Mark XIIA Mode 5系統中的MSK技術應用

關春健，楊建波，劉 鵬

（空軍航空大學，吉林 長春 130022）

0 引言

西方研制的IFF Mark XIIA是一種新型敵我識別系統，它取代了原有的Mark XII系統，克服了舊型系統受自身和外界的干擾影響大、安全性差設計缺陷，在兼容原有SIF、Mode 4工作模式基礎上，增加了Mode 5[1]。它保持了協同識別的理念，對關鍵技術上進行革新，從而使系統抗干擾性、保密性顯著增強。文中將介紹最小頻移鍵控技術在 Mark XIIA系統中的應用，然后分析了MSK調制/解調原理，最后對比Mode 4中二進制相移鍵控（BPSK）來分析MSK技術的性能。

1 Mode 5中的MSK技術

Mark XIIA Mode 5融合了數字化、大吞吐量的特點。該系統不但能完成基本的敵我識別功能，同時具有態勢感知、選址詢問和數據傳輸等功能[2]。它工作在 L波段，詢問/應答異頻，分別為 1 030 MHz、1 090 MHz。區別于Mode 4采用的BPSK調制，新系統在詢問、應答、數傳中均使用MSK調制技術。

1.1 信號原理

最小頻移鍵控(MSK，Minimum Shift Keying)，是指調制指數為0.5的連續相位頻率鍵控（CPFSK，Continuous Phase Frequency Shift Keying)。MSK調制信號具有包絡恒定、相位連續、頻率間隔最小的特點[3]，信號沒有相位突變。它的時域信號數學表達式可寫為：

式中，fc=1/Tc表示載頻，φ(t)表示連續的相位，Tb表示碼元寬度，θn表示載波相位常數，在第n個碼元內恒定，其表達式為：

式中，an=±1表示碼元為1或0。可見，相位常數θn的大小受到當前an和前面相位常數影響，從而前后碼元形成一定的相關性。若以載波相位為基準，φ(t)在一個碼元周期內的準確線性變化為±π/2，而且在碼元轉換時刻信號具有連續的φ(t)，信號時域波形不發生跳變[4]。分別令 an=+1、an=-1，可以得到信號的頻率間隔為：

圖1所示為MSK信號的時域波形，可見Tb=1.5(1/ f1)，Tb= 2 (1/ f2)。在一個碼寬時間內，碼“+1”和“-1”的時域波形相差半周期，f1和 f2相位之差為π。通過該方法可使碼元轉換時信號相位連續，并使得頻差最小，相差最大。

圖1 MSK信號的波形

每個模式5 PG詢問/應答信號應使用MSK調制，碼速率為16 ± 0.002 Mb/s。Mode 5詢問信號中的MSK可通過兩個頻率= 1 026± 0 .050MHz 和= 1 034± 0 .050MHz 之間的相位相干二進制FSK信號來表示，詢問信號中的MSK可通過兩個頻 率=1086± 0 .100MHz 和= 1 094±0.100MHz之間的相位相干二進制 FSK信號來表示，Δ F = 1 /2Tb，這里 Tb= 1 /16us 。

1.2 MSK調制原理

從調制角度分析，式（1）可變為：

根據式（4）構成如圖2所示方框圖。

對上述調制過程進行了仿真，仿真中采用的碼元寬度cT為0.062 5 μs，即與Mode 5傳輸碼元的寬度相同。仿真結果如圖3所示。

圖2 MSK調制原理框

圖3 MSK信號時域波形

圖3所示為MSK信號的時域波形圖，MSK調制信號的形成可以看成正交載波cos()和分別被幅度調制之后形成的。

1.3 MSK解調原理

由于MSK信號采用較小的調制指數，如果使用普通的鑒頻器方式進行解調，不能獲得較好的誤碼率性能。因此在對誤碼率性能有較高要求時大多采用相干解調方式[3]。

MSK解調原理如4圖所示。

圖4 MSK解調原理框

圖4中積分器的積分間隔為2Tc，該種接收方式的誤碼率與BPSK相同，所以在高斯白噪聲環境下，M K的誤碼率為：

由圖5所示的MSK信噪比-誤碼率曲線圖可知，MSK調制可以提高系統的抗干擾能力，且仿真結果與理論結果幾乎相同，仿真有效。

圖5 MSK誤碼率

2 MSK信號性能分析

傳統的Mark XIIA Mode 4所采用的是BPSK調制信號。它是一種載波相位不連續的調制方式，并且當相位發生突變時信號頻譜出現較大的旁瓣。通常的解決方法是利用窄帶濾波器濾除掉旁瓣，但是濾波直接影響了信號包絡的變化，形成非等包絡波。包絡變化的信號在非線性信道中傳輸時，包絡發生失真現象，導致再次形成旁瓣影響，從而降低了頻譜利用率[5]。

采用矩形數據脈沖的BPSK信號的功率譜密度為：

式中，Eb表示每個比特的能量，Ts表示比特間隔，Rs=表示比特率，fc表示載頻。

MSK信號的功率譜密度為：

由圖6 MSK信號與BPSK信號的功率譜密度對比可以看出：

1）MSK信號比BPSK信號功率譜更密集，且其主瓣的頻帶寬度小于BPSK信號；主瓣兩側旁瓣下降幅度幅度較大。表明MSK信號的功率主要集中在主瓣以內。因此，MSK對帶寬要求較小，對相鄰信道的影響較小，可在窄帶中傳輸。

2）由于MSK信號窄帶傳輸，其抗干擾能力勢必要比BPSK強。這也是采用MSK調制的原因之一。

圖6 MSK與BPSK信號功率譜

3 結語

信息化戰爭背景下，電子戰系統面臨巨大的挑戰。Mark XIIA Mode 5敵我識別系統正是適應這種要求，而朝著數字化、安全性能更高、抗干擾性更強的方向發展。在調制技術方面，MSK同BPSK一樣具有較好的誤碼率性能[6-9]。與此同時，MSK信號頻帶利用率更高，也減少了對其他L頻段民用系統的影響，成為了Mode 5優越性能的關鍵技術之一。

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