基于时域和编码特征的Mark XIIA IFF信号识别方法

李维科

(中国西南电子技术研究所，成都　610036)



基于时域和编码特征的Mark XIIA IFF信号识别方法

李维科

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

摘要：Mode 5敌我识别系统是Mark XIIA系统的核心，对Mode 5信号的性能特点、工作模式、信号格式等进行了分析研究，根据Mode 5信号的时域特征和编码特征，提出了一种Mode 5信号的识别方案；通过Matlab仿真验证表明：该方法能实现对Mode 5信号的分选识别，具有较好的工程应用前景。

关键词：编码特征；信号格式；Mark XIIA敌我识别系统；工作模式

本文引用格式：李维科.基于时域和编码特征的Mark XIIA IFF信号识别方法[J].兵器装备工程学报，2016(7):153-157.

Citation format:LI Wei-ke.Identification of Mark XIIA IFF Signals Based on Time Domain and Coding Characteristics[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):153-157.

美国等北约成员国针对现役装备的Mark X和Mark XII敌我识别系统存在信号形式简单，调制方式单一，抗干扰能力弱等缺陷，在现在的IFF Mark XII基础上增加新的IFF Mode 5信号，提出Mark XIIA[1]，以提高系统的抗干扰性、安全性和保密性，用作北约“地对空”、“海对空”、“空对海”、“海对海”、“空对空”的骨干战斗识别系统[2-3]。Mode 5不仅具有改进的询问/应答识别方式，而且还利用近年来科学技术进步成果增加了态势感知、选址询问、数据传输以及空对地识别模式[4]。

1Mode 5系统性能特点

Mode 5是MarkⅫA系统中最为重要的部分，Mode 5的设计与开发是根据MarkⅫ Mode4使用中所出现的问题提出的，与MarkⅫ Mode4相比较，MarkⅫA Mode 5采取了多种措施提高系统的性能。系统的工作频率仍然是询问1 030 MHz，应答1 090 MHz，调制方式为MSK调制，码速率为16 MHz。MarkⅫA Mode 5主要特点有以下几个方面：

MarkⅫ Mode4使用的是人工更换红色密钥加密算法，而MarkⅫA Mode 5使用可自动替换的黑色密钥新加密算法，按照系统保存的日时间自动更换密钥，使系统加密更加方便快捷、安全[5]。

信号格式中一些关键加密参数也是按系统日时间来刷新和更换，MarkⅫA Mode 5把每1天划分为1～10 800加密周期，每周期8 s，在时间同步设备的控制下，每个加密周期更换加密参数。

MarkⅫA Mode 5询问及应答信号采用了RS编码纠错、扩频、询问/应答信号保护等新术，增强了系统的可靠性和抗干扰性。射频信号调制方式为MSK[6]，与MarkⅫ Mode 4脉冲ASK调制方式相比较，MSK所占频谱带宽更窄，主瓣能量更为集中，旁瓣滚降衰减快，频带利用率高等优点，减少了对此频段JTIDS等系统的干扰[7]。

2Mode 5系统工作模式

MarkⅫA Mode 5有4级工作模式，分别为Level 1、Level 2、Level 3和 Level 4，各工作模式功能与传输信息如下[8]。

2.1第1层级

Level 1为改进的识别模式，充分利用二次雷达的询问和应答信道传输更多的识别信息。Level 1识别包括ID应答识别和数据应答识别，数据应答识别信息包括模式1，2，3/A，C，特殊码以及国家代码和任务代码等。同时询问类型包括具有带有命令攻击意途的杀伤性询问信息。

2.2第2层级

Level 2为带有位置报告的态势感知模式，位置报告中包含纬度、经度、高度、平台识别编号、国家代码和任务代码等信息。态势感知模式有两种工作方式，即“Triggered”和“Squittered”。“Triggered”为通用询问/应答工作方式，询问机通过发射询问信号，请求应答机发射位置报告；“Squittered”为“无呼叫应答”工作方式，空中或舰船的应答机将以0.45～0.55 s的间隔来发射位置报告，地面应答机将以2.2～2.8 s的间隔来发射位置报告。

2.3第3层级

Level 3为选址询问模式，实现了对友方战斗群中特定平台如舰队的旗舰、飞行中队的长机进行个别询问。

2.4第4层级

Level 4为数据传输模式，可实现空中、水面、地面等各武器平台间的高容量、高速率数据传输和交换。

由于目前国内外公开资料有限，对于Mode 5的Level 3和Level 4具体结构尚不明确，本文信号识别方法仅针对Mode 5询问信号与应答信号的第1层级和第2层级进行，不对第3层级和第4层级进行识别。

