一種針對(duì)IFF Mode5信號(hào)的解調(diào)算法

陳 韻，劉 建，彭茄恩，宋大偉

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

0 引言

敵我識(shí)別（IFF）系統(tǒng)發(fā)端于二次雷達(dá)系統(tǒng)，結(jié)合一次雷達(dá)使用，可以完成對(duì)雷達(dá)綜合瞄準(zhǔn)體所發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的敵我屬性識(shí)別[1]。借助于計(jì)算機(jī)與加密技術(shù)信息化手段，敵我識(shí)別系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)條件下的各平臺(tái)、單位，乃至各軍兵種之間的協(xié)同作戰(zhàn)，提升戰(zhàn)場(chǎng)指揮控制能力，是信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中的力量倍增器。

敵我識(shí)別系統(tǒng)發(fā)展到今天，歷經(jīng)第一代的Mark X系統(tǒng)和Mark XII系統(tǒng)，最新一代的Mark XIIA于20世紀(jì)末開(kāi)始研發(fā)，在Mark XII系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了IFF Mode5。IFF Mode5已成為Mark XIIA系統(tǒng)的核心組成部分[2]。目前北約國(guó)家的大型重要作戰(zhàn)平臺(tái)均裝備了基于IFF Mode5的敵我識(shí)別系統(tǒng)，因此實(shí)現(xiàn)針對(duì)IFF Mode5信號(hào)偵收與解調(diào)，對(duì)敵方作戰(zhàn)單元全方位識(shí)別，獲取作戰(zhàn)平臺(tái)的作戰(zhàn)信息，可以最大程度地控制信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下的戰(zhàn)場(chǎng)制信息權(quán)，具有重要的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)價(jià)值。

然而，由于IFF Mode5繼承了敵我識(shí)別的詢問(wèn)/應(yīng)答機(jī)制，在此基礎(chǔ)上采用了MSK調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻技術(shù)、信道糾錯(cuò)技術(shù)、信息加密技術(shù)等，極大地提升了IFF Mode5系統(tǒng)的抗干擾與欺騙、抗偵收能力[3]。IFF Mode5信號(hào)具有連續(xù)窄脈沖的基帶波形形式，波形調(diào)制時(shí)間短且數(shù)據(jù)率高，很難采用傳統(tǒng)的解調(diào)算法對(duì)其進(jìn)行定時(shí)同步與載波同步，因而對(duì)偵收到的IFF Mode5信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)是非常困難的，一般都采用非相干解調(diào)技術(shù)。本文提出一種近似相干解調(diào)方法,采用小波變換實(shí)現(xiàn)窄脈沖定時(shí)同步，同時(shí)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行載波相位估計(jì)與補(bǔ)償，近似實(shí)現(xiàn)IFF Mode5信號(hào)的相干解調(diào)，解調(diào)信噪比相較于經(jīng)典相干解調(diào)方法理論值差1 dB。

1 IFF Mode5信號(hào)格式

IFF Mode5信號(hào)不僅具有詢問(wèn)/應(yīng)答功能，還應(yīng)用當(dāng)前最新科技成果，增加態(tài)勢(shì)感知、選址詢問(wèn)、數(shù)據(jù)傳輸和空對(duì)地識(shí)別模式等功能。IFF Mode5信號(hào)具有4個(gè)層級(jí)的工作模式，分別為L(zhǎng)evel1—Level4，每個(gè)層級(jí)的內(nèi)容如下[4]：

1）Level1為改進(jìn)的詢問(wèn)/應(yīng)答識(shí)別模式，與Mark XII系統(tǒng)相比，詢問(wèn)/應(yīng)答信息中增加了平臺(tái)識(shí)別編號(hào)和致命因子，致命因子為帶有命令攻擊意圖的殺傷性詢問(wèn)信息；

2）Level2為態(tài)勢(shì)感知識(shí)別模式，位置報(bào)告中包含緯度、經(jīng)度、高度、國(guó)家代碼和任務(wù)代碼等信息；

3）Level3為地址選擇詢問(wèn)模式，主要功能是對(duì)已方戰(zhàn)斗群中的特別目標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)名詢問(wèn)；

