Mark XIIA IFF系统中频数字接收机设计与仿真

赵峙岳，蒲红平，刘小铃

（1.广州海格通信集团股份有限公司，广州510663；2.电子科技大学，成都610054）

Mark XIIA IFF系统中频数字接收机设计与仿真

赵峙岳1，蒲红平2，刘小铃1

（1.广州海格通信集团股份有限公司，广州510663；2.电子科技大学，成都610054）

Mark XIIA IFF是一种由美军与北约盟军共同研制的为了提高战场态势感知能力的新型敌我识别系统。以其为研究对象，提出了Mark XIIA Mode 5系统中频数字应答接收机的框架结构，并利用Simulink软件设计了一种最佳的状态接收机仿真模型，对结果进行了分析，验证了方案的可行性，为具体方案的实现奠定了基础。

敌我识别，Simulink，仿真，中频数字接收机

0 引言

Mark XIIA Mode 5敌我识别（Ident ification Foe or Friend，IFF）系统是对Mark XII版本的升级，它的开发在敌我识别的发展进程中具有里程碑的意义。首先，Mark XIIA Mode 5较Mark XII Mode 4系统安全性更高，它采用可自动替换的黑色密钥新加密算法，使系统加密更加方便、快捷、安全；其次，它运用了RS纠错编码、软扩频和MSK调制等新技术，使系统具有很强的纠错检错能力，减少了对相邻频段的干扰，也提高系统的抗干扰性能；并且Mark XIIA Mode 5的工作模式也更多，除了Mark XII Mode 4的基本的识别功能以外，增加了平台识别编码和攻击意图的杀伤性询问信息，提供带有位置报告的态势感知功能和选址询问功能，可以对友方战斗群进行个别询问，同时提供各武器平台间高容量、高速率的数据传输与交换，提高了各武器平台之间协同合作能力。此外，它采用更低的询问频率和更为复杂的应答延迟技术，减少了“窜扰”和“混扰”对系统性能的影响；同时运用了同步脉冲间隔参差技术，增大了信号被“复制”难度，提高了系统抗欺骗式干扰的能力［1］。

Mark XIIA IIF Mode 5功能强大、性能优越，符合STANAG 4193新标准，所以吸引了诸如英国BAE系统公司，美国Raytheon公司等研发与其相关的产品。随着航空电子设备向新的Mark XIIA IIF Mode 5敌我识别系统过渡，它将在未来的10年对美国以及北约盟军的军事产生巨大的影响。

本文针对Mark XIIA IFF系统中频数字应答接收机进行研究，介绍了Mark XIIA IFF系统中频数字接收机的工作原理，提出了Mark XIIA Mode 5系统的中频数字接收机的设计方案，然后利用Simulink软件对包括ADC在内的接收机设计模型进行了仿真，并对其中的关键技术进行了研究，通过仿真论证方案的可行性。

1 Mark XIIA系统接收机原理框架结构

图1为MARK XIIA IFF系统接收机工作原理框图。由图1可知，接收机通过天线收到频率为1 090 MHz的应答信号后，首先经过带宽为20 MHz的带通滤波器滤除带外干扰，然后通过混频器将信号频率降为60 MHz的中频信号，中频信号通过中频数字信号处理单元进行信号处理，解调出基带数字信号，接收应答信息。

图1 接收机原理框图

2 Mark XIIA系统中频数字接收机设计

在只考虑中频数字接收机信号处理单元的情况下，中频数字接收机主要由AD采样、数字带通滤波、位同步和数据解调4个部分组成，系统的信号处理过程可以用图2的流程图来表示。

图2 中频信号处理单元设计框图

2.1 AD最佳采样频率

数字信号处理首要是将模拟信号数字化，进行数据采样。对中心频率较高而频带较窄的信号使用奈奎斯特定律，会造成采样频率很高同时造成很多频段空白［2］。由于采样只与信号带宽有关，可以采用带通采样的方式，采样频率的选择以采样后不发生频谱混叠为原则。根据中频带通信号采样定理：对于中心频率为f0，信号带宽为的带通信号B=fh-fl，采样频率为［3］：

式（1）中fh和fl分别为信号的上截止频率和下截止频率；m取值范围为：

这里int［u］表示取不大于u的最大整数。

表1 带通采样速率区间

Mark XIIA系统MSK的调制码速率为16 Mb/s，中频信号频率为60 MHz，带宽B为20 MHz，带通采样速率区间如表1所示。为了能保证采样精度和解调性能，更好地恢复码元信号，同时避免采样后频谱发生混叠，降低AD的采样速率与提高误差容限，选择m=2，AD的采样速率为80 MHz，即每个码元的采样点数刚好为5个样点。

