EHA-FTS与SLFTS指令的兼容设计与实现

徐 杨，韩彦中

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.陆军驻石家庄地区第一军代室，河北 石家庄 050081)

0 引言

安全遥控(安控)是所有飞行器发射时(导弹试验、火箭发射、卫星发射、载人航天和深空探测等) 所必需的一个系统。EHA-FTS[1]于2000年之后应用在美国的安控系统中。2010年，美国空军(United States Air Force，USAF)和联合发射联盟(United Launch Alliance，ULA)开始着手研究下一代安控系统，即SLFTS系统[2]，这个新系统为了最小限度的改动以往设备，继承了以往设计的基础，与之前的 EHA-FTS系统拥有许多功能相同的模块。在以往设备中，每种模式单独运行，使用前必须进行模式切换，本文提出了一种兼容式设计，给出了详细设计方法，通过对基带软件和硬件内嵌入式软件的升级改造，将这2种模式合并设计为一种兼容模式，在不更换硬件平台、不切换工作模式的条件下，只改变指令参数，就可以实现对分别使用EHA-FTS和SLFTS两种模式的多目标进行安全遥控。

1 EHA-FTS设计原理

EHA-FTS的设计原理[3-6]如图1所示。

(b)解调指令框图图1 EHA-FTS的设计原理

指令数据先进行3DES加密，再进行多音编码，最后经FM调制发出，解调与调制过程相反。

EHA-FTS的指令数据结构如图2所示，其总长度定义为64 bit，以方便进行3DES加密。指令数据内有飞行器ID及靶场ID#1、靶场ID#2号，可支持跨靶场的多目标系统，同时使用3DES的保密性非常良好[7-8]，指令计数字段的应用有效防止敌方记录设备通过记录回放对飞行器进行干扰破坏。

EHA-FTS使用一组11个频率(序号定义为1～11)，选择其中3个组成字母。根据排列组合计算可得165个排列组合，即字母表有165个字母，字母表如表1所示。

表1 EHA-FTS主字母表

频率组合字母序号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个字母对应二进制bit数据(其余字母用作功能字母)，那么n=7，即指令中每7 bit数据对应一个字母。一条64 bit长的指令通过尾端补零后，对应10个字母，每个字母连续发送，中间没有时间间隔。长度64 bit的指令通过查询表1完成多音编码[9],多音编码后的指令通过FM调制发送出去,解调过程同理。

2 SLFTS的设计原理

SLFTS的调制方式采用了连续相位频移键控(Continuous-Phase Frequency Shift Keying，CPFSK)与FM结合的方式，设计原理如图3所示。

(a)指令产生框图

(b)解调指令框图图3 SLFTS的设计原理

解调过程与调制过程相反。其中3DES加解密模块和FM调制解调模块已经是在EHA-FTS中使用的成熟模块。

在SLFTS设计中，指令帧设计仍采用EHA-FTS使用的长度为64 bit的数据帧，设计原理和目的与EHA-FTS相同，SLFTS指令帧结构如图4所示。

图4 SLFTS指令帧结构

指令帧数据先用3DES的方法进行加密，加密后的指令进行曼彻斯特编码，编码后的数据进行2CPFSK调制，之后指令信号通过FM调制发送出去，解调过程同理。

3 EHA-FTS与SLFTS兼容设计

EHA-FTS与SLFTS的设计区别是在3DES加解密模块和FM调制解调模块之间的处理，一个是进行了多音编解码，另一个是进行了曼彻斯特编解码和CPFSK调制解调。

众所周知，CPFSK调制方式具有带宽利用率高、包络恒定、性能稳定等优点，使用这种调制方式可以在设备中使用非线性功放，而且CPFSK信号由于其内在的记忆特性而具有错误矫正的潜力，把编码与CPFSK调制方式结合起来，会产生更大的编码增益。适当设计参数的CPFSK比BPSK(Binary Phase Shift Keying)误码率性能要好，信号占用频带要小。其中调制指数是0.5的CPFSK称为最小频移键控(Minimum Shift Keying，MSK)，其改进后称为高斯最小频移键控(Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK)[10-12]，目前GMSK已经广泛地应用于移动通信系统(如手机、对讲机)、卫星遥测数据传输等方面[13-14]，2CPFSK已应用于无人机数字图像信号传输系统[15]。

在EHA-FTS设计中，11选3的频率组合里，11个正弦波频率要满足条件：每个频率都是频率f0的整数倍，即频率组合f1，f，2，…，f11是通过下面计算得出：

f0*n=f1

f0*(n+1)=f2

⋮

f0*(n+10)=f11

式中，f0<

在EHA-FTS设计的指令中， 10个字母连续发送，中间没有时间间隔，需要对字母的相位与周期进行设计才能得到良好的接收解调性能。如果字母起始时每个正弦波单音时域波形都是位于相位0，每个字母的周期选择为任意，导致前一个字母周期结束进入下一个字母周期时，波形相位发生跳变，如图5(a)所示，这样会在频域产生其他频率点，从而导致多音解调时误码概率增大；如果每个字母起始时每个正弦波单音时域波形相位不是位于0，每个字母的周期选择又为任意，情况更糟糕，如图5(b)所示。而如果每个字母起始时每个正弦波单音时域波形相位都位于0，每个字母的周期选择为1/f0的整数倍，如图5(c)所示，则会使得每个字母结束时各正弦波单音相位依然位于0，那么在下一个字母起始时每个正弦波单音时域波形相位也都是位于0，则形成了指令中组成各字母的单音相位时域连续，则11选3设计的EHA-FTS主字母指令，相当于3个来自同一个频率组的N-CPFSK信号叠加同时发送，这样发出的主字母信号就具备了CPFSK的所有优点，目标接收机的解调性能也大大提高。