4）Level4是數(shù)據(jù)傳輸模式，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗群編隊(duì)平臺(tái)之間數(shù)據(jù)的安全傳輸和與其他數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)交換。

由于目前國(guó)內(nèi)外公開(kāi)研究資料未有提及Level3和Level4定義的具體形式，因此本文所提算法主要針對(duì)Level1和Level2層級(jí)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。

1.1 詢問(wèn)信號(hào)

IFF Mode5詢問(wèn)信號(hào)如圖1所示，由4個(gè)同步脈沖（P1、P2、P3、P4）、2個(gè)旁瓣抑制脈沖（I1、I2）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16 Mbit/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8 bit數(shù)據(jù)產(chǎn)生，用于抗截獲與復(fù)制。

圖1 IFF Mode5詢問(wèn)信號(hào)

1.2 應(yīng)答信號(hào)

IFF Mode5應(yīng)答信號(hào)包含Level1應(yīng)答格式與Level2應(yīng)答格式，其中Level1應(yīng)答信號(hào)格式如圖2（a）所示，由2個(gè)同步脈沖（P1、P2）和1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）；Level2應(yīng)答信號(hào)格式如圖2（b）所示，由4個(gè)同步脈沖（P1、P2、P3、P4）和1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）。Level1和Level2的同步脈沖時(shí)間長(zhǎng)度均為1μs，而數(shù)據(jù)脈沖均由數(shù)據(jù)符號(hào)組成，其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度分別為9μs和33μs。Level1和Level2所有脈沖均采用MSK調(diào)制體制，調(diào)制碼速率為16 Mbit/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 IFF Mode 5應(yīng)答信號(hào)

2 IFF Mode5信號(hào)解調(diào)算法

IFF Mode5信號(hào)采用的是MSK調(diào)制體制，有效減少帶外干擾；同時(shí)采用軟擴(kuò)頻技術(shù)，提升抗干擾與抗截獲性能。而且IFF Mode5信號(hào)采用脈沖形式，給非合作類型的解調(diào)工作帶來(lái)較大的困難。傳統(tǒng)的MSK相干解調(diào)方法，需要對(duì)MSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行載波跟蹤和定時(shí)同步，而窄脈沖形式的IFF Mode5信號(hào)無(wú)法為跟蹤環(huán)路提供足夠的收斂時(shí)間，從而導(dǎo)致解調(diào)失敗。因此針對(duì)IFF Mode5信號(hào)基本采用非相干解調(diào)，如1-bit差分解調(diào)[5]、2-bit差分解調(diào)[6]或者相位差分解調(diào)[7]，但此類非相干解調(diào)方法均無(wú)法實(shí)現(xiàn)MSK的最優(yōu)解調(diào)。本文采用小波變換實(shí)現(xiàn)窄脈沖MSK信號(hào)的邊沿檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)較高精度的定時(shí)同步；同時(shí)進(jìn)行MSK信號(hào)載波的估計(jì)，對(duì)殘留載波進(jìn)行相位估計(jì)并補(bǔ)償，近似實(shí)現(xiàn)MSK的相干解調(diào)。

2.1 基于小波變換的定時(shí)同步

小波變換作為一種重要的信號(hào)分析手段，應(yīng)用于信號(hào)處理中，其中Haar小波具有最小的支集，可以有效地檢測(cè)出信號(hào)的邊緣，因此Haar小波被應(yīng)用于邊沿檢測(cè)[8]。對(duì)于一個(gè)給定函數(shù)z(t)，則其小波變換可以寫(xiě)為：

式中，Ψ(t)是母小波函數(shù)，α為伸縮尺度，τ為平移因子。本算法采用的Haar母小波函數(shù)定義為:

