CN106992828A

CN106992828A - 海上中频数字广播系统

Info

Publication number: CN106992828A
Application number: CN201710402636.2A
Authority: CN
Inventors: 陈涤非; 汤可成; 高万明; 郑德福; 王翔; 钱伟
Original assignee: East China Sea Navigation Guarantee Center Of Ministry Of Communications; SHANGHAI AIWEI AEROSPACE ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: East China Sea Navigation Guarantee Center Of Ministry Of Communications; SHANGHAI AIWEI AEROSPACE ELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2017-06-01
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2017-07-28
Anticipated expiration: 2037-06-01
Also published as: CN106992828B

Abstract

本发明公开了一种海上中频数字广播系统，包括信息管理子系统：收集和控制各类海上安全信息，创建需传输的消息文件，并根据文件的优先级和重复需求创建发射序列；岸基播发台：接收来自信息管理子系统的消息文件并转换成OFDM信号，将RF信号通过天线辐射，并向船舶广播；船载接收机：接收无线电信号，并解调OFDM信号；重建消息文件，根据消息文件的应用分类，显示消息内容或将消息文件提供给指定设备；所述信息管理子系统和岸基播发台通过岸基网络相连，所述岸基播发台通过无线传输信道和船载接收机相连。本发明的海上中频数字广播系统，能够与船舶信息系统和设备无缝连接，播发效率高，覆盖面广，满足播发各类MSI数据的要求。

Description

海上中频数字广播系统

技术领域

本发明涉及一种海上安全信息广播系统，尤其涉及一种海上中频数字广播系统。

背景技术

为了保证航行安全，需要及时有效地由岸上向航行的船舶提供有关海上航行的安全信息，海上安全信息(MSI---Maritime Safety Information)是指航行警告、气象报告、气象预报和有关航行安全的其它紧急安全信息。岸上有关部门将有关航行安全的重要信息通过NAVTEX海岸电台或者INMARSAT，向主要海域的船舶播发。

现有的航行警告和航行通告主要是通过沿海各海岸电台播发摩尔斯电报和NAVTEX台播发NBDP无线电电传实现信息的发布，这两种信息发布手段还存在着技术手段落后，时效性难于保障，覆盖面小的缺点，船舶不能及时、全面、系统地了解航行海域的安全信息，对于船舶航行安全存在很大隐患，不适应现代信息社会发展要求的需要。现有海上安全信息广播系统存在的主要问题如下：

1)播发效率低。由于NAVTEX播发速率低，导致播发时间长，有时超时播发，占用了其他国家的播发时间，日本曾经为此提出意见；

2)不能满足播发各类MSI数据的要求；

3)不能满足播发海事新业务数据的要求；

4)不能播发多媒体信息；

5)无法与船舶信息系统和设备无缝连接，需要人工操作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种海上中频数字广播系统，能够与船舶信息系统和设备无缝连接，播发效率高，覆盖面广，满足播发各类MSI数据的要求。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种海上中频数字广播系统，包括信息管理子系统：收集和控制各类海上安全信息，创建需传输的消息文件，并根据文件的优先级和重复需求创建发射序列；岸基播发台：接收来自信息管理子系统的消息文件，将消息文件转换成OFDM信号，将RF信号通过天线辐射，并向船舶广播；船载接收机：接收无线电信号，并解调OFDM信号；重建消息文件，根据消息文件的应用分类，显示消息内容或将消息文件提供给指定设备；所述信息管理子系统和岸基播发台通过岸基网络相连，所述岸基播发台通过无线传输信道和船载接收机相连。

上述的海上中频数字广播系统，其中，所述信息管理子系统还通过岸基网络和远程监测接收机相连，所述远程监测接收机接收中频无线电信号，并解调OFDM信号；监测接收信号的质量，并上报给信息管理子系统。

上述的海上中频数字广播系统，其中，所述岸基播发台监测并向信息管理子系统上报播发台工作状态，所述信息管理子系统还包括：监测岸基播发台工作状态，根据远程监测接收机的接收数据，监测岸基播发台的播发质量，并控制岸基播发台工作参数。