根据以上设计，将EHA-FTS与SLFTS结合设计成一种兼容模式。目前数字化的调制、解调设计采用的是软件无线电设计方式，嵌入在硬件大规模集成电路芯片内，因此EHA-FTS与SLFTS兼容模式可以做如下设计。

在EHA-FTS与SLFTS使用相同频率组的情况下，在指令参数中，令EHA-FTS的字母周期与指令长度可进行软件配置，同时SLFTS的2CPFSK码元周期与指令长度也可进行软件配置，为了实现CPFSK，2种体制下的字母或码元周期与指令长度须和所用频率组内频率相关，这些都要作为设备技术指标在设计前进行确定。

(b)非0相位起始，非1/f0的整数倍周期

(c)0相位起始， 1/f0的整数倍周期图5 不同字母周期和相位的指令示意

当发送EHA-FTS指令时，设置指令长度为10(参照第1节)，字母周期为1/f0的整数倍，每个字母周期内填写例如f1，f2，f3的频率组合。当发送SLFTS指令时，设置指令长度为64(参照第2节)，2CPFSK码元周期为1/f0的整数倍，每个2CPFSK码元周期内填写f1，f2，…，f11中任意2个；还可以设置2CPFSK码元周期为1/2f0，1/4f0，1/8f0的整数倍，此时每个2CPFSK码元周期内填写的频率就需要根据码元周期在f1，f2，…，f11中选用合适的2个频率。因为EHA-FTS中设计为11选3，所以在此情况下，兼容模式的设计中，SLFTS体制里的2CPFSK码元周期最小为1/8f0，再小就会超出11个频率的范围。2种体制相比，EHA-FTS的字母周期为最小值1/f0时，指令长度最小为10/f0，SLFTS体制里的2CPFSK码元周期为最小值1/8f0时，指令长度最小为64/8f0，即8/f0。

在EHA-FTS与SLFTS不使用相同频率组的情况下，兼容模式中EHA-FTS与SLFTS指令参数配置比上一种情况增加对频率参数的控制，这是能够实现的，由于增加了频率控制环节，指令发送时延多少会增加一点。目前使用的大规模集成电路运行速度都达到了兆赫兹级，所以就算指令发送时延增加也不会增加超过1 ms。

每一套安控系统[19]的指令终端(即安全遥控指令信号产生装置)都是由基带硬件平台搭配相应软件组成的，基带硬件平台包括遥控发射机和小环检测接收机2部分。不管是安控指挥中心发来的指令，还是设备操作人员手动按键发出的指令，都由指令终端基带软件按照事先规定的码表进行编码组成指令数据，指令数据做加密处理后发给基带硬件进行相应调制成为指令信号。如果面对不同模式的目标，使用不同的工作模式，工作模式需要在任务前人工手动将计算机软件和平台上硬件里的软件无线电设计的嵌入式软件切换好才能正常使用。

依照以上兼容设计的方法，指令终端基带软件在发送指令时，将工作模式及模式参数(选择EHA-FTS时为字母周期、指令长度、各字母频率组合等，选择SLFTS时为2CPFSK码元周期、指令长度、代表码元的2个频率等)设置给基带硬件里的软件无线电设计的嵌入式软件，嵌入式软件根据要求产生指令副载波信号，副载波信号再进行FM调制形成指令信号发出。小环解调过程相反，原理相同。兼容式设计对目前在用的指令终端设备修改部分的设计原理框图如图6所示，具体实现的软件流程图如图7所示，在基带计算机监控软件和基带硬件嵌入式软件之间通过工业控制计算机总线通信。

图6 兼容模式对在用设备修改部分设计框图

图7 兼容模式具体实现软件流程

在此兼容设计模式下，一套安控指令终端不但可以在安控指挥中心远程或设备本地实现时分复用发出2种模式的指令信号，不需要操作手在设备本地进行模式的手动软件切换，同时因为命令里指令帧结构的设计，兼容设计模式还可以实现一套地面安控设备时分复用地对多个具备2种不同模式的目标进行指令操作，而不会导致各目标互相干扰，大大提高了设备的灵活性。

4 结束语

SLFTS安控体制是继EHA-FTS安控体制之后设计出来的，它在考虑经济适用的基础上，尽量继承以往成熟模块，做到对现有设备改动最小，以达到对设备更新换代的目的。通过对EHA-FTS和SLFTS的对比，提出一种EHA-FTS和SLFTS的兼容设计模式。这种兼容设计模式不需要更换硬件平台，只需要对现有设备平台的计算机软件和嵌入式软件进行更新，就能实现。这种设计不需要操作手在任务前对本地设备进行模式的软件切换，任务执行时可以通过指令数据帧与指令参数的设置，实现对多个使用EHA-FTS和SLFTS两种不同模式的目标进行指令发送，不会导致各目标互相干扰，大大提高了设备的灵活性。同时利用CPFSK的优秀性能，使得EHA-FTS体制下的设备整体性能也得到了提升。这项设计既经济适用，又能够满足安控设备所需的保密性、可靠性、低误码率和低虚指令率等性能需求。