2.2 数字带通滤波

应答信号采用MSK调制，99%的能量集中在1.2/Tb，Tb为码速率，即大部分能量集中在约20 MHz带宽范围内。为了更好地保护信号，同时滤除高频干扰，因此滤波时，采用的数字带通滤波器的带宽为20 MHz。同时，60 MHz中频信号经过80 MHz的过采样后，中心频率从60 MHz搬移到20 MHz，因此设计数字带通滤波器的中心频率为20 MHz［4］。

2.3 位同步

数字解调过程中，位同步是关键，只有在精确同步基础上才能做到对信号的正确判决，位同步包含了相关峰检测、波形跟踪、同步脉冲间隔匹配3个部分。

2.3.1 相关峰检测

Mark XIIA Mode 5信号由同步脉冲和数据脉冲组成，同步脉冲作用是为了实现码元同步，可以通过将采集到的信号与本地同步码元MSK调制信号进行相关，获取相关峰来实现。

假设数据信号采样速率为fs，则Ts=1/fs为采样样点的持续周期，设接收数据信号为S（t），本地同步码元调制信号为R（t），均为能量有限离散信号序列，S（t）与R（t）之间的相关函数可定义为：

其中M表示本地同步码元调制信号长度，Csr（t）信号与本地码元的相关值，“*”表示取复函数的共轭［5-6］。

为了减少中频信号相位偏移对相关峰的影响，对相关值的幅度进行功率计算，通过选择合适的门限，完成相关峰的判定。判定门限采用自适应能量门限技术，其门限值随着输入信号强度的变化而变化，使得相关峰检测具有较宽的动态范围以便提升快速建立跟踪的能力［7-8］。

2.3.2 波形跟踪

相关峰查找不仅与发送信号的频率、相位一致，而且要求与本地同步码的码序相同。将下变频数据进行解调，与本地同步码数据进行码序匹配。由于数字相关器输出的相关峰恰好与信息比特起始位置对应，如果匹配波形成功，则调整缓存数据指针，确定比特的起始位置，计算同步脉冲间隔。

2.3.2 同步脉冲间隔匹配

对比同步脉冲间隔与加密机提供的间隔是否一致，如果间隔一致则进行解调，否则不进行解调。加密机提供的间隔随着时间发生变化，这样可以有效防止信号的“复制”，提高了系统抗欺骗式干扰的能力。

2.4 数据解调

MSK解调采用基于DFT的数字化解调算法，该算法计算量小、抗干扰性能好，且与传统的MSK解调算法相比，该算法位同步和频偏要求也没有那么严格，即使在系统位同步发生偏移的情况下仍然能保持好的解调性能。其工作原理如图3所示：将每个码元的采样序列分别进行两次DFT运算，分别提取频率为f1和f2的分量对应的幅值信息A1和A2。当发送的是1码时，由于MSK信号中1码与0码的波形是正交的，则得到的对应于频率f2的幅值A2应远远小于A1。同理，如果传送的是0码，A1则远远小于A2［9］。基于DFT的MSK信号解调性能与每个符号周期的采样点相关，采样点越多，解调性能越好，当每个符号周期内的采样点数不低于5个时，其性能已经接近MSK最佳解调性能［10］。

图3 基于DFT的MSK解调器

图4 Mark XIIA IFF系统中频数字接收机simulink仿真模型

3 基于simulink的中频数字接收机系统仿真

Mark XIIA IFF系统中频数字接收机simulink仿真模型组成由图4所示。按通信系统模型，仿真模型可以分为信号产生、通信信道、信号接收3个部分。

3.1 Mark XIIA Mode 5信号产生模块

由图4可知，应答信号产生模块采取数字中频的方式，通过MSK调制，将16 Mb/s的基带信号调制为60 MHz的中频信号，由低通滤波器平滑后与1 030 MHz进行混频，经过窄带滤波得到1 090 MHz信号。

Mark XIIA Mode 5系统应答发射机有4级工作模式：Level1、Level2、Level3和Level4，其中Level3和Level4的具体技术规范还没有完全定义。Level1、Level2均由数个同步脉冲与一个数据长脉冲组成。其中Level1由2个同步脉冲和一个数字长脉冲组成，Level2由4个同步脉冲和一个数字长脉冲组成，分别如图5和图6所示。同步脉冲间隔可以变化，由加密机提供的数据决定，同步脉冲与数据脉冲之间的间隔固定，可以通过最后一个同步脉冲确定数据脉冲的位置。同步脉冲及数据长脉冲均采用MSK调制，调制码速率为16 Mbit/s（1 μs的数据量为16 bit），同步脉冲宽度为1 μs，同步码元固定为0x7889（0111 1000 1000 1001），Level1数据脉冲9 μs，Level2数据脉冲33 μs，即同步脉冲的数据量为2个字节（16 bit），Level1与Level2的数据量分别为18 bit、66 bit。

