Mark ⅫA Mode 5系統傳輸波形研究

付志波

【摘要】本文概述了Mark ⅫA Mode 5系統的組成及功能，重點論述了該系統的關鍵技術特征，分析了系統的傳輸波形產生機理，并從系統的安全性、可靠性及電磁兼容等方面對其設計思路進行了總結。

【關鍵詞】Mark ⅫAMode 5傳輸波形

Research on Transmission waveform of Mark ⅫA Mode 5 System

FU Zhi-bo

（Sichuan Jiuzhou Electric Group Co.LTD.，Mianyang 621000）

Abstract：This article describes the composition and function of the Mark ⅫA Mode 5 IFF system.Discussing the character of the key technologies and analyzing the generating principium of transmission waveform.Finally,the characters of design are summarized from the viewpoint of the systems security,reliability,electromagnetic compatibility and other aspects.

Keywords：Mark ⅫA，Mode 5，transmission waveform

Mark Ⅻ Mode 4敵我識別系統在使用中暴露出的系統安全性差、盟國識別系統間缺乏互操作性等問題。為適應未來信息化戰爭的需求，北約國家共同研制了Mark ⅫA Mode 5敵我識別系統，用于取代現役的Mark Ⅻ Mode 4敵我識別系統。Mark ⅫA Mode 5系統給各軍兵種提供一種保密、抗干擾、抗偵收、多工作模式的目標身份識別，由于其相對于Mode 4等原有識別技術作了較大的變革，如采用計算機現代加密、RS編碼、軟擴頻、MSK調制及隨機應答延遲等技術，提高了敵我識別系統的抗干擾、抗欺騙及抗偵收能力，增強了在各軍兵種和聯軍作戰的協同能力。物理層傳輸波形作為支撐Mark ⅫA Mode 5敵我識別系統能力的關鍵，對其的分析研究有著重要的意義，本文將重點對Mode 5系統的物理層傳輸波形進行分析研究。

一、Mode 5系統簡介

Mark ⅫA Mode 5系統主要包括天線單元、發射機、接收機、詢問信號處理單元、應答信號處理單元、目標顯示指令控制單元及密碼機等[1]。它是一個協作、詢問應答式的系統，當雷達發現目標后，由敵我識別系統的詢問機在1030 MHz頻點向待識別目標發射加密詢問信號；己方目標應答機對收到的詢問信號進行譯碼處理提取詢問信息，在1090 MHz頻點發射加密應答信號；詢問機收到應答信號后，對其進行譯碼提取目標信息。

Mode 5系統提供4級工作模式，分別為層級1、層級2、層級3、層級4，其中各個模式的功能如下[2]：（1）層級1是改進的詢問/應答識別模式，在該模式下，詢問/應答的信息中新增了致命因子（Lethal）和平臺識別碼（PIN）；（2）層級2是態勢感知識別模式，其報告中包括了高度、經緯度、國際標識等信息；（3）層級3是選址詢問模式，在該模式下，可以實現對有方的特定武器平臺的詢問；（4）層級4是數據傳輸模式，在該模式下，可以實現海、陸、空各武器平臺間的高速、高容量數據傳輸交換。

一旦選定工作模式，Mode 5系統就確定了具體數據格式，并通過發射機產生相應的波形，該波形在復雜電磁環境下，提供可靠的識別等服務，為確保系統性能和功能，同時減少對其他系統的干擾，Mode 5系統采用了基帶數據加密、檢錯編碼、軟擴頻、MSK調制、隨機應答延遲等技術。下面將從系統關鍵技術和波形產生兩個方面進行分析。

二、Mode 5關鍵技術分析

Mode 5針對Mode 4在使用中暴露出的安全性、保密性及抗干擾性差，系統內部干擾嚴重及北約各國IFF系統間缺乏互操作性等問題，采用了許多現代新技術，在兼容Mark Ⅻ敵我識別系統的基礎上，解決了現役敵我識別系統存在的問題，提升系統性能，拓展系統功能。下面主要介紹Mode 5系統的關鍵技術。

