基于時域和編碼特征的Mark XIIA IFF信號識別方法

李維科

(中國西南電子技術研究所，成都　610036)

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基于時域和編碼特征的Mark XIIA IFF信號識別方法

李維科

(中國西南電子技術研究所，成都610036)

摘要：Mode 5敵我識別系統是Mark XIIA系統的核心，對Mode 5信號的性能特點、工作模式、信號格式等進行了分析研究，根據Mode 5信號的時域特征和編碼特征，提出了一種Mode 5信號的識別方案；通過Matlab仿真驗證表明：該方法能實現對Mode 5信號的分選識別，具有較好的工程應用前景。

關鍵詞：編碼特征；信號格式；Mark XIIA敵我識別系統；工作模式

本文引用格式：李維科.基于時域和編碼特征的Mark XIIA IFF信號識別方法[J].兵器裝備工程學報，2016(7):153-157.

Citation format:LI Wei-ke.Identification of Mark XIIA IFF Signals Based on Time Domain and Coding Characteristics[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):153-157.

美國等北約成員國針對現役裝備的Mark X和Mark XII敵我識別系統存在信號形式簡單，調制方式單一，抗干擾能力弱等缺陷，在現在的IFF Mark XII基礎上增加新的IFF Mode 5信號，提出Mark XIIA[1]，以提高系統的抗干擾性、安全性和保密性，用作北約“地對空”、“海對空”、“空對海”、“海對海”、“空對空”的骨干戰斗識別系統[2-3]。Mode 5不僅具有改進的詢問/應答識別方式，而且還利用近年來科學技術進步成果增加了態勢感知、選址詢問、數據傳輸以及空對地識別模式[4]。

1Mode 5系統性能特點

Mode 5是MarkⅫA系統中最為重要的部分，Mode 5的設計與開發是根據MarkⅫ Mode4使用中所出現的問題提出的，與MarkⅫ Mode4相比較，MarkⅫA Mode 5采取了多種措施提高系統的性能。系統的工作頻率仍然是詢問1 030 MHz，應答1 090 MHz，調制方式為MSK調制，碼速率為16 MHz。MarkⅫA Mode 5主要特點有以下幾個方面：

MarkⅫ Mode4使用的是人工更換紅色密鑰加密算法，而MarkⅫA Mode 5使用可自動替換的黑色密鑰新加密算法，按照系統保存的日時間自動更換密鑰，使系統加密更加方便快捷、安全[5]。

信號格式中一些關鍵加密參數也是按系統日時間來刷新和更換，MarkⅫA Mode 5把每1天劃分為1～10 800加密周期，每周期8 s，在時間同步設備的控制下，每個加密周期更換加密參數。

MarkⅫA Mode 5詢問及應答信號采用了RS編碼糾錯、擴頻、詢問/應答信號保護等新術，增強了系統的可靠性和抗干擾性。射頻信號調制方式為MSK[6]，與MarkⅫ Mode 4脈沖ASK調制方式相比較，MSK所占頻譜帶寬更窄，主瓣能量更為集中，旁瓣滾降衰減快，頻帶利用率高等優點，減少了對此頻段JTIDS等系統的干擾[7]。

2Mode 5系統工作模式

MarkⅫA Mode 5有4級工作模式，分別為Level 1、Level 2、Level 3和 Level 4，各工作模式功能與傳輸信息如下[8]。

2.1第1層級

Level 1為改進的識別模式，充分利用二次雷達的詢問和應答信道傳輸更多的識別信息。Level 1識別包括ID應答識別和數據應答識別，數據應答識別信息包括模式1，2，3/A，C，特殊碼以及國家代碼和任務代碼等。同時詢問類型包括具有帶有命令攻擊意途的殺傷性詢問信息。

2.2第2層級

Level 2為帶有位置報告的態勢感知模式，位置報告中包含緯度、經度、高度、平臺識別編號、國家代碼和任務代碼等信息。態勢感知模式有兩種工作方式，即“Triggered”和“Squittered”。“Triggered”為通用詢問/應答工作方式，詢問機通過發射詢問信號，請求應答機發射位置報告；“Squittered”為“無呼叫應答”工作方式，空中或艦船的應答機將以0.45～0.55 s的間隔來發射位置報告，地面應答機將以2.2～2.8 s的間隔來發射位置報告。

2.3第3層級

Level 3為選址詢問模式，實現了對友方戰斗群中特定平臺如艦隊的旗艦、飛行中隊的長機進行個別詢問。

2.4第4層級

Level 4為數據傳輸模式，可實現空中、水面、地面等各武器平臺間的高容量、高速率數據傳輸和交換。

由于目前國內外公開資料有限，對于Mode 5的Level 3和Level 4具體結構尚不明確，本文信號識別方法僅針對Mode 5詢問信號與應答信號的第1層級和第2層級進行，不對第3層級和第4層級進行識別。

