基于FPGA的IFF-MSK调制系统设计

龙艳红，江传民

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.东南大学 信息科学与工程学院，江苏 南京 210096)

0 引言

现代信息化战争中，接收系统会一直受到敌方信号的强烈干扰。传统的作战平台会一直受到严峻的电磁环境考验，错综复杂的敌我双方目标可能会覆盖方圆几百至几千千米，因此，如何实现快速有效的敌我识别(Identification Friend or Foe，IFF)和数据传输是现代战争中需要重视和亟待解决的问题[1]。

IFF最早起源于英国，并于1939年研制出第一部IFF系统Mark Ⅰ型，并陆续研制出Mark Ⅱ，Mark Ⅲ，Mark Ⅴ等型号的IFF系统并在实际中使用。二战之后，美国在Mark Ⅴ的基础上研制出Mark Ⅹ型IFF系统，提出了M1，M2，M3，MC的工作模式。20世纪末，北约提出了一种新的IFF Mode5模式标准，采用RS编码、扩频技术、数据加密技术和MSK数字调制解调技术。中国对IFF的研究起步较晚，2007年西南电子研究所黄成芳对Mark Ⅻ Mode 5的原理进行了详细介绍和分析[2]；空军航空大学的邱宏坤在2011年分析了Mode 5中使用的关键技术并使用Matlab进行了仿真分析[3]；2015年电子科技大学欧阳超对协作方M5系统基带信号处理算法进行了实现，同时对非协作方M5信号做了截获处理[4]。

本文通过对传统IFF系统中IFF应答部分功能的进一步研究，针对在对地、对海的IFF通信系统中出现的多径效应，发射端信号选用合适的扩频码进行扩频编码，选用自相关性能优良的扩频码序列可以有效抵抗多径效应，从而增强信号的抗干扰能力[5]。同时，在接收端利用多通道并行处理信号，创新性地提出了将原本的解调部分转化为接收信号直接与预置信号进行相关性检测，通过是否达到判决门限来分辨敌我目标，并使用高性能的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)实现系统，大大缩短了IFF的应答时间。

1 IFF-MSK系统原理和结构

考虑到IFF系统需要高稳定性和高可靠性，且鉴于目前IFF系统均采用二进制最小频移键控(Minimum Shift Keying，MSK)调制方式，本文仍继续采用MSK调制。FPGA作为专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC )领域中的一种半定制电路而出现，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的开发相对于传统单片机、PC的开发有很大不同，它以并行运算为主，用硬件描述语言来实现，与PC机的操作命令顺序有很大区别，实现了FPGA运算速度更快、功耗更低的特点[6]，本文利用FPGA的固有特点，在接收端使用多通道并行运算，可以同时完成相关运算，达到利用资源换速度、利用空间换时间的目的。后续仿真实验表明，该系统能快速有效地分辨出敌我信号，具有较高的可靠性和稳定性。

1.1 MSK调制解调原理

MSK信号可以看成调频指数为0.5的连续相位频移键控(Continuous Phase Frequency Shift Keying，CPFSK)，其与普通2FSK信号的差别在于选择的2个传信频率在一个码元期间相位积累严格地相差180°[7-8]。MSK信号具有恒定的包络，不受信道非线性的影响，且具有相位连续、功率谱的旁瓣衰减较快等优点[9-10]。

MSK信号表达式如下：

假设扩频码为ak(ak=±1，k=1，2，3，…)，则MSK调制信号可以表示为：

sk(t)=Ik(t)+Qk(t)，

(1)

其中，Q路信号为：

(2)

I路信号为：

(3)

式中，Ts为每个码的持续时间；fc为载波频率；φk为每个码对应的相位，即：

(4)

那么，cosφk便可以表示为：

(5)

MSK解调与FSK解调一样，可以分为相干解调和非相干解调2类。常见的相干解调有平方环提取载波法，通过利用MSK调制信号I，Q两路信号相互正交的特点提取载波来完成相干解调，此解调方法对载波同步的要求很高，且运算复杂时延很高，不适用于瞬息万变的战场[11-12]；而常见的非相干解调有延迟差分解调法，包括一比特差分延迟解调法和二比特差分延迟解调法[6]，这些方法电路简单，速度较相干解调大为加快，但是在信噪比较低的时候误码率较高[9，13]。

本文考虑到在IFF系统背景下，如何更进一步地提高系统的抗干扰性能，并在非相干解调的基础上更进一步地提高IFF的速度，具体做法如下：

① 在系统发射端增加扩频码调制，并预设N组扩频码，每组扩频码对应传输简单的信息，选择扩频码组并进行MSK调制；

② 在系统接收端采用多通道并行处理的方式，每一个通道都预存不同伪随机码组扩频之后MSK调制的波形数据，同时发射端的信号输入至多通道中进行相关处理，通过比较相关波峰的大小，来判决发射端的扩频码码组，从而完成IFF和信息传递。

