一種無線電修正指令容錯解碼方法的設計與驗證

王 珺

（上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

隨著防空導彈的射程逐漸增加，修正指令中制導在防空導彈的設計中所起的作用日益重要，其中一種重要方式就是通過直波接收機進行修正指令信息的解調(diào)、解碼處理。在導彈發(fā)射過程中，實時通過指令通道將目標在導彈坐標系內(nèi)的速度信息和距離信息傳送到彈上計算機，彈上計算機用卡爾曼濾波方法，按導引規(guī)律和飛行動力學方程計算出控制指令，在指令制導階段將導彈引導至導引頭截獲點，增大導彈作戰(zhàn)距離，提高導彈命中率，這在多目標情況下尤為突出［1］。

無線電修正指令信息包含識別碼和信息碼兩個部分，導彈只對特定的一組識別碼進行判斷，當識別碼與預裝信息完全一致時，表示當前幀包含信息碼，按照一定的規(guī)則對信息碼進行解析就可以得到修正指令信息。在不同的直波信號強度下，為了保證信號的檢測概率，編碼解調(diào)與檢測的判決門限必須做出適當?shù)恼{(diào)整，這就會給直波基帶碼輸出帶來虛假脈沖，從而影響解碼誤碼率。

1 修正指令容錯解碼方法

為了抑制虛假脈沖，通過判斷基帶碼的碼元寬度和相對關系，設計了一種容錯解碼方法，可以有效地降低解碼誤碼率。

1.1 技術需求背景

直波信號來自地面雷達的直接照射（主要來自照射器的旁瓣），通過對照射信號副載頻調(diào)制，向?qū)棸l(fā)送無線電修正指令，由導引頭直波天線接收，其信號形式為

式中：fA為照射信號的載頻；fD為直波多普勒頻率；fi為副載頻的數(shù)值；ai為位信息（0或1）；β0為相位調(diào)制指數(shù)；A（t）為平滑振幅包絡線；U 為照射信號幅度。根據(jù)實際目標和信息的要求，照射信號副載頻調(diào)制個數(shù)i一般取3個或者更大。

直波接收機接收照射雷達發(fā)射的攜帶調(diào)頻脈沖編碼的射頻信號，經(jīng)過直波接收機鎖相環(huán)電路，采用編碼檢測電路完成指令的接收、傳輸和編碼信息解調(diào)，當直波鎖相環(huán)路截獲鎖定后，從終端輸出包含對應調(diào)頻頻率的脈沖編碼信息。直波傳送修正指令功能框圖如圖1所示。

根據(jù)無線電修正指令信號形式，當導彈接收到的直波信號強度發(fā)生變化或受到干擾時，識別碼和信息碼上可能出現(xiàn)虛假脈沖，如果解碼程序能夠正確識別虛假脈沖，則不影響碼元信息的正確解析。反之，錯誤的識別碼解析，可能會丟失信息碼或者得到錯誤的信息碼，導致彈上計算機得到錯誤的修正信息，影響導彈正確截獲目標，產(chǎn)生導彈無法繼續(xù)正常工作的嚴重后果。

圖1 直波傳送修正指令功能框圖

舉例說明，調(diào)制一組識別碼信息從高至低應當為“011”，經(jīng)過解調(diào)和編碼檢測后，得到識別碼的基帶輸出信號，沒有虛假和存在虛假的識別碼波形如圖2所示。

圖2 基帶識別碼波形示例

圖2（a）中識別碼沒有出現(xiàn)虛假脈沖，圖2（b）中識別碼最高位出現(xiàn)了虛假脈沖。如果不采取容錯設計，將導致該有效識別碼被錯誤判斷。

1.2 修正指令容錯解碼方法的設計

修正指令容錯解碼方法允許待檢測的基帶碼存在虛假脈沖。識別虛假脈沖，解決由此帶來的碼元信息錯判、漏判的問題。該解碼方法采用高速采樣時鐘，將識別碼滑窗檢測與信息碼累計判寬、雙門限檢測相結合的容錯設計。基于可編程邏輯器件的解碼功能框圖如圖3所示。