3Mode 5信號格式[9-10]

3.1Mode 5信號前導脈沖

Mode 5信號前導脈沖(圖1)采用固定的16位二進制序列0111100010001001，前面由一個二進制值為零的單獨參考碼片作為基準碼片引導，在基準碼片之前采用兩個導入碼片，最末符號碼片之后采用三個導出碼片，以便進行發射機上升和下降時間控制，并且應是連續的符號碼片序列。導入碼片的二進制值為0，導出碼片在0和1之間選擇，第一個導出碼片與最后一個符號碼片相反。所以完整的Mode 5信號前導脈沖二進制序列應為0000111100010001001010。

圖1　Mode 5信號前導脈沖

3.2Mode 5詢問信號

Mode 5詢問波形應包括4個前導脈沖，2個ISLS脈沖，以及11個數據脈沖，如圖2所示。每個Mode 5詢問波形符的位置應以第4個前導符(P4)為基準。脈沖寬度為1.062 5～1.375 μs。

圖2　Level 1和Level 2詢問信號格式

Mode 5前導符(P1、P2、P3和P4)用常規間距加上一個時間相關間隔值進行分隔。允許的間隔值取決于前導脈沖位置。Mode 5詢問中4個前導符相對間距通過偏移脈沖P1、P2和P3增加傳輸保密(TRANSEC)相關的間隔值S1、S2和S3來決定。S1、S2和S3通過加密有效性間隔(CVI)與詢問間隔指數x的按表1列出的等式計算。圖3顯示了在不同CVI情況下，S1，S2，S3隨x變化的取值情況。ISLS符從P4到兩個ISLS符位置后緣的間距分別為P4～I1：10.5 μs;P4～I2：16.375 μs。ISLS符位置的容限為±0.01 μs。數據符從P4到11個數據符之間的間距為：22.812 5 μs+5.75(N-1)μs±0.01 μs，N=1～11。

表1　間隔值計算(碼片中的S1、S2、S3)

圖3　S1、S2和S3在不同CVI情況下的取值情況

3.3Mode 5一級應答信號

Mode 5第一級應答信號由兩個前導符(P1和P2)和9個連續數據符組成，參見圖4。每個前導符采用固定的16位二進制序列0111100010001001。所有Mode 5第一級應答符的碼片率為16±0.002 MHz。9個數據符連成應答數據脈沖，其中僅有第一個數據符有一個基準碼片引導。每個數據符由模數2加上選定的16位Walsh函數(表示4個數據位)以及TRANSEC相關的16碼片擴展函數構成。9個數據符相對于P2的間距應為2.062 5+(N-1)μs±0.01 μs，(N=1～9)。

Mode 5一級應答信號前導脈沖和數據脈沖的脈寬如下：前導脈沖1.062 5～1.375 μs，數據脈沖9.062 5～9.375 μs。

圖4　Mode5 Level 1 應答信號格式

3.4Mode 5二級應答信號

Mode 5二級應答信號應包含4個前導符(P1，P2，P3和P4)和33個鄰近的數據符號，參見圖5。每個前導符均使用固定的16比特二進制序列0111100010001001。連接33個數據符，形成一個數據脈沖，數據符用選定的16位Walsh函數形成，利用與TRANSEC相關的16碼片的擴展函數表示4個數據位。Mode 5所有二級報告符的碼片率應為16±0.002 MHz。

圖5　Mode5 Level 2應答信號格式

前導符和Mode 5二級報告數據脈沖寬度如下：前導脈沖1.062 5～1.375 μs，數據脈沖33.062 5～33.375 μs。P4到33個數據符中每個數據符后沿的間隔應為2.062 5+(N-1)μs± 0.01 μs，其中N等于1～33。

4基于時域特征的Mode 5信號識別方案

本文結合Mode 5信號的前導脈沖具有固定寬度1.062 5～1.375 μs，且使用固定的16比特二進制序列0111100010001001的時域特征和編碼特征，提出了一種Mode 5信號的分選方案，如圖6所示。

