徐 楊，韓彥中

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.陸軍駐石家莊地區(qū)第一軍代室，河北 石家莊 050081)

0 引言

安全遙控(安控)是所有飛行器發(fā)射時(導彈試驗、火箭發(fā)射、衛(wèi)星發(fā)射、載人航天和深空探測等) 所必需的一個系統(tǒng)。EHA-FTS[1]于2000年之后應用在美國的安控系統(tǒng)中。2010年，美國空軍(United States Air Force，USAF)和聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟(United Launch Alliance，ULA)開始著手研究下一代安控系統(tǒng)，即SLFTS系統(tǒng)[2]，這個新系統(tǒng)為了最小限度的改動以往設備，繼承了以往設計的基礎，與之前的 EHA-FTS系統(tǒng)擁有許多功能相同的模塊。在以往設備中，每種模式單獨運行，使用前必須進行模式切換，本文提出了一種兼容式設計，給出了詳細設計方法，通過對基帶軟件和硬件內(nèi)嵌入式軟件的升級改造，將這2種模式合并設計為一種兼容模式，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(shù)，就可以實現(xiàn)對分別使用EHA-FTS和SLFTS兩種模式的多目標進行安全遙控。

1 EHA-FTS設計原理

EHA-FTS的設計原理[3-6]如圖1所示。

(b)解調(diào)指令框圖圖1 EHA-FTS的設計原理

指令數(shù)據(jù)先進行3DES加密，再進行多音編碼，最后經(jīng)FM調(diào)制發(fā)出，解調(diào)與調(diào)制過程相反。

EHA-FTS的指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其總長度定義為64 bit，以方便進行3DES加密。指令數(shù)據(jù)內(nèi)有飛行器ID及靶場ID#1、靶場ID#2號，可支持跨靶場的多目標系統(tǒng)，同時使用3DES的保密性非常良好[7-8]，指令計數(shù)字段的應用有效防止敵方記錄設備通過記錄回放對飛行器進行干擾破壞。

EHA-FTS使用一組11個頻率(序號定義為1～11)，選擇其中3個組成字母。根據(jù)排列組合計算可得165個排列組合，即字母表有165個字母，字母表如表1所示。

表1 EHA-FTS主字母表

頻率組合字母序號1,2,311,2,421,2,53??9,10,11165

2的n次方的128小于165，因此可以用前128個字母對應二進制bit數(shù)據(jù)(其余字母用作功能字母)，那么n=7，即指令中每7 bit數(shù)據(jù)對應一個字母。一條64 bit長的指令通過尾端補零后，對應10個字母，每個字母連續(xù)發(fā)送，中間沒有時間間隔。長度64 bit的指令通過查詢表1完成多音編碼[9],多音編碼后的指令通過FM調(diào)制發(fā)送出去,解調(diào)過程同理。

2 SLFTS的設計原理

SLFTS的調(diào)制方式采用了連續(xù)相位頻移鍵控(Continuous-Phase Frequency Shift Keying，CPFSK)與FM結(jié)合的方式，設計原理如圖3所示。

(a)指令產(chǎn)生框圖

(b)解調(diào)指令框圖圖3 SLFTS的設計原理

解調(diào)過程與調(diào)制過程相反。其中3DES加解密模塊和FM調(diào)制解調(diào)模塊已經(jīng)是在EHA-FTS中使用的成熟模塊。

在SLFTS設計中，指令幀設計仍采用EHA-FTS使用的長度為64 bit的數(shù)據(jù)幀，設計原理和目的與EHA-FTS相同，SLFTS指令幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 SLFTS指令幀結(jié)構(gòu)

指令幀數(shù)據(jù)先用3DES的方法進行加密，加密后的指令進行曼徹斯特編碼，編碼后的數(shù)據(jù)進行2CPFSK調(diào)制，之后指令信號通過FM調(diào)制發(fā)送出去，解調(diào)過程同理。

3 EHA-FTS與SLFTS兼容設計

EHA-FTS與SLFTS的設計區(qū)別是在3DES加解密模塊和FM調(diào)制解調(diào)模塊之間的處理，一個是進行了多音編解碼，另一個是進行了曼徹斯特編解碼和CPFSK調(diào)制解調(diào)。

