一種新的安控體制研究

徐 楊

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

安全遙控是所有飛行器發(fā)射時(shí)(導(dǎo)彈試驗(yàn)、火箭發(fā)射、衛(wèi)星發(fā)射、載人航天和深空探測等) 所必需的一個(gè)系統(tǒng)?？臻g發(fā)射飛行終端系統(tǒng)[1](Space Launch Flight Termination System，SLFTS)是2010年美國空軍和聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟開始著手研究的下一代安控系統(tǒng)，采用Manchester編碼-2CPFSK-FM的體制。我國早期使用的是PCM-BPSK-FM體制，相比較來說，連續(xù)相位頻移鍵控[2](Continuous-Phase Frequency Shift Keying，CPFSK)在選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，誤碼率性能比二進(jìn)制相移鍵控 (Binary Phase Shift Keying，BPSK)要好，而且信號(hào)占用頻帶比BPSK要小[3]。正是由于這項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，通過對(duì)2種體制發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)原理對(duì)比，提出了一種設(shè)計(jì)改造方法，可以通過修改PCM-BPSK-FM體制發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)SLFTS安控系統(tǒng)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)，并給出了詳細(xì)設(shè)計(jì)方法。通過對(duì)基帶軟件和硬件內(nèi)嵌入式軟件的升級(jí)改造，在不更換硬件平臺(tái)、不切換工作模式的條件下，只改變指令參數(shù)，就可以對(duì)分別使用PCM-BPSK-FM和SLFTS兩種模式的各目標(biāo)進(jìn)行安全遙控。

1 PCM-BPSK-FM設(shè)計(jì)原理

PCM-BPSK-FM的遙控發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 PCM-BPSK-FM的遙控發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)原理Fig.1 Schematic diagram of PCM-BPSK-FM launcher design

指令數(shù)據(jù)先進(jìn)行PCM編碼(編碼類型可計(jì)算機(jī)軟件配置)，再進(jìn)行BPSK調(diào)制到副載波上，最后經(jīng)FM發(fā)出。其中，遙控副載波頻率和碼速率都是計(jì)算機(jī)軟件可配置的。

遙控副載波的形成可在硬件上采用DDS完成，主要由FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，由計(jì)算機(jī)軟件將副載波頻率參數(shù)發(fā)送給DSP，由DSP根據(jù)所用時(shí)鐘計(jì)算出頻率控制字，再對(duì)FPGA電路進(jìn)行控制和參數(shù)設(shè)置。碼速率的產(chǎn)生原理與副載波頻率相同，也是由頻率控制字控制DDS產(chǎn)生，取DDS的最高位作為碼速率時(shí)鐘輸出。

計(jì)算機(jī)軟件將要發(fā)送的命令、PCM編碼類型、副載波頻率和碼速率都發(fā)送給DSP，由DSP完成編碼和DDS參數(shù)計(jì)算，然后DSP將副載波頻率頻率控制字、碼速率頻率控制字和編碼后的命令寫入FPGA進(jìn)行BPSK調(diào)制，BPSK調(diào)制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖如圖2。

圖2 BPSK調(diào)制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖Fig.2 BPSK design diagram

DDS1和DDS2置入相同的副載波頻率控制字，使二者產(chǎn)生初始相位相差180°的2路正弦波，用指令碼選擇DDS1或DDS2輸出；同時(shí)，控制命令輸出的碼速率與DDS頻率控制字相關(guān)，保證碼速率時(shí)鐘上升沿輸出副載波0相位的正弦波，即完成BPSK調(diào)制；最后進(jìn)行FM輸出。

2 SLFTS的設(shè)計(jì)原理

SLFTS體制即Manchester編碼-2CPFSK-FM，它的遙控發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3 SLFTS系統(tǒng)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)原理Fig.3 Schematic diagram of SLFTS launcher design