上述的海上中频数字广播系统，其中，所述播发台工作状态包括发射确认、告警、有效发射功率和同步报告，所述播发台工作参数包括发射功率、导频子载波、子载波调制方式、纠错编码方式和发射序列。

上述的海上中频数字广播系统，其中，所述信息管理子系统采用文件多路复用器获取各类海上安全信息，然后使用接收者信息、优先级状态和时间有效性封装文件消息并使之格式化，最后将消息文件发送至发射机。

上述的海上中频数字广播系统，其中，所述海上安全信息包括航行警告、气象警告、冰况报告、搜救信息、气象预报、引水业务信息和电子航行系统更新信息。

上述的海上中频数字广播系统，其中，所述岸基播发台包括第一控制器，所述第一控制器的时钟端连接GNSS接收机或原子钟，所述第一控制器的输入端连接监测接收机，所述第一控制器的输出端依次通过OFDM调制器、RF生成器、RF放大器和匹配单元后连接发射天线，所述第一控制器的网络端连接岸基网络。

上述的海上中频数字广播系统，其中，所述船载接收机包括第二控制器，所述第二控制器通过数据总线连接以太网接口和/或USB接口，所述第二控制器的输入端和OFDM解调器相连，所述OFDM解调器通过射频前端和中频接收天线相连，所述射频前端包含RF滤波器、RF放大器和基带输出，将来自天线的RF信号进行滤波、放大和变换,接收频率范围为495kHz～505kHz。

上述的海上中频数字广播系统，其中，所述岸基播发台的发射天线为T型天线，所述船载接收机的接收天线为鞭天线、磁棒天线或环天线。

上述的海上中频数字广播系统，其中，所述岸基播发台和船载接收机之间的数据帧包含同步头、同步段、调制信息流、传输信息流以及数据流，所述岸基播发台通过设定调制信息流选择不同的发射模式，所述船载接收机根据接收到的调制信息流判断当前的发射模式并进行自适应接收。

上述的海上中频数字广播系统，其中，所述同步头由长度为255的PN序列调制的OFDM符号截短得到，用于进行帧同步和符号同步。

上述的海上中频数字广播系统，其中，所述调制信息流采用2bits指定频谱占用信息，采用1bit指定传输信息流的调制方式，采用2bits指定数据流的调制方式，所述传输信息流包含编码方式，发射机信息以及时间信息；所述船载接收机首先根据收到的帧数据进行同步头的判断,然后利用同步段进行帧同步,接着进行调制信息流的解调获取信道频谱占用信息、传输信息流调制信息和数据流调制信息,从而确定当前数据流的调制方式和编码方式，并解析出报文内容，实现自适应接收。

上述的海上中频数字广播系统，其中，所述数据流的调制方式为4-QAM，16-QAM或64-QAM，采用的LDPC编码效率为0.5或0.75。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的海上中频数字广播系统，能够与船舶信息系统和设备无缝连接，播发效率高，覆盖面广，满足播发各类MSI数据的要求。

附图说明

图1为本发明海上中频数字广播系统总体架构示意图；

图2为本发明海上中频数字广播系统的信息管理子系统架构示意图；

图3为本发明海上中频数字广播系统的岸基播发台电路方框示意图；

图4为本发明海上中频数字广播系统的船载接收机电路方框示意图；

图5为本发明的数据帧到达检测示意图；

图6为本发明的岸基播发台和船载接收机之间自适应接收流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1为本发明海上中频数字广播系统总体架构示意图。

