Mark XIIA IFF系統(tǒng)中頻數(shù)字接收機設(shè)計與仿真

趙峙岳，蒲紅平，劉小鈴

（1.廣州海格通信集團股份有限公司，廣州510663；2.電子科技大學，成都610054）

Mark XIIA IFF系統(tǒng)中頻數(shù)字接收機設(shè)計與仿真

趙峙岳1，蒲紅平2，劉小鈴1

（1.廣州海格通信集團股份有限公司，廣州510663；2.電子科技大學，成都610054）

Mark XIIA IFF是一種由美軍與北約盟軍共同研制的為了提高戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力的新型敵我識別系統(tǒng)。以其為研究對象，提出了Mark XIIA Mode 5系統(tǒng)中頻數(shù)字應(yīng)答接收機的框架結(jié)構(gòu)，并利用Simulink軟件設(shè)計了一種最佳的狀態(tài)接收機仿真模型，對結(jié)果進行了分析，驗證了方案的可行性，為具體方案的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

敵我識別，Simulink，仿真，中頻數(shù)字接收機

0 引言

Mark XIIA Mode 5敵我識別（Ident ification Foe or Friend，IFF）系統(tǒng)是對Mark XII版本的升級，它的開發(fā)在敵我識別的發(fā)展進程中具有里程碑的意義。首先，Mark XIIA Mode 5較Mark XII Mode 4系統(tǒng)安全性更高，它采用可自動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；其次，它運用了RS糾錯編碼、軟擴頻和MSK調(diào)制等新技術(shù)，使系統(tǒng)具有很強的糾錯檢錯能力，減少了對相鄰頻段的干擾，也提高系統(tǒng)的抗干擾性能；并且Mark XIIA Mode 5的工作模式也更多，除了Mark XII Mode 4的基本的識別功能以外，增加了平臺識別編碼和攻擊意圖的殺傷性詢問信息，提供帶有位置報告的態(tài)勢感知功能和選址詢問功能，可以對友方戰(zhàn)斗群進行個別詢問，同時提供各武器平臺間高容量、高速率的數(shù)據(jù)傳輸與交換，提高了各武器平臺之間協(xié)同合作能力。此外，它采用更低的詢問頻率和更為復雜的應(yīng)答延遲技術(shù)，減少了“竄擾”和“混擾”對系統(tǒng)性能的影響；同時運用了同步脈沖間隔參差技術(shù)，增大了信號被“復制”難度，提高了系統(tǒng)抗欺騙式干擾的能力［1］。

Mark XIIA IIF Mode 5功能強大、性能優(yōu)越，符合STANAG 4193新標準，所以吸引了諸如英國BAE系統(tǒng)公司，美國Raytheon公司等研發(fā)與其相關(guān)的產(chǎn)品。隨著航空電子設(shè)備向新的Mark XIIA IIF Mode 5敵我識別系統(tǒng)過渡，它將在未來的10年對美國以及北約盟軍的軍事產(chǎn)生巨大的影響。

本文針對Mark XIIA IFF系統(tǒng)中頻數(shù)字應(yīng)答接收機進行研究，介紹了Mark XIIA IFF系統(tǒng)中頻數(shù)字接收機的工作原理，提出了Mark XIIA Mode 5系統(tǒng)的中頻數(shù)字接收機的設(shè)計方案，然后利用Simulink軟件對包括ADC在內(nèi)的接收機設(shè)計模型進行了仿真，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，通過仿真論證方案的可行性。

1 Mark XIIA系統(tǒng)接收機原理框架結(jié)構(gòu)

圖1為MARK XIIA IFF系統(tǒng)接收機工作原理框圖。由圖1可知，接收機通過天線收到頻率為1 090 MHz的應(yīng)答信號后，首先經(jīng)過帶寬為20 MHz的帶通濾波器濾除帶外干擾，然后通過混頻器將信號頻率降為60 MHz的中頻信號，中頻信號通過中頻數(shù)字信號處理單元進行信號處理，解調(diào)出基帶數(shù)字信號，接收應(yīng)答信息。

圖1 接收機原理框圖

2 Mark XIIA系統(tǒng)中頻數(shù)字接收機設(shè)計

在只考慮中頻數(shù)字接收機信號處理單元的情況下，中頻數(shù)字接收機主要由AD采樣、數(shù)字帶通濾波、位同步和數(shù)據(jù)解調(diào)4個部分組成，系統(tǒng)的信號處理過程可以用圖2的流程圖來表示。

