Mark ⅫA Mode 5系统传输波形研究

付志波

【摘要】本文概述了Mark ⅫA Mode 5系统的组成及功能，重点论述了该系统的关键技术特征，分析了系统的传输波形产生机理，并从系统的安全性、可靠性及电磁兼容等方面对其设计思路进行了总结。

【关键词】Mark ⅫAMode 5传输波形

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敌我识别系统在使用中暴露出的系统安全性差、盟国识别系统间缺乏互操作性等问题。为适应未来信息化战争的需求，北约国家共同研制了Mark ⅫA Mode 5敌我识别系统，用于取代现役的Mark Ⅻ Mode 4敌我识别系统。Mark ⅫA Mode 5系统给各军兵种提供一种保密、抗干扰、抗侦收、多工作模式的目标身份识别，由于其相对于Mode 4等原有识别技术作了较大的变革，如采用计算机现代加密、RS编码、软扩频、MSK调制及随机应答延迟等技术，提高了敌我识别系统的抗干扰、抗欺骗及抗侦收能力，增强了在各军兵种和联军作战的协同能力。物理层传输波形作为支撑Mark ⅫA Mode 5敌我识别系统能力的关键，对其的分析研究有着重要的意义，本文将重点对Mode 5系统的物理层传输波形进行分析研究。

一、Mode 5系统简介

Mark ⅫA Mode 5系统主要包括天线单元、发射机、接收机、询问信号处理单元、应答信号处理单元、目标显示指令控制单元及密码机等[1]。它是一个协作、询问应答式的系统，当雷达发现目标后，由敌我识别系统的询问机在1030 MHz频点向待识别目标发射加密询问信号；己方目标应答机对收到的询问信号进行译码处理提取询问信息，在1090 MHz频点发射加密应答信号；询问机收到应答信号后，对其进行译码提取目标信息。

Mode 5系统提供4级工作模式，分别为层级1、层级2、层级3、层级4，其中各个模式的功能如下[2]：（1）层级1是改进的询问/应答识别模式，在该模式下，询问/应答的信息中新增了致命因子（Lethal）和平台识别码（PIN）；（2）层级2是态势感知识别模式，其报告中包括了高度、经纬度、国际标识等信息；（3）层级3是选址询问模式，在该模式下，可以实现对有方的特定武器平台的询问；（4）层级4是数据传输模式，在该模式下，可以实现海、陆、空各武器平台间的高速、高容量数据传输交换。

一旦选定工作模式，Mode 5系统就确定了具体数据格式，并通过发射机产生相应的波形，该波形在复杂电磁环境下，提供可靠的识别等服务，为确保系统性能和功能，同时减少对其他系统的干扰，Mode 5系统采用了基带数据加密、检错编码、软扩频、MSK调制、随机应答延迟等技术。下面将从系统关键技术和波形产生两个方面进行分析。

二、Mode 5关键技术分析

Mode 5针对Mode 4在使用中暴露出的安全性、保密性及抗干扰性差，系统内部干扰严重及北约各国IFF系统间缺乏互操作性等问题，采用了许多现代新技术，在兼容Mark Ⅻ敌我识别系统的基础上，解决了现役敌我识别系统存在的问题，提升系统性能，拓展系统功能。下面主要介绍Mode 5系统的关键技术。

