基于FPGA的IFF-MSK調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉志武，劉志凌，江傳民，陳 鵬，曹振新

(1.中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007；2.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引言

本文通過對傳統(tǒng)敵我識別系統(tǒng)(Identification Friend or Foe)中敵我識別應(yīng)答這一部分功能的進(jìn)一步研究，針對在敵我識別通信系統(tǒng)中出現(xiàn)的多徑效應(yīng)，將發(fā)射端信號選用合適的擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻編碼，選用自相關(guān)性能優(yōu)良的擴(kuò)頻碼序列可以有效地抵抗多徑效應(yīng)，從而增強(qiáng)信號的抗干擾能力。同時(shí)，在接收端利用多通道并行處理信號，創(chuàng)新地提出了將原本的解調(diào)部分轉(zhuǎn)化為接收信號直接與預(yù)置信號進(jìn)行相關(guān)性檢測，通過是否達(dá)到判決門限來分辨敵我目標(biāo)，大大提升了敵我識別應(yīng)答的時(shí)間。

考慮到敵我識別系統(tǒng)需要的高穩(wěn)定性和高可靠性，且鑒于目前敵我識別系統(tǒng)均采用二進(jìn)制最小頻移鍵控(MSK)調(diào)制方式，故本文仍繼續(xù)采用MSK調(diào)制，并使用高性能的FPGA來實(shí)現(xiàn)。本文利用了FPGA運(yùn)算速度更快、功耗更低的固有特點(diǎn)，在接收端使用多通道并行運(yùn)算，可以同時(shí)完成相關(guān)運(yùn)算，達(dá)到利用資源換速度、利用空間換時(shí)間的目的。通過后續(xù)仿真實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能快速有效地分辨出敵我信號，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

1 IFF-MSK系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)

1.1 MSK調(diào)制解調(diào)原理

MSK信號可以看成調(diào)頻指數(shù)為0.5的連續(xù)相位頻移鍵控(CPFSK)，其與普通2FSK信號的差別在于選擇的兩個(gè)傳信頻率在一個(gè)碼元期間相位積累嚴(yán)格地相差180°。MSK信號具有恒定的包絡(luò)，不受信道非線性的影響，且具有相位連續(xù)，功率譜的旁瓣衰減較快等優(yōu)點(diǎn)。

MSK信號表達(dá)式如下：

假設(shè)擴(kuò)頻碼為αk(αk=±1，k=1,2,3,…)，則MSK調(diào)制信號可以表示為:

sk(t)=Jk(t)+Qk(t)

(1)

式中,Q路信號為：

Qk(t)=cos(φk)cos(πt/2Ts)cos(2πfct)

(2)

I路信號為：

Ik(t)=-αkcos(φk)sin(πt/2Ts)sin(2πfct)

(3)

這里Ts表示每個(gè)碼的持續(xù)時(shí)間，fc為載波頻率，φk為每個(gè)碼對應(yīng)的相位，即:

φk=1/2π(αk-1-αk)(k-1)+φk-1=

(4)

那么，cosφk便可以表示為：

(5)

MSK解調(diào)與FSK解調(diào)一樣，可以分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩類。常見的相干解調(diào)有平方環(huán)提取載波法，通過利用MSK調(diào)制信號I、Q兩路信號相互正交的特點(diǎn)提取載波來完成相干解調(diào)，此解調(diào)方法對載波同步的要求很高，且運(yùn)算復(fù)雜時(shí)延很高，不適用于瞬息萬變的戰(zhàn)場；而常見的非相干解調(diào)有延遲差分解調(diào)法，包括一比特差分延遲解調(diào)法和二比特差分延遲解調(diào)法，這些方法電路簡單，速度較相干解調(diào)大為加快，但是在信噪比較低的時(shí)候誤碼率較高。

本文考慮在IFF系統(tǒng)背景下，如何更進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾性能，并在非相干解調(diào)的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步地提高敵我識別的速度，具體做法如下：

1)在系統(tǒng)發(fā)射端增加擴(kuò)頻碼調(diào)制，并預(yù)設(shè)N組擴(kuò)頻碼，每組擴(kuò)頻碼對應(yīng)傳輸簡單的信息，選擇擴(kuò)頻碼組并進(jìn)行MSK調(diào)制；

