Mark XIIA Mode 5系統(tǒng)中的MSK技術(shù)應(yīng)用

關(guān)春健，楊建波，劉 鵬

（空軍航空大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022）

0 引言

西方研制的IFF Mark XIIA是一種新型敵我識(shí)別系統(tǒng)，它取代了原有的Mark XII系統(tǒng)，克服了舊型系統(tǒng)受自身和外界的干擾影響大、安全性差設(shè)計(jì)缺陷，在兼容原有SIF、Mode 4工作模式基礎(chǔ)上，增加了Mode 5[1]。它保持了協(xié)同識(shí)別的理念，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行革新，從而使系統(tǒng)抗干擾性、保密性顯著增強(qiáng)。文中將介紹最小頻移鍵控技術(shù)在 Mark XIIA系統(tǒng)中的應(yīng)用，然后分析了MSK調(diào)制/解調(diào)原理，最后對(duì)比Mode 4中二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）來(lái)分析MSK技術(shù)的性能。

1 Mode 5中的MSK技術(shù)

Mark XIIA Mode 5融合了數(shù)字化、大吞吐量的特點(diǎn)。該系統(tǒng)不但能完成基本的敵我識(shí)別功能，同時(shí)具有態(tài)勢(shì)感知、選址詢問(wèn)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘2]。它工作在 L波段，詢問(wèn)/應(yīng)答異頻，分別為 1 030 MHz、1 090 MHz。區(qū)別于Mode 4采用的BPSK調(diào)制，新系統(tǒng)在詢問(wèn)、應(yīng)答、數(shù)傳中均使用MSK調(diào)制技術(shù)。

1.1 信號(hào)原理

最小頻移鍵控(MSK，Minimum Shift Keying)，是指調(diào)制指數(shù)為0.5的連續(xù)相位頻率鍵控（CPFSK，Continuous Phase Frequency Shift Keying)。MSK調(diào)制信號(hào)具有包絡(luò)恒定、相位連續(xù)、頻率間隔最小的特點(diǎn)[3]，信號(hào)沒(méi)有相位突變。它的時(shí)域信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫(xiě)為：

式中，fc=1/Tc表示載頻，φ(t)表示連續(xù)的相位，Tb表示碼元寬度，θn表示載波相位常數(shù)，在第n個(gè)碼元內(nèi)恒定，其表達(dá)式為：

式中，an=±1表示碼元為1或0。可見(jiàn)，相位常數(shù)θn的大小受到當(dāng)前an和前面相位常數(shù)影響，從而前后碼元形成一定的相關(guān)性。若以載波相位為基準(zhǔn)，φ(t)在一個(gè)碼元周期內(nèi)的準(zhǔn)確線性變化為±π/2，而且在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻信號(hào)具有連續(xù)的φ(t)，信號(hào)時(shí)域波形不發(fā)生跳變[4]。分別令 an=+1、an=-1，可以得到信號(hào)的頻率間隔為：

圖1所示為MSK信號(hào)的時(shí)域波形，可見(jiàn)Tb=1.5(1/ f1)，Tb= 2 (1/ f2)。在一個(gè)碼寬時(shí)間內(nèi)，碼“+1”和“-1”的時(shí)域波形相差半周期，f1和 f2相位之差為π。通過(guò)該方法可使碼元轉(zhuǎn)換時(shí)信號(hào)相位連續(xù)，并使得頻差最小，相差最大。

圖1 MSK信號(hào)的波形

每個(gè)模式5 PG詢問(wèn)/應(yīng)答信號(hào)應(yīng)使用MSK調(diào)制，碼速率為16 ± 0.002 Mb/s。Mode 5詢問(wèn)信號(hào)中的MSK可通過(guò)兩個(gè)頻率= 1 026± 0 .050MHz 和= 1 034± 0 .050MHz 之間的相位相干二進(jìn)制FSK信號(hào)來(lái)表示，詢問(wèn)信號(hào)中的MSK可通過(guò)兩個(gè)頻 率=1086± 0 .100MHz 和= 1 094±0.100MHz之間的相位相干二進(jìn)制 FSK信號(hào)來(lái)表示，Δ F = 1 /2Tb，這里 Tb= 1 /16us 。

