Mark ⅫA Mode 5系統(tǒng)傳輸波形研究

付志波

【摘要】本文概述了Mark ⅫA Mode 5系統(tǒng)的組成及功能，重點(diǎn)論述了該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)特征，分析了系統(tǒng)的傳輸波形產(chǎn)生機(jī)理，并從系統(tǒng)的安全性、可靠性及電磁兼容等方面對(duì)其設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】Mark ⅫAMode 5傳輸波形

Research on Transmission waveform of Mark ⅫA Mode 5 System

FU Zhi-bo

（Sichuan Jiuzhou Electric Group Co.LTD.，Mianyang 621000）

Abstract：This article describes the composition and function of the Mark ⅫA Mode 5 IFF system.Discussing the character of the key technologies and analyzing the generating principium of transmission waveform.Finally,the characters of design are summarized from the viewpoint of the systems security,reliability,electromagnetic compatibility and other aspects.

Keywords：Mark ⅫA，Mode 5，transmission waveform

Mark Ⅻ Mode 4敵我識(shí)別系統(tǒng)在使用中暴露出的系統(tǒng)安全性差、盟國(guó)識(shí)別系統(tǒng)間缺乏互操作性等問(wèn)題。為適應(yīng)未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的需求，北約國(guó)家共同研制了Mark ⅫA Mode 5敵我識(shí)別系統(tǒng)，用于取代現(xiàn)役的Mark Ⅻ Mode 4敵我識(shí)別系統(tǒng)。Mark ⅫA Mode 5系統(tǒng)給各軍兵種提供一種保密、抗干擾、抗偵收、多工作模式的目標(biāo)身份識(shí)別，由于其相對(duì)于Mode 4等原有識(shí)別技術(shù)作了較大的變革，如采用計(jì)算機(jī)現(xiàn)代加密、RS編碼、軟擴(kuò)頻、MSK調(diào)制及隨機(jī)應(yīng)答延遲等技術(shù)，提高了敵我識(shí)別系統(tǒng)的抗干擾、抗欺騙及抗偵收能力，增強(qiáng)了在各軍兵種和聯(lián)軍作戰(zhàn)的協(xié)同能力。物理層傳輸波形作為支撐Mark ⅫA Mode 5敵我識(shí)別系統(tǒng)能力的關(guān)鍵，對(duì)其的分析研究有著重要的意義，本文將重點(diǎn)對(duì)Mode 5系統(tǒng)的物理層傳輸波形進(jìn)行分析研究。

一、Mode 5系統(tǒng)簡(jiǎn)介

Mark ⅫA Mode 5系統(tǒng)主要包括天線單元、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、詢問(wèn)信號(hào)處理單元、應(yīng)答信號(hào)處理單元、目標(biāo)顯示指令控制單元及密碼機(jī)等[1]。它是一個(gè)協(xié)作、詢問(wèn)應(yīng)答式的系統(tǒng)，當(dāng)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，由敵我識(shí)別系統(tǒng)的詢問(wèn)機(jī)在1030 MHz頻點(diǎn)向待識(shí)別目標(biāo)發(fā)射加密詢問(wèn)信號(hào)；己方目標(biāo)應(yīng)答機(jī)對(duì)收到的詢問(wèn)信號(hào)進(jìn)行譯碼處理提取詢問(wèn)信息，在1090 MHz頻點(diǎn)發(fā)射加密應(yīng)答信號(hào)；詢問(wèn)機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行譯碼提取目標(biāo)信息。

Mode 5系統(tǒng)提供4級(jí)工作模式，分別為層級(jí)1、層級(jí)2、層級(jí)3、層級(jí)4，其中各個(gè)模式的功能如下[2]：（1）層級(jí)1是改進(jìn)的詢問(wèn)/應(yīng)答識(shí)別模式，在該模式下，詢問(wèn)/應(yīng)答的信息中新增了致命因子（Lethal）和平臺(tái)識(shí)別碼（PIN）；（2）層級(jí)2是態(tài)勢(shì)感知識(shí)別模式，其報(bào)告中包括了高度、經(jīng)緯度、國(guó)際標(biāo)識(shí)等信息；（3）層級(jí)3是選址詢問(wèn)模式，在該模式下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有方的特定武器平臺(tái)的詢問(wèn)；（4）層級(jí)4是數(shù)據(jù)傳輸模式，在該模式下，可以實(shí)現(xiàn)海、陸、空各武器平臺(tái)間的高速、高容量數(shù)據(jù)傳輸交換。