（1）码技术。Mode 5系统使用可自动替换的黑色密钥新加密算法，使系统加密更加方便、快捷、安全[3]。同时密码系统设计只需满足密码机和询问机（应答机）的接口要求，并且其加密算法只要能达到要求的安全性即可，这样增加了密码系统的灵活性更容易满足不同北约国家对敌我识别系统的需要。（2）纠错编码技术。RS（11，9）是一种设计方便简单、纠检错能力强、编码效率高的信道编码[4]。它可以提供一个符号的纠错或最多两个符号的删除，是Mode 5具备强抗干扰能力的重要措施之一，成为了保证Mode 5优越性能的关键技术之一。（3）软扩频技术。软扩频技术是将直接扩频和信道编码技术结合，以实现频谱扩展。软扩频具有抗干扰、抗多径、码分多址等能力，通过从信息空间到码空间的映射，系统具有扩频处理增益；采用基于Walsh码的软扩频编码，其正交码生产容易，应用方便，适合信道的正交化[5]。以上因素正是Mode 5采用基于Walsh码软扩频技术的重要原因。（4）数据扩展技术。作为一种信道加密技术，该技术从信息传输安全的角度，进一步加强了系统的安全性。（5）同步头随机抖动技术。同步作为确保通信的根本，其保密性对系统安全至关重要，而同步头随机抖动技术作为一种信道加密技术，该技术正是从通信同步的角度，进一步加强了系统的安全性。（6）Run-in/Run-out码片。在传输符号的前沿和后沿分别添加Run-in / Run-out码片，有效避免了脉冲的上升下降时间导致的信息丢失，进一步加强了系统的可靠性。（7）随机应答延迟技术。应答机采用随机应答延迟技术，该技术的应用使得应答延迟时间由应答机“决定”，即同一区域内的多个应答目标，应答信号和应答延迟时间都不相同，这样就很好解决了系统间“混扰”的问题。（8）MSK调制技术。Mode 5系统采用MSK调整，充分利用MSK调制的带宽窄、频谱主瓣能量集中、旁瓣滚降衰减快及频带利用率高等特性，同时MSK调制是一种恒定包络、相位连续的频移键控调制，有效的避免了BPSK调制的问题[6]，这些优点正是Mode 5选择MSK调制技术的关键原因。（9）带外辐射抑制技术。Mode 5采用基带成形滤波和射频滤波等技术对带外辐射进行处理，降低系统对其他邻频带系统的干扰。采用基带成形滤波技术后降低基带信号带外辐射，但若采用非线性功放，必然造成“频谱再生”，导致带外抑制性能下降，因此还需要采用射频滤波技术降低功放输出信号的带外辐射。

三、Mode 5传输波形产生

鉴于层级3和层级4的具体技术规范还没有完全定义，下面主要分析层级1和层级2波形产生过程。

3.1层级1/层级2询问波形产生

询问波形生成过程如下[7]：（1）询问请求：询问机将5 bit询问请求格式信息和15 bit通信安全有效时间间隔组合成询问加密请求信息，提交给加密计算机，触发本次询问加密。（2）询问加密：对于一个询问加密请求，加密计算机应返回36 bit加密询问数据、36 bit应答保护数据、应答传输安全数据和询问传输安全数据。（3）纠错编码：将36 bit的加密询问数据每4 bit构成一列，从最低有效位开始，依次形成一个4行9列的矩阵，通过纠错编码矩阵计算RS（11，9）纠错编码，构成44 bit纠错编码数据。（4）数据编码：RS编码后的数据中每4 bit，从最低有效位开始，从Walsh函数表中选择符号数据进行数据编码，从而得到11个数据符号，其中每个数据符号为16 bit。（5）数据扩展：每个Walsh编码处理后的16 bit数据符号模2相加由符号扩展函数表中选择的与询问扩展索引相关的16 bit符号扩展函数形成扩展后的数据。（6）添加Run-in/Run-out码片：为对发送信号的上升和下降时间进行控制，分别在数据的每个符号前沿添加Run-in码片，后沿添加Run-out码片，形成最终可调制数据。（7）调制及带外辐射抑制：依据询问抖动索引和当前通信安全有效时间间隔技术计算同步头抖动值，并按照询问信号格式，对传输数据进行16 MHz MSK调制，并严格按发射频谱包络要求对带外辐射进行抑制。

3.2层级1识别/数据应答波形产生

层级1应答波形生成过程如下[7]：（1）应答信息生产：对于识别应答，包含应答随机延迟和随机数，二者重复1次，构成应答数据，应答数据与应答保护数据模2相加得到36 bit待加密数据。对于数据应答，包含应答随机延迟、平台识别码、国籍码、任务代码、特殊应答码，构成应答数据，应答数据与应答保护数据模2相加得到36 bit待加密数据。（2）应答请求：对于一个应答加密请求，应答机将36 bit待加密数据构成应答加密请求信息，提交给加密计算机，触发本次应答加密。（3）信息加密：加密计算机响应应答加密请求，并返回36 bit加密的应答数据。（4）数据编码：加密后的36 bit数据中每4 bit，从最低有效位开始，从Walsh函数表中选择符号数据进行数据编码，从而得到9个数据符号，其中每个数据符号为16 bit。（5）数据扩展：每个Walsh编码处理后的16 bit数据符号模2相加由符号扩展函数表中选择的与应答扩展索引相关的16 bit符号扩展函数形成扩展后的数据。（6）添加Run-in/Run-out码片：为对发送信号的上升和下降时间进行控制，将在数据块的前沿添加Run-in码片，后沿添加Run-out码片，形成最终可调制数据。（7）调制及带外辐射抑制：在应答随机延迟后，依据应答抖动索引计算同步头抖动值，并按照应答信号格式，对传输数据进行16 MHz MSK调制，并严格按发射频谱包络要求对带外辐射进行抑制。

