基于FPGA的IFF-MSK調制系統設計

劉志武，劉志凌，江傳民，陳 鵬，曹振新

(1.中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007；2.東南大學信息科學與工程學院，江蘇 南京 210096)

0 引言

本文通過對傳統敵我識別系統(Identification Friend or Foe)中敵我識別應答這一部分功能的進一步研究，針對在敵我識別通信系統中出現的多徑效應，將發射端信號選用合適的擴頻碼進行擴頻編碼，選用自相關性能優良的擴頻碼序列可以有效地抵抗多徑效應，從而增強信號的抗干擾能力。同時，在接收端利用多通道并行處理信號，創新地提出了將原本的解調部分轉化為接收信號直接與預置信號進行相關性檢測，通過是否達到判決門限來分辨敵我目標，大大提升了敵我識別應答的時間。

考慮到敵我識別系統需要的高穩定性和高可靠性，且鑒于目前敵我識別系統均采用二進制最小頻移鍵控(MSK)調制方式，故本文仍繼續采用MSK調制，并使用高性能的FPGA來實現。本文利用了FPGA運算速度更快、功耗更低的固有特點，在接收端使用多通道并行運算，可以同時完成相關運算，達到利用資源換速度、利用空間換時間的目的。通過后續仿真實驗證明，該系統能快速有效地分辨出敵我信號，具有較高的可靠性和穩定性。

1 IFF-MSK系統原理和結構

1.1 MSK調制解調原理

MSK信號可以看成調頻指數為0.5的連續相位頻移鍵控(CPFSK)，其與普通2FSK信號的差別在于選擇的兩個傳信頻率在一個碼元期間相位積累嚴格地相差180°。MSK信號具有恒定的包絡，不受信道非線性的影響，且具有相位連續，功率譜的旁瓣衰減較快等優點。

MSK信號表達式如下：

假設擴頻碼為αk(αk=±1，k=1,2,3,…)，則MSK調制信號可以表示為:

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

(1)

式中,Q路信號為：

Qk(t)=cos(φk)cos(πt/2Ts)cos(2πfct)

(2)

I路信號為：

Ik(t)=-αkcos(φk)sin(πt/2Ts)sin(2πfct)

(3)

這里Ts表示每個碼的持續時間，fc為載波頻率，φk為每個碼對應的相位，即:

φk=1/2π(αk-1-αk)(k-1)+φk-1=

(4)

那么，cosφk便可以表示為：

(5)

MSK解調與FSK解調一樣，可以分為相干解調和非相干解調兩類。常見的相干解調有平方環提取載波法，通過利用MSK調制信號I、Q兩路信號相互正交的特點提取載波來完成相干解調，此解調方法對載波同步的要求很高，且運算復雜時延很高，不適用于瞬息萬變的戰場；而常見的非相干解調有延遲差分解調法，包括一比特差分延遲解調法和二比特差分延遲解調法，這些方法電路簡單，速度較相干解調大為加快，但是在信噪比較低的時候誤碼率較高。

本文考慮在IFF系統背景下，如何更進一步提高系統的抗干擾性能，并在非相干解調的基礎上更進一步地提高敵我識別的速度，具體做法如下：

1)在系統發射端增加擴頻碼調制，并預設N組擴頻碼，每組擴頻碼對應傳輸簡單的信息，選擇擴頻碼組并進行MSK調制；

2)在系統接收端采用多通道并行處理的方式，每一個通道都預存不同偽隨機碼組擴頻之后MSK調制的波形數據，同時發射端的信號輸入至多通道中進行相關處理，通過比較相關波峰的大小，來判決發射端的擴頻碼碼組，從而完成敵我識別和信息傳遞。

1.2 IFF-MSK系統結構

IFF系統發射端采用MSK調制產生擴頻信號，擴頻碼長為10，碼速率為1 MHz，采用10 MHz中頻載波。IFF系統發射端系統框圖如圖1所示。

IFF系統接收端采用多通道，實現并行非相干信號處理，每個通道對應一組預選擴頻碼，從每個通道輸出的相關系數大小，判斷IFF發射擴頻碼，從而實現對敵我目標的識別。IFF系統接收端系統框圖如圖2所示。

圖1 IFF-MSK發射端系統框圖

圖2 IFF-MSK接收端系統框圖

2 系統關鍵技術

2.1 發射端

發射端在常規的MSK調制之前加入偽隨機碼組，選擇一個偽隨機碼進行MSK調制。根據上節指出的MSK調制原理，使用Vivado進行時序仿真后，其發射端整體的仿真波形如圖3所示，圖中I路和Q路信號相互正交，在一個碼元周期內嚴格的相差180°。

圖3 時序仿真中發射端輸出波形

2.2 接收端

考慮到本次設計是為了在敵我識別系統中快速分辨敵我雙方，相干解調和非相干解調都不能完美地滿足設計要求，故本次設計直接在接收端預置發射端的10組偽隨機碼碼組調制數據，信號進入接收端后同時與該10組偽隨機碼儲存在本地的MSK波形數據做相關性檢測，通過判決門限來判斷是否為我方信號。

信號相關模塊是本次設計的關鍵模塊，在FPGA開發板中，本地參考信號先存入ROM中，發射信號輸入到接收端后先存入寄存器中，此時調用本地參考信號按序相乘，并將每一次的相乘結果輸入至累加器中，最后對累加結果做平方消除負值影響，由于平方后數值較大，超出FPGA開發板的寄存器位數限制，為達到快速輸出的目的，本設計可以截取數值前若干位輸入至后置寄存器中即可。若輸入信號與本地參考信號是強相關信號，則會產生數值很大的波峰，設定合適的判決門限就能分辨出發射信號是哪一路信號。

輸入信號進入相關模塊后輸出的仿真波形如圖4～6所示，設輸入信號的擴頻碼為1001000000。

圖4 本地擴頻碼為1001000000

圖5 本地擴頻碼為0101010100

圖6 本地擴頻碼為1001000000

每個通道都由不同的擴頻碼產生的MSK波形，如圖所示，圖5是相同的擴頻碼進行相關后產生的波形，其波峰的最大值明顯高于其他2個通道產生的波峰最大值(高出1個數量級)，所以接收端可以準確分辨出發射端發射的是哪一組擴頻碼碼組，如果所有通道的相關波峰均未達到要求，則該信號被判定為敵方信號。

3 結束語

本文根據IFF-MSK系統的原理和特點，設計了一種基于FPGA的調制解調系統。對系統工作原理和工作流程都進行了詳細設計。與傳統的IFF-MSK系統相比，本文提出的方案具有性能好、運行速度快的特點，仿真證明系統運行高效、可靠。