指令幀數(shù)據(jù)先用3DES的方法進(jìn)行加密，加密后的指令進(jìn)行曼徹斯特編碼，編碼后的命令進(jìn)行2CPFSK調(diào)制，最后進(jìn)行FM產(chǎn)生指令信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。其中，加密使用的密碼、遙控副載波頻率和碼速率都是計(jì)算機(jī)軟件可配置的。

指令數(shù)據(jù)加密部分放在計(jì)算機(jī)軟件內(nèi)完成，可以很方便地更改指令內(nèi)容和加密密碼。遙控副載波頻率和碼速率設(shè)計(jì)與PCM-BPSK-FM體制相同。計(jì)算機(jī)軟件將加密后的指令、副載波頻率和碼速率都發(fā)送給DSP進(jìn)行Manchester編碼和2CPFSK的調(diào)制參數(shù)計(jì)算，DSP根據(jù)軟件發(fā)來的頻率參數(shù)和所用時(shí)鐘計(jì)算出DDS參數(shù)，寫入FPGA電路進(jìn)行控制和參數(shù)設(shè)置完成2CPFSK調(diào)制。最后信號(hào)進(jìn)行FM輸出。

2CPFSK調(diào)制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

圖4 2CPFSK調(diào)制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖Fig.4 2CPFSK design diagram

2CPFSK調(diào)制設(shè)計(jì)方法與BPSK調(diào)制設(shè)計(jì)原理框圖相像，區(qū)別在于2個(gè)DDS的頻率控制字不同，與碼速率相關(guān)，保證碼速率時(shí)鐘上升沿時(shí)，不同碼輸出的2個(gè)副載波相位連續(xù)，滿足2CPFSK調(diào)制的條件。

3 實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)以上對(duì)2種體制的原理介紹，發(fā)現(xiàn)2種體制設(shè)計(jì)大部分相同，最大的區(qū)別在于參數(shù)設(shè)置，這就為PCM-BPSK-FM修改為SLFTS體制提供了很大的便利。

通過圖1與圖3的對(duì)比及圖2與圖4的對(duì)比，可以將PCM-BPSK-FM的發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)原理做如下改動(dòng)：(1)在計(jì)算機(jī)軟件中命令碼產(chǎn)生部分增加加密功能，各種加密原理與方法在文獻(xiàn)[4-6]中有相關(guān)論述；(2)PCM編碼部分改為Manchester編碼；(3)計(jì)算機(jī)軟件發(fā)送給DSP的副載波頻率參數(shù)改為2CPFSK的頻率參數(shù)，DDS1和DDS2的頻率控制字不同，與碼速率相關(guān)，滿足2CPFSK調(diào)制的條件。之后的FM設(shè)計(jì)不做改動(dòng)，將在用的PCM-BPSK-FM發(fā)射機(jī)修改為SLFTS發(fā)射機(jī)。

舉例來說，PCM-BPSK-FM使用碼速率1 kHz、副載波頻率10 kHz，修改時(shí)可以將副載波頻率分別設(shè)置為2，5 kHz，讓碼速率時(shí)鐘上升沿輸出副載波0相位的正弦波，形成2CPFSK調(diào)制方式。

副載波頻率有2種，在PCM-BPSK-FM體制中，由于只有一個(gè)副載波頻率，所以調(diào)制系數(shù)選擇范圍比較寬，而在2CPFSK調(diào)制中，調(diào)制系數(shù)的選擇就要考慮2個(gè)副載波頻率的關(guān)系。通信設(shè)計(jì)中一般選擇調(diào)制系數(shù)0.5或0.715作為2CPFSK調(diào)制的調(diào)制系數(shù)[7]，在文獻(xiàn)[8]中得到了驗(yàn)證。在工程設(shè)計(jì)中，參數(shù)設(shè)計(jì)會(huì)使用調(diào)制頻率偏移f頻偏(簡稱調(diào)制頻偏)，調(diào)制系數(shù)β是調(diào)制頻偏除以副載波頻率fm的結(jié)果：