3Mode 5信号格式[9-10]

3.1Mode 5信号前导脉冲

Mode 5信号前导脉冲(图1)采用固定的16位二进制序列0111100010001001，前面由一个二进制值为零的单独参考码片作为基准码片引导，在基准码片之前采用两个导入码片，最末符号码片之后采用三个导出码片，以便进行发射机上升和下降时间控制，并且应是连续的符号码片序列。导入码片的二进制值为0，导出码片在0和1之间选择，第一个导出码片与最后一个符号码片相反。所以完整的Mode 5信号前导脉冲二进制序列应为0000111100010001001010。

图1　Mode 5信号前导脉冲

3.2Mode 5询问信号

Mode 5询问波形应包括4个前导脉冲，2个ISLS脉冲，以及11个数据脉冲，如图2所示。每个Mode 5询问波形符的位置应以第4个前导符(P4)为基准。脉冲宽度为1.062 5～1.375 μs。

图2　Level 1和Level 2询问信号格式

Mode 5前导符(P1、P2、P3和P4)用常规间距加上一个时间相关间隔值进行分隔。允许的间隔值取决于前导脉冲位置。Mode 5询问中4个前导符相对间距通过偏移脉冲P1、P2和P3增加传输保密(TRANSEC)相关的间隔值S1、S2和S3来决定。S1、S2和S3通过加密有效性间隔(CVI)与询问间隔指数x的按表1列出的等式计算。图3显示了在不同CVI情况下，S1，S2，S3随x变化的取值情况。ISLS符从P4到两个ISLS符位置后缘的间距分别为P4～I1：10.5 μs;P4～I2：16.375 μs。ISLS符位置的容限为±0.01 μs。数据符从P4到11个数据符之间的间距为：22.812 5 μs+5.75(N-1)μs±0.01 μs，N=1～11。

表1　间隔值计算(码片中的S1、S2、S3)

图3　S1、S2和S3在不同CVI情况下的取值情况

3.3Mode 5一级应答信号

Mode 5第一级应答信号由两个前导符(P1和P2)和9个连续数据符组成，参见图4。每个前导符采用固定的16位二进制序列0111100010001001。所有Mode 5第一级应答符的码片率为16±0.002 MHz。9个数据符连成应答数据脉冲，其中仅有第一个数据符有一个基准码片引导。每个数据符由模数2加上选定的16位Walsh函数(表示4个数据位)以及TRANSEC相关的16码片扩展函数构成。9个数据符相对于P2的间距应为2.062 5+(N-1)μs±0.01 μs，(N=1～9)。

Mode 5一级应答信号前导脉冲和数据脉冲的脉宽如下：前导脉冲1.062 5～1.375 μs，数据脉冲9.062 5～9.375 μs。

图4　Mode5 Level 1 应答信号格式

3.4Mode 5二级应答信号

Mode 5二级应答信号应包含4个前导符(P1，P2，P3和P4)和33个邻近的数据符号，参见图5。每个前导符均使用固定的16比特二进制序列0111100010001001。连接33个数据符，形成一个数据脉冲，数据符用选定的16位Walsh函数形成，利用与TRANSEC相关的16码片的扩展函数表示4个数据位。Mode 5所有二级报告符的码片率应为16±0.002 MHz。

图5　Mode5 Level 2应答信号格式

前导符和Mode 5二级报告数据脉冲宽度如下：前导脉冲1.062 5～1.375 μs，数据脉冲33.062 5～33.375 μs。P4到33个数据符中每个数据符后沿的间隔应为2.062 5+(N-1)μs± 0.01 μs，其中N等于1～33。

4基于时域特征的Mode 5信号识别方案

本文结合Mode 5信号的前导脉冲具有固定宽度1.062 5～1.375 μs，且使用固定的16比特二进制序列0111100010001001的时域特征和编码特征，提出了一种Mode 5信号的分选方案，如图6所示。

