基于FPGA的IFF-MSK调制系统设计

刘志武，刘志凌，江传民，陈 鹏，曹振新

(1.中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007；2.东南大学信息科学与工程学院，江苏 南京 210096)

0 引言

本文通过对传统敌我识别系统(Identification Friend or Foe)中敌我识别应答这一部分功能的进一步研究，针对在敌我识别通信系统中出现的多径效应，将发射端信号选用合适的扩频码进行扩频编码，选用自相关性能优良的扩频码序列可以有效地抵抗多径效应，从而增强信号的抗干扰能力。同时，在接收端利用多通道并行处理信号，创新地提出了将原本的解调部分转化为接收信号直接与预置信号进行相关性检测，通过是否达到判决门限来分辨敌我目标，大大提升了敌我识别应答的时间。

考虑到敌我识别系统需要的高稳定性和高可靠性，且鉴于目前敌我识别系统均采用二进制最小频移键控(MSK)调制方式，故本文仍继续采用MSK调制，并使用高性能的FPGA来实现。本文利用了FPGA运算速度更快、功耗更低的固有特点，在接收端使用多通道并行运算，可以同时完成相关运算，达到利用资源换速度、利用空间换时间的目的。通过后续仿真实验证明，该系统能快速有效地分辨出敌我信号，具有较高的可靠性和稳定性。

1 IFF-MSK系统原理和结构

1.1 MSK调制解调原理

MSK信号可以看成调频指数为0.5的连续相位频移键控(CPFSK)，其与普通2FSK信号的差别在于选择的两个传信频率在一个码元期间相位积累严格地相差180°。MSK信号具有恒定的包络，不受信道非线性的影响，且具有相位连续，功率谱的旁瓣衰减较快等优点。

MSK信号表达式如下：

假设扩频码为αk(αk=±1，k=1,2,3,…)，则MSK调制信号可以表示为:

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

(1)

式中,Q路信号为：

Qk(t)=cos(φk)cos(πt/2Ts)cos(2πfct)

(2)

I路信号为：

Ik(t)=-αkcos(φk)sin(πt/2Ts)sin(2πfct)

(3)

这里Ts表示每个码的持续时间，fc为载波频率，φk为每个码对应的相位，即:

φk=1/2π(αk-1-αk)(k-1)+φk-1=

(4)

那么，cosφk便可以表示为：

(5)

MSK解调与FSK解调一样，可以分为相干解调和非相干解调两类。常见的相干解调有平方环提取载波法，通过利用MSK调制信号I、Q两路信号相互正交的特点提取载波来完成相干解调，此解调方法对载波同步的要求很高，且运算复杂时延很高，不适用于瞬息万变的战场；而常见的非相干解调有延迟差分解调法，包括一比特差分延迟解调法和二比特差分延迟解调法，这些方法电路简单，速度较相干解调大为加快，但是在信噪比较低的时候误码率较高。

本文考虑在IFF系统背景下，如何更进一步提高系统的抗干扰性能，并在非相干解调的基础上更进一步地提高敌我识别的速度，具体做法如下：

1)在系统发射端增加扩频码调制，并预设N组扩频码，每组扩频码对应传输简单的信息，选择扩频码组并进行MSK调制；

2)在系统接收端采用多通道并行处理的方式，每一个通道都预存不同伪随机码组扩频之后MSK调制的波形数据，同时发射端的信号输入至多通道中进行相关处理，通过比较相关波峰的大小，来判决发射端的扩频码码组，从而完成敌我识别和信息传递。

1.2 IFF-MSK系统结构

IFF系统发射端采用MSK调制产生扩频信号，扩频码长为10，码速率为1 MHz，采用10 MHz中频载波。IFF系统发射端系统框图如图1所示。

IFF系统接收端采用多通道，实现并行非相干信号处理，每个通道对应一组预选扩频码，从每个通道输出的相关系数大小，判断IFF发射扩频码，从而实现对敌我目标的识别。IFF系统接收端系统框图如图2所示。

图1 IFF-MSK发射端系统框图

图2 IFF-MSK接收端系统框图

2 系统关键技术

2.1 发射端

发射端在常规的MSK调制之前加入伪随机码组，选择一个伪随机码进行MSK调制。根据上节指出的MSK调制原理，使用Vivado进行时序仿真后，其发射端整体的仿真波形如图3所示，图中I路和Q路信号相互正交，在一个码元周期内严格的相差180°。

图3 时序仿真中发射端输出波形

2.2 接收端

考虑到本次设计是为了在敌我识别系统中快速分辨敌我双方，相干解调和非相干解调都不能完美地满足设计要求，故本次设计直接在接收端预置发射端的10组伪随机码码组调制数据，信号进入接收端后同时与该10组伪随机码储存在本地的MSK波形数据做相关性检测，通过判决门限来判断是否为我方信号。

信号相关模块是本次设计的关键模块，在FPGA开发板中，本地参考信号先存入ROM中，发射信号输入到接收端后先存入寄存器中，此时调用本地参考信号按序相乘，并将每一次的相乘结果输入至累加器中，最后对累加结果做平方消除负值影响，由于平方后数值较大，超出FPGA开发板的寄存器位数限制，为达到快速输出的目的，本设计可以截取数值前若干位输入至后置寄存器中即可。若输入信号与本地参考信号是强相关信号，则会产生数值很大的波峰，设定合适的判决门限就能分辨出发射信号是哪一路信号。

输入信号进入相关模块后输出的仿真波形如图4～6所示，设输入信号的扩频码为1001000000。

图4 本地扩频码为1001000000

图5 本地扩频码为0101010100

图6 本地扩频码为1001000000

每个通道都由不同的扩频码产生的MSK波形，如图所示，图5是相同的扩频码进行相关后产生的波形，其波峰的最大值明显高于其他2个通道产生的波峰最大值(高出1个数量级)，所以接收端可以准确分辨出发射端发射的是哪一组扩频码码组，如果所有通道的相关波峰均未达到要求，则该信号被判定为敌方信号。

3 结束语

本文根据IFF-MSK系统的原理和特点，设计了一种基于FPGA的调制解调系统。对系统工作原理和工作流程都进行了详细设计。与传统的IFF-MSK系统相比，本文提出的方案具有性能好、运行速度快的特点，仿真证明系统运行高效、可靠。