1.2 IFF-MSK系统结构

IFF系统发射端采用MSK调制产生扩频信号，扩频码长为10，码速率为1 MHz，采用10 MHz中频载波。IFF系统发射端系统框图如图1所示。

图1 IFF-MSK发射端系统框图

IFF系统接收端采用多通道，实现并行非相干信号处理，每个通道对应一组预选扩频码，从每个通道输出的相关系数大小，判断IFF发射扩频码，从而实现敌我目标的识别。IFF系统接收端系统框图如图2所示。

图2 IFF-MSK接收端系统框图

2 系统关键技术

2.1 发射端

发射端在常规的MSK调制之前加入伪随机码组，选择一个伪随机码进行MSK调制。根据MSK调制原理，发射端原理如图3所示。

图3 MSK发射端原理

使用Vivado进行时序仿真，发射端整体的仿真波形如图4所示。图中I，Q路信号相互正交，在一个码元周期内严格相差180°。

图4 时序仿真中发射端输出波形

2.2 接收端

考虑到设计是为了在IFF系统中快速分辨敌我双方，相干解调和非相干解调都不能完美地满足设计要求。本文设计直接在接收端预置发射端的10组伪随机码码组调制数据，信号进入接收端后同时与该10组伪随机码储存在本地的MSK波形数据做相关性检测，通过判决门限来判断是否为我方信号。

接收端的整体原理框图如图5所示。

2.2.1 信号相关模块

信号相关模块是本文设计的关键模块，在FPGA开发板中，本地参考信号先存入ROM中，发射信号输入到接收端后先存入寄存器中，此时调用本地参考信号按序相乘，并将每次的相乘结果输入至累加器中，最后对累加结果做平方消除负值影响。由于平方后数值较大，超出FPGA开发板的寄存器位数限制，为达到快速输出的目的，截取数值前若干位输入至后置寄存器中。若输入信号与本地参考信号是强相关信号，则会产生数值很大的波峰，设定合适的判决门限就能分辨出发射信号是哪一路信号。FPGA相关信号模块设计的原理框图如图6所示。此处仅画出I路信号做相关运算的原理过程，将I，Q路各自平方后求和并输入判决门限判决输出。

图6 I路相关模块原理框图

2.2.2 信号相关模块仿真

输入信号进入相关模块后输出的仿真波形如图7、图8和图9所示。设输入信号的伪随机扩频码为1001000000。

图7 本地扩频码为1001000000

图8 本地扩频码0101010100

图9 本地扩频码1001000101

每个通道都由不同的扩频码产生MSK波形。图7是相同的扩频码进行相关后产生的波形，其波峰的最大值明显高于其他2个通道产生的波峰最大值，所以接收端可以准确分辨出发射端发射的是哪一组扩频码码组，如果所有通道的相关波峰峰值均未达到要求，则该信号被判定为敌方信号。

3 FPGA板级测试

本文设计使用的开发板为Xilinx公司ZYNQ系列的ZC706。由于一块ZC706资源有限，不能满足多通道同时进行相关识别，故一块FPGA开发板仅进行单通道的相关检测，后续可以使用多块FPGA开发板多通道并行工作。调试仅验证单通道解调的正确性。

测试先从接收端本地产生一个与输入信号相同的MSK波形，将输入信号与本地的相关信号送入相关检测模块，通过Vivado综合、实现，生成比特流，将比特流文件下载到FPGA开发板上后通过Debug采集开发板上的输出信号，最后实验表明能成功识别相关波峰，如图10所示。

图10 Debug中采集到的相关波峰

该FPGA开发板综合后资源的使用率较高，综合之后单通道SLice Registers(寄存器)已经使用了31%，接收端的Slice LUTs(查找表)已经使用了49%，故单块ZC706无法完成多通道同时解调。

4 结束语

通过分析IFF-MSK系统的应用场景，针对IFF应答部分提出了在接收端直接做相关处理，从而可以快速实现IFF应答。同时，采用并行运算性能出色的FPGA工具实现算法。实验表明，设计的IFF-MSK系统应答时间较短，直观性好，参数灵活可变，具有较好的实用价值。另外，由于本文设计的系统占用的资源过多，具有进一步优化的空间，同时因为缺少其他方式实现IFF-MSK算法的时间对比，没有做定性分析，在后续的工作和研究中均可以进一步改进和深入。