MSK調(diào)制信號(hào)的表達(dá)式可以寫(xiě)為：

式中,wc為載波頻率，φk為當(dāng)前碼元相位，n(t)為噪聲；θ(t)為調(diào)制相位，其表達(dá)式為：

因此，當(dāng)對(duì)接收到的MSK脈沖信號(hào)進(jìn)行小波變換，其表達(dá)式可以寫(xiě)為：

對(duì)小波變換后幅度取平方可得：

當(dāng)Haar小波跨越接收MSK信號(hào)的波形邊沿時(shí)，其小波變換為：

對(duì)小波變換后幅度取平方可得：

通過(guò)（6）式與（8）式可以看出，對(duì)脈沖式MSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行小波變換時(shí)，當(dāng)Haar小波位于脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間之內(nèi)，其小波變換幅度為一常量；而當(dāng)Haar小波位于脈沖信號(hào)邊沿時(shí)，其小波變換幅度發(fā)生變化，在脈沖邊沿處產(chǎn)生了跳變。通過(guò)檢測(cè)這個(gè)跳變，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出IFF Mode5信號(hào)中MSK脈沖的起始時(shí)刻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)MSK脈沖信號(hào)的定時(shí)同步。本文以IFF Mode5 Level1應(yīng)答信號(hào)為例，對(duì)其進(jìn)行Haar小波變換仿真，結(jié)果如圖3所示。其中圖3（a）為IFF Mode5 Level1應(yīng)答信號(hào)時(shí)域波形；圖3（b）、（c）分別為在信噪比為10 d B與3 dB條件下的Haar小波變換結(jié)果，可見(jiàn)在脈沖邊沿處能夠產(chǎn)生尖銳的峰值信號(hào)，通過(guò)測(cè)量峰值位置，可以精確測(cè)量出脈沖的起始時(shí)刻與脈沖長(zhǎng)度。

圖3 IFF Mode5 Level1應(yīng)答信號(hào)及其Haar小波變換

2.2 基于MSK譜特征的載波同步

通過(guò)觀察式（3）可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)制信息ak包含在調(diào)制相位中，要想獲得調(diào)制信息，必須先對(duì)MSK信號(hào)進(jìn)行下變頻，獲得其基帶信號(hào)。雖然敵我識(shí)別信號(hào)所使用的是固定頻點(diǎn)，但是考慮到截獲信號(hào)接收機(jī)與目標(biāo)平臺(tái)之間時(shí)鐘存在差異，以及接收機(jī)和目標(biāo)之間存在復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，均會(huì)造成截獲到的敵我識(shí)別信號(hào)產(chǎn)生頻率偏移。

假設(shè)對(duì)MSK信號(hào)進(jìn)行頻率為ω′c接收下變頻，則式（3）可以進(jìn)一步表達(dá)為：

式中Δωc=ωc-ω′c，當(dāng)載波無(wú)法準(zhǔn)確去除，就會(huì)疊加在相位調(diào)制中，無(wú)法正確地獲得調(diào)制信息。傳統(tǒng)的MSK解調(diào)方法一般采用載波同步環(huán)路實(shí)現(xiàn)對(duì)載波頻率的精確估計(jì)，但是IFF Mode5中的脈沖信號(hào)形式限制了載波同步環(huán)的應(yīng)用。

為了精確獲得接收到的IFF Mode5信號(hào)的載波頻率，利用MSK調(diào)制信號(hào)譜特征來(lái)進(jìn)行頻率估計(jì)。MSK信號(hào)的譜并沒(méi)有明顯的譜峰特征，因而無(wú)法在MSK信號(hào)的頻譜上獲得任何精確的頻率信息，但是其平方譜卻具有明顯的譜峰特征，具有2個(gè)明顯的譜峰，分別代表MSK調(diào)制的2個(gè)頻率，2譜峰中點(diǎn)即為載波頻率，如圖4（a）所示。實(shí)際中無(wú)法用計(jì)算2譜峰中點(diǎn)來(lái)獲取載波，因?yàn)槠渥V峰峰值對(duì)應(yīng)調(diào)制信息中“0”和“1”的數(shù)量。當(dāng)調(diào)制信息中“0”、“1”數(shù)量失衡時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其中一個(gè)譜峰不明顯。為了顯著得到載波位置，本文采用設(shè)計(jì)頻域窗函數(shù)，將MSK平方譜與頻域窗函數(shù)卷積，得到MSK調(diào)制信號(hào)的卷積平方譜，即可準(zhǔn)確獲得載波譜峰，如圖4（b）所示。