（1）碼技術。Mode 5系統使用可自動替換的黑色密鑰新加密算法，使系統加密更加方便、快捷、安全[3]。同時密碼系統設計只需滿足密碼機和詢問機（應答機）的接口要求，并且其加密算法只要能達到要求的安全性即可，這樣增加了密碼系統的靈活性更容易滿足不同北約國家對敵我識別系統的需要。（2）糾錯編碼技術。RS（11，9）是一種設計方便簡單、糾檢錯能力強、編碼效率高的信道編碼[4]。它可以提供一個符號的糾錯或最多兩個符號的刪除，是Mode 5具備強抗干擾能力的重要措施之一，成為了保證Mode 5優越性能的關鍵技術之一。（3）軟擴頻技術。軟擴頻技術是將直接擴頻和信道編碼技術結合，以實現頻譜擴展。軟擴頻具有抗干擾、抗多徑、碼分多址等能力，通過從信息空間到碼空間的映射，系統具有擴頻處理增益；采用基于Walsh碼的軟擴頻編碼，其正交碼生產容易，應用方便，適合信道的正交化[5]。以上因素正是Mode 5采用基于Walsh碼軟擴頻技術的重要原因。（4）數據擴展技術。作為一種信道加密技術，該技術從信息傳輸安全的角度，進一步加強了系統的安全性。（5）同步頭隨機抖動技術。同步作為確保通信的根本，其保密性對系統安全至關重要，而同步頭隨機抖動技術作為一種信道加密技術，該技術正是從通信同步的角度，進一步加強了系統的安全性。（6）Run-in/Run-out碼片。在傳輸符號的前沿和后沿分別添加Run-in / Run-out碼片，有效避免了脈沖的上升下降時間導致的信息丟失，進一步加強了系統的可靠性。（7）隨機應答延遲技術。應答機采用隨機應答延遲技術，該技術的應用使得應答延遲時間由應答機“決定”，即同一區域內的多個應答目標，應答信號和應答延遲時間都不相同，這樣就很好解決了系統間“混擾”的問題。（8）MSK調制技術。Mode 5系統采用MSK調整，充分利用MSK調制的帶寬窄、頻譜主瓣能量集中、旁瓣滾降衰減快及頻帶利用率高等特性，同時MSK調制是一種恒定包絡、相位連續的頻移鍵控調制，有效的避免了BPSK調制的問題[6]，這些優點正是Mode 5選擇MSK調制技術的關鍵原因。（9）帶外輻射抑制技術。Mode 5采用基帶成形濾波和射頻濾波等技術對帶外輻射進行處理，降低系統對其他鄰頻帶系統的干擾。采用基帶成形濾波技術后降低基帶信號帶外輻射，但若采用非線性功放，必然造成“頻譜再生”，導致帶外抑制性能下降，因此還需要采用射頻濾波技術降低功放輸出信號的帶外輻射。

三、Mode 5傳輸波形產生

鑒于層級3和層級4的具體技術規范還沒有完全定義，下面主要分析層級1和層級2波形產生過程。

3.1層級1/層級2詢問波形產生

詢問波形生成過程如下[7]：（1）詢問請求：詢問機將5 bit詢問請求格式信息和15 bit通信安全有效時間間隔組合成詢問加密請求信息，提交給加密計算機，觸發本次詢問加密。（2）詢問加密：對于一個詢問加密請求，加密計算機應返回36 bit加密詢問數據、36 bit應答保護數據、應答傳輸安全數據和詢問傳輸安全數據。（3）糾錯編碼：將36 bit的加密詢問數據每4 bit構成一列，從最低有效位開始，依次形成一個4行9列的矩陣，通過糾錯編碼矩陣計算RS（11，9）糾錯編碼，構成44 bit糾錯編碼數據。（4）數據編碼：RS編碼后的數據中每4 bit，從最低有效位開始，從Walsh函數表中選擇符號數據進行數據編碼，從而得到11個數據符號，其中每個數據符號為16 bit。（5）數據擴展：每個Walsh編碼處理后的16 bit數據符號模2相加由符號擴展函數表中選擇的與詢問擴展索引相關的16 bit符號擴展函數形成擴展后的數據。（6）添加Run-in/Run-out碼片：為對發送信號的上升和下降時間進行控制，分別在數據的每個符號前沿添加Run-in碼片，后沿添加Run-out碼片，形成最終可調制數據。（7）調制及帶外輻射抑制：依據詢問抖動索引和當前通信安全有效時間間隔技術計算同步頭抖動值，并按照詢問信號格式，對傳輸數據進行16 MHz MSK調制，并嚴格按發射頻譜包絡要求對帶外輻射進行抑制。

