西方體制M5敵我識別系統(tǒng)RS糾錯編碼研究及工程實(shí)現(xiàn)

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(成都洪池科技有限公司 成都 611731)

0 引言

MARKXIIA系統(tǒng)或者M(jìn)5敵我識別(Identification Friend or Foe,IFF)系統(tǒng)，是以美國為首的北約研制的新一代西方體制敵我識別系統(tǒng)，該敵我識別系統(tǒng)是MARK XII系統(tǒng)的升級版本。MARK XIIA系統(tǒng)在MARK II系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了M5工作模式，它的戰(zhàn)場適用性更強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)海陸空全方位的識別，更加方便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化戰(zhàn)場的態(tài)勢感知、精確打擊、降低誤傷概率等功能[1-2]。

MARKXIIA系統(tǒng)采用時(shí)間協(xié)同、信道加密、信息加密、Walsh擴(kuò)頻、MSK(Minimum Shift Keying,MSK)調(diào)制、態(tài)勢感知、數(shù)據(jù)交換、RS(Reed Solomon，RS)糾錯編碼等關(guān)鍵技術(shù)來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化戰(zhàn)場上的精確敵我識別，以避免和減少對友軍的誤傷，提高系統(tǒng)識別概率。同時(shí)MARK XIIA系統(tǒng)還可以用于從作戰(zhàn)開始到作戰(zhàn)結(jié)束的整個作戰(zhàn)過程，該功能主要解決作戰(zhàn)過程中的軍用飛機(jī)之間、軍民用飛機(jī)之間、不同作戰(zhàn)區(qū)域、不同空中交通管制區(qū)之間的沖突問題[1][3]。由于M5敵我識別系統(tǒng)信號在傳輸過程中容易受到噪聲和干擾的影響，因此解決數(shù)據(jù)傳輸過程中的編碼和糾錯問題，提高系統(tǒng)的抗干擾性能是個至關(guān)重要的問題。針對M5敵我系統(tǒng)國內(nèi)外專家學(xué)者從多個角度對M5敵我識別系統(tǒng)進(jìn)行了研究[4-9]，主要從系統(tǒng)鏈路[4-5][7]、干擾類型識別[6]、數(shù)據(jù)格式[8-9]等方面進(jìn)行了研究。這些研究推動了M5敵我系統(tǒng)的研究進(jìn)展，但是涉及到關(guān)鍵技術(shù)的研究以及工程應(yīng)用鮮有文獻(xiàn)涉及。

針對M5敵我識別系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用以及RS(11,9)糾錯編碼技術(shù)在信號鏈路過程中的具體應(yīng)用等問題，本文對西方體制M5敵我識別系統(tǒng)RS糾錯編碼以及工程應(yīng)用情況進(jìn)行了研究。從系統(tǒng)角度對RS(11,9)糾錯編碼技術(shù)工作原理進(jìn)行了分析，構(gòu)建了RS(11,9)編譯碼器的理論實(shí)現(xiàn)模型，最后在FPGA(Field Programmable Gate Array,FPGA)中對結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

1 MARKXIIA系統(tǒng)RS糾錯編碼模型

1.1 MARK XIIA系統(tǒng)概述

MARK XIIA系統(tǒng)是在MARK XII系統(tǒng)基礎(chǔ)上結(jié)合戰(zhàn)場實(shí)際需要研發(fā)的新一代敵我識別系統(tǒng)。MARK XII系統(tǒng)則經(jīng)過兩伊戰(zhàn)爭、海灣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭的實(shí)戰(zhàn)洗禮，并且在這些戰(zhàn)爭中暴露出一些如識別概率低、抗干擾性能差、容易誤傷等弱點(diǎn)。MARK XIIA系統(tǒng)在MARK XII基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)戰(zhàn)化設(shè)計(jì)，具備敵我識別和跟蹤控制兩大功能，具備更高的識別概率和抗干擾性能，可以快速地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化戰(zhàn)場的態(tài)勢感知[1-2]。MARK XIIA系統(tǒng)的敵我識別功能主要應(yīng)用于武器攻擊瞬間，減少攻擊時(shí)對友方誤傷的概率；MARK XIIA系統(tǒng)第二大功能是跟蹤和控制，主要用于飛機(jī)起飛至降落的整個作戰(zhàn)過程，可以解決飛機(jī)在飛行多個區(qū)域過程中的沖突問題，主要涉及軍用飛機(jī)與民用飛機(jī)的沖突、軍用飛機(jī)之間的沖突、穿越不同防空區(qū)沖突、防空作戰(zhàn)區(qū)沖突、空中走廊/航線、空中交通管制區(qū)等。

