基于MSK的敵我識(shí)別及遙測(cè)信號(hào)解調(diào)方法研究

陳 韻，劉 建，宋大偉，尚斌斌，竇法旺

（中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

當(dāng)今某些特殊用途的通信設(shè)備采用脈沖式的MSK調(diào)制技術(shù)，如敵我識(shí)別（IFF）與無(wú)人機(jī)遙測(cè)信號(hào)等。例如北約對(duì)原有的Mark XII敵我識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，在此基礎(chǔ)上增加了Mode5詢問(wèn)應(yīng)答模式［1］。Mode5詢問(wèn)與應(yīng)答信號(hào)均由同步脈沖、旁瓣抑制脈沖和數(shù)據(jù)脈沖組成，脈沖寬度均為1μs，其中同步脈沖間隔由加密機(jī)決定，數(shù)據(jù)脈沖采用MSK調(diào)制，其中包含16個(gè)碼片，也即調(diào)制速率高達(dá)16 Mbit／s。又如美軍在Link4和Link11基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的Link16戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，采用的也是MSK調(diào)制體制［2］，在單個(gè)6.4μs的脈沖時(shí)間長(zhǎng)度中調(diào)制了32位碼片，速率高達(dá)5Mbit／s。

因此，對(duì)于此類(lèi)基于猝發(fā)窄脈沖式MSK調(diào)制體制的敵我識(shí)別或無(wú)人機(jī)遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)，存在較大的困難。因?yàn)殁Оl(fā)窄脈沖式MSK調(diào)制體制不能采用傳統(tǒng)的相干解調(diào)的方法來(lái)進(jìn)行處理，其信號(hào)持續(xù)時(shí)間較短，很難在短時(shí)間內(nèi)建立載波與碼元的同步來(lái)進(jìn)行解調(diào)。因此本文提出一種基于相位差分的方法對(duì)猝發(fā)窄脈沖MSK進(jìn)行解調(diào)，在無(wú)需先驗(yàn)信息的前提下實(shí)現(xiàn)敵我識(shí)別及無(wú)人機(jī)遙測(cè)信號(hào)的調(diào)制信息提取，具有良好的應(yīng)用前景，對(duì)于未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中開(kāi)展制信息權(quán)斗爭(zhēng)具有十分重要的意義。

1 MSK調(diào)制原理

最小頻移鍵控（MSK）調(diào)制體制是在頻移鍵控（FSK）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，是一種包絡(luò)恒定、相位連續(xù)的FSK調(diào)制信號(hào)，其信號(hào)沒(méi)有相位突變，解決了因碼元之間相位不連續(xù)而造成的信號(hào)包絡(luò)起伏與帶外泄漏造成的對(duì)相鄰信道信號(hào)的干擾［3］，也被稱(chēng)為連續(xù)相位頻移鍵控（CPFSK）。在一個(gè)碼元周期內(nèi)信號(hào)包含1／4載波周期的整數(shù)倍，在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻，相位連續(xù)無(wú)跳變，以載波相位為基準(zhǔn)的信號(hào)相位在一個(gè)碼元周期內(nèi)準(zhǔn)確的變化π／2［4］?？梢杂霉奖硎?MSK調(diào)制信號(hào)如下：

式中，ωc為載波頻率，TS為碼元周期，αk為輸入碼元，αk＝±1。相位函數(shù)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，結(jié)合碼元αk的取值，可得MSK調(diào)制的兩個(gè)頻率f1、f2為：

從中可得調(diào)制頻率之差Δf為1／2TS，進(jìn)一步可得調(diào)制指數(shù)為h＝Δf／fS＝0.5。φk為碼元的初始相位，為了保證碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻保持相位連續(xù)性，可得相位約束條件為：

