一种新的安控体制研究

徐 杨

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

安全遥控是所有飞行器发射时(导弹试验、火箭发射、卫星发射、载人航天和深空探测等) 所必需的一个系统。空间发射飞行终端系统[1](Space Launch Flight Termination System，SLFTS)是2010年美国空军和联合发射联盟开始着手研究的下一代安控系统，采用Manchester编码-2CPFSK-FM的体制。我国早期使用的是PCM-BPSK-FM体制，相比较来说，连续相位频移键控[2](Continuous-Phase Frequency Shift Keying，CPFSK)在选择适当的设计参数时，误码率性能比二进制相移键控 (Binary Phase Shift Keying，BPSK)要好，而且信号占用频带比BPSK要小[3]。正是由于这项优点，通过对2种体制发射机设计原理对比，提出了一种设计改造方法，可以通过修改PCM-BPSK-FM体制发射机设计参数的方法实现SLFTS安控系统发射机设计，并给出了详细设计方法。通过对基带软件和硬件内嵌入式软件的升级改造，在不更换硬件平台、不切换工作模式的条件下，只改变指令参数，就可以对分别使用PCM-BPSK-FM和SLFTS两种模式的各目标进行安全遥控。

1 PCM-BPSK-FM设计原理

PCM-BPSK-FM的遥控发射机设计原理如图1所示。

图1 PCM-BPSK-FM的遥控发射机设计原理Fig.1 Schematic diagram of PCM-BPSK-FM launcher design

指令数据先进行PCM编码(编码类型可计算机软件配置)，再进行BPSK调制到副载波上，最后经FM发出。其中，遥控副载波频率和码速率都是计算机软件可配置的。

遥控副载波的形成可在硬件上采用DDS完成，主要由FPGA内部实现，由计算机软件将副载波频率参数发送给DSP，由DSP根据所用时钟计算出频率控制字，再对FPGA电路进行控制和参数设置。码速率的产生原理与副载波频率相同，也是由频率控制字控制DDS产生，取DDS的最高位作为码速率时钟输出。

计算机软件将要发送的命令、PCM编码类型、副载波频率和码速率都发送给DSP，由DSP完成编码和DDS参数计算，然后DSP将副载波频率频率控制字、码速率频率控制字和编码后的命令写入FPGA进行BPSK调制，BPSK调制设计实现框图如图2。

图2 BPSK调制设计实现框图Fig.2 BPSK design diagram

DDS1和DDS2置入相同的副载波频率控制字，使二者产生初始相位相差180°的2路正弦波，用指令码选择DDS1或DDS2输出；同时，控制命令输出的码速率与DDS频率控制字相关，保证码速率时钟上升沿输出副载波0相位的正弦波，即完成BPSK调制；最后进行FM输出。

2 SLFTS的设计原理

SLFTS体制即Manchester编码-2CPFSK-FM，它的遥控发射机设计原理如图3所示。

图3 SLFTS系统发射机设计原理Fig.3 Schematic diagram of SLFTS launcher design

指令帧数据先用3DES的方法进行加密，加密后的指令进行曼彻斯特编码，编码后的命令进行2CPFSK调制，最后进行FM产生指令信号进行发送。其中，加密使用的密码、遥控副载波频率和码速率都是计算机软件可配置的。

指令数据加密部分放在计算机软件内完成，可以很方便地更改指令内容和加密密码。遥控副载波频率和码速率设计与PCM-BPSK-FM体制相同。计算机软件将加密后的指令、副载波频率和码速率都发送给DSP进行Manchester编码和2CPFSK的调制参数计算，DSP根据软件发来的频率参数和所用时钟计算出DDS参数，写入FPGA电路进行控制和参数设置完成2CPFSK调制。最后信号进行FM输出。

2CPFSK调制设计实现框图如图4所示。

图4 2CPFSK调制设计实现框图Fig.4 2CPFSK design diagram

2CPFSK调制设计方法与BPSK调制设计原理框图相像，区别在于2个DDS的频率控制字不同，与码速率相关，保证码速率时钟上升沿时，不同码输出的2个副载波相位连续，满足2CPFSK调制的条件。