一旦選定工作模式，Mode 5系統(tǒng)就確定了具體數(shù)據(jù)格式，并通過(guò)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的波形，該波形在復(fù)雜電磁環(huán)境下，提供可靠的識(shí)別等服務(wù)，為確保系統(tǒng)性能和功能，同時(shí)減少對(duì)其他系統(tǒng)的干擾，Mode 5系統(tǒng)采用了基帶數(shù)據(jù)加密、檢錯(cuò)編碼、軟擴(kuò)頻、MSK調(diào)制、隨機(jī)應(yīng)答延遲等技術(shù)。下面將從系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和波形產(chǎn)生兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

二、Mode 5關(guān)鍵技術(shù)分析

Mode 5針對(duì)Mode 4在使用中暴露出的安全性、保密性及抗干擾性差，系統(tǒng)內(nèi)部干擾嚴(yán)重及北約各國(guó)IFF系統(tǒng)間缺乏互操作性等問(wèn)題，采用了許多現(xiàn)代新技術(shù)，在兼容Mark Ⅻ敵我識(shí)別系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，解決了現(xiàn)役敵我識(shí)別系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提升系統(tǒng)性能，拓展系統(tǒng)功能。下面主要介紹Mode 5系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

（1）碼技術(shù)。Mode 5系統(tǒng)使用可自動(dòng)替換的黑色密鑰新加密算法，使系統(tǒng)加密更加方便、快捷、安全[3]。同時(shí)密碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)只需滿足密碼機(jī)和詢問(wèn)機(jī)（應(yīng)答機(jī)）的接口要求，并且其加密算法只要能達(dá)到要求的安全性即可，這樣增加了密碼系統(tǒng)的靈活性更容易滿足不同北約國(guó)家對(duì)敵我識(shí)別系統(tǒng)的需要。（2）糾錯(cuò)編碼技術(shù)。RS（11，9）是一種設(shè)計(jì)方便簡(jiǎn)單、糾檢錯(cuò)能力強(qiáng)、編碼效率高的信道編碼[4]。它可以提供一個(gè)符號(hào)的糾錯(cuò)或最多兩個(gè)符號(hào)的刪除，是Mode 5具備強(qiáng)抗干擾能力的重要措施之一，成為了保證Mode 5優(yōu)越性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。（3）軟擴(kuò)頻技術(shù)。軟擴(kuò)頻技術(shù)是將直接擴(kuò)頻和信道編碼技術(shù)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展。軟擴(kuò)頻具有抗干擾、抗多徑、碼分多址等能力，通過(guò)從信息空間到碼空間的映射，系統(tǒng)具有擴(kuò)頻處理增益；采用基于Walsh碼的軟擴(kuò)頻編碼，其正交碼生產(chǎn)容易，應(yīng)用方便，適合信道的正交化[5]。以上因素正是Mode 5采用基于Walsh碼軟擴(kuò)頻技術(shù)的重要原因。（4）數(shù)據(jù)擴(kuò)展技術(shù)。作為一種信道加密技術(shù)，該技術(shù)從信息傳輸安全的角度，進(jìn)一步加強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。（5）同步頭隨機(jī)抖動(dòng)技術(shù)。同步作為確保通信的根本，其保密性對(duì)系統(tǒng)安全至關(guān)重要，而同步頭隨機(jī)抖動(dòng)技術(shù)作為一種信道加密技術(shù)，該技術(shù)正是從通信同步的角度，進(jìn)一步加強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。（6）Run-in/Run-out碼片。在傳輸符號(hào)的前沿和后沿分別添加Run-in / Run-out碼片，有效避免了脈沖的上升下降時(shí)間導(dǎo)致的信息丟失，進(jìn)一步加強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。（7）隨機(jī)應(yīng)答延遲技術(shù)。應(yīng)答機(jī)采用隨機(jī)應(yīng)答延遲技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用使得應(yīng)答延遲時(shí)間由應(yīng)答機(jī)“決定”，即同一區(qū)域內(nèi)的多個(gè)應(yīng)答目標(biāo)，應(yīng)答信號(hào)和應(yīng)答延遲時(shí)間都不相同，這樣就很好解決了系統(tǒng)間“混擾”的問(wèn)題。（8）MSK調(diào)制技術(shù)。Mode 5系統(tǒng)采用MSK調(diào)整，充分利用MSK調(diào)制的帶寬窄、頻譜主瓣能量集中、旁瓣滾降衰減快及頻帶利用率高等特性，同時(shí)MSK調(diào)制是一種恒定包絡(luò)、相位連續(xù)的頻移鍵控調(diào)制，有效的避免了BPSK調(diào)制的問(wèn)題[6]，這些優(yōu)點(diǎn)正是Mode 5選擇MSK調(diào)制技術(shù)的關(guān)鍵原因。（9）帶外輻射抑制技術(shù)。Mode 5采用基帶成形濾波和射頻濾波等技術(shù)對(duì)帶外輻射進(jìn)行處理，降低系統(tǒng)對(duì)其他鄰頻帶系統(tǒng)的干擾。采用基帶成形濾波技術(shù)后降低基帶信號(hào)帶外輻射，但若采用非線性功放，必然造成“頻譜再生”，導(dǎo)致帶外抑制性能下降，因此還需要采用射頻濾波技術(shù)降低功放輸出信號(hào)的帶外輻射。