式中，k為任意整數(shù)。

通過(guò)對(duì)式（1）進(jìn)行進(jìn)一步展開(kāi)，可得MSK調(diào)制信號(hào)的另一種表達(dá)形式：

觀察（4）式可以發(fā)現(xiàn)，MSK調(diào)制可以用正交調(diào)制加以實(shí)現(xiàn)，令I(lǐng)k＝cosφk，Qk＝akcosφk，則其同項(xiàng)分量與正交分量可以表示為：

式（5）說(shuō)明MSK正交調(diào)制形式，其調(diào)制原理框圖如圖1所示。

打底層為了避免熔池在正面焊縫產(chǎn)生墜瘤，坡口兩側(cè)熔合良好，焊接過(guò)程中焊條向坡口根部用力送進(jìn)，并在坡口兩側(cè)稍許停留，以保證背面的穿透和坡口兩側(cè)的熔合性。由于焊條電弧焊時(shí)焊條的電阻大、焊條易發(fā)紅，后半部分焊條的使用性能較差，所以在焊接過(guò)程中應(yīng)留有稍長(zhǎng)的焊條頭，以5cm為宜，避免出現(xiàn)焊條沾粘、保護(hù)不良等焊接缺陷。

圖1 MSK調(diào)制原理框圖

通過(guò)調(diào)制原理框圖可以看出MSK調(diào)制方法為，輸入碼元信號(hào)首先經(jīng)過(guò)差分編碼，得到新的基帶碼元信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)碼元的串并轉(zhuǎn)換分成I、Q兩路信號(hào)，且兩者之間相差一個(gè)碼元周期。cos（πt／（2TS））、sin（πt／（2TS））可以看作為對(duì)基帶碼元進(jìn)行加窗處理，因此I、Q兩路的基帶碼元經(jīng)過(guò)窗函數(shù)之后再進(jìn)行頻譜搬移從而完成了調(diào)制過(guò)程。

2 傳統(tǒng)MSK體制解調(diào)

在通信技術(shù)領(lǐng)域，調(diào)制解調(diào)分為相干解調(diào)與非相干解調(diào)兩類(lèi)。相干解調(diào)需要事先知道發(fā)射信號(hào)載頻的頻點(diǎn)，對(duì)于某些調(diào)制信號(hào)（如BPSK或QPSK），可以直接從接收的連續(xù)中頻信號(hào)中提取載波信號(hào)。雖然對(duì)于MSK信號(hào)也可以采取costas環(huán)鎖定載波，但是對(duì)于窄脈沖形式的MSK信號(hào)則無(wú)能為力了。因?yàn)橐话爿d波提取過(guò)程本身是一個(gè)負(fù)反饋過(guò)程，需要一定的環(huán)路跟蹤與鎖定的時(shí)間，而脈沖式的MSK信號(hào)無(wú)法為其提供有效的信號(hào)持續(xù)時(shí)間。非相干解調(diào)因其無(wú)需事先知道載波頻率，從而適合于脈沖形式的MSK信號(hào)解調(diào)，主要的非相干解調(diào)方法如下：

1）模擬鑒頻法［5］。模擬鑒頻法利用濾波器在過(guò)渡帶近似線性的傾斜幅頻特性，使得調(diào)制的f1和f2頻率分量經(jīng)過(guò)濾波器后獲得不同的增益，再經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波之后恢復(fù)出調(diào)制碼元信息。這種方法主要采用模擬信號(hào)處理手段，利用濾波器的物理特性對(duì)MSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。由于受到通信速率與濾波器特性設(shè)計(jì)的限制，同時(shí)由于數(shù)字處理手段的進(jìn)步，這種方法應(yīng)用變得越來(lái)越少。