图5 Level 1应答信号格式

图6 Level 2应答信号格式

3.2 加性高斯白噪声信道

在加性白噪声信道条件下，可以通过改变信道的信噪比，了解中频数字接收机的性能。

3.3 Mark XIIA IFF信号接收模块

Mark XIIA IFF接收模块接收到1 090 MHz的应答信号后，通过混频器将信号频率降为60 MHz的中频信号，经过零阶保持器，将模拟信号变成数字信号。零阶保持器相当于AD采样芯片，采样的速率为80 MHz。中频数字接收机通过相关峰检测判定Mode 5 IFF信号，经过波形跟踪、同步脉冲间隔匹配等步骤实现位同步，并根据最后一个同步脉冲，确定数据脉冲的位置，抽出有效的数据信号进行MSK解调。

仿真中，由伪随机序列产生的间隔替代加密机提供的同步间隔，模仿同步脉冲间隔匹配的功能。伪随机序列为二进制随机序列，可以表示两种同步间隔形式，增加同步序列匹配概率。

4 仿真结果

4.1 解调分析

图7 同步脉冲采样信号

由于频谱搬移的作用，60 MHz的中频信号经过80 MHz采样后变为中心频率为20 MHz的中频信号。MSK是一种特殊的FSK信号，20 MHz的中频信号，1码为1.5个正弦信号周期，0码为1个正弦信号周期，由每个码元符号的周期可以判断，图7的同步信号信息为：1000011001110110，与发送的同步信号信息刚好相反。产生数值反转的原因：中心频率为60 MHz中频信号经过80 MHz过采样后，发生了频谱的反转，使频谱内频率成分的顺序与原频谱内频率的顺序相反，因此，在数据解调时，需要通过调整判定结果来加以纠正。

4.2 相关峰检测

图8为Mark XIIA Mode 5的Level1应答信号相关峰搜过程的仿真，由图8可知，信号的相关峰主瓣宽度较小，峰比较尖锐。最大相关值出现在同步脉冲的最后一个样点，由相关峰之间的间隔可以确定同步序列是否匹配，同时由最后一个同步脉冲，也可以确定数据脉冲的起始点的位置，准确获得数据脉冲的数据。

图8 相关峰检测仿真

图9 系统误码率

4.3 性能比较

由图9的MSK信噪比-误码率曲线图可知，基于DFT数字化解调性能与误码率理论值的结果几乎相同，由此可以判断，数字接收机性能已经接近MSK最佳解调性能。

5 结论

Mark XIIA敌我识别系统，采用了许多先进的技术，展现了其优越的特性，在未来战场上将扮演至关重要的角色。本文以Simulink为仿真平台，对敌我识别系统中的中频数字接收机进行了系统的设计、模型的构建和功能的仿真。通过仿真，分析了中频采样滤波后频谱发生反转的原因，呈现了相关峰检测的良好性能，同时将解调结果与理论误码率进行了比较，展示了系统较好的解调能力。模型的仿真包含了接收机的前端模拟接收、中频数据采样、数字信号处理整个过程，不仅演示了接收机的信号处理流程、验证了方案的可行性，而且对方案的具体实现也有一定的指导意义和参考价值。

［1］邱宏坤，杨建波，毛虎.MARK XIIA IFF系统及其信号消息格式［J］.电讯技术，2010，50（6）：16-20．

［2］魏颖康，谈展中.带通采样特点和仿真［J］.电子测量技术，2003，27（05）：17-18.

［3］Sen S，Gadre VM.An Algorithm for Minimum Bandpass Sampling Frequency for Multiple RF Signals in SDR System［J］. IEEE Workshop on Statistical Signal Processing Proceedings. 2005，26（3）：327-332.

［4］张浩杰，李晓明，裴文林.MLS接收机数字滤波器设计研究［J］.电视技术，2011，35（13）：41-43.

［5］邱宏坤，杨建波，刘鹏.新的IFF系统及其信号检测方法［J］.火力与指挥控制，2012，37（2）：147-150.

［6］赵雷鸣.一种跳频MSK信号检测算法及FPGA实现［J］.无线电通信技术，2011，37（01）：56-58.

［7］黄文群.数字接收机中信号检测及自适应门限技术研究［D］.重庆：重庆大学，2010.

［8］Brigant E.A Mammela.Adaptive Threshold Control Scheme for Packet Acquisition［J］.IEEE Trans.on Commun，1998，46（12）：1580-1582.

［9］胡敏，肖大光.一种MSK信号的数字化解调新算法［J］.计算机仿真，2007，24（10）：123-125.

［10］张幼明，贾建祥.MSK信号的差分数字解调方法［J］.舰船电子工程，2008，28（11）：77-79.

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

赵峙岳（1983-），男，湖南衡阳人，硕士，工程师。研究方向：电子对抗与敌我识别。