一种针对IFF Mode5信号的解调算法

陈 韵，刘 建，彭茄恩，宋大伟

（中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京210007）

0 引言

敌我识别（IFF）系统发端于二次雷达系统，结合一次雷达使用，可以完成对雷达综合瞄准体所发现目标的敌我属性识别[1]。借助于计算机与加密技术信息化手段，敌我识别系统可以实现现代战场条件下的各平台、单位，乃至各军兵种之间的协同作战，提升战场指挥控制能力，是信息化战争中的力量倍增器。

敌我识别系统发展到今天，历经第一代的Mark X系统和Mark XII系统，最新一代的Mark XIIA于20世纪末开始研发，在Mark XII系统的基础上，增加了IFF Mode5。IFF Mode5已成为Mark XIIA系统的核心组成部分[2]。目前北约国家的大型重要作战平台均装备了基于IFF Mode5的敌我识别系统，因此实现针对IFF Mode5信号侦收与解调，对敌方作战单元全方位识别，获取作战平台的作战信息，可以最大程度地控制信息化战争条件下的战场制信息权，具有重要的战略战术价值。

然而，由于IFF Mode5继承了敌我识别的询问/应答机制，在此基础上采用了MSK调制技术、扩频技术、信道纠错技术、信息加密技术等，极大地提升了IFF Mode5系统的抗干扰与欺骗、抗侦收能力[3]。IFF Mode5信号具有连续窄脉冲的基带波形形式，波形调制时间短且数据率高，很难采用传统的解调算法对其进行定时同步与载波同步，因而对侦收到的IFF Mode5信号进行相干解调是非常困难的，一般都采用非相干解调技术。本文提出一种近似相干解调方法,采用小波变换实现窄脉冲定时同步，同时对接收信号进行载波相位估计与补偿，近似实现IFF Mode5信号的相干解调，解调信噪比相较于经典相干解调方法理论值差1 dB。

1 IFF Mode5信号格式

IFF Mode5信号不仅具有询问/应答功能，还应用当前最新科技成果，增加态势感知、选址询问、数据传输和空对地识别模式等功能。IFF Mode5信号具有4个层级的工作模式，分别为Level1—Level4，每个层级的内容如下[4]：

1）Level1为改进的询问/应答识别模式，与Mark XII系统相比，询问/应答信息中增加了平台识别编号和致命因子，致命因子为带有命令攻击意图的杀伤性询问信息；

2）Level2为态势感知识别模式，位置报告中包含纬度、经度、高度、国家代码和任务代码等信息；

3）Level3为地址选择询问模式，主要功能是对已方战斗群中的特别目标进行点名询问；

4）Level4是数据传输模式，实现战斗群编队平台之间数据的安全传输和与其他数据链的数据交换。

由于目前国内外公开研究资料未有提及Level3和Level4定义的具体形式，因此本文所提算法主要针对Level1和Level2层级信号进行解调。

1.1 询问信号

IFF Mode5询问信号如图1所示，由4个同步脉冲（P1、P2、P3、P4）、2个旁瓣抑制脉冲（I1、I2）和11个数据脉冲（D1—D11）组成，脉冲宽度为1μs，调制方式为MSK，调制码速率为16 Mbit/s。同时4个同步脉冲之间间隔为S1、S2、S3，由加密机提供的8 bit数据产生，用于抗截获与复制。

图1 IFF Mode5询问信号

1.2 应答信号

IFF Mode5应答信号包含Level1应答格式与Level2应答格式，其中Level1应答信号格式如图2（a）所示，由2个同步脉冲（P1、P2）和1个数据长脉冲组成，长脉冲由9个字符组成（D1—D9）；Level2应答信号格式如图2（b）所示，由4个同步脉冲（P1、P2、P3、P4）和1个数据长脉冲组成，长脉冲由33个字符组成（D1—D33）。Level1和Level2的同步脉冲时间长度均为1μs，而数据脉冲均由数据符号组成，其数据长度分别为9μs和33μs。Level1和Level2所有脉冲均采用MSK调制体制，调制码速率为16 Mbit/s。应答信号的同步脉冲之间存在随机抖动间隔，间隔时间长度由加密机控制。

