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NDAT系统关键接收技术
一、引言
20 世纪初,500 kHz 被用作国际海上电报安全呼叫和遇险报警频率.从20 世纪末开始,随着全球海上遇险安全系统（GMDSS）的全面实施,500 kHz 频段的安全呼叫和遇险报警功能逐渐被取代.2007 年世界无线电通信大会后,500kHz 频段被国际电信联盟（ITU）收回,不再用于海上电报安全呼叫和遇险报警.为了充分利用该频谱资源,加强海上安全服务,法国、美国、丹麦、日本等国家对该频段的数字广播系统进行了研究.2010 年,法国家提交了一套中频数字广播系统的前期测试报告并建议命名为NDAT 系统[1].2011 年,国际电信联盟无线电通信组（ITU-R）决定将495-505 kHz 频段作为海上移动业务专用,在该频段内进行数字广播,广播内容包含岸到船的安全相关信息和安保相关信息.次年,ITU-R 正式颁布了《在500 kHz 频段实施岸到船安全信息广播数字系统NDAT（Nigation Data）的技术特性》的建议书[2].2015 年,IMO/ITU 联合专家工作组报告[3] 指出,NDAT 可引入SOLAS 公约,作为NTEX（航行警告电传系统）业务的补充.
NDAT 系统采用数字通信技术,从岸基向船舶播发各种海上安全和安保相关信息,495-505 kHz 的频段在海面可以较为稳定地以地波形式长距离传输,可以覆盖A1 和A2海区.NDAT 系统可实现海上安全信息的快速推送,并实现与船舶信息系统的无缝连接,该系统可增强海事信息服务能力,是GMDSS 现代化和e 航海中的关键系统.
二、 OFDM 基带接收技术特性
2.1 基带技术概述
NDAT 采用了OFDM（正交频分复用技术）,该技术可充分利用有限的频谱资源进行高速通信,该技术最早主要用于军用的无线高频通信系统,目前在4G 等民用系统中也大量采用.
此外,在中频无线电信道中,存在多径衰落现象,传输数字信号会带来严重的码间串扰.为了解决这个问题,可采用多个子载波,即将信道分成多个子信道,基带码元均匀分散地对每个子信道的载波进行调制,这样每个子载波的调制码元速率将降低,每个子信道的带宽也将随之减小,因此每个子信道特性更加接近理想信道特性,码间串扰可以得到有效的克服[4].OFDM 就是这样的一种技术,NDAT 利用OFDM 提高了海事中频的数字广播业务能力,所以该技术是NDAT 系统的核心技术.
NDAT 接收机的天线和射频前端与传统了NTEX接收机类似,而能否将无线电信号准确的还原取决于解调技术,解调是接收机重要的一个组成部分.NDAT 接收机OFDM 基带信号接收框图如图1.
首先对OFDM 基带信号进行同步,获取每个码元准确的起始时刻；然后去除为了使相邻码元分离而添加的循环前缀CP；之后经FFT 变换在频域内进行信道补偿,消除信道传输中的多普勒频移和多径时延等影响,正确恢复出信道状态信息；最后通过解映射、解交织和解码消除随机差错,完成信号纠错,降低误码率,从而正确恢复出原始数据.上述过程中核心的通信技术主要包括同步、信道补偿、编解码等,这些技术的选取将决定NDAT 接收机的整体性能.
2.2 扩频OFDM 同步技术
由于中频信道存在严重的衰弱和干扰,因此需要一种抗干扰、高灵敏度的同步技术来保证信号的检测.扩 频通信技术具有抗干扰能力强、选址能力强、保密性好、数模兼容等优点,基于扩频通信的OFDM 同步技术是指在OFDM 基础上加入频域扩频技术（如图2）,然后经过捕获、跟踪和载波同步完成同步.频域扩频可以有效抵抗频域阻塞式、吸收式干扰,包括单音、窄带干扰以及频带内子载波由于所在频率点通过电离层被吸收而产生的衰减等,从而确保中频信号在低信噪比、存在干扰和扰动条件下也能实现快速准确同步.
在扩频通信技术中,根据扩频通信系统扩展信号频谱方式的不同,可以分为五种[5]：
1、直接序列扩频：直接用高速率的扩频码序列对待发送的信号进行调制,从而实现发送信号带宽的扩展.2、跳频扩频：用扩频码序列对待发送的信号进行频移键控调制,使发射信号的载波频率随扩频码的变化而跳变.3、跳时扩频：使发送信号在时间轴上离散地跳变,由扩频码序列来控制哪个时隙发射信号.
4、线性调频：发射端的射频脉冲信号在一定的时间间隔内,其载频频率线性地扫过一个很宽的频带,形成一个带宽很宽的扫频信号,从而实现发送信号频谱的扩频.
