（通信与信息系统专业论文）海上短波慢跳频通信的同步系统研究及其抗干扰性能分析.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = _ 目目= = ；= 目；目自l l _ ；_ i l _ ；= 目= l = j e = z 自 摘要 t 为提高海上军事通信的可靠，要充分发挥潜艇的作用，提高潜艇的战术协同 作战能力，关键是要能够提供更好更灵活的设备来解决潜艇的通信问题。因此设 计种基于通信浮标的设备，该设备利用我国现役常规潜艇上均配备的声诱饵发 射装置进行通信浮标的发射。 由于短波通信无需任何地面中继，对地形也没有限制性要求，这给海上移动 通信平台提供了很大的灵活性，因此本系统采用短波通信方式。 基于海上通信对系统的要求，我们考虑将跳频通信技术引入其中，利用跳频 技术的优点对系统的性能进行优化。y j 本文对跳频通信的关键技术作了详细的分析，并针对该系统的关键技术，即同 步技术，进行了重点研究。通过对各种同步捕获方法的分析发现：滑动相关法抗 干扰能力强，结构简单易实现，但它的平均捕获时间会随着跳频点数的增加而逐步 加大：而通常情况下，为提高系统的抗截获能力跳频频点数越大越好，但这就相应 的增加了捕获的难度。权衡捕获时间以及抗干扰性能等各个方面，本文提出了一种 称之为短码引导长码的同步捕获方案，即自同步与外同步相结合的方法。 另外就跟踪部分而言，在比较了基带相关同步跟踪环与非相干码跟踪环之后 发现，非相干码跟踪环比较适合跳频通信系统。在跳频通信条件下非相干码跟踪环 的误差跟踪信号被给出。 对该系统进行评估时，重点分析和研究了其抗干扰性能。经过对该同步系统的 仿真分析发现本文提出的同步方案是适用的。并在此基础上得出了一些有用的结 论。 同步捕获同步跟踪滑动相关法 抗干扰能力 华中科技大学硕士学位论文 ；4 = = = l = ；= = 目目l 自_ _ 目- | = 日= = l l 目自目= 目；自l = 自= a b s t r a c t t h ea g i l ee q u i p m e n ti sd e s i g n e dt os o l v ec o m m u n i c a t i o na m o n gs u b m a r i n e sf o r i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t y o fo f f s h o r ec o m m u n i c a t i o n t h e e q u i p m e mi s b a s e do n c o m m u n i c a t i o n b u o y , w h i c h i ss e n to u t b y t h e e l e c t r o p u l to i l - t h es u b m a r i n e t h es h o r t - w a v ec o m m u n i c a t i o nw o u l db et h eb e t t e r c h o i c ef r o m t h e s e l o n g d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o nm e t h o d s ，b e c a u s es h o r t w a v ec o r n m u n i c a t i o nn e e dn o t a s kf o r a n yr e l a ya n d b er e s t r i c t e db yl a n d f o r m t ot h i n ka b o u tt h ed e m a n d s o fc o m m u n i c a t i o n s y s t e m o f f s h o r e 也e f r e q u e n c y - h o p p i n gc o m m u n i c a t i o nm e t h o dw o d db eu s e dt oi m p r o v et h es y s t e m p e r f o r m a n c e b e c a u s eo fi t ss t r o n g a n t i - j a m m i n ge n e r g y t h ep i v o t a lt e c h n o l o g yo ff r e q u e n c y h o p p i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i l lb e s t u d i e di nd e t a i l t h e p i v o t a lt e c h n o l o g y i ss y n c h r o n i z a t i o n t h es y s t e ms y