徐 楊，韓彥中

(1.中國電子科技集團(tuán)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(shí)(導(dǎo)彈試驗(yàn)、火箭發(fā)射、衛(wèi)星發(fā)射、載人航天和深空探測(cè)等) 所必需的一個(gè)系統(tǒng)。EHA-FTS[1]于2000年之后應(yīng)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(gè)新系統(tǒng)為了最小限度的改動(dòng)以往設(shè)備，繼承了以往設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，與之前的 EHA-FTS系統(tǒng)擁有許多功能相同的模塊。在以往設(shè)備中，每種模式單獨(dú)運(yùn)行，使用前必須進(jìn)行模式切換，本文提出了一種兼容式設(shè)計(jì)，給出了詳細(xì)設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)基帶軟件和硬件內(nèi)嵌入式軟件的升級(jí)改造，將這2種模式合并設(shè)計(jì)為一種兼容模式，在不更換硬件平臺(tái)、不切換工作模式的條件下，只改變指令參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分別使用EHA-FTS和SLFTS兩種模式的多目標(biāo)進(jìn)行安全遙控。

1 EHA-FTS設(shè)計(jì)原理

EHA-FTS的設(shè)計(jì)原理[3-6]如圖1所示。

(b)解調(diào)指令框圖圖1 EHA-FTS的設(shè)計(jì)原理

指令數(shù)據(jù)先進(jìn)行3DES加密，再進(jìn)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(zhǎng)度定義為64 bit，以方便進(jìn)行3DES加密。指令數(shù)據(jù)內(nèi)有飛行器ID及靶場(chǎng)ID#1、靶場(chǎng)ID#2號(hào)，可支持跨靶場(chǎng)的多目標(biāo)系統(tǒng)，同時(shí)使用3DES的保密性非常良好[7-8]，指令計(jì)數(shù)字段的應(yīng)用有效防止敵方記錄設(shè)備通過記錄回放對(duì)飛行器進(jìn)行干擾破壞。

EHA-FTS使用一組11個(gè)頻率(序號(hào)定義為1～11)，選擇其中3個(gè)組成字母。根據(jù)排列組合計(jì)算可得165個(gè)排列組合，即字母表有165個(gè)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(hào)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(gè)字母對(duì)應(yīng)二進(jìn)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(duì)應(yīng)一個(gè)字母。一條64 bit長(zhǎng)的指令通過尾端補(bǔ)零后，對(duì)應(yīng)10個(gè)字母，每個(gè)字母連續(xù)發(fā)送，中間沒有時(shí)間間隔。長(zhǎng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中，指令幀設(shè)計(jì)仍采用EHA-FTS使用的長(zhǎng)度為64 bit的數(shù)據(jù)幀，設(shè)計(jì)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(jìn)行加密，加密后的指令進(jìn)行曼徹斯特編碼，編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行2CPFSK調(diào)制，之后指令信號(hào)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(shè)計(jì)

EHA-FTS與SLFTS的設(shè)計(jì)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(gè)是進(jìn)行了多音編解碼，另一個(gè)是進(jìn)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(luò)恒定、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，使用這種調(diào)制方式可以在設(shè)備中使用非線性功放，而且CPFSK信號(hào)由于其內(nèi)在的記憶特性而具有錯(cuò)誤矯正的潛力，把編碼與CPFSK調(diào)制方式結(jié)合起來，會(huì)產(chǎn)生更大的編碼增益。適當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)的CPFSK比BPSK(Binary Phase Shift Keying)誤碼率性能要好，信號(hào)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(jìn)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(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)(如手機(jī)、對(duì)講機(jī))、衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫鎇13-14]，2CPFSK已應(yīng)用于無人機(jī)數(shù)字圖像信號(hào)傳輸系統(tǒng)[15]。

在EHA-FTS設(shè)計(jì)中，11選3的頻率組合里，11個(gè)正弦波頻率要滿足條件：每個(gè)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(jì)算得出：

f0*n=f1

f0*(n+1)=f2

?