2）帶通濾波法［6］。帶通濾波法采用2個(gè)通帶中心為f1和f2的濾波器，分別濾出MSK信號(hào)的2個(gè)頻率成分，2路信號(hào)再經(jīng)過(guò)數(shù)字包絡(luò)檢波器恢復(fù)出包絡(luò)，最后再經(jīng)過(guò)抽樣判決恢復(fù)出碼元信息。數(shù)字檢波利用數(shù)控振蕩器（NCO）產(chǎn)生的本地f1和f2載波，與接收信號(hào)相乘經(jīng)帶通濾波后實(shí)現(xiàn)。這種方法可以適用于頻偏較小且碼速率較低的MSK調(diào)制信號(hào)，對(duì)于頻偏與碼速率呈線性關(guān)系的MSK調(diào)制信號(hào)則難以適應(yīng)。

3）差分檢波法［4］。差分檢波法首先將接收 MSK信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾除帶外干擾并進(jìn)行限幅放大，將所得信號(hào)分為2個(gè)支路；1個(gè)支路延遲一個(gè)碼元時(shí)間并相移π／2后，與另一支路信號(hào)相乘，通過(guò)低通濾波器濾除高頻分量后進(jìn)行抽樣判決恢復(fù)出碼元信息。該種方法整個(gè)解調(diào)過(guò)程無(wú)需事先知道載波頻率，因而適用于窄脈沖MSK調(diào)制信號(hào)解調(diào)。但是這種方法仍需獲得碼元速率等先驗(yàn)信息，對(duì)于非合作類(lèi)MSK調(diào)制信號(hào)的解調(diào)存在一定的困難。

3 基于相位差分的窄脈沖MSK解調(diào)

對(duì)于截獲的MSK調(diào)制信號(hào)，可以將表達(dá)式寫(xiě)為：

式中，A是信號(hào)幅度，w（t）是噪聲，一般建模成均值為零、方差為σ2的高斯白噪聲。經(jīng)過(guò)數(shù)字化采樣與量化，可以得到MSK調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)相位為：

從式（7）可以看出，為了得到一個(gè)不隨時(shí)間變化的相位分量，可以采用相位差分的方法，唯一對(duì)其產(chǎn)生影響的就是噪聲使得相位分量產(chǎn)生相位模糊，同時(shí)每個(gè)碼元的初始相位值φk會(huì)對(duì)相位產(chǎn)生相位模糊。因此，式（7）可以改寫(xiě)為差分相位的形式為：

式中，PN（w）表示的是由噪聲產(chǎn)生的相位影響，式（8）反映出這樣一個(gè)事實(shí)，MSK調(diào)制信號(hào)通過(guò)相位差分算法之后，得到以載波頻率為中心，以四分之一采樣率為偏移的兩個(gè)值，這個(gè)兩個(gè)值的變化規(guī)律即能夠反映出調(diào)制的基帶信號(hào)αk的變化規(guī)律，只是這個(gè)結(jié)果受到噪聲相位的影響，會(huì)產(chǎn)生相位的模糊。

為了進(jìn)一步減小噪聲對(duì)相位差分造成的影響，可采用文獻(xiàn)［7］介紹的相位加權(quán)函數(shù)來(lái)抑制相位模糊。定義相位加權(quán)函數(shù)為：

這樣可以得到相位差ω0的估計(jì)值為：

從式（10）可以看出，相位加權(quán)函數(shù)可以認(rèn)為是一個(gè)關(guān)于n＝N／2－1的對(duì)稱(chēng)滑動(dòng)窗函數(shù)，通過(guò)對(duì)相位差低通濾波得到方差更小的基帶調(diào)制信息的估計(jì)，其估計(jì)方差為：

這個(gè)結(jié)果與Cramer-Rao界是一致的［8］。

4 算法仿真與實(shí)驗(yàn)