图2 IFF Mode 5应答信号

2 IFF Mode5信号解调算法

IFF Mode5信号采用的是MSK调制体制，有效减少带外干扰；同时采用软扩频技术，提升抗干扰与抗截获性能。而且IFF Mode5信号采用脉冲形式，给非合作类型的解调工作带来较大的困难。传统的MSK相干解调方法，需要对MSK调制信号进行载波跟踪和定时同步，而窄脉冲形式的IFF Mode5信号无法为跟踪环路提供足够的收敛时间，从而导致解调失败。因此针对IFF Mode5信号基本采用非相干解调，如1-bit差分解调[5]、2-bit差分解调[6]或者相位差分解调[7]，但此类非相干解调方法均无法实现MSK的最优解调。本文采用小波变换实现窄脉冲MSK信号的边沿检测，从而实现较高精度的定时同步；同时进行MSK信号载波的估计，对残留载波进行相位估计并补偿，近似实现MSK的相干解调。

2.1 基于小波变换的定时同步

小波变换作为一种重要的信号分析手段，应用于信号处理中，其中Haar小波具有最小的支集，可以有效地检测出信号的边缘，因此Haar小波被应用于边沿检测[8]。对于一个给定函数z(t)，则其小波变换可以写为：

式中，Ψ(t)是母小波函数，α为伸缩尺度，τ为平移因子。本算法采用的Haar母小波函数定义为:

MSK调制信号的表达式可以写为：

式中,wc为载波频率，φk为当前码元相位，n(t)为噪声；θ(t)为调制相位，其表达式为：

因此，当对接收到的MSK脉冲信号进行小波变换，其表达式可以写为：

对小波变换后幅度取平方可得：

当Haar小波跨越接收MSK信号的波形边沿时，其小波变换为：

对小波变换后幅度取平方可得：

通过（6）式与（8）式可以看出，对脉冲式MSK调制信号进行小波变换时，当Haar小波位于脉冲信号的持续时间之内，其小波变换幅度为一常量；而当Haar小波位于脉冲信号边沿时，其小波变换幅度发生变化，在脉冲边沿处产生了跳变。通过检测这个跳变，可以准确地计算出IFF Mode5信号中MSK脉冲的起始时刻，从而实现对MSK脉冲信号的定时同步。本文以IFF Mode5 Level1应答信号为例，对其进行Haar小波变换仿真，结果如图3所示。其中图3（a）为IFF Mode5 Level1应答信号时域波形；图3（b）、（c）分别为在信噪比为10 d B与3 dB条件下的Haar小波变换结果，可见在脉冲边沿处能够产生尖锐的峰值信号，通过测量峰值位置，可以精确测量出脉冲的起始时刻与脉冲长度。

图3 IFF Mode5 Level1应答信号及其Haar小波变换

2.2 基于MSK谱特征的载波同步

通过观察式（3）可以发现，调制信息ak包含在调制相位中，要想获得调制信息，必须先对MSK信号进行下变频，获得其基带信号。虽然敌我识别信号所使用的是固定频点，但是考虑到截获信号接收机与目标平台之间时钟存在差异，以及接收机和目标之间存在复杂的相对运动，均会造成截获到的敌我识别信号产生频率偏移。

假设对MSK信号进行频率为ω′c接收下变频，则式（3）可以进一步表达为：

式中Δωc=ωc-ω′c，当载波无法准确去除，就会叠加在相位调制中，无法正确地获得调制信息。传统的MSK解调方法一般采用载波同步环路实现对载波频率的精确估计，但是IFF Mode5中的脉冲信号形式限制了载波同步环的应用。