目前MARK XIIA相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)定義了四個層級，其中第一層級和第二層級具有明確的信號格式及功能定義；第三層級和第四層級只是定義了功能，暫未明確具體的信號格式。其中第一層級主要功能是改進(jìn)的詢問/應(yīng)答識別工作方式，用于區(qū)分編隊(duì)飛行目標(biāo)。第二層級的主要功能是帶有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)位置報(bào)告的態(tài)勢感知識別工作方式。第三層級用于實(shí)現(xiàn)友方特定目標(biāo)的選址詢問，可以有效抵抗敵方電磁干擾。第四層級主要應(yīng)用于各作戰(zhàn)平臺之間能實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)共享，如航速、航向、燃油狀況、武器狀況等。自1998年開始成立M5技術(shù)工作組到2004年第一代原理樣機(jī)完成研制，目前為止世界知名雷達(dá)廠商都具備生產(chǎn)M5敵我識別系統(tǒng)的能力，并且該系統(tǒng)已經(jīng)在北約的各協(xié)同作戰(zhàn)平臺得到廣泛應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)空空、空地、空海、?？?、海海、地空、地地等之間的全方位多角度的戰(zhàn)場態(tài)勢感知[8]。

1.2 MARK XIIA系統(tǒng)RS糾錯編碼原理

MARK XIIA系統(tǒng)中采用的RS(11,9)糾錯編碼,主要用于M5的第一層級、第二層級的詢問數(shù)據(jù)的信道編碼與糾錯(Error detection and correction，EDAC)[1]。M5敵我識別系統(tǒng)RS(11,9)糾錯編碼可檢測2個信道傳輸數(shù)據(jù)的錯誤，并且糾正一個傳輸數(shù)據(jù)錯誤。M5敵我識別系統(tǒng)流程圖如圖1所示[1][8]，在詢問設(shè)備中加密后的數(shù)據(jù)詢問數(shù)據(jù)經(jīng)RS編碼后，然后進(jìn)行Walsh擴(kuò)頻、MSK調(diào)制后送至無線信道，應(yīng)答設(shè)備接收詢問信號，經(jīng)過解調(diào)、Walsh解擴(kuò)后，進(jìn)行RS譯碼處理，然后完成數(shù)據(jù)的解密。

圖1 M5敵我識別系統(tǒng)流程圖

MARK XIIA系統(tǒng)經(jīng)過加密后的詢問數(shù)據(jù)為M1M2M3M4M5M6M7M8M9，Mi(i=1…9)為加密后的消息數(shù)據(jù)，每個消息數(shù)據(jù)為4bit，共計(jì)36bit的詢問數(shù)據(jù)。EDAC編碼之后產(chǎn)生11個消息符號D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11，每個符號4bit共44bit。D10D11是RS(11,9)碼的校驗(yàn)位，RS(11,9)糾錯編碼矩陣方程如式(1)所示。

(D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11)=(M1M2M3M4M5M6M7M8M9)

(1)

1.3 MARK IIA系統(tǒng)RS(11,9)編碼器設(shè)計(jì)

根據(jù)式(1)可知，經(jīng)過RS(11,9)編碼的前后9位數(shù)據(jù)一致，只有D10D11數(shù)據(jù)需要根據(jù)RS編碼的生成矩陣來計(jì)算。根據(jù)式(1)D10D11可以分別表示為式(2)、式(3)。由于M1M2M3M4M5M6M7M8M9的值是詢問加密后的數(shù)據(jù)，那么可以根據(jù)表1中伽羅華域元素與二進(jìn)制代碼對應(yīng)關(guān)系表[1]，就可以計(jì)算出D10D11的數(shù)值。

表1 GF(24)伽羅華域元素與二進(jìn)制代碼對應(yīng)關(guān)系表

(2)

(3)

2 MARK XIIA系統(tǒng)RS糾錯編碼仿真分析

結(jié)合表1的數(shù)據(jù)對MARK XIIA系統(tǒng)RS(11,9)糾錯編碼進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表2所示。表2中RS編碼前的數(shù)據(jù)為7、8、9、10、11、12、13、14、15，經(jīng)過RS編碼后的數(shù)據(jù)為7、8、9、10、11、12、13、14、15、8、4，其中8和4為校驗(yàn)位。根據(jù)圖1所示的流程對該數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻、調(diào)制后，送至無線傳輸信道。

表2 RS糾錯編碼理論仿真結(jié)果

假設(shè)在信道傳輸過程中數(shù)據(jù)7發(fā)生了錯誤，那么經(jīng)接收解調(diào)、解擴(kuò)后的RS譯碼前數(shù)據(jù)為8、8、9、10、11、12、13、14、15、8、4，經(jīng)RS譯碼后的數(shù)據(jù)為7、8、9、10、11、12、13、14、15，可見數(shù)據(jù)7的錯誤得到了糾正，錯誤指示輸出為1。如果在信道傳輸過程中數(shù)據(jù)7和8都發(fā)生了錯誤，那么經(jīng)接收解調(diào)、解擴(kuò)后的RS譯碼前數(shù)據(jù)為8、7、9、10、11、12、13、14、15、8、4，經(jīng)RS譯碼后的數(shù)據(jù)為8、7、9、10、11、12、13、14、15，數(shù)據(jù)沒有得到糾正，但是有錯誤指示輸出2。仿真結(jié)果表明MARK XIIA系統(tǒng)的RS(11,9)可以檢測兩個數(shù)據(jù)錯誤，糾正一個數(shù)據(jù)錯誤，這個與理論值一致[1][10-11]。