要在復雜的信號環境下識別Mode 5信號，首先要判斷出Mode 5信號的前導脈沖頭。前導脈沖具有固定的寬度和固定的碼字，通過對相應脈寬的脈沖進行MSK解調，可以判斷脈沖是否為Mode 5信號的前導脈沖。在FPGA中對偵收到的中頻數據做數字下變頻后，進行包絡檢波形成視頻脈沖信號，通過對脈沖信號的時域參數測量，可在脈沖信號中提取脈沖寬度，脈沖幅度，脈沖到達時間，脈沖間隔，脈沖重復頻率等脈沖參數。由于普通詢問信號的脈沖寬度為0.45 μs，0.5 μs，0.8 μs，16.25 μs或30.25 μs，Mode 5信號脈寬則為1.062 5～1.375 μs，9.062 5～9.375 μs，33.062 5～33.375 μs，因此可通過脈沖寬度首先將可能為Mode 5信號的脈沖與其他模式的敵我識別信號脈沖分離開，對脈寬為1.067 5～1.375 μs之間的脈沖，則初步判斷有可能為Mode 5信號，隨即啟動MSK快速解調，如解調結果二進制序列碼元中含有0111100010001001，并滿足導入導出碼片規則，則判斷為Mode 5信號，將其參數打包為PDW送入DSP。

在DSP中，根據PDW進行脈沖框架搜索對脈沖進行分選識別，若所收到的脈沖中含有S模式或Mode 5則啟動中頻數據提取進程，取出相應的中頻數據，對其進行解碼解譯工作，提取詢問或應答模式碼，解譯出信號所含信息。

5仿真結果

通過對Mark X、Mark XII、S模式和Mode 5的信號脈沖時域特征分析，可看出Mode 5詢問和應答信號的脈沖寬度和脈沖組成框架均與其他模式不同，同時通過對Mode 5信號的計算機仿真，得到了Mode 5信號的包絡檢波數據(圖7)，通過對其時域數據分析發現，在一定的信噪比情況下，可從Mode 5信號時域包絡中通過能量檢測得到Mode 5信號的脈沖包絡，因此可通過時域能量檢測方法和脈沖框架比對方法相結合的方式實現對Mode 5信號的偵察發現。

以Mode 5應答信號為例在強弱信號共存情況下進行Matlab仿真(SNR=15 dB，fs=160 MHz)，產生16組強弱不同的Mode 5應答信號，其中Level 1和Level 2各8組，兩種應答信號交替出現。表2和表3分別為Level 1和Level 2信號分選結果。仿真結果表明：在強弱信號共存的情況下，該方法可對Mode 5信號進行分選且準確有效。

圖6　Mode 5信號的識別方案框圖

圖7　Mode 5詢問信號、應答Level 1、應答Level 2包絡圖

表2　Mode 5應答Level 1信號分選識別參數提取結果

表3　Mode 5應答level 2信號分選識別參數提取結果

6結論

根據對包含S模式在內的Mark XII信號采用基于脈寬和脈沖間隔的框架結構分選識別方案的工程應用情況可以得出，在采用FPGA V5 SX95T和DSP TMS320C6414芯片組合的硬件處理平臺下，可對信號強度為10e4脈沖/s的輻射源進行分選處理，處理時間為ms量級。本文對Mode 5信號采用同樣基于脈寬和脈沖間隔的分選識別方案，在相同的信號強度下，信號處理時間將不高于ms量級，從而支持該Mode 5信號識別方案的工程實現。

本文對Mode 5信號的性能特點，工作模式，信號格式等進行了分析研究，根據Mode 5信號的時域特征和編碼特征，提出了一種Mode 5信號的識別方案。通過Matlab仿真驗證表明，該方法能實現對Mode 5信號的分選識別，具有較好的工程應用前景。

在電子信號對抗中，偵察是手段，干擾是目的。在Mark XIIA系統信號偵察時，快速的識別出信號，提取多種可用參數，可以及時引導實施干擾。目前，對Mark XIIA系統信號可實現準實時的分選識別和參數提取，信號解調之后可對信號進行解碼，得到信號表面的碼字信息。但在未知擴頻碼的情況下，很難根據表面信息得到其內部所含的原始信息，其內涵信息暫無法提取，須進行更進一步的深入研究。

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(責任編輯楊繼森)

收稿日期：2016-01-19；修回日期：2016-02-25

作者簡介：李維科(1980—)，男，工程師，主要從事裝備理論與裝備技術研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.033

中圖分類號：TN971

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)07-0153-05

Identification of Mark XIIA IFF Signals Based on Time Domain and Coding Characteristics

LI Wei-ke

(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

Abstract:Mode 5 IFF (Identification Foe or Friend) system is the core of Mark XIIA system. In this paper, analysis and research were made on the performance characteristics, working mode and signal format of Mode 5 signal. According to the time domain and coding characteristics of Mode 5, a new IFF Mode 5 identification method was proposed. The simulation and experimental results prove the method can realize the sorting identification of Mode 5 signal, which means a bright prospect of engineering application.

Key words:coding characteristic；signal format；Mark XIIA IFF system；working mode

【光學工程與電子技術】