请参见图1，本发明提供的海上中频数字广播系统，包括：

a)信息管理子系统(SIM)：

1)收集和控制各类信息；

2)创建需传输的消息文件；

3)根据文件的优先级和重复需求创建发射序列；

4)监测岸基播发台工作状态；

5)接收远程接收机数据，监测岸基播发台的播发质量；

6)控制岸基播发台工作参数。

b)岸基网络：确保消息文件和监控信息在SIM和岸基播发台之间的传输。

c)岸基播发台：

1)接收来自SIM的消息文件；

2)将消息文件转换成OFDM信号；

3)将RF信号通过天线辐射，向船舶广播；

4)监测并向SIM上报播发台工作状态。

d)传输信道：传送500kHz无线电信号。

e)船载接收机：

1)接收无线电信号，并解调OFDM信号；

2)重建消息文件；

3)根据消息文件的应用分类，显示消息内容或将消息文件提供给专用设备。

f)远程监测接收机：

1)接收中频无线电信号，并解调OFDM信号；

2)监测接收信号的质量，并上报给SIM。

本发明提供的海上中频数字广播系统，其中，信息管理子系统包括：a)提供文件消息的所有来源(如气象、安保部门等)；b)文件多路复用器，一种运行在服务器上的应用程序；c)文件多路复用管理器；d)岸基发射机管理器。所有消息源均通过网络与文件多路复用器相连。

请继续参见图2，本发明提供的信息管理子系统包括：

1、文件多路复用器

文件多路复用器的功能如下：a)交付从数据源得到的消息文件；b)如有要求，加密消息文件；c)使用接收者信息、优先级状态和时间有效性等封装文件消息，使之格式化；d)将消息文件发送至发射机。

2、文件多路复用管理器

文件多路复用管理器是一种人机接口，支持用户执行包括以下任务在内的多项任务：a)查看来自所有信源的消息文件；b)指定消息文件的优先级和周期；c)指定消息文件的接收方；d)文件消息加密的管理。

上述部分功能可自动化执行。如消息文件的优先级和周期可根据其信源自动选择，或可由信源在消息中指定优先级

3、岸基播发台管理器

岸基播发台管理器是一种人机接口，通过网络与播发台连接，可监视播发台的下列状态：a)发射确认；b)告警；c)有效发射功率；d)同步报告。

岸基播发台管理器还通过网络与远程监测接收机连接，接收远程接收机数据，监测岸基播发台的播发质量。

岸基播发台管理器变更发射机的参数，如：a)发射功率；b)OFDM参数(导频子载波、子载波调制方式、纠错编码方式等)；c)发射序列。

本发明的岸基网络可采用宽带连接、低速率连接或本地文件共享的方式。岸基播发台组成如图3所示，包括：a)一台第一控制器，为受访问保护的本地服务器；b)一台OFDM调制器；c)一台500kHz频段的RF生成器和放大器；d)一副带匹配单元的发射天线；e)一台用于同步的GNSS接收机或原子钟；f)一台带天线的监测接收机。

本发明的岸基播发台的第一控制器接收以下信息：a)来自SIM的消息文件；b)来自GNSS接收机或参考时钟的时间同步信息；c)来自监测接收机的500kHz信号；d)来自调制器的500kHz信号；e)来自RF生成器和放大器的监测信号。

本发明的岸基播发台的第一控制器的主要功能如下：a)在传输前检查相关频段是否空闲；b)将岸基播发台的所有信号与同步时钟信号同步；c)控制传输参数、时间和序列；d)按分组传输要求格式化需发射的消息文件。

本发明使用的调制器需要三种输入流：

a)调制信息流(MIS)，MIS总是采用4-QAM子载波调制，提供以下信息：1)频谱占用；2)发射机信息流(TIS)和数据流(DS)的调制方式(4-、16-或64-QAM)。

b)发射机信息流(TIS)，TIS流可采用4-或16-QAM子载波调制，向接收机提供以下信息：1)数据流(DS)的纠错编码方式(对于白天的地波传播及夜间的地波+天波传播情况，采用的纠错编码应有所区别)；2)发射机的标识；3)日期和时间。

c)数据流(DS)，包含要发送的信息文件，且该文件此前通过了文件多路复用器的格式化，调制器按数据流编码格式对输入数据流进行编码。

为保障传输的鲁棒性，应采用纠错机制。考虑到传输效率，根据纠错机制和调制模式的不同，码率可在0.5～0.75间变化。MIS、TIS和DS等三种输入流以编码和能量扩散的形式进行格式化。OFDM映射器通过单元映射组建OFDM单元，包括格式化的输入流和导频单元。接收机可利用导频单元评估无线电信道并同步RF信号。OFDM基带生成器根据映射器的输出产生OFDM基带信号。

