一種新的安控體制研究

徐 楊

(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

安全遙控是所有飛行器發射時(導彈試驗、火箭發射、衛星發射、載人航天和深空探測等) 所必需的一個系統。空間發射飛行終端系統[1](Space Launch Flight Termination System，SLFTS)是2010年美國空軍和聯合發射聯盟開始著手研究的下一代安控系統，采用Manchester編碼-2CPFSK-FM的體制。我國早期使用的是PCM-BPSK-FM體制，相比較來說，連續相位頻移鍵控[2](Continuous-Phase Frequency Shift Keying，CPFSK)在選擇適當的設計參數時，誤碼率性能比二進制相移鍵控 (Binary Phase Shift Keying，BPSK)要好，而且信號占用頻帶比BPSK要小[3]。正是由于這項優點，通過對2種體制發射機設計原理對比，提出了一種設計改造方法，可以通過修改PCM-BPSK-FM體制發射機設計參數的方法實現SLFTS安控系統發射機設計，并給出了詳細設計方法。通過對基帶軟件和硬件內嵌入式軟件的升級改造，在不更換硬件平臺、不切換工作模式的條件下，只改變指令參數，就可以對分別使用PCM-BPSK-FM和SLFTS兩種模式的各目標進行安全遙控。

1 PCM-BPSK-FM設計原理

PCM-BPSK-FM的遙控發射機設計原理如圖1所示。

圖1 PCM-BPSK-FM的遙控發射機設計原理Fig.1 Schematic diagram of PCM-BPSK-FM launcher design

指令數據先進行PCM編碼(編碼類型可計算機軟件配置)，再進行BPSK調制到副載波上，最后經FM發出。其中，遙控副載波頻率和碼速率都是計算機軟件可配置的。

遙控副載波的形成可在硬件上采用DDS完成，主要由FPGA內部實現，由計算機軟件將副載波頻率參數發送給DSP，由DSP根據所用時鐘計算出頻率控制字，再對FPGA電路進行控制和參數設置。碼速率的產生原理與副載波頻率相同，也是由頻率控制字控制DDS產生，取DDS的最高位作為碼速率時鐘輸出。

計算機軟件將要發送的命令、PCM編碼類型、副載波頻率和碼速率都發送給DSP，由DSP完成編碼和DDS參數計算，然后DSP將副載波頻率頻率控制字、碼速率頻率控制字和編碼后的命令寫入FPGA進行BPSK調制，BPSK調制設計實現框圖如圖2。

圖2 BPSK調制設計實現框圖Fig.2 BPSK design diagram

DDS1和DDS2置入相同的副載波頻率控制字，使二者產生初始相位相差180°的2路正弦波，用指令碼選擇DDS1或DDS2輸出；同時，控制命令輸出的碼速率與DDS頻率控制字相關，保證碼速率時鐘上升沿輸出副載波0相位的正弦波，即完成BPSK調制；最后進行FM輸出。

2 SLFTS的設計原理

SLFTS體制即Manchester編碼-2CPFSK-FM，它的遙控發射機設計原理如圖3所示。

圖3 SLFTS系統發射機設計原理Fig.3 Schematic diagram of SLFTS launcher design

指令幀數據先用3DES的方法進行加密，加密后的指令進行曼徹斯特編碼，編碼后的命令進行2CPFSK調制，最后進行FM產生指令信號進行發送。其中，加密使用的密碼、遙控副載波頻率和碼速率都是計算機軟件可配置的。

指令數據加密部分放在計算機軟件內完成，可以很方便地更改指令內容和加密密碼。遙控副載波頻率和碼速率設計與PCM-BPSK-FM體制相同。計算機軟件將加密后的指令、副載波頻率和碼速率都發送給DSP進行Manchester編碼和2CPFSK的調制參數計算，DSP根據軟件發來的頻率參數和所用時鐘計算出DDS參數，寫入FPGA電路進行控制和參數設置完成2CPFSK調制。最后信號進行FM輸出。

2CPFSK調制設計實現框圖如圖4所示。

圖4 2CPFSK調制設計實現框圖Fig.4 2CPFSK design diagram

2CPFSK調制設計方法與BPSK調制設計原理框圖相像，區別在于2個DDS的頻率控制字不同，與碼速率相關，保證碼速率時鐘上升沿時，不同碼輸出的2個副載波相位連續，滿足2CPFSK調制的條件。