n c h r o n i z a t i o nm a yb ec o m p o s e do fs y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o na n d s y n c h r o n o u st r a c k i n g s e v e r a ls y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o nm e t h o d sw o u l db ei n t r o d u c e d a n da n a l y z e d i ti sf o u n dt h a tt h e s l i p p i n g c o r r e l a t i o n a c q u i s i t i o nm e t h o d ，w h i c h a n t i - j a m m i n ge n e r g y i s s t r o n g e r , i s t h em o r er e l i a b l e a m o n gt h o s es y n c h r o n o u s a c q u i s i t i o n m e t h o d s a tt h es a m et i m e ，t h ea c q u i s i t i o nt i m ew i l lb e i n s u p p o r t a b l ew h e n t h ef r e q u e n c yn u m b e ri s l a r g e t os o l v et h eq u e s t i o n , an e wa c q u i s i t i o nm e t h o di s p r e s e n t e dw h i c hi sn a m e d 嬲s h o r tc o d e sl e a d i n gl o n gc o d e s t h en e wm e t h o di s e q u i p p e d w i t hd o u b l e f r e q u e n c y - h o p p i n gp a t t e r n s o nt h eo t h e rh a n d ，s y n c h r o n o u s t r a c k i n gm e t h o d s w o u i db ea n a l y z e di nd e t a i l i n c o m p a r i s o n 谢t 1 1b a s e - b a n dc o r r e l a t i o nt r a c k i n gl o o p n o n - c o r r e l a t i o nt r a c k i n gl o o pi s m o r es u i t a b l ef o rf r e q u e n c y - h o p p i n gc o m m u n i c a t i o n s y s t e m f i n a l l y t h ef hc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi ss i m u l a t e du s e db yt h es i m u l i n k w h i c hi sat o o lf o rs i m u l a t i n gc o m m u n i c a t i o n s y s t e m d u r i n gt h es y s t e ms i m u l a t i o n ，i t i sf o u n dt h a tt h e p r e s e n t e ds c h e m e i sd e s i r a b l e k e y w o r d s ：f r e q u e n c y - h o p p i n gc o m m u n i c a t i o n ，s y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o n s y n c | l r o n o u st r a c k i n g ，t h es l i p p i n g c o r r e l a t i o na c q u i s i t i o nm e t h o d n o n - c o r r e l a t i o n t r a c k i n gl o o p ，a n t i - j a m m i n ge n e r g y i l 华中科技大学硕士学位论文 宣皇鲁= i i 昔蕾_ 皇e _ 毫昌昌墨l 墨_ 昌穹号葺l 置墨i l 奄昌皇皇j _ 昌；穹皇置暮l 蛊= 昌_ ；童皇 1 绪论 1 1 海上短波跳频通信系统的背景介绍 1 1 1 海上短波跳频通信系统的背景 在现有的海上通信方式中，有基于有线的、海岛中继的、卫星的通信等几种 方式。