5、混合扩频：将以上几种扩频方法组合起来构成混合扩频,使其性能比采用单一扩频方式的性能更优,常见的混合扩频系统主要有跳频和直接序列扩频、跳时和跳频扩频、跳时和直接序列扩频.
其中直接序列扩频和跳频是应用最广的两种扩频技术.由于OFDM 的多载波特性,使得直接序列扩频技术和跳频技术能够与 OFDM 技术进行有效的结合.
2.3 OFDM 信道补偿技术
鉴于中频信号依靠海洋表面地波以及电离层天波方式传播（如图3）,其信道具有时变衰落特性和天波地波混合的多径效应,这对解调器抗衰落和抗多径能力提出极高的要求.信道补偿通常通过滤波器来完成,而单纯时域信道补偿的方式会使滤波器的抽头阶数庞大到无法实现,所以频域的信道补偿技术显得极为重要.
NDAT 信号包括导频单元,OFDM 调制技术使得导频为离散分布（如图4）,因此接收机可采用基于导频的信道补偿技术,充分利用导频信息能有效的恢复出信道状态信息,保证接收机接收的正确性.
信道补偿技术分为信道估计技术和均衡技术,信道估计技术常见算法很多,主要包括几下几类[6]：
1、线性多项式信道估计,用线性拟合的方式对信道信息进行估计.
2、低通滤波器信道估计,在时域用低通滤波器消除混叠和噪声,保留主径信息,从而正确恢复处信道信息.
3、维纳滤波器信道估计,是均方意义下的最佳估计技术.
4、DFT 插值信道估计,根据时域补零相当于频域内插的原理完成信道估计.
5、自适应信道估计,通过对梯度的自适应调整使滤波器的抽头系数接近误差性能曲面的极小点,能自适应的跟踪信道的变化.其中线性多项式信道估计和自适应信道估计是最常用的两种技术,低复杂度和对信道的自适应调整是这两种技术最大的优势,在实际中能够很好的恢复信道状态信息,适合于NDAT 系统.
均衡技术利用均衡器产生与信道相反的特性,从而消除时延多径和频率选择性衰减引起的码间干扰,从实现域分为以下两类：
1、频域均衡：在频域内分别对系统的幅频特性和时延特性进行校正从而使系统满足无失真传输条件.
2、时域均衡：在时域内对均衡器进行设计使系统冲激响应满足间串扰条件.
目前使用最广泛的是线性均衡,包括以迫零为准则的ZF 均衡和以最小均方误差为准则的MMSE 均衡,线性均衡在码间干扰不是很严重的环境中可以获得良好的性能.选择合适的信道补偿技术,可以大幅降低接收机解调信噪比门限,加上NDAT 系统采用16QAM 和64QAM 等高阶调制的映射方式,能够保证数据传输的可靠性和高效性,满足超视距通信的需求.
2.4 多速率OFDM 信道解码技术
针对中频多种映射方式多速率的要求,需要能够与之相适配的多速率信道编解码技术.NDAT 系统包含了多种码元速率,从而提高了编解码技术的难度要求.
LDPC（低密度奇偶校验码）是具有接近香农限性能的优秀信道纠错码,相比于RS 等传统编解码,其具有较好的纠错性能,可以有效适应信号传输信道的多变环境.LDPC解码原理框图如图5.
在解码算法方面,LDPC 码的简化算法只需要加法运算和比较运算,适合用于硬件实现；在吞吐率方面,LDPC 码一次迭代中消息更新可以并行实现,具有较小的解码延迟,有利于对延迟有要求的数据传输；在可重构方面,LDPC 码可以灵活地配置码长、码率,以适应不同的性能和吞吐率要求.
五、结束语
NDAT 广播系统接收端的技术方案选取决定接收性能的好坏,直接决定系统在中频衰落和多径环境中的工作能力和性能指标.本文通过对NDAT 系统接收端OFDM 基带信号框架的分析,重点针对其中的关键技术进行了分析,给出了可行的相关技术.
基于扩频通信的OFDM 同步技术抗干扰能力强、灵敏度高；基于导频单元的OFDM 信道补偿技术准确性高、复杂度低,能正确恢复出信道状态信息；LPDC（低密度奇偶校验码）最接近香农限,能根据NDAT 系统要求灵活的配置码长、码率.
在2014 年至2016 年,东海航保中心和上海埃威航空电子有限公司通过“水上安全信息数字广播系统（NDAT）播发标准及设备研究项目”的研究,已经进行了NDAT系统顶层研究、技术标准的研究和关键技术的研究,研制了NDAT 播发系统原理样机和船载终端原理样机,并进行了实际无线电播发试验验证,证明了上述关键技术的有效性.
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