圖2 中頻信號處理單元設(shè)計框圖

2.1 AD最佳采樣頻率

數(shù)字信號處理首要是將模擬信號數(shù)字化，進行數(shù)據(jù)采樣。對中心頻率較高而頻帶較窄的信號使用奈奎斯特定律，會造成采樣頻率很高同時造成很多頻段空白［2］。由于采樣只與信號帶寬有關(guān)，可以采用帶通采樣的方式，采樣頻率的選擇以采樣后不發(fā)生頻譜混疊為原則。根據(jù)中頻帶通信號采樣定理：對于中心頻率為f0，信號帶寬為的帶通信號B=fh-fl，采樣頻率為［3］：

式（1）中fh和fl分別為信號的上截止頻率和下截止頻率；m取值范圍為：

這里int［u］表示取不大于u的最大整數(shù)。

表1 帶通采樣速率區(qū)間

Mark XIIA系統(tǒng)MSK的調(diào)制碼速率為16 Mb/s，中頻信號頻率為60 MHz，帶寬B為20 MHz，帶通采樣速率區(qū)間如表1所示。為了能保證采樣精度和解調(diào)性能，更好地恢復碼元信號，同時避免采樣后頻譜發(fā)生混疊，降低AD的采樣速率與提高誤差容限，選擇m=2，AD的采樣速率為80 MHz，即每個碼元的采樣點數(shù)剛好為5個樣點。

2.2 數(shù)字帶通濾波

應(yīng)答信號采用MSK調(diào)制，99%的能量集中在1.2/Tb，Tb為碼速率，即大部分能量集中在約20 MHz帶寬范圍內(nèi)。為了更好地保護信號，同時濾除高頻干擾，因此濾波時，采用的數(shù)字帶通濾波器的帶寬為20 MHz。同時，60 MHz中頻信號經(jīng)過80 MHz的過采樣后，中心頻率從60 MHz搬移到20 MHz，因此設(shè)計數(shù)字帶通濾波器的中心頻率為20 MHz［4］。

2.3 位同步

數(shù)字解調(diào)過程中，位同步是關(guān)鍵，只有在精確同步基礎(chǔ)上才能做到對信號的正確判決，位同步包含了相關(guān)峰檢測、波形跟蹤、同步脈沖間隔匹配3個部分。

2.3.1 相關(guān)峰檢測

Mark XIIA Mode 5信號由同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖組成，同步脈沖作用是為了實現(xiàn)碼元同步，可以通過將采集到的信號與本地同步碼元MSK調(diào)制信號進行相關(guān)，獲取相關(guān)峰來實現(xiàn)。

假設(shè)數(shù)據(jù)信號采樣速率為fs，則Ts=1/fs為采樣樣點的持續(xù)周期，設(shè)接收數(shù)據(jù)信號為S（t），本地同步碼元調(diào)制信號為R（t），均為能量有限離散信號序列，S（t）與R（t）之間的相關(guān)函數(shù)可定義為：

其中M表示本地同步碼元調(diào)制信號長度，Csr（t）信號與本地碼元的相關(guān)值，“*”表示取復函數(shù)的共軛［5-6］。

為了減少中頻信號相位偏移對相關(guān)峰的影響，對相關(guān)值的幅度進行功率計算，通過選擇合適的門限，完成相關(guān)峰的判定。判定門限采用自適應(yīng)能量門限技術(shù)，其門限值隨著輸入信號強度的變化而變化，使得相關(guān)峰檢測具有較寬的動態(tài)范圍以便提升快速建立跟蹤的能力［7-8］。

2.3.2 波形跟蹤

相關(guān)峰查找不僅與發(fā)送信號的頻率、相位一致，而且要求與本地同步碼的碼序相同。將下變頻數(shù)據(jù)進行解調(diào)，與本地同步碼數(shù)據(jù)進行碼序匹配。由于數(shù)字相關(guān)器輸出的相關(guān)峰恰好與信息比特起始位置對應(yīng)，如果匹配波形成功，則調(diào)整緩存數(shù)據(jù)指針，確定比特的起始位置，計算同步脈沖間隔。

2.3.2 同步脈沖間隔匹配

對比同步脈沖間隔與加密機提供的間隔是否一致，如果間隔一致則進行解調(diào)，否則不進行解調(diào)。加密機提供的間隔隨著時間發(fā)生變化，這樣可以有效防止信號的“復制”，提高了系統(tǒng)抗欺騙式干擾的能力。