f0*(n+10)=f11

式中，f0<

在EHA-FTS設(shè)計(jì)的指令中， 10個(gè)字母連續(xù)發(fā)送，中間沒有時(shí)間間隔，需要對(duì)字母的相位與周期進(jìn)行設(shè)計(jì)才能得到良好的接收解調(diào)性能。如果字母起始時(shí)每個(gè)正弦波單音時(shí)域波形都是位于相位0，每個(gè)字母的周期選擇為任意，導(dǎo)致前一個(gè)字母周期結(jié)束進(jìn)入下一個(gè)字母周期時(shí)，波形相位發(fā)生跳變，如圖5(a)所示，這樣會(huì)在頻域產(chǎn)生其他頻率點(diǎn)，從而導(dǎo)致多音解調(diào)時(shí)誤碼概率增大；如果每個(gè)字母起始時(shí)每個(gè)正弦波單音時(shí)域波形相位不是位于0，每個(gè)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(gè)字母起始時(shí)每個(gè)正弦波單音時(shí)域波形相位都位于0，每個(gè)字母的周期選擇為1/f0的整數(shù)倍，如圖5(c)所示，則會(huì)使得每個(gè)字母結(jié)束時(shí)各正弦波單音相位依然位于0，那么在下一個(gè)字母起始時(shí)每個(gè)正弦波單音時(shí)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(shí)域連續(xù)，則11選3設(shè)計(jì)的EHA-FTS主字母指令，相當(dāng)于3個(gè)來自同一個(gè)頻率組的N-CPFSK信號(hào)疊加同時(shí)發(fā)送，這樣發(fā)出的主字母信號(hào)就具備了CPFSK的所有優(yōu)點(diǎn)，目標(biāo)接收機(jī)的解調(diào)性能也大大提高。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，將EHA-FTS與SLFTS結(jié)合設(shè)計(jì)成一種兼容模式。目前數(shù)字化的調(diào)制、解調(diào)設(shè)計(jì)采用的是軟件無線電設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。

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(zhǎng)度可進(jìn)行軟件配置，同時(shí)SLFTS的2CPFSK碼元周期與指令長(zhǎng)度也可進(jìn)行軟件配置，為了實(shí)現(xiàn)CPFSK，2種體制下的字母或碼元周期與指令長(zhǎng)度須和所用頻率組內(nèi)頻率相關(guān)，這些都要作為設(shè)備技術(shù)指標(biāo)在設(shè)計(jì)前進(jìn)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(dāng)發(fā)送EHA-FTS指令時(shí)，設(shè)置指令長(zhǎng)度為10(參照第1節(jié))，字母周期為1/f0的整數(shù)倍，每個(gè)字母周期內(nèi)填寫例如f1，f2，f3的頻率組合。當(dāng)發(fā)送SLFTS指令時(shí)，設(shè)置指令長(zhǎng)度為64(參照第2節(jié))，2CPFSK碼元周期為1/f0的整數(shù)倍，每個(gè)2CPFSK碼元周期內(nèi)填寫f1，f2，…，f11中任意2個(gè)；還可以設(shè)置2CPFSK碼元周期為1/2f0，1/4f0，1/8f0的整數(shù)倍，此時(shí)每個(gè)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(gè)頻率。因?yàn)镋HA-FTS中設(shè)計(jì)為11選3，所以在此情況下，兼容模式的設(shè)計(jì)中，SLFTS體制里的2CPFSK碼元周期最小為1/8f0，再小就會(huì)超出11個(gè)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(shí)，指令長(zhǎng)度最小為10/f0，SLFTS體制里的2CPFSK碼元周期為最小值1/8f0時(shí)，指令長(zhǎng)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(duì)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(shí)延多少會(huì)增加一點(diǎn)。目前使用的大規(guī)模集成電路運(yùn)行速度都達(dá)到了兆赫茲級(jí)，所以就算指令發(fā)送時(shí)延增加也不會(huì)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(hào)產(chǎn)生裝置)都是由基帶硬件平臺(tái)搭配相應(yīng)軟件組成的，基帶硬件平臺(tái)包括遙控發(fā)射機(jī)和小環(huán)檢測(cè)接收機(jī)2部分。不管是安控指揮中心發(fā)來的指令，還是設(shè)備操作人員手動(dòng)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(jìn)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(jìn)行相應(yīng)調(diào)制成為指令信號(hào)。如果面對(duì)不同模式的目標(biāo)，使用不同的工作模式，工作模式需要在任務(wù)前人工手動(dòng)將計(jì)算機(jī)軟件和平臺(tái)上硬件里的軟件無線電設(shè)計(jì)的嵌入式軟件切換好才能正常使用。