根據(jù)裝訂的識別碼信息，對基帶碼進行識別碼A 的判斷。當識別碼連續(xù)滿足條件時，開始對識別碼A 的持續(xù)時間進行計數(shù)，直至不滿足條件。將計數(shù)值與固定門限值進行比較，超過門限則認為識別碼A 正確。在識別碼A 正確以后，對識別碼B和識別碼C 進行相同的判斷。采取滑窗判斷的方法，在判斷識別碼B和識別碼C 的同時，也要對識別碼A 進行判斷，保證了識別碼的有效檢測。只有當識別碼A、識別碼B、識別碼C連續(xù)正確以后，給出信息碼解碼控制信號。圖4所示為基帶碼檢測時序。

圖3 基于FPGA 的解碼功能框圖

在正確判斷識別碼C 后進行信息碼解析。延遲一段時間后，對信息碼進行采樣，得到一段時間內(nèi)的信息碼采樣值。對碼元寬度進行累加，當計數(shù)器的值大于或等于判決門限時，該位判斷結果為‘1’，反之為‘0’。由于虛假脈沖的寬度較窄，虛假脈沖的容錯處理就是對虛假脈沖寬度設定一個門限，通過雙門限處理，消除虛假脈沖帶來的干擾，這樣即使信息碼存在虛假脈沖，也不會對碼寬計數(shù)器產(chǎn)生影響，仍然可以得到正確的信息碼。

圖4 基帶碼檢測時序

1.3 修正指令容錯解碼方法的仿真驗證

假設照射信號的載頻fA＝10GHz，直波多普勒頻率fD＝10kHz，相位調(diào)制指數(shù)β0＝1，照射信號副載頻調(diào)制個數(shù)為3個，副載頻的頻率間隔為10kHz，無線電修正信息調(diào)制周期為5ms，照射信號強度為-70dBmW。識別碼采用3 位信號表示，識別碼共3組，識別碼A 為“011”，識別碼B為“101”，識別碼C 為“110”。信息碼采用1位信號表示，信息碼共30位。

為了驗證修正指令容錯解碼方法的正確性，設計了一組編碼的測試波形，在FPGA 的編程環(huán)境下進行功能仿真，分別考察了未采取容錯處理和采取容錯處理的解碼仿真結果波形。圖5所示為未采取容錯處理的仿真結果。

圖5 未采取容錯處理的仿真波形

當編碼不存在虛假脈沖時，可以正確解析識別碼和信息碼。當基帶碼存在虛假脈沖時，不僅出現(xiàn)識別碼的漏判，同時出現(xiàn)了識別碼的錯判，信息碼解析錯誤。采取容錯解碼處理方法的仿真結果如圖6所示。

由圖6可見，采取了容錯處理之后，可以正確識別虛假脈沖，沒有出現(xiàn)識別碼漏判、錯判的現(xiàn)象，同時信息碼被正確解析。

圖6 采取容錯處理的仿真波形

2 修正指令解碼誤碼率測試

該修正指令容錯解碼方法的仿真結果正確。為了驗證實際解碼效果，在LabVIEW 8.0 環(huán)境下，開發(fā)誤碼率測試程序，實現(xiàn)了解碼誤碼率的自動化測試［2］。

2.1 誤碼率測試方法

圖7所示為誤碼率測試方法的原理框圖。由模擬源測控設備產(chǎn)生不同強度的直波信號，輸出到直波接收機組合，解調(diào)后的基帶碼通過解碼設備進行識別碼和信息碼解析，最后將得到的信息碼回傳到測控設備，并進行比對，分別統(tǒng)計識別碼、信息碼的誤碼率［3～4］。