2.4 數(shù)據(jù)解調(diào)

MSK解調(diào)采用基于DFT的數(shù)字化解調(diào)算法，該算法計算量小、抗干擾性能好，且與傳統(tǒng)的MSK解調(diào)算法相比，該算法位同步和頻偏要求也沒有那么嚴格，即使在系統(tǒng)位同步發(fā)生偏移的情況下仍然能保持好的解調(diào)性能。其工作原理如圖3所示：將每個碼元的采樣序列分別進行兩次DFT運算，分別提取頻率為f1和f2的分量對應(yīng)的幅值信息A1和A2。當發(fā)送的是1碼時，由于MSK信號中1碼與0碼的波形是正交的，則得到的對應(yīng)于頻率f2的幅值A(chǔ)2應(yīng)遠遠小于A1。同理，如果傳送的是0碼，A1則遠遠小于A2［9］?；贒FT的MSK信號解調(diào)性能與每個符號周期的采樣點相關(guān)，采樣點越多，解調(diào)性能越好，當每個符號周期內(nèi)的采樣點數(shù)不低于5個時，其性能已經(jīng)接近MSK最佳解調(diào)性能［10］。

圖3 基于DFT的MSK解調(diào)器

圖4 Mark XIIA IFF系統(tǒng)中頻數(shù)字接收機simulink仿真模型

3 基于simulink的中頻數(shù)字接收機系統(tǒng)仿真

Mark XIIA IFF系統(tǒng)中頻數(shù)字接收機simulink仿真模型組成由圖4所示。按通信系統(tǒng)模型，仿真模型可以分為信號產(chǎn)生、通信信道、信號接收3個部分。

3.1 Mark XIIA Mode 5信號產(chǎn)生模塊

由圖4可知，應(yīng)答信號產(chǎn)生模塊采取數(shù)字中頻的方式，通過MSK調(diào)制，將16 Mb/s的基帶信號調(diào)制為60 MHz的中頻信號，由低通濾波器平滑后與1 030 MHz進行混頻，經(jīng)過窄帶濾波得到1 090 MHz信號。

Mark XIIA Mode 5系統(tǒng)應(yīng)答發(fā)射機有4級工作模式：Level1、Level2、Level3和Level4，其中Level3和Level4的具體技術(shù)規(guī)范還沒有完全定義。Level1、Level2均由數(shù)個同步脈沖與一個數(shù)據(jù)長脈沖組成。其中Level1由2個同步脈沖和一個數(shù)字長脈沖組成，Level2由4個同步脈沖和一個數(shù)字長脈沖組成，分別如圖5和圖6所示。同步脈沖間隔可以變化，由加密機提供的數(shù)據(jù)決定，同步脈沖與數(shù)據(jù)脈沖之間的間隔固定，可以通過最后一個同步脈沖確定數(shù)據(jù)脈沖的位置。同步脈沖及數(shù)據(jù)長脈沖均采用MSK調(diào)制，調(diào)制碼速率為16 Mbit/s（1 μs的數(shù)據(jù)量為16 bit），同步脈沖寬度為1 μs，同步碼元固定為0x7889（0111 1000 1000 1001），Level1數(shù)據(jù)脈沖9 μs，Level2數(shù)據(jù)脈沖33 μs，即同步脈沖的數(shù)據(jù)量為2個字節(jié)（16 bit），Level1與Level2的數(shù)據(jù)量分別為18 bit、66 bit。

圖5 Level 1應(yīng)答信號格式

圖6 Level 2應(yīng)答信號格式

3.2 加性高斯白噪聲信道

在加性白噪聲信道條件下，可以通過改變信道的信噪比，了解中頻數(shù)字接收機的性能。

3.3 Mark XIIA IFF信號接收模塊

Mark XIIA IFF接收模塊接收到1 090 MHz的應(yīng)答信號后，通過混頻器將信號頻率降為60 MHz的中頻信號，經(jīng)過零階保持器，將模擬信號變成數(shù)字信號。零階保持器相當于AD采樣芯片，采樣的速率為80 MHz。中頻數(shù)字接收機通過相關(guān)峰檢測判定Mode 5 IFF信號，經(jīng)過波形跟蹤、同步脈沖間隔匹配等步驟實現(xiàn)位同步，并根據(jù)最后一個同步脈沖，確定數(shù)據(jù)脈沖的位置，抽出有效的數(shù)據(jù)信號進行MSK解調(diào)。

