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(tǒng)通過接收、分析目標發(fā)射的電磁信號來確定目標的各類參數(shù)，自身不需要發(fā)射電磁信號，因此許多國家都開始發(fā)展無源探測技術(shù)。IFF系統(tǒng)作為現(xiàn)代戰(zhàn)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(zhàn)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(tǒng)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(shù)據(jù)，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(tǒng)應(yīng)答信號實時檢測技術(shù)進行分析。

1 IFF應(yīng)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(yīng)答，詢問頻率為1030 MHz，應(yīng)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(yīng)答脈沖采用脈沖幅度調(diào)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(jié)構(gòu)不同，不同目標發(fā)射的IFF信號則可通過信息碼進行區(qū)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(guān)信息。典型的信號時域波形如圖1所示。

圖1 典型IFF應(yīng)答信號時域圖

IFF應(yīng)答信號的載頻為已知的1090 MHz，它是一系列的短脈沖序列經(jīng)過載波調(diào)制而成。常見的幾種IFF應(yīng)答信號規(guī)格與技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 IFF應(yīng)答信號參數(shù)

IFF應(yīng)答信號的數(shù)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(jīng)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(luò)函數(shù)A(n)，并測量其到達、結(jié)束時間，即可得到脈沖寬度和脈沖間隔等參數(shù)，如圖2所示。

圖2 脈沖參數(shù)

2 IFF應(yīng)答信號實時檢測技術(shù)

根據(jù)IFF應(yīng)答信號特征，采用基于零中頻的時域信號檢測技術(shù)進行實時脈沖檢測，具體流程如下:中頻輸入信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)、抗混疊濾波和包絡(luò)檢波后，與本地設(shè)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(shù)測量(包括脈沖幅度、到達時間和脈沖寬度)，根據(jù)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(shù)，為脈沖信號模式識別、多目標分離和解調(diào)等后處理提供數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 IFF應(yīng)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(xiàn)。因此，在設(shè)計中不僅要考慮如何快速準確地提取脈沖信號參數(shù)，還要考慮算法在硬件電路中的可實現(xiàn)性。下面就IFF應(yīng)答信號實時檢測及參數(shù)測量技術(shù)中的幾個關(guān)鍵問題進行討論。

3 實時檢測關(guān)鍵技術(shù)

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(shù)將中頻信號轉(zhuǎn)化為解析信號。數(shù)字信號的正交變換可以采用數(shù)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(xiàn)中占用硬件資源較多。IFF應(yīng)答信號在載頻是固定的，因此，可以采用基于多相濾波的數(shù)字正交變換方法得到其解析信號?；诙嘞酁V波的正交變換方法，不需要數(shù)字混頻器，多相濾波器的階數(shù)也比混頻后的低通濾波器少，非常適合工程應(yīng)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(guān)系:

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

圖4 正交變換的多相濾波實現(xiàn)

3.2 包絡(luò)檢波

包絡(luò)檢波的目的是提取信號的瞬時幅度信息。經(jīng)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(jīng)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(luò)A(n)。

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

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

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

3.3 脈沖參數(shù)測量

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

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(yīng)變化，因此測量得到的脈沖到達/結(jié)束時間更為準確可靠。

采樣數(shù)據(jù)是時間離散的，按上述方法計算出來的脈沖到達/結(jié)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(jié)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(shè)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(shè)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(jié)束點。yc已知為脈沖峰值的一半，則求脈沖到達/結(jié)束時間的問題歸結(jié)為求xc的值。根據(jù)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(jié)的討論可以看出，IFF信號實時檢測過程的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)相對比較簡單，因此適合采樣FPGA實現(xiàn)。FPGA具有并行工作模式，可同時兼顧速度及靈活性。FPGA實現(xiàn)IFF信號實時檢測的流程如圖5所示。

圖5 FPGA實現(xiàn)流程

采樣信號經(jīng)過正交下變頻、CORDIC運算和低通濾波后得到平滑的脈沖包絡(luò)，利用脈沖包絡(luò)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(jù)脈沖寬度判定信號是否IFF應(yīng)答信號，并提取符合條件的信號參數(shù)(脈沖描述字)。

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

5 結(jié)束語

IFF應(yīng)答信號實時檢測技術(shù)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(xiàn)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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