2種副載波頻率使用一個(gè)調(diào)制頻偏會(huì)導(dǎo)致2種調(diào)制系數(shù)。

調(diào)頻信號(hào)可表示為[9]：

SFM(t)=Acos[ωct+βsinωmt]=

Acosωctcos(βsinωmt)-Asinωctsin(βsinωmt)，

式中，cos(βsinωmt)和sin(βsinωmt)可進(jìn)一步展開成以貝塞爾函數(shù)為系數(shù)的三角級(jí)數(shù)，即：

式中，Jn(β)稱為第一類n階貝塞爾函數(shù)，是n和β的函數(shù)，

根據(jù)貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)，

變換為頻域表示為：

[δ(ω-ωc-nωm)+δ(ω+ωc+nωm)]。

由于2CPFSK一般選擇調(diào)制系數(shù)0.5或0.715，因此：

J0(β)≈1，

J1(β)≈β/2，

Jn(β)≈0，n>1。

因此，副載波頻率在頻域?yàn)椋?/p>

可見，調(diào)頻信號(hào)的幅度為Aβπ/2，與調(diào)制系數(shù)β呈正比。通過預(yù)先對(duì)副載波幅度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，可以在FM中將2CPFSK的2個(gè)副載波頻率的調(diào)制系數(shù)統(tǒng)一為一個(gè)調(diào)制系數(shù)，解決了用一個(gè)調(diào)制頻偏進(jìn)行FM，使2CPFSK的2個(gè)副載波頻率產(chǎn)生2個(gè)調(diào)制系數(shù)，調(diào)頻信號(hào)的幅度不一致，導(dǎo)致解調(diào)誤碼率高的問題。這與主字母體制中的預(yù)加重方法[10]原理相同。

通過以上分析，將PCM-BPSK-FM的發(fā)射機(jī)改造為SLFTS發(fā)射機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)還需要增加幅度調(diào)整功能。改造設(shè)計(jì)幅度調(diào)整框圖如圖5所示。

圖5 改造設(shè)計(jì)幅度調(diào)整框圖Fig.5 Diagram of amplitude adjusting in modified design

如果使用PCM-BPSK-FM模式，則幅度系數(shù)1，2相同即可。

由于指令終端硬件設(shè)計(jì)采用的是大規(guī)模集成電路，以上改造設(shè)計(jì)可以通過修改計(jì)算機(jī)軟件和大規(guī)模集成電路的軟件無線電程序完成，實(shí)現(xiàn)在原來設(shè)備硬件平臺(tái)上對(duì)目標(biāo)飛行器發(fā)出SLFTS體制指令。

4 結(jié)束語

SLFTS安控體制是美國安控體制發(fā)展經(jīng)歷了IRIG-TONE，HA-FTS及EHA-FTS安控體制[11]之后設(shè)計(jì)出來的，在考慮通用化、簡單和經(jīng)濟(jì)適用的基礎(chǔ)上，盡量繼承以往成熟模塊，做到對(duì)現(xiàn)有設(shè)備改動(dòng)最小，達(dá)到將物盡其用、設(shè)備更新?lián)Q代及性能提升的目的。在被提出前就考慮到需要改造最早期的IRIG-TONE體制設(shè)備，所以對(duì)硬件要求并不高。通過對(duì)PCM-BPSK-FM和SLFTS的設(shè)計(jì)對(duì)比，提出了一種將PCM-BPSK-FM發(fā)射機(jī)改造為SLFTS發(fā)射機(jī)的方法，通過修改現(xiàn)有設(shè)備平臺(tái)的計(jì)算機(jī)軟件和大規(guī)模集成電路的軟件無線電程序就能實(shí)現(xiàn)，使用CPFSK調(diào)制方式，與改進(jìn)的調(diào)制方式MSK和GMSK已應(yīng)用于多方面，如文獻(xiàn)[2，8，12-15]的論述。與BPSK相比性能更好，與加密技術(shù)結(jié)合在一起，在較低的改造成本下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能的整體提升，完全滿足目前安控設(shè)備所需要的保密性、可靠性、低誤碼率及低虛指令率等性能需求，同時(shí)也能滿足未來安控設(shè)備的需求[16]，為今后工程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。