3.3层级2报告波形产生

层级2报告波形生成过程如下[7]：（1）报告信息生产：报告信息由77 bit战术数据构成待加密信息。（2）报告请求：应答机将77 bit 战术数据、4 bit报告请求格式信息和15 bit通信安全有效时间间隔组合成报告加密请求信息，提交给加密计算机，触发本次报告加密。（3）询问加密：对于一个报告加密请求，加密计算机应返回108 bit加密询问数报告据和报告传输安全数据。（4）纠错编码：将108 bit的加密报告数据分为三个36 bit报告段，每个报告段的编码过程同询问数据纠错编码过程，每一个纠错编码附加到相应的报告段，形成RS编码数据。（5）数据编码：RS编码后的数据中每4 bit，从最低有效位开始，从Walsh函数表中选择符号数据进行数据编码，从而得到11个数据符号，其中每个数据符号为16 bit。（6）数据扩展：每个Walsh编码处理后的16 bit数据符号模2相加由符号扩展函数表中选择的与报告扩展索引相关的16 bit符号扩展函数形成扩展后的数据。（7）添加Run-in/Run-out码片：为对发送信号的上升和下降时间进行控制，分别在数据块前沿添加Run-in码片，后沿添加Run-out码片，形成最终可调制数据。（8）调制及带外辐射抑制：依据报告抖动索引和当前通信安全有效时间间隔计算同步头抖动值，并按照报告信号格式，对传输数据进行16 MHz MSK调制，并严格按发射频谱包络要求对带外辐射进行抑制。

四、Mode 5传输波形设计思路

通过以上分析，可见Mode 5信号的产生主要从以下几个方面考虑：（1）安全性：为确保系统安全性，Mode 5信号的产生充分利用了计算机现代信息加密技术和信道加密技术（包括同步头随机抖动技术和数据扩展技术）。（2）可靠性：为了加强系统的可靠性，通过纠错编码技术和软扩频技术增加抗干扰能力；采用添加Run-in/Run-out码片技术避免脉冲上升下降沿导致的信息丢失；利用随机应答延迟技术解决系统间“混扰”。（3）电磁兼容：为了减少对邻带系统的干扰，Mode 5采用了带宽窄、频谱主瓣能量集中、旁瓣滚降衰减快及频带利用率高的MSK调制，同时采用基带成形滤波和射频滤波等带外辐射抑制技术。

五、小结

根据对Mode 5传输波形的分析研究，对其进行总结，笔者认为如果要设计类似Mode 5系统的传输波形，为确保系统安全性，可采用计算机现代信息加密技术和信道加密技术；为了加强系统的可靠性，可采用纠错编码技术、软扩频技术、随机应答延迟技术及添加Run-in/Run-out码片。为了减少对邻带系统的干扰，可采用带宽窄、频谱主瓣能量集中、旁瓣滚降衰减快及频带利用率高的MSK调制，同时采用基带成形滤波和射频滤波等带外辐射抑制技术。笔者仅是根据搜集到的资料和自身的工程经验，对Mode 5传输波形进行研究分析，以供从事相关系统研发和设计人员借鉴参考。

参考文献

[1]谭源泉，李胜强，王厚军. 西方体制Mark ⅫA的Mode 5数据格式分析[N]. 电子科技大学学报，2011，40（4）

[2]黄成芳，何利明. 敌我识别Mark ⅫA浅析[J]. 电讯技术，2007，47（4）

[3]邱宏坤，杨建波，毛虎. Mark ⅫA IFF系统及其消息信号格式[J]. 电讯技术，2010，50（6）

[4]关春健，杨建波，刘鹏. Mark ⅫA Mode 5中RS编译码器设计及性能分析[J]. 电视技术，2012，36（19）

[5]关春健，杨建波，郭扬. Mark ⅫA Mode 5系统中的软扩频技术应用[J]. 舰船电子对抗，2012，35（4）

[6]关春健，杨建波，刘鹏. Mark ⅫA Mode 5中的MSK技术应用[J]. 通信技术，2012，45（8）

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