仿真中，由偽隨機序列產(chǎn)生的間隔替代加密機提供的同步間隔，模仿同步脈沖間隔匹配的功能。偽隨機序列為二進制隨機序列，可以表示兩種同步間隔形式，增加同步序列匹配概率。

4 仿真結(jié)果

4.1 解調(diào)分析

圖7 同步脈沖采樣信號

由于頻譜搬移的作用，60 MHz的中頻信號經(jīng)過80 MHz采樣后變?yōu)橹行念l率為20 MHz的中頻信號。MSK是一種特殊的FSK信號，20 MHz的中頻信號，1碼為1.5個正弦信號周期，0碼為1個正弦信號周期，由每個碼元符號的周期可以判斷，圖7的同步信號信息為：1000011001110110，與發(fā)送的同步信號信息剛好相反。產(chǎn)生數(shù)值反轉(zhuǎn)的原因：中心頻率為60 MHz中頻信號經(jīng)過80 MHz過采樣后，發(fā)生了頻譜的反轉(zhuǎn)，使頻譜內(nèi)頻率成分的順序與原頻譜內(nèi)頻率的順序相反，因此，在數(shù)據(jù)解調(diào)時，需要通過調(diào)整判定結(jié)果來加以糾正。

4.2 相關(guān)峰檢測

圖8為Mark XIIA Mode 5的Level1應(yīng)答信號相關(guān)峰搜過程的仿真，由圖8可知，信號的相關(guān)峰主瓣寬度較小，峰比較尖銳。最大相關(guān)值出現(xiàn)在同步脈沖的最后一個樣點，由相關(guān)峰之間的間隔可以確定同步序列是否匹配，同時由最后一個同步脈沖，也可以確定數(shù)據(jù)脈沖的起始點的位置，準確獲得數(shù)據(jù)脈沖的數(shù)據(jù)。

圖8 相關(guān)峰檢測仿真

圖9 系統(tǒng)誤碼率

4.3 性能比較

由圖9的MSK信噪比-誤碼率曲線圖可知，基于DFT數(shù)字化解調(diào)性能與誤碼率理論值的結(jié)果幾乎相同，由此可以判斷，數(shù)字接收機性能已經(jīng)接近MSK最佳解調(diào)性能。

5 結(jié)論

Mark XIIA敵我識別系統(tǒng)，采用了許多先進的技術(shù)，展現(xiàn)了其優(yōu)越的特性，在未來戰(zhàn)場上將扮演至關(guān)重要的角色。本文以Simulink為仿真平臺，對敵我識別系統(tǒng)中的中頻數(shù)字接收機進行了系統(tǒng)的設(shè)計、模型的構(gòu)建和功能的仿真。通過仿真，分析了中頻采樣濾波后頻譜發(fā)生反轉(zhuǎn)的原因，呈現(xiàn)了相關(guān)峰檢測的良好性能，同時將解調(diào)結(jié)果與理論誤碼率進行了比較，展示了系統(tǒng)較好的解調(diào)能力。模型的仿真包含了接收機的前端模擬接收、中頻數(shù)據(jù)采樣、數(shù)字信號處理整個過程，不僅演示了接收機的信號處理流程、驗證了方案的可行性，而且對方案的具體實現(xiàn)也有一定的指導意義和參考價值。

［1］邱宏坤，楊建波，毛虎.MARK XIIA IFF系統(tǒng)及其信號消息格式［J］.電訊技術(shù)，2010，50（6）：16-20．

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Design and Simulation of IF Digital Receiver in Mark XIIA IFF System

ZHAO Zhi-yue1，PU Hong-ping2，LIU Xiao-ling1
（1.Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou 510663，China；
2.University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China）

Mark XIIA IFF is a US and NATO armies jointly developed IFF system in order to improve situational awareness of the battlefield.The paper proposes the framework of Mark XIIA digital answering system IF receiver，and uses Simulink software to design an optimal state receiver simulation model.The results are analyzed to verify the feasibility of the program，so as to lay a foundation for the implementation of specific programs.

identification foe or friend，simulink，simulation，IF Digital Receiver

TN957.5

A

1002-0640（2015）02-0148-04

2013-12-22

2013-01-09

趙峙岳（1983-），男，湖南衡陽人，碩士，工程師。研究方向：電子對抗與敵我識別。