4.1 敵我識(shí)別信號(hào)仿真驗(yàn)證

北約為了應(yīng)對(duì)原有的敵我識(shí)別模式Mark XIIA體制簡(jiǎn)單，一旦被敵方截獲，容易產(chǎn)生欺騙式干擾，于是對(duì)Mark XIIA進(jìn)行升級(jí)，新增Mode5來(lái)防止信號(hào)被敵方“復(fù)制”。Mode5包含Level1～Level4 4級(jí)工作模式，其中Level3和Level4的具體技術(shù)規(guī)范尚未定義［9］。Mode5采用了應(yīng)答隨機(jī)延遲技術(shù)來(lái)降低信號(hào)被截獲的概率；同時(shí)采用同步脈沖間隔參差技術(shù)，提高了信號(hào)被欺騙干擾的難度，總的來(lái)說(shuō)，Mark XIIA Mode5是一種穩(wěn)健的、具備抗截獲能力的敵我識(shí)別信號(hào)，因此對(duì)其展開(kāi)識(shí)別解調(diào)研究具有重要的意義。本文側(cè)重與對(duì)Mode5的MSK體制進(jìn)行解調(diào)研究，默認(rèn)對(duì)其均加以有效識(shí)別，具體識(shí)別研究另有研究闡述。

Mode5消息格式分為詢問(wèn)與應(yīng)答格式，而應(yīng)答格式又包含Level1應(yīng)答格式與Level2應(yīng)答格式。其中詢問(wèn)格式如圖2所示，由4個(gè)同步脈沖（P1、P2、P3、P4）、2個(gè)旁瓣抑制脈沖（L1、L2）和11個(gè)數(shù)據(jù)脈沖（D1～D11）組成，脈沖寬度為1μs，調(diào)制方式為MSK，調(diào)制碼速率為16Mbit／s。同時(shí)4個(gè)同步脈沖之間間隔為S1、S2、S3，由加密機(jī)提供的8bit數(shù)據(jù)產(chǎn)生，用于抗截獲與復(fù)制。

Level1應(yīng)答信號(hào)格式如圖3（a）所示，由2個(gè)同步脈沖（P1、P2）和一個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)脈沖組成，長(zhǎng)脈沖由9個(gè)字符組成（D1～D9），每個(gè)脈沖時(shí)間長(zhǎng)度均為1μs，MSK調(diào)制體制，調(diào)制碼速率為16Mbit／s。

Level2應(yīng)答信號(hào)格式如圖3（b）所示，由4個(gè)同步脈沖（P1、P2、P3、P4）和一個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)脈沖組成，長(zhǎng)脈沖由33個(gè)字符組成（D1～D33），每個(gè)脈沖時(shí)間長(zhǎng)度均為1μs，MSK調(diào)制體制，調(diào)制碼速率為16Mbit／s。應(yīng)答信號(hào)的同步脈沖之間存在隨機(jī)抖動(dòng)間隔，間隔時(shí)間長(zhǎng)度由加密機(jī)控制。

圖2 Mode 5詢問(wèn)信號(hào)格式

圖3 Mode 5應(yīng)答信號(hào)格式

針對(duì)Mode 5的消息格式以及MSK調(diào)制體制的特點(diǎn)，在正確識(shí)別敵我識(shí)別信號(hào)的前提下，開(kāi)始對(duì)Mode 5信號(hào)解調(diào)。首先對(duì)識(shí)別的Mode5信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)提取，對(duì)獲得的脈沖包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行過(guò)門(mén)限檢測(cè)，產(chǎn)生Mode5消息的視頻脈沖信號(hào)，根據(jù)視頻脈沖信號(hào)對(duì)原Mode5信號(hào)進(jìn)行脈沖截取，截取后的信號(hào)可認(rèn)為是普通的MSK調(diào)制信號(hào)。由于這樣的MSK信號(hào)持續(xù)時(shí)間很短（1μs），載波預(yù)測(cè)環(huán)路無(wú)法獲得MSK的調(diào)制參數(shù)，難以用傳統(tǒng)的MSK解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào)，因此，采用相位差分法對(duì)MSK窄脈沖解調(diào)，解調(diào)結(jié)果如圖4所示。其中，圖4（a）為在信噪比SNR＝5dB條件下截獲的Mode5詢問(wèn)信號(hào)，圖4（b）為提取的包絡(luò)信號(hào)，圖4（c）為根據(jù)包絡(luò)信號(hào)對(duì) MSK窄脈沖進(jìn)行解調(diào)，圖4（d）為同步脈沖P2解調(diào)的細(xì)節(jié)結(jié)果?？梢钥闯?，通過(guò)相位差分法對(duì)MSK窄脈沖解調(diào)，有效地獲取了調(diào)制的基帶信息。

