。

[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.

[2]崔昆濤,孫文強,夏國忠.NAVDAT對GMDSS海上安全信息業務現代化的增強作用[J].中國水運:下半月,2015(2):52-53.

[3]高旭.水上通信業務中軟件調制解調技術的研究[D].大連海事大學.2015.