2)在系統(tǒng)接收端采用多通道并行處理的方式，每一個(gè)通道都預(yù)存不同偽隨機(jī)碼組擴(kuò)頻之后MSK調(diào)制的波形數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)射端的信號輸入至多通道中進(jìn)行相關(guān)處理，通過比較相關(guān)波峰的大小，來判決發(fā)射端的擴(kuò)頻碼碼組，從而完成敵我識別和信息傳遞。

1.2 IFF-MSK系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

IFF系統(tǒng)發(fā)射端采用MSK調(diào)制產(chǎn)生擴(kuò)頻信號，擴(kuò)頻碼長為10，碼速率為1 MHz，采用10 MHz中頻載波。IFF系統(tǒng)發(fā)射端系統(tǒng)框圖如圖1所示。

IFF系統(tǒng)接收端采用多通道，實(shí)現(xiàn)并行非相干信號處理，每個(gè)通道對應(yīng)一組預(yù)選擴(kuò)頻碼，從每個(gè)通道輸出的相關(guān)系數(shù)大小，判斷IFF發(fā)射擴(kuò)頻碼，從而實(shí)現(xiàn)對敵我目標(biāo)的識別。IFF系統(tǒng)接收端系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 IFF-MSK發(fā)射端系統(tǒng)框圖

圖2 IFF-MSK接收端系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 發(fā)射端

發(fā)射端在常規(guī)的MSK調(diào)制之前加入偽隨機(jī)碼組，選擇一個(gè)偽隨機(jī)碼進(jìn)行MSK調(diào)制。根據(jù)上節(jié)指出的MSK調(diào)制原理，使用Vivado進(jìn)行時(shí)序仿真后，其發(fā)射端整體的仿真波形如圖3所示，圖中I路和Q路信號相互正交，在一個(gè)碼元周期內(nèi)嚴(yán)格的相差180°。

圖3 時(shí)序仿真中發(fā)射端輸出波形

2.2 接收端

考慮到本次設(shè)計(jì)是為了在敵我識別系統(tǒng)中快速分辨敵我雙方，相干解調(diào)和非相干解調(diào)都不能完美地滿足設(shè)計(jì)要求，故本次設(shè)計(jì)直接在接收端預(yù)置發(fā)射端的10組偽隨機(jī)碼碼組調(diào)制數(shù)據(jù)，信號進(jìn)入接收端后同時(shí)與該10組偽隨機(jī)碼儲存在本地的MSK波形數(shù)據(jù)做相關(guān)性檢測，通過判決門限來判斷是否為我方信號。

信號相關(guān)模塊是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵模塊，在FPGA開發(fā)板中，本地參考信號先存入ROM中，發(fā)射信號輸入到接收端后先存入寄存器中，此時(shí)調(diào)用本地參考信號按序相乘，并將每一次的相乘結(jié)果輸入至累加器中，最后對累加結(jié)果做平方消除負(fù)值影響，由于平方后數(shù)值較大，超出FPGA開發(fā)板的寄存器位數(shù)限制，為達(dá)到快速輸出的目的，本設(shè)計(jì)可以截取數(shù)值前若干位輸入至后置寄存器中即可。若輸入信號與本地參考信號是強(qiáng)相關(guān)信號，則會產(chǎn)生數(shù)值很大的波峰，設(shè)定合適的判決門限就能分辨出發(fā)射信號是哪一路信號。

輸入信號進(jìn)入相關(guān)模塊后輸出的仿真波形如圖4～6所示，設(shè)輸入信號的擴(kuò)頻碼為1001000000。

圖4 本地?cái)U(kuò)頻碼為1001000000

圖5 本地?cái)U(kuò)頻碼為0101010100

圖6 本地?cái)U(kuò)頻碼為1001000000

每個(gè)通道都由不同的擴(kuò)頻碼產(chǎn)生的MSK波形，如圖所示，圖5是相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)后產(chǎn)生的波形，其波峰的最大值明顯高于其他2個(gè)通道產(chǎn)生的波峰最大值(高出1個(gè)數(shù)量級)，所以接收端可以準(zhǔn)確分辨出發(fā)射端發(fā)射的是哪一組擴(kuò)頻碼碼組，如果所有通道的相關(guān)波峰均未達(dá)到要求，則該信號被判定為敵方信號。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)IFF-MSK系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。對系統(tǒng)工作原理和工作流程都進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的IFF-MSK系統(tǒng)相比，本文提出的方案具有性能好、運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，仿真證明系統(tǒng)運(yùn)行高效、可靠。