圖4 Mode 5詢問(wèn)信號(hào)解調(diào)處理結(jié)果（SNR＝5dB）

4.2 無(wú)人機(jī)遙控鏈路解調(diào)試驗(yàn)

無(wú)人機(jī)因其價(jià)格低廉、使用方便、任務(wù)載荷豐富、零人員損失而在軍事和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。尤其是在民用方面，大量小型、簡(jiǎn)單、廉價(jià)的無(wú)人機(jī)在低空不受監(jiān)管的飛行，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)尤其是國(guó)家安全造成一定的隱患。從無(wú)人機(jī)的測(cè)控鏈路入手，對(duì)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別解調(diào)，進(jìn)而按照協(xié)議規(guī)則進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，是控制非法進(jìn)入敏感空域小型無(wú)人機(jī)的有效手段。

對(duì)市售某款小型無(wú)人機(jī)的遙控信號(hào)分析可知，其信號(hào)調(diào)制體制為MSK調(diào)制，信號(hào)形式為脈沖形式，脈沖寬度約為400μs，脈沖間隔為6.6ms，相鄰脈沖之間頻率出現(xiàn)周期性跳變，跳變范圍為5720～5850MHz。通過(guò)自研數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集無(wú)人機(jī)遙控信號(hào)形式如圖5所示，其中圖5（a）為遙控信號(hào)整體結(jié)構(gòu)，圖5（b）為其中單個(gè)脈沖遙控信號(hào)。

圖5 某型無(wú)人機(jī)遙控信號(hào)

脈沖式MSK調(diào)制信號(hào)，結(jié)合脈沖間頻率跳變，使得傳統(tǒng)的MSK體制解調(diào)方法不再適用。信號(hào)有無(wú)的快速切換，對(duì)載波頻率估計(jì)有著較高的要求，這對(duì)于脈沖式MSK解調(diào)來(lái)說(shuō)是一個(gè)難點(diǎn)。通過(guò)采用相位差分法解調(diào)，無(wú)需獲取遙控信號(hào)的先驗(yàn)參數(shù)信息，從而快速、有效的對(duì)無(wú)人機(jī)遙控鏈路進(jìn)行解調(diào)。圖6顯示了對(duì)采集到的無(wú)人機(jī)遙控信號(hào)解調(diào)處理的結(jié)果，其中圖6（a）是截獲的單個(gè) MSK遙控信號(hào)，圖6（b）為差分解調(diào)結(jié)果。表1顯示了對(duì)每一個(gè)MSK調(diào)制脈沖解調(diào)的數(shù)據(jù)十六進(jìn)制表示形式，可以從中對(duì)遙控的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)層級(jí)的無(wú)人機(jī)遙控信號(hào)的欺騙。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用相位差分的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)窄脈沖式MSK調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。相位差分MSK解調(diào)方法是一種非相干解調(diào)方法，不需要對(duì)MSK信號(hào)進(jìn)行先驗(yàn)參數(shù)測(cè)量，就能獲得良好的解調(diào)效果。結(jié)合敵我識(shí)別信號(hào)Mark XIIA Mode5的消息格式和某型無(wú)人機(jī)遙控信號(hào)的特征，對(duì)其進(jìn)行解調(diào)仿真實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明該方法簡(jiǎn)單、高效，可實(shí)現(xiàn)與較低信噪比條件的MSK信號(hào)解調(diào)?！?/p>