圖7 誤碼率測試方法的原理框圖

由模擬源測控設備按照1s的固定周期，產(chǎn)生一組隨機的碼元信號給頻率綜合單元。分別控制副載頻，使其調(diào)制到相應的射頻信號上，經(jīng)幅度控制后輸出到直波接收機組合。解調(diào)后得到基帶碼，再通過解碼設備進行解碼，解析得到的信息碼回傳到測控設備。存儲該組碼元信息，同時與原碼進行比對。測試時間按連續(xù)9h計算，需進行32 400次識別碼和信息碼的判斷。

在每個1s的測試周期，如果1s內(nèi)沒有解碼信息，則識別碼解碼錯誤計數(shù)加1；如果1s內(nèi)得到信息碼的解析結果，則進行原碼和解碼結果的比對，比對結果錯誤時，信息碼誤碼計數(shù)加1。試驗結束后統(tǒng)計識別碼、信息碼的誤碼率結果。

傳統(tǒng)的誤碼率是用誤碼數(shù)除以全部發(fā)送的數(shù)據(jù)個數(shù)所得到的比值［5］。這種誤碼率只能用于判斷解碼質(zhì)量的好壞，無法知道發(fā)生誤碼時的具體位置和詳細情況（比如有的錯誤是周期出現(xiàn)的）。文中提出的誤碼率測試方法不僅可以準確地統(tǒng)計誤碼率，而且可以在統(tǒng)計誤碼率的過程中同時存儲誤碼出現(xiàn)的位置和原始數(shù)據(jù)，便于對誤碼進行分析。測試時間越長，誤碼率的測試精度越高。

2.2 誤碼率測試驗證

模擬源產(chǎn)生直波信號，信號能量從-100dBmW開始，按10dBmW步進增大輸入信號能量，直至信號能量達到-60dBmW。記錄每個信號能量實際測得的誤碼率，統(tǒng)計結果如表1所示。

從最終試驗結果可以看出，當輸入相同的信號能量，采取容錯解碼方法的解碼誤碼率明顯小于未采取容錯解碼時的誤碼率。當信號強度在-80dBmW以上時，在9h的觀測時間內(nèi)，采取容錯解碼方法，識別碼、信息碼解碼誤碼率均為0；

而未采取容錯解碼方法，直到輸入信號強度達到-60dBmW 時，識別碼、信息碼解碼誤碼率才為0。因此，該修正指令容錯解碼方法實現(xiàn)了在輸入較低的信號能量情況下，可以降低識別碼和信息碼的解碼誤碼率，定量的分析了信號強度對修正指令解碼靈敏度的影響。

表1 不同信號強度下的誤碼率測試

3 結論

基于可編程邏輯器件，提出了一種無線電修正指令容錯解碼方法，解決了基帶碼虛假脈沖帶來基帶碼錯判、漏判的影響，可以降低解碼誤碼率，仿真結果表明該方法解碼功能正確。在Lab-VIEW8.0環(huán)境下，設計了一種簡單而實用的誤碼率自動化測試方法，不僅能精確地統(tǒng)計修正指令解碼誤碼率，同時可以標識碼元出錯的位置與錯誤規(guī)律。

［1］ 陳大吾，張靖.適應間斷照射雷達導引頭設計中的幾個問題［J］.上海航天，1997，（6）：33-37.

［2］ 劉磊，常青，等.星間異步通信鏈路的誤碼率測試技術［J］.空間電子技術，2010，（1）：123-126.

［3］ 唐衛(wèi)華，葛萬成.WCDMA 中誤碼率測試方法的研究［J］.科技論壇，2005，（19）：7-9.

［4］ 樊俊義.通信數(shù)字網(wǎng)絡誤碼指標的分析與測試［J］.內(nèi)蒙古電力技術，2002，20（1）：30-32.

［5］ 陳忠平，雷振明.誤碼率指標測試的有效性與可靠性探討［J］.電信科學，2000，（1）：47-49.