眾所周知，CPFSK調(diào)制方式具有帶寬利用率高、包絡恒定、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，使用這種調(diào)制方式可以在設備中使用非線性功放，而且CPFSK信號由于其內(nèi)在的記憶特性而具有錯誤矯正的潛力，把編碼與CPFSK調(diào)制方式結(jié)合起來，會產(chǎn)生更大的編碼增益。適當設計參數(shù)的CPFSK比BPSK(Binary Phase Shift Keying)誤碼率性能要好，信號占用頻帶要小。其中調(diào)制指數(shù)是0.5的CPFSK稱為最小頻移鍵控(Minimum Shift Keying，MSK)，其改進后稱為高斯最小頻移鍵控(Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK)[10-12]，目前GMSK已經(jīng)廣泛地應用于移動通信系統(tǒng)(如手機、對講機)、衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫鎇13-14]，2CPFSK已應用于無人機數(shù)字圖像信號傳輸系統(tǒng)[15]。

在EHA-FTS設計中，11選3的頻率組合里，11個正弦波頻率要滿足條件：每個頻率都是頻率f0的整數(shù)倍，即頻率組合f1，f，2，…，f11是通過下面計算得出：

f0*n=f1

f0*(n+1)=f2

?

f0*(n+10)=f11

式中，f0<

在EHA-FTS設計的指令中， 10個字母連續(xù)發(fā)送，中間沒有時間間隔，需要對字母的相位與周期進行設計才能得到良好的接收解調(diào)性能。如果字母起始時每個正弦波單音時域波形都是位于相位0，每個字母的周期選擇為任意，導致前一個字母周期結(jié)束進入下一個字母周期時，波形相位發(fā)生跳變，如圖5(a)所示，這樣會在頻域產(chǎn)生其他頻率點，從而導致多音解調(diào)時誤碼概率增大；如果每個字母起始時每個正弦波單音時域波形相位不是位于0，每個字母的周期選擇又為任意，情況更糟糕，如圖5(b)所示。而如果每個字母起始時每個正弦波單音時域波形相位都位于0，每個字母的周期選擇為1/f0的整數(shù)倍，如圖5(c)所示，則會使得每個字母結(jié)束時各正弦波單音相位依然位于0，那么在下一個字母起始時每個正弦波單音時域波形相位也都是位于0，則形成了指令中組成各字母的單音相位時域連續(xù)，則11選3設計的EHA-FTS主字母指令，相當于3個來自同一個頻率組的N-CPFSK信號疊加同時發(fā)送，這樣發(fā)出的主字母信號就具備了CPFSK的所有優(yōu)點，目標接收機的解調(diào)性能也大大提高。

根據(jù)以上設計，將EHA-FTS與SLFTS結(jié)合設計成一種兼容模式。目前數(shù)字化的調(diào)制、解調(diào)設計采用的是軟件無線電設計方式，嵌入在硬件大規(guī)模集成電路芯片內(nèi)，因此EHA-FTS與SLFTS兼容模式可以做如下設計。

在EHA-FTS與SLFTS使用相同頻率組的情況下，在指令參數(shù)中，令EHA-FTS的字母周期與指令長度可進行軟件配置，同時SLFTS的2CPFSK碼元周期與指令長度也可進行軟件配置，為了實現(xiàn)CPFSK，2種體制下的字母或碼元周期與指令長度須和所用頻率組內(nèi)頻率相關，這些都要作為設備技術指標在設計前進行確定。

(b)非0相位起始，非1/f0的整數(shù)倍周期

(c)0相位起始， 1/f0的整數(shù)倍周期圖5 不同字母周期和相位的指令示意

當發(fā)送EHA-FTS指令時，設置指令長度為10(參照第1節(jié))，字母周期為1/f0的整數(shù)倍，每個字母周期內(nèi)填寫例如f1，f2，f3的頻率組合。當發(fā)送SLFTS指令時，設置指令長度為64(參照第2節(jié))，2CPFSK碼元周期為1/f0的整數(shù)倍，每個2CPFSK碼元周期內(nèi)填寫f1，f2，…，f11中任意2個；還可以設置2CPFSK碼元周期為1/2f0，1/4f0，1/8f0的整數(shù)倍，此時每個2CPFSK碼元周期內(nèi)填寫的頻率就需要根據(jù)碼元周期在f1，f2，…，f11中選用合適的2個頻率。因為EHA-FTS中設計為11選3，所以在此情況下，兼容模式的設計中，SLFTS體制里的2CPFSK碼元周期最小為1/8f0，再小就會超出11個頻率的范圍。2種體制相比，EHA-FTS的字母周期為最小值1/f0時，指令長度最小為10/f0，SLFTS體制里的2CPFSK碼元周期為最小值1/8f0時，指令長度最小為64/8f0，即8/f0。