圖4 MSK譜特征

在獲得MSK調(diào)制信號(hào)載波譜峰的基礎(chǔ)上，對(duì)載波譜峰進(jìn)行拋物線插值擬合，可以精確估計(jì)載波頻率。圖5顯示了應(yīng)用此種頻率估計(jì)算法所得到的頻率誤差，當(dāng)信噪比高于-3 dB時(shí)，其頻率估計(jì)誤差基本可到千赫茲量級(jí)。為了進(jìn)一步去除載波殘留的影響，可以對(duì)接收信號(hào)的相位函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)數(shù)并累加求和，最終可獲得殘留載波分量Δωc，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行載波精確同步。

圖5 頻率估計(jì)誤差

2.3 MSK正交解調(diào)

觀察式（3），MSK調(diào)制信號(hào)的表達(dá)式可以改寫(xiě)為：

式中，I k=cosφk，Q k=a kcosφk，前文述及載波已實(shí)現(xiàn)精確同步，那么只需恢復(fù)出Ik與Qk，便能夠解調(diào)出調(diào)制信息ak。根據(jù)MSK調(diào)制規(guī)律可知，ak滿足Ik與Q k差分解碼的關(guān)系，也即通過(guò)加權(quán)函數(shù)cos(πt/(2T b))與sin(πt/(2T b))積分處理，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行差分解碼，即可恢復(fù)出調(diào)制信息。圖6顯示了MSK正交解調(diào)的原理，圖7顯示了MSK解調(diào)中積分結(jié)果，可以明顯看出只要將積分結(jié)果進(jìn)行碼元判決，即可進(jìn)行差分解碼。

圖6 MSK正交解調(diào)原理框圖

圖7 MSK正交解調(diào)積分判決結(jié)果

具體MSK正交解調(diào)步驟如下[9]：

1）輸入信號(hào)分別于加權(quán)函數(shù)cos(πt/(2T b))與sin(πt/(2T b))相乘，形成I支路數(shù)據(jù)與Q支路數(shù)據(jù)；

2）對(duì)I、Q支路相乘結(jié)果以2Tb為周期進(jìn)行累加積分，其中Q支路積分周期比I支路延遲Tb；

3）在積分結(jié)束時(shí)刻分別對(duì)I、Q支路進(jìn)行比特判決映射；

4）對(duì)I、Q支路判決的比特?cái)?shù)據(jù)流進(jìn)行差分解碼，恢復(fù)出調(diào)制信息比特流。

3 仿真分析

本文對(duì)IFF Mode5信號(hào)的不同解調(diào)方法進(jìn)行Matlab仿真，解調(diào)誤碼率仿真結(jié)果如圖8所示。仿真參數(shù)為采樣率240 MHz，信號(hào)頻率70 MHz，仿真采用蒙特卡洛仿真法；其中對(duì)IFF Mode5信號(hào)的解調(diào)方法分別為文中所提近似相干解調(diào)、1-bit延遲差分解調(diào)、2-bit延遲差分解調(diào)和相位差分解調(diào)，所有解調(diào)方法所得誤碼率與MSK相干解調(diào)理論誤碼率進(jìn)行比較。

圖8 IFF Mode5信號(hào)不同解調(diào)方法誤碼率比較

通過(guò)仿真可以看出，文中所提的IFF Mode5信號(hào)的解調(diào)方法，其誤碼率較MSK解調(diào)理論誤碼率曲線相差約1 dB左右，接近MSK相干解調(diào)的效果。未能達(dá)到理論極限，其主要原因是采用小波變換的時(shí)間同步以及基于MSK譜特征的載波同步適應(yīng)了脈沖型MSK信號(hào)的特征，即在一段較短時(shí)間內(nèi)對(duì)碼元判決時(shí)刻和載波頻率進(jìn)行了估計(jì)，以短時(shí)間的估計(jì)值逼近瞬時(shí)值，仍然會(huì)存在一定的差異，造成誤碼率存在一定的損失。但是這種近似的相干解調(diào)方法仍然優(yōu)于傳統(tǒng)的非相干類解調(diào)算法。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的一種針對(duì)IFF Mode5信號(hào)的解調(diào)算法，實(shí)現(xiàn)了窄脈沖MSK調(diào)制類型的IFF Mode5信號(hào)的解調(diào)，，解調(diào)誤碼率較理論誤碼率相差約1 d B，對(duì)于IFF Mode5信號(hào)的偵察解調(diào)具有比較重要的意義。