淺析NAVDAT技術在HF頻段的應用

梁都朝 南海航海保障中心廣州通信中心

1.NAVDAT HF系統概述

NAVDAT是用于在水上特定頻段的海上安全信息數字廣播系統。目前NAVDAT的研究主要集中在NAVDAT MF系統（500kHz）的研究，在HF頻段應用還較為空白。根據ITU-R M.2058-0 建議書，NAVDAT HF系統是基于4226kHz、6337.5kHz、8443kHz、12663.5 kHz、16909.5kHz、22450.5kHz等頻率建立岸到船的數字通信技術方案，使用的頻道帶寬為10 kHz，可用于數據流（DS）的16-QA M信號原數據速率通常在20kbit/s左右。對比NAVDAT MF系統，其傳輸頻道更多，船舶可自適應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。

2.系統架構

與NAVDAT MF 系統相同，NAVDAT HF系統也是由信息和管理系統、網絡、發射機、HF傳輸通道及船載接收機5部分組成。其中，信息和管理系統用于接收主管部門安全信息，并對相關安全信息進行編輯送到發射機播發，同時對發射機設備進行管理與監控，信息和管理系統與發射機之間通過寬帶網絡相連接。發射機接收來自SIM的安全信息，將其調制為每個子載波均采用QAM調制的多載波正交頻分復用（OFDM）信號，經過功率放大及天線輻射向船舶廣播。RF射頻信號經過高頻無線信道傳播后由船載接收機接收解調相關信息。

3.NAVDAT HF系統的技術特性

3.1 OFDM調制原理

NAVDAT HF系統對信號調制的核心技術是多載波正交頻分復用OFDM技術。OFDM的基本原理是把一個高速的數據流分解為若干個低速的子數據流，每個子數據流經過調制，構成多個并行的已調信號，在多個正交的子載波上同時進行傳輸。在OFDM系統架構中每個子信道上的子載波頻率互相正交，頻譜上雖然重疊，但每個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技術在Wi-Fi、WiMAX技術、4G等領域中得到了廣泛應用。它之所以備受關注，其中一條重要的原因是它各子信道的調制和解調可以采用離散反傅里葉變換（IDFT）和離散傅里葉變換（DFT）實現，載波數大的系統也可采用快速反傅里葉變換（IFFT）和快速傅里葉變換（FFT）實現。

離散傅里葉變換(DFT)，以及其離散傅里葉逆變換(IDFT)，定義如下：

頻域內每個采樣點xDFT[k]均是時域內所有采樣點x[n]的線性疊加，時域內每個采樣點x[n]均是頻域內所有采樣點xDFT[k]的線性疊加。若OFDM 發送端N點序列，則OFDM基帶信號為：

其中，T是OFDM符號持續時間，子載波頻率fk＝k/T。令ts＝0，在T區間內對S[t]做N 次采樣，采樣時刻tn＝nT/N(n＝0，1，2…N-1)，則

綜上所述，OFDM調制可以采用IDFT實現，反之OFDM解調能采用DFT實現。

（1）副載波QAM調制。

OFDM的副載波調制由相應的星座映射完成，將分組碼元做一次調制，再經由IDFT分布到各個子信道上去。調制的方式可以有許多種，包括BPSK、QPSK、QAM等。在NAVDAT HF系統中，調制信息流MIS總是使用4-QAM副載波編碼，從而很好地在輸入接收機前解調。而發射機信息流（TIS）和數據流（DS）調制則根據信道具體情況選擇使用4-QAM,16-QAM或64-QAM編碼，具體方式根據有用信號的強度決定。QAM調制是幅度調制和相位調制的組合，相位與幅度狀態定義了一個數字或數字的組合，然后將碼元信息根據QAM星座圖映射成d(i)=ai+jbi形式。它將原來單一的數據之中，引入了虛部，使其變成了一個復數，可以方便進行復數的IDFT或IFFT變換。

圖1 OFDM系統框圖

（2）OFDM信號生成。

如圖1所示，輸入的數據信號經過串/并變換后，經過QA M映射編碼，然后進行IDFT或IFFT和并/串變換，插入循環前綴，將信號樣值通過數/模轉換器，得到待發送的OFDM調制后的信號。信號經過無線信道后，接收機接收到的信號經過模/數變換，去掉循環前綴，再經過串/并變換和DFT或FFT后，恢復OFDM的調制信號，再經過解QAM映射編碼及并/串變換還原輸入的符號信息。

3.2 數據傳輸速率

根據ITU-RM.2058-0建議書，NAVDAT HF系統子載波的間隔Δf=41.66Hz，一個OFDM符號的發送時間是26.66us。在10KHz信道上，400ms的子幀共傳輸15個OFDM符號，每 一 個OFDM符號包含228個副載波，即攜帶228個復數信息。若采用16-QAM編碼，則其原始數據編碼速率為：Rs=4bit＊15＊228/400ms=34.2kbit/s，考慮到糾錯編碼，當碼率在0.5至0.75之間時，有用的數據速率在17.1kbit/s至25.65kbit/s上下，遠高于MF/HF DSC、NAVTEX及FEC的100bit/s。

3.3 自適應調制方式

OFDM技術使用了自適應調制方式，能根據信道情況的好壞來選擇相應的調制方式。接收信號通過A/D轉換器之后，再經過DFT計算，實現接收信號解調。與OFDM調制器中的情況一樣，解調器DFT的計算可以采用效率更高的FFT算法實現。為了從DFT值中恢復信息符號，需要估計和補償信道因子。初始時刻在每個子載波上發送一個已知的調制序列，或者直接發送未調制的子載波，可以完成信道估計，如果信道參數隨時間緩慢變化，則通過采用定向判決方式的檢測器的輸出判決，來跟蹤該時間的變化。因此OFDM系統可以設計成自適應的。通過合理分配平均發送功率和每個載波傳送的比特數，可以使每個子載波的傳輸速率達到最優。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星座圖以達到更高的發送效率。在接收端，接收機能自動掃描各頻道接收狀況并判斷S/N狀況，選擇可適應導航區的最佳頻率。

4.應用前景

目前GMDSS系統數據通信基本使用FSK模式，FSK經濾波后在可很好地應用在DSC、NBDP、NAVTEX等業務中，但是傳輸速率較低，嚴重抑制了水上通信的發展。因為FSK屬于單載波調制方式，使用單載波調制技術，若要增加傳輸的速率，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，容易產生碼間串擾。在接收端，頻率響應會變得更加陡峭，為實現高速率數據的解調，濾波器或均衡器會變得過于復雜而難以實現。

NAVDAT HF系統使用OFDM多載波傳輸，具有很高的頻譜利用率，能實現較高速率的數據傳輸。OFDM將信道分成多個子信道，每個子信道的帶寬也隨之減小，碼間串擾可以得到有效的克服，能夠很好地對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾，且OFDM使用自適應調制方式，能有效提升系統效能。綜上原因，NAVDAT HF系統能克服GMDSS傳統業務數據傳輸過慢的問題，通過播發文本、圖像、音頻、數據集等多種格式，實現氣象警告、搜救信息、航行警告、航行信息、電子海圖更新和交通狀態圖等航行安全信息的快速推送。而NAVDAT HF系統所使用的OFDM技術也廣泛應用于VDES、高頻數字化數據交換及電子郵件系統等新型水上數據通信當中，為水上通信業務的發展提供了很好的技術方法。