在EHA-FTS與SLFTS不使用相同頻率組的情況下，兼容模式中EHA-FTS與SLFTS指令參數(shù)配置比上一種情況增加對頻率參數(shù)的控制，這是能夠?qū)崿F(xiàn)的，由于增加了頻率控制環(huán)節(jié)，指令發(fā)送時延多少會增加一點。目前使用的大規(guī)模集成電路運行速度都達到了兆赫茲級，所以就算指令發(fā)送時延增加也不會增加超過1 ms。

每一套安控系統(tǒng)[19]的指令終端(即安全遙控指令信號產(chǎn)生裝置)都是由基帶硬件平臺搭配相應軟件組成的，基帶硬件平臺包括遙控發(fā)射機和小環(huán)檢測接收機2部分。不管是安控指揮中心發(fā)來的指令，還是設備操作人員手動按鍵發(fā)出的指令，都由指令終端基帶軟件按照事先規(guī)定的碼表進行編碼組成指令數(shù)據(jù)，指令數(shù)據(jù)做加密處理后發(fā)給基帶硬件進行相應調(diào)制成為指令信號。如果面對不同模式的目標，使用不同的工作模式，工作模式需要在任務前人工手動將計算機軟件和平臺上硬件里的軟件無線電設計的嵌入式軟件切換好才能正常使用。

依照以上兼容設計的方法，指令終端基帶軟件在發(fā)送指令時，將工作模式及模式參數(shù)(選擇EHA-FTS時為字母周期、指令長度、各字母頻率組合等，選擇SLFTS時為2CPFSK碼元周期、指令長度、代表碼元的2個頻率等)設置給基帶硬件里的軟件無線電設計的嵌入式軟件，嵌入式軟件根據(jù)要求產(chǎn)生指令副載波信號，副載波信號再進行FM調(diào)制形成指令信號發(fā)出。小環(huán)解調(diào)過程相反，原理相同。兼容式設計對目前在用的指令終端設備修改部分的設計原理框圖如圖6所示，具體實現(xiàn)的軟件流程圖如圖7所示，在基帶計算機監(jiān)控軟件和基帶硬件嵌入式軟件之間通過工業(yè)控制計算機總線通信。

圖6 兼容模式對在用設備修改部分設計框圖

圖7 兼容模式具體實現(xiàn)軟件流程

在此兼容設計模式下，一套安控指令終端不但可以在安控指揮中心遠程或設備本地實現(xiàn)時分復用發(fā)出2種模式的指令信號，不需要操作手在設備本地進行模式的手動軟件切換，同時因為命令里指令幀結(jié)構(gòu)的設計，兼容設計模式還可以實現(xiàn)一套地面安控設備時分復用地對多個具備2種不同模式的目標進行指令操作，而不會導致各目標互相干擾，大大提高了設備的靈活性。

4 結(jié)束語

SLFTS安控體制是繼EHA-FTS安控體制之后設計出來的，它在考慮經(jīng)濟適用的基礎上，盡量繼承以往成熟模塊，做到對現(xiàn)有設備改動最小，以達到對設備更新?lián)Q代的目的。通過對EHA-FTS和SLFTS的對比，提出一種EHA-FTS和SLFTS的兼容設計模式。這種兼容設計模式不需要更換硬件平臺，只需要對現(xiàn)有設備平臺的計算機軟件和嵌入式軟件進行更新，就能實現(xiàn)。這種設計不需要操作手在任務前對本地設備進行模式的軟件切換，任務執(zhí)行時可以通過指令數(shù)據(jù)幀與指令參數(shù)的設置，實現(xiàn)對多個使用EHA-FTS和SLFTS兩種不同模式的目標進行指令發(fā)送，不會導致各目標互相干擾，大大提高了設備的靈活性。同時利用CPFSK的優(yōu)秀性能，使得EHA-FTS體制下的設備整體性能也得到了提升。這項設計既經(jīng)濟適用，又能夠滿足安控設備所需的保密性、可靠性、低誤碼率和低虛指令率等性能需求。