IFF應答信號實時檢測技術

趙 琨，何玉紅

(1.西安電子科技大學，陜西西安 710071;2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

無源被動探測系統通過接收、分析目標發射的電磁信號來確定目標的各類參數，自身不需要發射電磁信號，因此許多國家都開始發展無源探測技術。IFF系統作為現代戰爭中識別敵我的一種重要手段，廣泛裝備于軍用飛機、艦艇等作戰武器平臺，同時也安裝在民用飛機上，用于空中交通管制。IFF系統的廣泛使用，也使得IFF信號成為無源被動探測的主要目標之一。通過對IFF信號的實時檢測與測量，可以為無源被動探測提供有利的數據，進行目標識別、定位和跟蹤等，而這些功能都對實時性的要求非常高，因此，該文將對IFF系統應答信號實時檢測技術進行分析。

1 IFF應答信號特征

IFF信號屬于二次雷達信號，用固定點頻進行詢問和應答，詢問頻率為1030 MHz，應答頻率為1090 MHz，主要用于對雷達檢測到的目標進行屬性判別。其詢問和應答脈沖采用脈沖幅度調制(PAM)，不同工作模式的IFF信號的脈沖寬度、脈沖間隔及框架脈沖結構不同，不同目標發射的IFF信號則可通過信息碼進行區分。因此，通過對IFF信號的實時檢測和測量，得到脈沖寬度和間隔，即可進行模式識別和多目標分選，獲取其輻射源目標的有關信息。典型的信號時域波形如圖1所示。

圖1 典型IFF應答信號時域圖

IFF應答信號的載頻為已知的1090 MHz，它是一系列的短脈沖序列經過載波調制而成。常見的幾種IFF應答信號規格與技術參數如表1所示。

表1 IFF應答信號參數

IFF應答信號的數學表達式為:

式中，A(t)為IFF信號的基帶脈沖序列，f0為載波頻率，φ0為載波初始相位。經過中頻采樣后得到的敵我識別信號表達式為:

從式(2)可以看出，只要提取出脈沖信號的包絡函數A(n)，并測量其到達、結束時間，即可得到脈沖寬度和脈沖間隔等參數，如圖2所示。

圖2 脈沖參數

2 IFF應答信號實時檢測技術

根據IFF應答信號特征，采用基于零中頻的時域信號檢測技術進行實時脈沖檢測，具體流程如下:中頻輸入信號經模數轉換(A/D)、抗混疊濾波和包絡檢波后，與本地設置好的檢測幅度門限進行比較(信號初測)，當判定有超過門限的信號存在時，則進行脈沖信號的精確參數測量(包括脈沖幅度、到達時間和脈沖寬度)，根據脈沖寬度進行第2次判決，最后輸出符合敵我識別信號特征的脈沖參數，為脈沖信號模式識別、多目標分離和解調等后處理提供數據，如圖3所示。

圖3 IFF應答信號實時檢測流程

由于信號檢測對實時性的要求很高，適合用FPGA進行工程實現。因此，在設計中不僅要考慮如何快速準確地提取脈沖信號參數，還要考慮算法在硬件電路中的可實現性。下面就IFF應答信號實時檢測及參數測量技術中的幾個關鍵問題進行討論。

3 實時檢測關鍵技術

3.1 正交下變頻

從一個實信號的解析表示(正交分解)可以很容易獲得信號的瞬時幅度，因此，首先采用正交下變頻技術將中頻信號轉化為解析信號。數字信號的正交變換可以采用數字混頻的方法:采樣序列X(n)與2個正交序列cos(ω0n)和sin(ω0n)相乘，再進行低通濾波，這種方法適合于信號中頻變化的情況，并且實現中占用硬件資源較多。IFF應答信號在載頻是固定的，因此，可以采用基于多相濾波的數字正交變換方法得到其解析信號。基于多相濾波的正交變換方法，不需要數字混頻器，多相濾波器的階數也比混頻后的低通濾波器少，非常適合工程應用。該方法需要輸入信號頻率f0與采樣頻率fs有式(3)所示的關系:

基于多相濾波的正交變換算法實現方法如圖4所示，詳細推導過程見參考文獻［1］。

圖4 正交變換的多相濾波實現

3.2 包絡檢波

包絡檢波的目的是提取信號的瞬時幅度信息。經過正交下變頻后，得到I、Q兩路零中頻正交信號:

對這2路信號求模值:

再經過低通濾波，濾除高頻分量帶來的抖動，就可以得到較為平滑的信號包絡A(n)。

IFF信號的檢測對實時性要求很高，需要硬件電路實現，而式(6)中的運算直接用硬件設計實現較為復雜，因此采用基于坐標旋轉思想的CORDIC算法［4］。CORDIC算法的基本思想是將一個旋轉過程分解為一系列的旋轉，如式(7)所示，將旋轉角θ進行分解:

式中，{αn}為基本角度集，δn=±1;第n次旋轉的角度大小為αn，旋轉方向由δn確定;N的大小與逼近程度有關。理想情況下N=∞，但實際中進行有限次旋轉也可以達到一定的精度。第n次旋轉運算為:

如果選擇角度集為{αn=arctan(2-n)}，那么:

如果不考慮比例因子cos(αn)，CORDIC的基本旋轉運算可簡化為:

從上式可以看出，第n步旋轉運算只需移位和加減法運算即可，非常適合硬件電路實現。

3.3 脈沖參數測量

脈沖參數測量主要是獲取脈沖信號的幅度、到達時間、結束時間及脈沖間隔等參數，從而為IFF應答信號檢測、模式識別和多目標分選提供依據。

由于接收到的脈沖信號強弱不同，取脈沖峰值一半的位置作為脈沖到達時間的測量點。此門限隨實際接收信號強弱自適應變化，因此測量得到的脈沖到達/結束時間更為準確可靠。

采樣數據是時間離散的，按上述方法計算出來的脈沖到達/結束時間很可能位于2個采樣點中間的某個時刻，如果粗略選擇較為接近的采樣時刻作為脈沖到達/結束時間，會帶來比較大的誤差。由于2個采樣點間的間隔足夠小，并且從減小硬件設計難度方面考慮，可采用在2個采樣點間線性插值的方法來得到更為精確的時間。設A(xa，ya)、B(xb，yb)為2個相鄰的采樣點，C(xc，yc)為落在A、B兩點之間的脈沖到達/結束點。yc已知為脈沖峰值的一半，則求脈沖到達/結束時間的問題歸結為求xc的值。根據相似三角形原理有:

由此得到xc的計算公式:

4 實驗驗證

由上節的討論可以看出，IFF信號實時檢測過程的數據處理量大，對速度要求高，但是通過選用適合的算法使得運算結構相對比較簡單，因此適合采樣FPGA實現。FPGA具有并行工作模式，可同時兼顧速度及靈活性。FPGA實現IFF信號實時檢測的流程如圖5所示。

圖5 FPGA實現流程

采樣信號經過正交下變頻、CORDIC運算和低通濾波后得到平滑的脈沖包絡，利用脈沖包絡確定信號檢測門限并進行信號幅度檢測，對幅度超過檢測門限的信號進一步進行脈沖寬度檢測，最終根據脈沖寬度判定信號是否IFF應答信號，并提取符合條件的信號參數(脈沖描述字)。

以上實現流程在FPGA中進行編程實現，占用slice資源7188個。脈沖參數測量的結果用于時差定位系統，得到的時差測量誤差小于20 ns。

5 結束語

IFF應答信號實時檢測技術利用基于多相濾波的正交變換得到零中頻I、Q信號;用CORDIC算法簡化了對FPGA實現來說相當繁瑣的求平方根的過程;取脈沖頂點幅度的一半位置作為脈沖寬度、脈沖到達時間的檢測點，并利用線性插值提高時間測量精度。

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