要在复杂的信号环境下识别Mode 5信号，首先要判断出Mode 5信号的前导脉冲头。前导脉冲具有固定的宽度和固定的码字，通过对相应脉宽的脉冲进行MSK解调，可以判断脉冲是否为Mode 5信号的前导脉冲。在FPGA中对侦收到的中频数据做数字下变频后，进行包络检波形成视频脉冲信号，通过对脉冲信号的时域参数测量，可在脉冲信号中提取脉冲宽度，脉冲幅度，脉冲到达时间，脉冲间隔，脉冲重复频率等脉冲参数。由于普通询问信号的脉冲宽度为0.45 μs，0.5 μs，0.8 μs，16.25 μs或30.25 μs，Mode 5信号脉宽则为1.062 5～1.375 μs，9.062 5～9.375 μs，33.062 5～33.375 μs，因此可通过脉冲宽度首先将可能为Mode 5信号的脉冲与其他模式的敌我识别信号脉冲分离开，对脉宽为1.067 5～1.375 μs之间的脉冲，则初步判断有可能为Mode 5信号，随即启动MSK快速解调，如解调结果二进制序列码元中含有0111100010001001，并满足导入导出码片规则，则判断为Mode 5信号，将其参数打包为PDW送入DSP。

在DSP中，根据PDW进行脉冲框架搜索对脉冲进行分选识别，若所收到的脉冲中含有S模式或Mode 5则启动中频数据提取进程，取出相应的中频数据，对其进行解码解译工作，提取询问或应答模式码，解译出信号所含信息。

5仿真结果

通过对Mark X、Mark XII、S模式和Mode 5的信号脉冲时域特征分析，可看出Mode 5询问和应答信号的脉冲宽度和脉冲组成框架均与其他模式不同，同时通过对Mode 5信号的计算机仿真，得到了Mode 5信号的包络检波数据(图7)，通过对其时域数据分析发现，在一定的信噪比情况下，可从Mode 5信号时域包络中通过能量检测得到Mode 5信号的脉冲包络，因此可通过时域能量检测方法和脉冲框架比对方法相结合的方式实现对Mode 5信号的侦察发现。

以Mode 5应答信号为例在强弱信号共存情况下进行Matlab仿真(SNR=15 dB，fs=160 MHz)，产生16组强弱不同的Mode 5应答信号，其中Level 1和Level 2各8组，两种应答信号交替出现。表2和表3分别为Level 1和Level 2信号分选结果。仿真结果表明：在强弱信号共存的情况下，该方法可对Mode 5信号进行分选且准确有效。

图6　Mode 5信号的识别方案框图

图7　Mode 5询问信号、应答Level 1、应答Level 2包络图

表2　Mode 5应答Level 1信号分选识别参数提取结果

表3　Mode 5应答level 2信号分选识别参数提取结果

6结论

根据对包含S模式在内的Mark XII信号采用基于脉宽和脉冲间隔的框架结构分选识别方案的工程应用情况可以得出，在采用FPGA V5 SX95T和DSP TMS320C6414芯片组合的硬件处理平台下，可对信号强度为10e4脉冲/s的辐射源进行分选处理，处理时间为ms量级。本文对Mode 5信号采用同样基于脉宽和脉冲间隔的分选识别方案，在相同的信号强度下，信号处理时间将不高于ms量级，从而支持该Mode 5信号识别方案的工程实现。

本文对Mode 5信号的性能特点，工作模式，信号格式等进行了分析研究，根据Mode 5信号的时域特征和编码特征，提出了一种Mode 5信号的识别方案。通过Matlab仿真验证表明，该方法能实现对Mode 5信号的分选识别，具有较好的工程应用前景。

在电子信号对抗中，侦察是手段，干扰是目的。在Mark XIIA系统信号侦察时，快速的识别出信号，提取多种可用参数，可以及时引导实施干扰。目前，对Mark XIIA系统信号可实现准实时的分选识别和参数提取，信号解调之后可对信号进行解码，得到信号表面的码字信息。但在未知扩频码的情况下，很难根据表面信息得到其内部所含的原始信息，其内涵信息暂无法提取，须进行更进一步的深入研究。

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(责任编辑杨继森)

收稿日期：2016-01-19；修回日期：2016-02-25

作者简介：李维科(1980—)，男，工程师，主要从事装备理论与装备技术研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.033

中图分类号：TN971

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)07-0153-05

Identification of Mark XIIA IFF Signals Based on Time Domain and Coding Characteristics

LI Wei-ke

(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

Abstract:Mode 5 IFF (Identification Foe or Friend) system is the core of Mark XIIA system. In this paper, analysis and research were made on the performance characteristics, working mode and signal format of Mode 5 signal. According to the time domain and coding characteristics of Mode 5, a new IFF Mode 5 identification method was proposed. The simulation and experimental results prove the method can realize the sorting identification of Mode 5 signal, which means a bright prospect of engineering application.

Key words:coding characteristic；signal format；Mark XIIA IFF system；working mode

【光学工程与电子技术】