3 实现方法

根据以上对2种体制的原理介绍，发现2种体制设计大部分相同，最大的区别在于参数设置，这就为PCM-BPSK-FM修改为SLFTS体制提供了很大的便利。

通过图1与图3的对比及图2与图4的对比，可以将PCM-BPSK-FM的发射机设计原理做如下改动：(1)在计算机软件中命令码产生部分增加加密功能，各种加密原理与方法在文献[4-6]中有相关论述；(2)PCM编码部分改为Manchester编码；(3)计算机软件发送给DSP的副载波频率参数改为2CPFSK的频率参数，DDS1和DDS2的频率控制字不同，与码速率相关，满足2CPFSK调制的条件。之后的FM设计不做改动，将在用的PCM-BPSK-FM发射机修改为SLFTS发射机。

举例来说，PCM-BPSK-FM使用码速率1 kHz、副载波频率10 kHz，修改时可以将副载波频率分别设置为2，5 kHz，让码速率时钟上升沿输出副载波0相位的正弦波，形成2CPFSK调制方式。

副载波频率有2种，在PCM-BPSK-FM体制中，由于只有一个副载波频率，所以调制系数选择范围比较宽，而在2CPFSK调制中，调制系数的选择就要考虑2个副载波频率的关系。通信设计中一般选择调制系数0.5或0.715作为2CPFSK调制的调制系数[7]，在文献[8]中得到了验证。在工程设计中，参数设计会使用调制频率偏移f频偏(简称调制频偏)，调制系数β是调制频偏除以副载波频率fm的结果：

2种副载波频率使用一个调制频偏会导致2种调制系数。

调频信号可表示为[9]：

SFM(t)=Acos[ωct+βsinωmt]=

Acosωctcos(βsinωmt)-Asinωctsin(βsinωmt)，

式中，cos(βsinωmt)和sin(βsinωmt)可进一步展开成以贝塞尔函数为系数的三角级数，即：

式中，Jn(β)称为第一类n阶贝塞尔函数，是n和β的函数，

根据贝塞尔函数的性质，

变换为频域表示为：

[δ(ω-ωc-nωm)+δ(ω+ωc+nωm)]。

由于2CPFSK一般选择调制系数0.5或0.715，因此：

J0(β)≈1，

J1(β)≈β/2，

Jn(β)≈0，n>1。

因此，副载波频率在频域为：

可见，调频信号的幅度为Aβπ/2，与调制系数β呈正比。通过预先对副载波幅度进行适当调整，可以在FM中将2CPFSK的2个副载波频率的调制系数统一为一个调制系数，解决了用一个调制频偏进行FM，使2CPFSK的2个副载波频率产生2个调制系数，调频信号的幅度不一致，导致解调误码率高的问题。这与主字母体制中的预加重方法[10]原理相同。

通过以上分析，将PCM-BPSK-FM的发射机改造为SLFTS发射机的具体实现还需要增加幅度调整功能。改造设计幅度调整框图如图5所示。

图5 改造设计幅度调整框图Fig.5 Diagram of amplitude adjusting in modified design

如果使用PCM-BPSK-FM模式，则幅度系数1，2相同即可。

由于指令终端硬件设计采用的是大规模集成电路，以上改造设计可以通过修改计算机软件和大规模集成电路的软件无线电程序完成，实现在原来设备硬件平台上对目标飞行器发出SLFTS体制指令。

4 结束语

SLFTS安控体制是美国安控体制发展经历了IRIG-TONE，HA-FTS及EHA-FTS安控体制[11]之后设计出来的，在考虑通用化、简单和经济适用的基础上，尽量继承以往成熟模块，做到对现有设备改动最小，达到将物尽其用、设备更新换代及性能提升的目的。在被提出前就考虑到需要改造最早期的IRIG-TONE体制设备，所以对硬件要求并不高。通过对PCM-BPSK-FM和SLFTS的设计对比，提出了一种将PCM-BPSK-FM发射机改造为SLFTS发射机的方法，通过修改现有设备平台的计算机软件和大规模集成电路的软件无线电程序就能实现，使用CPFSK调制方式，与改进的调制方式MSK和GMSK已应用于多方面，如文献[2，8，12-15]的论述。与BPSK相比性能更好，与加密技术结合在一起，在较低的改造成本下，实现设备性能的整体提升，完全满足目前安控设备所需要的保密性、可靠性、低误码率及低虚指令率等性能需求，同时也能满足未来安控设备的需求[16]，为今后工程设计实现提供了理论依据。