三、Mode 5傳輸波形產(chǎn)生

鑒于層級(jí)3和層級(jí)4的具體技術(shù)規(guī)范還沒(méi)有完全定義，下面主要分析層級(jí)1和層級(jí)2波形產(chǎn)生過(guò)程。

3.1層級(jí)1/層級(jí)2詢問(wèn)波形產(chǎn)生

詢問(wèn)波形生成過(guò)程如下[7]：（1）詢問(wèn)請(qǐng)求：詢問(wèn)機(jī)將5 bit詢問(wèn)請(qǐng)求格式信息和15 bit通信安全有效時(shí)間間隔組合成詢問(wèn)加密請(qǐng)求信息，提交給加密計(jì)算機(jī)，觸發(fā)本次詢問(wèn)加密。（2）詢問(wèn)加密：對(duì)于一個(gè)詢問(wèn)加密請(qǐng)求，加密計(jì)算機(jī)應(yīng)返回36 bit加密詢問(wèn)數(shù)據(jù)、36 bit應(yīng)答保護(hù)數(shù)據(jù)、應(yīng)答傳輸安全數(shù)據(jù)和詢問(wèn)傳輸安全數(shù)據(jù)。（3）糾錯(cuò)編碼：將36 bit的加密詢問(wèn)數(shù)據(jù)每4 bit構(gòu)成一列，從最低有效位開(kāi)始，依次形成一個(gè)4行9列的矩陣，通過(guò)糾錯(cuò)編碼矩陣計(jì)算RS（11，9）糾錯(cuò)編碼，構(gòu)成44 bit糾錯(cuò)編碼數(shù)據(jù)。（4）數(shù)據(jù)編碼：RS編碼后的數(shù)據(jù)中每4 bit，從最低有效位開(kāi)始，從Walsh函數(shù)表中選擇符號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，從而得到11個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)，其中每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)為16 bit。（5）數(shù)據(jù)擴(kuò)展：每個(gè)Walsh編碼處理后的16 bit數(shù)據(jù)符號(hào)模2相加由符號(hào)擴(kuò)展函數(shù)表中選擇的與詢問(wèn)擴(kuò)展索引相關(guān)的16 bit符號(hào)擴(kuò)展函數(shù)形成擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)。（6）添加Run-in/Run-out碼片：為對(duì)發(fā)送信號(hào)的上升和下降時(shí)間進(jìn)行控制，分別在數(shù)據(jù)的每個(gè)符號(hào)前沿添加Run-in碼片，后沿添加Run-out碼片，形成最終可調(diào)制數(shù)據(jù)。（7）調(diào)制及帶外輻射抑制：依據(jù)詢問(wèn)抖動(dòng)索引和當(dāng)前通信安全有效時(shí)間間隔技術(shù)計(jì)算同步頭抖動(dòng)值，并按照詢問(wèn)信號(hào)格式，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行16 MHz MSK調(diào)制，并嚴(yán)格按發(fā)射頻譜包絡(luò)要求對(duì)帶外輻射進(jìn)行抑制。