为了精确获得接收到的IFF Mode5信号的载波频率，利用MSK调制信号谱特征来进行频率估计。MSK信号的谱并没有明显的谱峰特征，因而无法在MSK信号的频谱上获得任何精确的频率信息，但是其平方谱却具有明显的谱峰特征，具有2个明显的谱峰，分别代表MSK调制的2个频率，2谱峰中点即为载波频率，如图4（a）所示。实际中无法用计算2谱峰中点来获取载波，因为其谱峰峰值对应调制信息中“0”和“1”的数量。当调制信息中“0”、“1”数量失衡时，会导致其中一个谱峰不明显。为了显著得到载波位置，本文采用设计频域窗函数，将MSK平方谱与频域窗函数卷积，得到MSK调制信号的卷积平方谱，即可准确获得载波谱峰，如图4（b）所示。

图4 MSK谱特征

在获得MSK调制信号载波谱峰的基础上，对载波谱峰进行抛物线插值拟合，可以精确估计载波频率。图5显示了应用此种频率估计算法所得到的频率误差，当信噪比高于-3 dB时，其频率估计误差基本可到千赫兹量级。为了进一步去除载波残留的影响，可以对接收信号的相位函数进行求导数并累加求和，最终可获得残留载波分量Δωc，对接收信号进行载波精确同步。

图5 频率估计误差

2.3 MSK正交解调

观察式（3），MSK调制信号的表达式可以改写为：

式中，I k=cosφk，Q k=a kcosφk，前文述及载波已实现精确同步，那么只需恢复出Ik与Qk，便能够解调出调制信息ak。根据MSK调制规律可知，ak满足Ik与Q k差分解码的关系，也即通过加权函数cos(πt/(2T b))与sin(πt/(2T b))积分处理，并对结果进行差分解码，即可恢复出调制信息。图6显示了MSK正交解调的原理，图7显示了MSK解调中积分结果，可以明显看出只要将积分结果进行码元判决，即可进行差分解码。

图6 MSK正交解调原理框图

图7 MSK正交解调积分判决结果

具体MSK正交解调步骤如下[9]：

1）输入信号分别于加权函数cos(πt/(2T b))与sin(πt/(2T b))相乘，形成I支路数据与Q支路数据；

2）对I、Q支路相乘结果以2Tb为周期进行累加积分，其中Q支路积分周期比I支路延迟Tb；

3）在积分结束时刻分别对I、Q支路进行比特判决映射；

4）对I、Q支路判决的比特数据流进行差分解码，恢复出调制信息比特流。

3 仿真分析

本文对IFF Mode5信号的不同解调方法进行Matlab仿真，解调误码率仿真结果如图8所示。仿真参数为采样率240 MHz，信号频率70 MHz，仿真采用蒙特卡洛仿真法；其中对IFF Mode5信号的解调方法分别为文中所提近似相干解调、1-bit延迟差分解调、2-bit延迟差分解调和相位差分解调，所有解调方法所得误码率与MSK相干解调理论误码率进行比较。

图8 IFF Mode5信号不同解调方法误码率比较

通过仿真可以看出，文中所提的IFF Mode5信号的解调方法，其误码率较MSK解调理论误码率曲线相差约1 dB左右，接近MSK相干解调的效果。未能达到理论极限，其主要原因是采用小波变换的时间同步以及基于MSK谱特征的载波同步适应了脉冲型MSK信号的特征，即在一段较短时间内对码元判决时刻和载波频率进行了估计，以短时间的估计值逼近瞬时值，仍然会存在一定的差异，造成误码率存在一定的损失。但是这种近似的相干解调方法仍然优于传统的非相干类解调算法。

4 结束语

本文提出的一种针对IFF Mode5信号的解调算法，实现了窄脉冲MSK调制类型的IFF Mode5信号的解调，，解调误码率较理论误码率相差约1 d B，对于IFF Mode5信号的侦察解调具有比较重要的意义。