RF生成器：500kHz RF生成器将基带信号变换到500kHz的输出载波中，激励放大器将RF信号放大至期望的功率。

RF放大器：将生成器输出的500kHz信号放大至必要功率，以满足所需的无线电覆盖要求。为满足信息错误率(MER)要求，RF放大器输出端的波峰因子应控制在7dB～10dB。

带匹配单元的发射天线：发射天线应具有阻抗匹配单元，优选为T型天线，RF放大器输出连接匹配单元，再连接至发射天线。

GNSS接收机和备份原子钟：该时钟用于同步本地控制器。监测接收机检查相关频率在发射前是否空闲，并可用于检查RF发射。

请继续参见图4，本发明的船载接收机主要包括以下几个基本部分：a)中频接收天线；b)射频前端；c)OFDM解调器；d)第二控制器；e)显示单元；f)数据接口。各单元的主要功能及实现如下。

一、中频接收天线

接收频率范围覆盖495kHz～505kHz的电场或磁场的天线，宜覆盖486kHz、490kHz和518kHz，以便与NAVTEX公用天线，接收天线可以为鞭天线、磁棒天线或环天线。

二、射频前端

射频前端包含RF滤波器、RF放大器和基带输出，将来自天线的RF信号进行滤波、放大和变换，以满足解调要求。具备高灵敏度和高动态范围。

三、OFDM解调器：对OFDM信号进行解调，以恢复出DS、MIS和TIS的数据流，重新创建包含有已发送的消息文件的数据流。

此阶段实施：a)时间/频率同步；b)信道评估；c)自动调制恢复；d)纠错。

NAVDAT(中频海上数字广播系统)接收机应能够自动检测以下调制参数：a)

16-或64-QAM；b)子载波方案；c)纠错编码的方式。

除DS之外，它还负责上报TIS和MIS中填写的信息。此外，该接收机亦上报如下有关信道的补充信息：a)估算出的SNR；b)BER；c)MER。

四、第二控制器

a)从DS摘取消息文件(将数据包合并成文件)；

b)解释TIS和MIS以及解调器给出的其它信息；

c)文件多路分配器：1)接收消息文件；2)确保标出请其注意的消息文件(广播模式类型)；3)在必要/可行的情况下解密消息文件；4)将消息文件提供给使用这些文件的终端应用；5)删除过期的消息文件。

d)收集以下信息：1)已解码消息文件的总量；2)可用消息文件的数量；3)差错事件(例如，解密差错)。

根据最终应用的不同，消息文件可以：

a)存储于可通过船舶网访问的船载服务器上；

b)直接在接收机显示单元显示；

c)发送给最终应用设备。

五、显示单元

为显示并检查接收参数提供一个人机接口，根据消息文件的应用分类，用于显示专用消息并通过配置使该接口与专用船载设备应用相连(例如，电子导航)，同时管理船舶的许可内容(船舶标识、加密)。此接口可能是在外部计算机运行的专门应用，接收机可以是黑匣子设备。

六、数据接口

接收外部GNSS等数据，控制器根据消息文件的应用分类，通过数据接口将消息文件提供给应用设备。设备应提供符合IEC 61162系列标准的要求的数据接口，宜提供以太网和USB接口，以便文件的高速传输和传递，设备可提供打印机接口。

七、自适应接收

本发明针对NAVDAT系统中发射端往往不是单一模式发射信号，而是根据实际情况和需要在不同的模式之间切换来发射数据。接收端需要根据不同的模式下自己选择合适的模式接收解调出发射端的数据，因此需要考虑多模式下自适应接收问题。具体来说，由于本发明采用OFDM的技术，系统有三种映射模式(4-QAM，16-QAM，64-QAM)，采用的LDPC编码的效率有0.5(1/2)和0.75(3/4)两种，这样排列组合下，共有6种的播发模式可以选择，即4-QAM1/2,4-QAM 3/4,16-QAM1/2,16-QAM,3/4,64-QAM 1/2,64-QAM 3/4。发射端往往根据实际需要和情况选择不同的播发模式，接收端就需要自己判断发射的模式自己选择接收合适的模式进行解调。本发明的岸基播发台和船载接收机可以通过如下数据帧来实现接收端的自适应接收。