3.2層級(jí)1識(shí)別/數(shù)據(jù)應(yīng)答波形產(chǎn)生

層級(jí)1應(yīng)答波形生成過(guò)程如下[7]：（1）應(yīng)答信息生產(chǎn)：對(duì)于識(shí)別應(yīng)答，包含應(yīng)答隨機(jī)延遲和隨機(jī)數(shù)，二者重復(fù)1次，構(gòu)成應(yīng)答數(shù)據(jù)，應(yīng)答數(shù)據(jù)與應(yīng)答保護(hù)數(shù)據(jù)模2相加得到36 bit待加密數(shù)據(jù)。對(duì)于數(shù)據(jù)應(yīng)答，包含應(yīng)答隨機(jī)延遲、平臺(tái)識(shí)別碼、國(guó)籍碼、任務(wù)代碼、特殊應(yīng)答碼，構(gòu)成應(yīng)答數(shù)據(jù)，應(yīng)答數(shù)據(jù)與應(yīng)答保護(hù)數(shù)據(jù)模2相加得到36 bit待加密數(shù)據(jù)。（2）應(yīng)答請(qǐng)求：對(duì)于一個(gè)應(yīng)答加密請(qǐng)求，應(yīng)答機(jī)將36 bit待加密數(shù)據(jù)構(gòu)成應(yīng)答加密請(qǐng)求信息，提交給加密計(jì)算機(jī)，觸發(fā)本次應(yīng)答加密。（3）信息加密：加密計(jì)算機(jī)響應(yīng)應(yīng)答加密請(qǐng)求，并返回36 bit加密的應(yīng)答數(shù)據(jù)。（4）數(shù)據(jù)編碼：加密后的36 bit數(shù)據(jù)中每4 bit，從最低有效位開(kāi)始，從Walsh函數(shù)表中選擇符號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，從而得到9個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)，其中每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)為16 bit。（5）數(shù)據(jù)擴(kuò)展：每個(gè)Walsh編碼處理后的16 bit數(shù)據(jù)符號(hào)模2相加由符號(hào)擴(kuò)展函數(shù)表中選擇的與應(yīng)答擴(kuò)展索引相關(guān)的16 bit符號(hào)擴(kuò)展函數(shù)形成擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)。（6）添加Run-in/Run-out碼片：為對(duì)發(fā)送信號(hào)的上升和下降時(shí)間進(jìn)行控制，將在數(shù)據(jù)塊的前沿添加Run-in碼片，后沿添加Run-out碼片，形成最終可調(diào)制數(shù)據(jù)。（7）調(diào)制及帶外輻射抑制：在應(yīng)答隨機(jī)延遲后，依據(jù)應(yīng)答抖動(dòng)索引計(jì)算同步頭抖動(dòng)值，并按照應(yīng)答信號(hào)格式，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行16 MHz MSK調(diào)制，并嚴(yán)格按發(fā)射頻譜包絡(luò)要求對(duì)帶外輻射進(jìn)行抑制。

3.3層級(jí)2報(bào)告波形產(chǎn)生

層級(jí)2報(bào)告波形生成過(guò)程如下[7]：（1）報(bào)告信息生產(chǎn)：報(bào)告信息由77 bit戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)構(gòu)成待加密信息。（2）報(bào)告請(qǐng)求：應(yīng)答機(jī)將77 bit 戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)、4 bit報(bào)告請(qǐng)求格式信息和15 bit通信安全有效時(shí)間間隔組合成報(bào)告加密請(qǐng)求信息，提交給加密計(jì)算機(jī)，觸發(fā)本次報(bào)告加密。（3）詢問(wèn)加密：對(duì)于一個(gè)報(bào)告加密請(qǐng)求，加密計(jì)算機(jī)應(yīng)返回108 bit加密詢問(wèn)數(shù)報(bào)告據(jù)和報(bào)告?zhèn)鬏敯踩珨?shù)據(jù)。（4）糾錯(cuò)編碼：將108 bit的加密報(bào)告數(shù)據(jù)分為三個(gè)36 bit報(bào)告段，每個(gè)報(bào)告段的編碼過(guò)程同詢問(wèn)數(shù)據(jù)糾錯(cuò)編碼過(guò)程，每一個(gè)糾錯(cuò)編碼附加到相應(yīng)的報(bào)告段，形成RS編碼數(shù)據(jù)。（5）數(shù)據(jù)編碼：RS編碼后的數(shù)據(jù)中每4 bit，從最低有效位開(kāi)始，從Walsh函數(shù)表中選擇符號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，從而得到11個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)，其中每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)為16 bit。（6）數(shù)據(jù)擴(kuò)展：每個(gè)Walsh編碼處理后的16 bit數(shù)據(jù)符號(hào)模2相加由符號(hào)擴(kuò)展函數(shù)表中選擇的與報(bào)告擴(kuò)展索引相關(guān)的16 bit符號(hào)擴(kuò)展函數(shù)形成擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)。（7）添加Run-in/Run-out碼片：為對(duì)發(fā)送信號(hào)的上升和下降時(shí)間進(jìn)行控制，分別在數(shù)據(jù)塊前沿添加Run-in碼片，后沿添加Run-out碼片，形成最終可調(diào)制數(shù)據(jù)。（8）調(diào)制及帶外輻射抑制：依據(jù)報(bào)告抖動(dòng)索引和當(dāng)前通信安全有效時(shí)間間隔計(jì)算同步頭抖動(dòng)值，并按照?qǐng)?bào)告信號(hào)格式，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行16 MHz MSK調(diào)制，并嚴(yán)格按發(fā)射頻譜包絡(luò)要求對(duì)帶外輻射進(jìn)行抑制。