為了更好地研究RS糾錯編碼對MARK XIIA 系統(tǒng)識別概率的影響，本文在有無RS糾錯編碼情況下對MARK XIIA系統(tǒng)的識別概率進(jìn)行了仿真。仿真參數(shù)見表3，仿真結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出RS糾錯編碼能夠提高M(jìn)ARK XIIA系統(tǒng)的識別概率，性能增益為1～1.5dB，這也表明RS糾錯編碼是MARK XIIA系統(tǒng)99.9%的識別概率[1]得到保證的關(guān)鍵技術(shù)之一。

表3 MARK XIIA系統(tǒng)RS糾錯編碼仿真參數(shù)

圖2 有無RS糾錯編碼情況下MARK XIIA系統(tǒng)的識別概率

3 工程實(shí)踐驗(yàn)證

為了更好地驗(yàn)證算法的有效性和實(shí)用性，作者將算法應(yīng)用于某項(xiàng)目中。基于Xilinx ISE14.7開發(fā)軟件FPGA軟件開發(fā)平臺采用Top-Down設(shè)計(jì)方式，用Verilog HDL進(jìn)行RTL級描述，在Virtex 4 XC4VFX12芯片上實(shí)現(xiàn)RS(11,9)的編碼器設(shè)計(jì)。其RTL級的頂層綜合效果圖如圖3所示，時(shí)序仿真如圖4所示。

圖3 RS(11,9)編碼器的RTL綜合

圖4 RS(11,9)編碼器的時(shí)序仿真圖

RS編碼器仿真輸入datain=7 8 9 10 11 12 13 14 15，9個字符為例，經(jīng)RS(11,9)編碼后，輸出時(shí)序dataout=7 8 9 10 11 12 13 14 15 8 4，info為低電平時(shí)的dataout為兩個校驗(yàn)位8和4，校驗(yàn)結(jié)果與Matlab的仿真結(jié)果完全一致。從圖4可以得到該編碼器的處理時(shí)延僅有3個時(shí)鐘節(jié)拍，對系統(tǒng)的處理時(shí)延影響很小。

RS(11,9)譯碼器RTL級的頂層綜合效果圖如圖5所示，譯碼時(shí)序圖如圖6所示，圖6(a)為一個數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤的譯碼時(shí)序圖，圖6(b)為兩個數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤的譯碼時(shí)序圖。blk_srt為RS譯碼數(shù)據(jù)輸出的數(shù)據(jù)開始，info_end下降沿為RS譯碼有效數(shù)據(jù)的結(jié)束，blk_end為RS譯碼數(shù)據(jù)的結(jié)束，err_cnt為RS譯碼檢測到錯誤個數(shù)，data_in_rs為RS譯碼的輸入數(shù)據(jù)，data_out為RS譯碼的輸出數(shù)據(jù)。

圖5 RS(11,9)譯碼器的RTL綜合

圖6 RS(11,9)譯碼器的時(shí)序仿真

圖6(a)為數(shù)據(jù)7錯誤為8，經(jīng)RS(11,9)譯碼器有效的數(shù)據(jù)結(jié)果為data_out為7 8 9 10 11 12 13 14 15，可見糾正了1個數(shù)據(jù)的錯誤， err_cnt為1表示檢測到1個字符的錯誤。圖6(b)中數(shù)據(jù)7錯誤為8，8變?yōu)?，經(jīng)RS(11,9)譯碼器有效的數(shù)據(jù)結(jié)果為data_out=8 7 9 10 11 12 13 14 15，err_cnt為2表示檢測到2個數(shù)據(jù)的錯誤，數(shù)據(jù)錯誤未得到糾正。從圖6中可以看出，RS糾錯編碼可以檢測兩個錯誤，糾正一個錯誤，這與前述第三節(jié)理論仿真結(jié)果一致。

4 結(jié)束語

本文以MARK XIIA系統(tǒng)為背景，從工程角度對MARK XIIA系統(tǒng)的用途進(jìn)行了介紹，然后對RS(11,9)糾錯編碼技術(shù)工作原理進(jìn)行了分析，構(gòu)建了RS(11,9)編譯碼器的理論實(shí)現(xiàn)模型，并從理論角度進(jìn)行了仿真分析，最后在FPGA中對進(jìn)行了工程驗(yàn)證分析。RS糾錯編碼技術(shù)的研究對于MARK XIIA系統(tǒng)工程樣機(jī)的研制以及MARK XIIA系統(tǒng)的研究具有重要的戰(zhàn)略意義。由于MARK XIIA系統(tǒng)采用了眾多新技術(shù)，本文只是對RS糾錯編碼技術(shù)進(jìn)行了研究，Walsh擴(kuò)頻、信道加密、時(shí)間協(xié)同、MSK調(diào)制等影響系統(tǒng)性能的技術(shù)有待進(jìn)一步研究。