1帧结构

NAVDAT数据流中包含了用于同步头、MIS、TIS以及用于传输数据的数据流。

2同步头

接收端信号首先需要进行同步，因此需要在OFDM帧的开始设置同步符号，利用它进行帧同步和符号同步。同步头由长度为229的PN序列调制的OFDM符号组成，其由长度为255的PN序列截短得到。

3帧同步

同步段采用多个级联的PN序列作为训练序列，主要利用PN序列良好的自相关特性完成定时同步和载波同步。利用PN序列优良的自相关特性，将接收信号与本地PN序列作并行相关，对相关值的结果进行一系列的处理、判决，超过所设定的门限时，则认为信号到达。由于本地PN序列为±1，可以通过直接改符号位来避免乘法运算，从而简化了相关算法的实现。如图5所示，接收窗口的长度为一个PN序列的长度L，将接收序列与本地PN作并行相关，对相关结果进行类峰均比的检测，当接收窗口序列恰好为一个PN序列时，检测到信号到达。

4调制信息流(MIS)

4.1MIS结构

MIS用于提供信道频谱占用信息以及TIS和DS调制信息：

–频谱占用信息：2bits；

2bits	频谱占用(kHz)
		00	1
01	3
		10	5
11	10

–TIS调制信息：1bit；

1bits	调制方式
		0	4-QAM
1	16-QAM

–DS调制信息：2bits：

2bits	调制方式
		00	4-QAM
01	16-QAM
		11	64-QAM

4.2MIS编码方式

MIS的5bit信息，加上8bit的CRC校验，补1bit，值为0，利用GF(128)的RS(4,2)进行编码，GF(128)本源多项式为p(x)＝x⁷+x³+1。

5传输信息流(TIS)

5.1TIS结构

TIS用于给接收机提供DS编码方式信息、发射机信息以及时间信息：

-DS编码方式：4bits；

4bits	DS编码方式
		0000	LDPC(2560,4960)
0001	LDPC(3840,4960)
		0010	LDPC(2560,4960)×2
0011	LDPC(3840,4960)×2
		0100	LDPC(2560,4960)×3
0101	LDPC(3840,4960)×3

-发射机信息：10bits；

10bits	发射机ID
		0000000000	ID1
0000000001	ID2
		……	……
1111111111	ID1024

-时间信息：40bits：

5.2TIS编码方式

TIS的54bit信息，加上8bit的CRC校验，补1bit，值为0，利用GF(128)的RS(29,9)进行编码，GF(128)本源多项式为p(x)＝x⁷+x³+1。

6数据流(DS)

NAVDAT数据流根据不同的模式，具有不同的调制方式和编码方式，DS数据流信息表如下表所示：

模式	调制方式	编码方式
			0	4-QAM	LDPC(2560,4960)
1	4-QAM	LDPC(3840,4960)
			2	16-QAM	LDPC(2560,4960)×2
3	16-QAM	LDPC(3840,4960)×2
			4	64-QAM	LDPC(2560,4960)×3
5	64-QAM	LDPC(3840,4960)×3

请参见图6，发射端将信息编码后按照某种调制模式发射，接收机根据收到的帧数据进行判断,进行同步头的判断,后进行帧同步,帧同步后进行MIS信息的解调,MIS用于提供信道频谱占用信息以及TIS和DS调制信息,定义如上所示,为最优性能MIS的信息用于4-QAM1/2的方式进行编码,MIS解出DS的调制信息，根据MIS解出的TIS信息，解TIS里DS的编码方式信息，综合MIS和TIS里的信息完整的解出DS的调制信息和编码方式，DS根据完整的编码方式解出报文内容。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种海上中频数字广播系统，其特征在于，包括：