依照以上兼容設(shè)計(jì)的方法，指令終端基帶軟件在發(fā)送指令時(shí)，將工作模式及模式參數(shù)(選擇EHA-FTS時(shí)為字母周期、指令長(zhǎng)度、各字母頻率組合等，選擇SLFTS時(shí)為2CPFSK碼元周期、指令長(zhǎng)度、代表碼元的2個(gè)頻率等)設(shè)置給基帶硬件里的軟件無線電設(shè)計(jì)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(hào)，副載波信號(hào)再進(jìn)行FM調(diào)制形成指令信號(hào)發(fā)出。小環(huán)解調(diào)過程相反，原理相同。兼容式設(shè)計(jì)對(duì)目前在用的指令終端設(shè)備修改部分的設(shè)計(jì)原理框圖如圖6所示，具體實(shí)現(xiàn)的軟件流程圖如圖7所示，在基帶計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)總線通信。

圖6 兼容模式對(duì)在用設(shè)備修改部分設(shè)計(jì)框圖

圖7 兼容模式具體實(shí)現(xiàn)軟件流程

在此兼容設(shè)計(jì)模式下，一套安控指令終端不但可以在安控指揮中心遠(yuǎn)程或設(shè)備本地實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用發(fā)出2種模式的指令信號(hào)，不需要操作手在設(shè)備本地進(jìn)行模式的手動(dòng)軟件切換，同時(shí)因?yàn)槊罾镏噶顜Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，兼容設(shè)計(jì)模式還可以實(shí)現(xiàn)一套地面安控設(shè)備時(shí)分復(fù)用地對(duì)多個(gè)具備2種不同模式的目標(biāo)進(jìn)行指令操作，而不會(huì)導(dǎo)致各目標(biāo)互相干擾，大大提高了設(shè)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(shè)計(jì)出來的，它在考慮經(jīng)濟(jì)適用的基礎(chǔ)上，盡量繼承以往成熟模塊，做到對(duì)現(xiàn)有設(shè)備改動(dòng)最小，以達(dá)到對(duì)設(shè)備更新?lián)Q代的目的。通過對(duì)EHA-FTS和SLFTS的對(duì)比，提出一種EHA-FTS和SLFTS的兼容設(shè)計(jì)模式。這種兼容設(shè)計(jì)模式不需要更換硬件平臺(tái)，只需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備平臺(tái)的計(jì)算機(jī)軟件和嵌入式軟件進(jìn)行更新，就能實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)不需要操作手在任務(wù)前對(duì)本地設(shè)備進(jìn)行模式的軟件切換，任務(wù)執(zhí)行時(shí)可以通過指令數(shù)據(jù)幀與指令參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)使用EHA-FTS和SLFTS兩種不同模式的目標(biāo)進(jìn)行指令發(fā)送，不會(huì)導(dǎo)致各目標(biāo)互相干擾，大大提高了設(shè)備的靈活性。同時(shí)利用CPFSK的優(yōu)秀性能，使得EHA-FTS體制下的設(shè)備整體性能也得到了提升。這項(xiàng)設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)適用，又能夠滿足安控設(shè)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。