1.2 MSK調(diào)制原理

從調(diào)制角度分析，式（1）可變?yōu)椋?/p>

根據(jù)式（4）構(gòu)成如圖2所示方框圖。

對(duì)上述調(diào)制過(guò)程進(jìn)行了仿真，仿真中采用的碼元寬度cT為0.062 5 μs，即與Mode 5傳輸碼元的寬度相同。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 MSK調(diào)制原理框

圖3 MSK信號(hào)時(shí)域波形

圖3所示為MSK信號(hào)的時(shí)域波形圖，MSK調(diào)制信號(hào)的形成可以看成正交載波cos()和分別被幅度調(diào)制之后形成的。

1.3 MSK解調(diào)原理

由于MSK信號(hào)采用較小的調(diào)制指數(shù)，如果使用普通的鑒頻器方式進(jìn)行解調(diào)，不能獲得較好的誤碼率性能。因此在對(duì)誤碼率性能有較高要求時(shí)大多采用相干解調(diào)方式[3]。

MSK解調(diào)原理如4圖所示。

圖4 MSK解調(diào)原理框

圖4中積分器的積分間隔為2Tc，該種接收方式的誤碼率與BPSK相同，所以在高斯白噪聲環(huán)境下，M K的誤碼率為：

由圖5所示的MSK信噪比-誤碼率曲線圖可知，MSK調(diào)制可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，且仿真結(jié)果與理論結(jié)果幾乎相同，仿真有效。

圖5 MSK誤碼率

2 MSK信號(hào)性能分析

傳統(tǒng)的Mark XIIA Mode 4所采用的是BPSK調(diào)制信號(hào)。它是一種載波相位不連續(xù)的調(diào)制方式，并且當(dāng)相位發(fā)生突變時(shí)信號(hào)頻譜出現(xiàn)較大的旁瓣。通常的解決方法是利用窄帶濾波器濾除掉旁瓣，但是濾波直接影響了信號(hào)包絡(luò)的變化，形成非等包絡(luò)波。包絡(luò)變化的信號(hào)在非線性信道中傳輸時(shí)，包絡(luò)發(fā)生失真現(xiàn)象，導(dǎo)致再次形成旁瓣影響，從而降低了頻譜利用率[5]。

采用矩形數(shù)據(jù)脈沖的BPSK信號(hào)的功率譜密度為：

式中，Eb表示每個(gè)比特的能量，Ts表示比特間隔，Rs=表示比特率，fc表示載頻。

MSK信號(hào)的功率譜密度為：

由圖6 MSK信號(hào)與BPSK信號(hào)的功率譜密度對(duì)比可以看出：

1）MSK信號(hào)比BPSK信號(hào)功率譜更密集，且其主瓣的頻帶寬度小于BPSK信號(hào)；主瓣兩側(cè)旁瓣下降幅度幅度較大。表明MSK信號(hào)的功率主要集中在主瓣以內(nèi)。因此，MSK對(duì)帶寬要求較小，對(duì)相鄰信道的影響較小，可在窄帶中傳輸。

2）由于MSK信號(hào)窄帶傳輸，其抗干擾能力勢(shì)必要比BPSK強(qiáng)。這也是采用MSK調(diào)制的原因之一。

圖6 MSK與BPSK信號(hào)功率譜

3 結(jié)語(yǔ)

信息化戰(zhàn)爭(zhēng)背景下，電子戰(zhàn)系統(tǒng)面臨巨大的挑戰(zhàn)。Mark XIIA Mode 5敵我識(shí)別系統(tǒng)正是適應(yīng)這種要求，而朝著數(shù)字化、安全性能更高、抗干擾性更強(qiáng)的方向發(fā)展。在調(diào)制技術(shù)方面，MSK同BPSK一樣具有較好的誤碼率性能[6-9]。與此同時(shí)，MSK信號(hào)頻帶利用率更高，也減少了對(duì)其他L頻段民用系統(tǒng)的影響，成為了Mode 5優(yōu)越性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。

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