信息管理子系统：收集和控制各类海上安全信息，创建需传输的消息文件，并根据文件的优先级和重复需求创建发射序列；

岸基播发台：接收来自信息管理子系统的消息文件，将消息文件转换成OFDM信号，将RF信号通过天线辐射，并向船舶广播；

船载接收机：接收无线电信号，并解调OFDM信号；重建消息文件，根据消息文件的应用分类，显示消息内容或将消息文件提供给指定设备；

所述信息管理子系统和岸基播发台通过岸基网络相连，所述岸基播发台通过无线传输信道和船载接收机相连。

2.如权利要求1所述的海上中频数字广播系统，其特征在于，所述信息管理子系统还通过岸基网络和远程监测接收机相连，所述远程监测接收机接收中频无线电信号，并解调OFDM信号；监测接收信号的质量，并上报给信息管理子系统。

3.如权利要求2所述的海上中频数字广播系统，其特征在于，所述岸基播发台监测并向信息管理子系统上报播发台工作状态，所述信息管理子系统还包括：监测岸基播发台工作状态，根据远程监测接收机的接收数据，监测岸基播发台的播发质量，并控制岸基播发台工作参数。

4.如权利要求3所述的海上中频数字广播系统，其特征在于，所述播发台工作状态包括发射确认、告警、有效发射功率和同步报告，所述播发台工作参数包括发射功率、导频子载波、子载波调制方式、纠错编码方式和发射序列。

5.如权利要求1所述的海上中频数字广播系统，其特征在于，所述信息管理子系统采用文件多路复用器获取各类海上安全信息，然后使用接收者信息、优先级状态和时间有效性封装文件消息并使之格式化，最后将消息文件发送至发射机。

6.如权利要求5所述的海上中频数字广播系统，其特征在于，所述海上安全信息包括航行警告、气象警告、冰况报告、搜救信息、气象预报、引水业务信息和电子航行系统更新信息。

7.如权利要求1所述的海上中频数字广播系统，其特征在于，所述岸基播发台包括第一控制器，所述第一控制器的时钟端连接GNSS接收机或原子钟，所述第一控制器的输入端连接监测接收机，所述第一控制器的输出端依次通过OFDM调制器、RF生成器、RF放大器和匹配单元后连接发射天线，所述第一控制器的网络端连接岸基网络。

8.如权利要求1所述的海上中频数字广播系统，其特征在于，所述船载接收机包括第二控制器，所述第二控制器通过数据总线连接以太网接口和/或USB接口，所述第二控制器的输入端和OFDM解调器相连，所述OFDM解调器通过射频前端和中频接收天线相连，所述射频前端包含RF滤波器、RF放大器和基带输出，将来自天线的RF信号进行滤波、放大和变换,接收频率范围为495kHz～505kHz。

9.如权利要求1所述的海上中频数字广播系统，其特征在于，所述岸基播发台的发射天线为T型天线，所述船载接收机的接收天线为鞭天线、磁棒天线或环天线。

10.如权利要求1所述的海上中频数字广播系统，其特征在于，所述岸基播发台和船载接收机之间的数据帧包含同步头、同步段、调制信息流、传输信息流以及数据流，所述岸基播发台通过设定调制信息流选择不同的发射模式，所述船载接收机根据接收到的调制信息流判断当前的发射模式并进行自适应接收。

11.如权利要求10所述的海上中频数字广播系统，其特征在于，所述同步头由长度为255的PN序列调制的OFDM符号截短得到，用于进行帧同步和符号同步。

12.如权利要求11所述的海上中频数字广播系统，其特征在于，所述调制信息流采用2bits指定频谱占用信息，采用1bit指定传输信息流的调制方式，采用2bits指定数据流的调制方式，所述传输信息流包含编码方式，发射机信息以及时间信息；所述船载接收机首先根据收到的帧数据进行同步头的判断,然后利用同步段进行帧同步,接着进行调制信息流的解调获取信道频谱占用信息、传输信息流调制信息和数据流调制信息,从而确定当前数据流的调制方式和编码方式，并解析出报文内容，实现自适应接收。

13.如权利要求12所述的海上中频数字广播系统，其特征在于，所述数据流的调制方式为4-QAM，16-QAM或64-QAM，采用的LDPC编码效率为0.5或0.75。