3 實現方法

根據以上對2種體制的原理介紹，發現2種體制設計大部分相同，最大的區別在于參數設置，這就為PCM-BPSK-FM修改為SLFTS體制提供了很大的便利。

通過圖1與圖3的對比及圖2與圖4的對比，可以將PCM-BPSK-FM的發射機設計原理做如下改動：(1)在計算機軟件中命令碼產生部分增加加密功能，各種加密原理與方法在文獻[4-6]中有相關論述；(2)PCM編碼部分改為Manchester編碼；(3)計算機軟件發送給DSP的副載波頻率參數改為2CPFSK的頻率參數，DDS1和DDS2的頻率控制字不同，與碼速率相關，滿足2CPFSK調制的條件。之后的FM設計不做改動，將在用的PCM-BPSK-FM發射機修改為SLFTS發射機。

舉例來說，PCM-BPSK-FM使用碼速率1 kHz、副載波頻率10 kHz，修改時可以將副載波頻率分別設置為2，5 kHz，讓碼速率時鐘上升沿輸出副載波0相位的正弦波，形成2CPFSK調制方式。

副載波頻率有2種，在PCM-BPSK-FM體制中，由于只有一個副載波頻率，所以調制系數選擇范圍比較寬，而在2CPFSK調制中，調制系數的選擇就要考慮2個副載波頻率的關系。通信設計中一般選擇調制系數0.5或0.715作為2CPFSK調制的調制系數[7]，在文獻[8]中得到了驗證。在工程設計中，參數設計會使用調制頻率偏移f頻偏(簡稱調制頻偏)，調制系數β是調制頻偏除以副載波頻率fm的結果：

2種副載波頻率使用一個調制頻偏會導致2種調制系數。

調頻信號可表示為[9]：

SFM(t)=Acos[ωct+βsinωmt]=

Acosωctcos(βsinωmt)-Asinωctsin(βsinωmt)，

式中，cos(βsinωmt)和sin(βsinωmt)可進一步展開成以貝塞爾函數為系數的三角級數，即：

式中，Jn(β)稱為第一類n階貝塞爾函數，是n和β的函數，

根據貝塞爾函數的性質，

變換為頻域表示為：

[δ(ω-ωc-nωm)+δ(ω+ωc+nωm)]。

由于2CPFSK一般選擇調制系數0.5或0.715，因此：

J0(β)≈1，

J1(β)≈β/2，

Jn(β)≈0，n>1。

因此，副載波頻率在頻域為：

可見，調頻信號的幅度為Aβπ/2，與調制系數β呈正比。通過預先對副載波幅度進行適當調整，可以在FM中將2CPFSK的2個副載波頻率的調制系數統一為一個調制系數，解決了用一個調制頻偏進行FM，使2CPFSK的2個副載波頻率產生2個調制系數，調頻信號的幅度不一致，導致解調誤碼率高的問題。這與主字母體制中的預加重方法[10]原理相同。

通過以上分析，將PCM-BPSK-FM的發射機改造為SLFTS發射機的具體實現還需要增加幅度調整功能。改造設計幅度調整框圖如圖5所示。

圖5 改造設計幅度調整框圖Fig.5 Diagram of amplitude adjusting in modified design

如果使用PCM-BPSK-FM模式，則幅度系數1，2相同即可。

由于指令終端硬件設計采用的是大規模集成電路，以上改造設計可以通過修改計算機軟件和大規模集成電路的軟件無線電程序完成，實現在原來設備硬件平臺上對目標飛行器發出SLFTS體制指令。

4 結束語

SLFTS安控體制是美國安控體制發展經歷了IRIG-TONE，HA-FTS及EHA-FTS安控體制[11]之后設計出來的，在考慮通用化、簡單和經濟適用的基礎上，盡量繼承以往成熟模塊，做到對現有設備改動最小，達到將物盡其用、設備更新換代及性能提升的目的。在被提出前就考慮到需要改造最早期的IRIG-TONE體制設備，所以對硬件要求并不高。通過對PCM-BPSK-FM和SLFTS的設計對比，提出了一種將PCM-BPSK-FM發射機改造為SLFTS發射機的方法，通過修改現有設備平臺的計算機軟件和大規模集成電路的軟件無線電程序就能實現，使用CPFSK調制方式，與改進的調制方式MSK和GMSK已應用于多方面，如文獻[2，8，12-15]的論述。與BPSK相比性能更好，與加密技術結合在一起，在較低的改造成本下，實現設備性能的整體提升，完全滿足目前安控設備所需要的保密性、可靠性、低誤碼率及低虛指令率等性能需求，同時也能滿足未來安控設備的需求[16]，為今后工程設計實現提供了理論依據。