IFF应答信号实时检测技术

赵 琨，何玉红

(1.西安电子科技大学，陕西西安 710071;2.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

无源被动探测系统通过接收、分析目标发射的电磁信号来确定目标的各类参数，自身不需要发射电磁信号，因此许多国家都开始发展无源探测技术。IFF系统作为现代战争中识别敌我的一种重要手段，广泛装备于军用飞机、舰艇等作战武器平台，同时也安装在民用飞机上，用于空中交通管制。IFF系统的广泛使用，也使得IFF信号成为无源被动探测的主要目标之一。通过对IFF信号的实时检测与测量，可以为无源被动探测提供有利的数据，进行目标识别、定位和跟踪等，而这些功能都对实时性的要求非常高，因此，该文将对IFF系统应答信号实时检测技术进行分析。

1 IFF应答信号特征

IFF信号属于二次雷达信号，用固定点频进行询问和应答，询问频率为1030 MHz，应答频率为1090 MHz，主要用于对雷达检测到的目标进行属性判别。其询问和应答脉冲采用脉冲幅度调制(PAM)，不同工作模式的IFF信号的脉冲宽度、脉冲间隔及框架脉冲结构不同，不同目标发射的IFF信号则可通过信息码进行区分。因此，通过对IFF信号的实时检测和测量，得到脉冲宽度和间隔，即可进行模式识别和多目标分选，获取其辐射源目标的有关信息。典型的信号时域波形如图1所示。

图1 典型IFF应答信号时域图

IFF应答信号的载频为已知的1090 MHz，它是一系列的短脉冲序列经过载波调制而成。常见的几种IFF应答信号规格与技术参数如表1所示。

表1 IFF应答信号参数

IFF应答信号的数学表达式为:

式中，A(t)为IFF信号的基带脉冲序列，f0为载波频率，φ0为载波初始相位。经过中频采样后得到的敌我识别信号表达式为:

从式(2)可以看出，只要提取出脉冲信号的包络函数A(n)，并测量其到达、结束时间，即可得到脉冲宽度和脉冲间隔等参数，如图2所示。

图2 脉冲参数

2 IFF应答信号实时检测技术

根据IFF应答信号特征，采用基于零中频的时域信号检测技术进行实时脉冲检测，具体流程如下:中频输入信号经模数转换(A/D)、抗混叠滤波和包络检波后，与本地设置好的检测幅度门限进行比较(信号初测)，当判定有超过门限的信号存在时，则进行脉冲信号的精确参数测量(包括脉冲幅度、到达时间和脉冲宽度)，根据脉冲宽度进行第2次判决，最后输出符合敌我识别信号特征的脉冲参数，为脉冲信号模式识别、多目标分离和解调等后处理提供数据，如图3所示。

图3 IFF应答信号实时检测流程

由于信号检测对实时性的要求很高，适合用FPGA进行工程实现。因此，在设计中不仅要考虑如何快速准确地提取脉冲信号参数，还要考虑算法在硬件电路中的可实现性。下面就IFF应答信号实时检测及参数测量技术中的几个关键问题进行讨论。

3 实时检测关键技术

3.1 正交下变频

从一个实信号的解析表示(正交分解)可以很容易获得信号的瞬时幅度，因此，首先采用正交下变频技术将中频信号转化为解析信号。数字信号的正交变换可以采用数字混频的方法:采样序列X(n)与2个正交序列cos(ω0n)和sin(ω0n)相乘，再进行低通滤波，这种方法适合于信号中频变化的情况，并且实现中占用硬件资源较多。IFF应答信号在载频是固定的，因此，可以采用基于多相滤波的数字正交变换方法得到其解析信号。基于多相滤波的正交变换方法，不需要数字混频器，多相滤波器的阶数也比混频后的低通滤波器少，非常适合工程应用。该方法需要输入信号频率f0与采样频率fs有式(3)所示的关系:

基于多相滤波的正交变换算法实现方法如图4所示，详细推导过程见参考文献［1］。

图4 正交变换的多相滤波实现

3.2 包络检波

包络检波的目的是提取信号的瞬时幅度信息。经过正交下变频后，得到I、Q两路零中频正交信号:

对这2路信号求模值:

再经过低通滤波，滤除高频分量带来的抖动，就可以得到较为平滑的信号包络A(n)。

IFF信号的检测对实时性要求很高，需要硬件电路实现，而式(6)中的运算直接用硬件设计实现较为复杂，因此采用基于坐标旋转思想的CORDIC算法［4］。CORDIC算法的基本思想是将一个旋转过程分解为一系列的旋转，如式(7)所示，将旋转角θ进行分解:

式中，{αn}为基本角度集，δn=±1;第n次旋转的角度大小为αn，旋转方向由δn确定;N的大小与逼近程度有关。理想情况下N=∞，但实际中进行有限次旋转也可以达到一定的精度。第n次旋转运算为:

如果选择角度集为{αn=arctan(2-n)}，那么:

如果不考虑比例因子cos(αn)，CORDIC的基本旋转运算可简化为:

从上式可以看出，第n步旋转运算只需移位和加减法运算即可，非常适合硬件电路实现。

3.3 脉冲参数测量

脉冲参数测量主要是获取脉冲信号的幅度、到达时间、结束时间及脉冲间隔等参数，从而为IFF应答信号检测、模式识别和多目标分选提供依据。

由于接收到的脉冲信号强弱不同，取脉冲峰值一半的位置作为脉冲到达时间的测量点。此门限随实际接收信号强弱自适应变化，因此测量得到的脉冲到达/结束时间更为准确可靠。

采样数据是时间离散的，按上述方法计算出来的脉冲到达/结束时间很可能位于2个采样点中间的某个时刻，如果粗略选择较为接近的采样时刻作为脉冲到达/结束时间，会带来比较大的误差。由于2个采样点间的间隔足够小，并且从减小硬件设计难度方面考虑，可采用在2个采样点间线性插值的方法来得到更为精确的时间。设A(xa，ya)、B(xb，yb)为2个相邻的采样点，C(xc，yc)为落在A、B两点之间的脉冲到达/结束点。yc已知为脉冲峰值的一半，则求脉冲到达/结束时间的问题归结为求xc的值。根据相似三角形原理有:

由此得到xc的计算公式:

4 实验验证

由上节的讨论可以看出，IFF信号实时检测过程的数据处理量大，对速度要求高，但是通过选用适合的算法使得运算结构相对比较简单，因此适合采样FPGA实现。FPGA具有并行工作模式，可同时兼顾速度及灵活性。FPGA实现IFF信号实时检测的流程如图5所示。

图5 FPGA实现流程

采样信号经过正交下变频、CORDIC运算和低通滤波后得到平滑的脉冲包络，利用脉冲包络确定信号检测门限并进行信号幅度检测，对幅度超过检测门限的信号进一步进行脉冲宽度检测，最终根据脉冲宽度判定信号是否IFF应答信号，并提取符合条件的信号参数(脉冲描述字)。

以上实现流程在FPGA中进行编程实现，占用slice资源7188个。脉冲参数测量的结果用于时差定位系统，得到的时差测量误差小于20 ns。

5 结束语

IFF应答信号实时检测技术利用基于多相滤波的正交变换得到零中频I、Q信号;用CORDIC算法简化了对FPGA实现来说相当繁琐的求平方根的过程;取脉冲顶点幅度的一半位置作为脉冲宽度、脉冲到达时间的检测点，并利用线性插值提高时间测量精度。

［1］江春燕，周胜源，陈星.基于软件无线电多相滤波的数字正交变换技术［J］.电子设计工程，2010，18(6):89-90.

［2］孙凌宇，罗静，屈金佑.混叠敌我识别信号分离算法研究［J］.无线电工程，2011，41(1):18-21.

［3］钱眺，玉龙，查荣.IFF信号的分析与识别研究.雷达与对抗［J］.2008(3):45-47.

［4］胡海华，杨芳，时华杰.基于CORDIC算法的AM基带解调方法［J］.技术交流，2010(3):39-41.

［5］闻鑫.MK XII敌我识别系统及其对抗［J］.舰船电子对抗，2006，29(5):18-23.

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