3.2層級1識別/數據應答波形產生

層級1應答波形生成過程如下[7]：（1）應答信息生產：對于識別應答，包含應答隨機延遲和隨機數，二者重復1次，構成應答數據，應答數據與應答保護數據模2相加得到36 bit待加密數據。對于數據應答，包含應答隨機延遲、平臺識別碼、國籍碼、任務代碼、特殊應答碼，構成應答數據，應答數據與應答保護數據模2相加得到36 bit待加密數據。（2）應答請求：對于一個應答加密請求，應答機將36 bit待加密數據構成應答加密請求信息，提交給加密計算機，觸發本次應答加密。（3）信息加密：加密計算機響應應答加密請求，并返回36 bit加密的應答數據。（4）數據編碼：加密后的36 bit數據中每4 bit，從最低有效位開始，從Walsh函數表中選擇符號數據進行數據編碼，從而得到9個數據符號，其中每個數據符號為16 bit。（5）數據擴展：每個Walsh編碼處理后的16 bit數據符號模2相加由符號擴展函數表中選擇的與應答擴展索引相關的16 bit符號擴展函數形成擴展后的數據。（6）添加Run-in/Run-out碼片：為對發送信號的上升和下降時間進行控制，將在數據塊的前沿添加Run-in碼片，后沿添加Run-out碼片，形成最終可調制數據。（7）調制及帶外輻射抑制：在應答隨機延遲后，依據應答抖動索引計算同步頭抖動值，并按照應答信號格式，對傳輸數據進行16 MHz MSK調制，并嚴格按發射頻譜包絡要求對帶外輻射進行抑制。

3.3層級2報告波形產生

層級2報告波形生成過程如下[7]：（1）報告信息生產：報告信息由77 bit戰術數據構成待加密信息。（2）報告請求：應答機將77 bit 戰術數據、4 bit報告請求格式信息和15 bit通信安全有效時間間隔組合成報告加密請求信息，提交給加密計算機，觸發本次報告加密。（3）詢問加密：對于一個報告加密請求，加密計算機應返回108 bit加密詢問數報告據和報告傳輸安全數據。（4）糾錯編碼：將108 bit的加密報告數據分為三個36 bit報告段，每個報告段的編碼過程同詢問數據糾錯編碼過程，每一個糾錯編碼附加到相應的報告段，形成RS編碼數據。（5）數據編碼：RS編碼后的數據中每4 bit，從最低有效位開始，從Walsh函數表中選擇符號數據進行數據編碼，從而得到11個數據符號，其中每個數據符號為16 bit。（6）數據擴展：每個Walsh編碼處理后的16 bit數據符號模2相加由符號擴展函數表中選擇的與報告擴展索引相關的16 bit符號擴展函數形成擴展后的數據。（7）添加Run-in/Run-out碼片：為對發送信號的上升和下降時間進行控制，分別在數據塊前沿添加Run-in碼片，后沿添加Run-out碼片，形成最終可調制數據。（8）調制及帶外輻射抑制：依據報告抖動索引和當前通信安全有效時間間隔計算同步頭抖動值，并按照報告信號格式，對傳輸數據進行16 MHz MSK調制，并嚴格按發射頻譜包絡要求對帶外輻射進行抑制。

四、Mode 5傳輸波形設計思路

通過以上分析，可見Mode 5信號的產生主要從以下幾個方面考慮：（1）安全性：為確保系統安全性，Mode 5信號的產生充分利用了計算機現代信息加密技術和信道加密技術（包括同步頭隨機抖動技術和數據擴展技術）。（2）可靠性：為了加強系統的可靠性，通過糾錯編碼技術和軟擴頻技術增加抗干擾能力；采用添加Run-in/Run-out碼片技術避免脈沖上升下降沿導致的信息丟失；利用隨機應答延遲技術解決系統間“混擾”。（3）電磁兼容：為了減少對鄰帶系統的干擾，Mode 5采用了帶寬窄、頻譜主瓣能量集中、旁瓣滾降衰減快及頻帶利用率高的MSK調制，同時采用基帶成形濾波和射頻濾波等帶外輻射抑制技術。

五、小結

根據對Mode 5傳輸波形的分析研究，對其進行總結，筆者認為如果要設計類似Mode 5系統的傳輸波形，為確保系統安全性，可采用計算機現代信息加密技術和信道加密技術；為了加強系統的可靠性，可采用糾錯編碼技術、軟擴頻技術、隨機應答延遲技術及添加Run-in/Run-out碼片。為了減少對鄰帶系統的干擾，可采用帶寬窄、頻譜主瓣能量集中、旁瓣滾降衰減快及頻帶利用率高的MSK調制，同時采用基帶成形濾波和射頻濾波等帶外輻射抑制技術。筆者僅是根據搜集到的資料和自身的工程經驗，對Mode 5傳輸波形進行研究分析，以供從事相關系統研發和設計人員借鑒參考。

參考文獻

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[3]邱宏坤，楊建波，毛虎. Mark ⅫA IFF系統及其消息信號格式[J]. 電訊技術，2010，50（6）

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[7]AIMS 03-1000A，Technical Standard for the ATCRBS/IFF/Mark ⅫA Electronic Identification System and Military Implementation of Mode S[S].