四、Mode 5傳輸波形設(shè)計(jì)思路

通過(guò)以上分析，可見(jiàn)Mode 5信號(hào)的產(chǎn)生主要從以下幾個(gè)方面考慮：（1）安全性：為確保系統(tǒng)安全性，Mode 5信號(hào)的產(chǎn)生充分利用了計(jì)算機(jī)現(xiàn)代信息加密技術(shù)和信道加密技術(shù)（包括同步頭隨機(jī)抖動(dòng)技術(shù)和數(shù)據(jù)擴(kuò)展技術(shù)）。（2）可靠性：為了加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，通過(guò)糾錯(cuò)編碼技術(shù)和軟擴(kuò)頻技術(shù)增加抗干擾能力；采用添加Run-in/Run-out碼片技術(shù)避免脈沖上升下降沿導(dǎo)致的信息丟失；利用隨機(jī)應(yīng)答延遲技術(shù)解決系統(tǒng)間“混擾”。（3）電磁兼容：為了減少對(duì)鄰帶系統(tǒng)的干擾，Mode 5采用了帶寬窄、頻譜主瓣能量集中、旁瓣滾降衰減快及頻帶利用率高的MSK調(diào)制，同時(shí)采用基帶成形濾波和射頻濾波等帶外輻射抑制技術(shù)。

五、小結(jié)

根據(jù)對(duì)Mode 5傳輸波形的分析研究，對(duì)其進(jìn)行總結(jié)，筆者認(rèn)為如果要設(shè)計(jì)類似Mode 5系統(tǒng)的傳輸波形，為確保系統(tǒng)安全性，可采用計(jì)算機(jī)現(xiàn)代信息加密技術(shù)和信道加密技術(shù)；為了加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，可采用糾錯(cuò)編碼技術(shù)、軟擴(kuò)頻技術(shù)、隨機(jī)應(yīng)答延遲技術(shù)及添加Run-in/Run-out碼片。為了減少對(duì)鄰帶系統(tǒng)的干擾，可采用帶寬窄、頻譜主瓣能量集中、旁瓣滾降衰減快及頻帶利用率高的MSK調(diào)制，同時(shí)采用基帶成形濾波和射頻濾波等帶外輻射抑制技術(shù)。筆者僅是根據(jù)搜集到的資料和自身的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)Mode 5傳輸波形進(jìn)行研究分析，以供從事相關(guān)系統(tǒng)研發(fā)和設(shè)計(jì)人員借鑒參考。

參考文獻(xiàn)

[1]譚源泉，李勝?gòu)?qiáng)，王厚軍. 西方體制Mark ⅫA的Mode 5數(shù)據(jù)格式分析[N]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，40（4）

[2]黃成芳，何利明. 敵我識(shí)別Mark ⅫA淺析[J]. 電訊技術(shù)，2007，47（4）

[3]邱宏坤，楊建波，毛虎. Mark ⅫA IFF系統(tǒng)及其消息信號(hào)格式[J]. 電訊技術(shù)，2010，50（6）

[4]關(guān)春健，楊建波，劉鵬. Mark ⅫA Mode 5中RS編譯碼器設(shè)計(jì)及性能分析[J]. 電視技術(shù)，2012，36（19）

[5]關(guān)春健，楊建波，郭揚(yáng). Mark ⅫA Mode 5系統(tǒng)中的軟擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用[J]. 艦船電子對(duì)抗，2012，35（4）

[6]關(guān)春健，楊建波，劉鵬. Mark ⅫA Mode 5中的MSK技術(shù)應(yīng)用[J]. 通信技術(shù)，2012，45（8）

[7]AIMS 03-1000A，Technical Standard for the ATCRBS/IFF/Mark ⅫA Electronic Identification System and Military Implementation of Mode S[S].