如果依据通信距离的长短来划分的话，可以分为两种：一种是通信距离在 5 0 k i n 以内的近程通信，一般采用甚高频( v h f 3 0 - - 3 0 0 m h z ) 、特高频段( u h f 3 0 0 - - 3 0 0 0 m h z ) 来实现：另一种则是通信距离在5 0 k i n 以上的远程通信，一般采用 微波通信( 卫星通信，包括超高频卫星通信s i - i f 3 - - 3 0 0 h z 、极高频卫星通信e h f 3 0 - - 3 0 0 0 h z ) 和短波通信( 高频通信，1 5 - - 3 0 m h z ) 。 目前在海上军事通信中，各国海军对潜艇的无线电通信，一般采用短波( 高 频通信) 、微波( 卫星通信) 、和超长波三种方式。 本项目中海面通信部分通信距离的技术指标要求为l o o 一1 5 0 k i n ，超出近程通 信的范畴( 5 0 k m 以内) ，因此利用远程的通信方式实现。 在远程通信方式中，鉴于卫星通信所存在的问题，我们主要讨论短波通信( 波 长2 0 0 m - - l o m ) ，短波通信的频率范围为i 5 姗z 一3 0 枷- i z ，因此又称为高频通信。短 波通信具有较好的隐蔽性和机动性。它无需任何地砸中继，对地形也没有限制性 要求，这给海上移动通信平台提供了很大的灵活性，因此在本系统中采用短波通 信是较为理想的选择【1 i 。 早期的潜艇水下通信方式是，潜艇定期地浮到天线露出的深度，将天线升出 水面收报。虽然原则上潜艇不能发报，但在迫不得已的情况下，也按此方式使用 高频、甚高频、超高频发信。 这种通信方式的缺点是，即使通信时间很短，也极有可能被雷达和探测器探 测到。同时由于上浮到接近水面，极可能被侦察卫星或反潜飞机发现。此外，潜 艇的升降产生的噪声也易被灵敏的声纳探测到。这些对其隐蔽性是极为不利的。 根据现代海战的特点，并结合我国的国情，海军战略强调在局部战争中发挥 华中科技大学硕士学位论文 作用，并依此在战术水平上进行海洋控制和力量部署。潜艇在沿海作战中是一支 能有效发挥作用的重要力量，在局部战争中具有明显的优势。从战术角度而言， 潜艇与水面系统之间构成一个作战体系，潜艇主要是配合水面与空中打击力量及 指挥部门完成监视、跟踪和打击敌方目标的作用。因此它必须在“可信任能力” 和“可见性”之间保持微妙的平衡。水下潜艇与水面舰队、空中力量和地面指挥 部门之间保持隐蔽而有效的通信是平衡“可见性”与“可信任能力”之间的关键。 潜艇战术的形成与发展与对潜艇通信的方式、手段有极大的关系。在现代战 争中，只有保持通信畅通，才能取得战场上的主动权。反之，如果通信失灵，就 失去了对部队的指挥和控制：也失去了对武器系统的控制能力，另外情报的获取 和实时传输也离不开通信。 现代潜艇作用的发挥，除依靠本身装备之战术技术性能外，与对潜通信的手 段和水平有密切的关系。这是因为潜艇之观察距离小，不得不依靠岸基提供信息 或进行指导。 然而时至今日，潜艇与水面系统这一作战体系之间的通信并没有很好地解决， 致使指挥滞后、战术陈旧，没有超出二战时期的作战方法。因此对潜艇和水面系 统之间的通信机制和通信手段进行研究具有极为重要的战略意义。 在这样的背景之下，就提出了建立一个海上小型短波跳频通信平台的设想， 以实现潜艇与岸基之间的可靠通信。 1 1 2 海上小型短波跳频通信系统的总体规划 海军的通信系统是把海军的指挥、控制、通信和情报系统联系在一起，它由 岸上指挥部与支持系统和海上平台组成。而潜艇的活动范围大，但观测距离近， 其所担负的使命完成如何，很大程度上取决于与水面舰队、水上飞机的密切配合， 即水面指挥系统能否随时掌握潜艇的位置和动向，并及时向潜艇提供信息与实施 指挥。 因此要充分发挥潜艇的作用，提高潜艇的战术协同作战能力，关键是要能够 提供更好更灵活的设备来解决潜艇的通信问题。 2 华中科技大学硕士学位论文 ；= 1 ；目= ；= = = l = = t l 目= 目= ；- l l l i l l t 口；= = 目= = l = 因此设计研制一种基于通信浮标的设备，并利用我国现役常规潜艇上均设计 有的声诱饵发射装置进行通信浮标的发射。潜艇与通信浮标之间采用声纳通信方 式，浮标与水面通信基地( 岸基、陆基、空基) 之间采用短波无线通信方式。采 用这种通信浮标，可以不用对潜艇现有的整体系统进行改造，即可直接安装使用。 由于该装置为气压式发射方式，发射时噪声低，不易被敌方声纳系统所侦察。通 信浮标经潜艇发射后，漂浮在海面上，作为潜艇与水面、空基、陆基之间的通信 中继。一方面使潜艇可与水面、空基、陆基之间进行高速、有效的双工通信，另 一方面又保证潜艇自身的安全和隐蔽。 目前在国外已经有类似的装备出现，英国皇家海军研制的通信浮标 e c b 一6 8 0 ( 1 ) 外形长5 0 2 r a m ，直径1 0 1 m m ，重量为4 4 k g 。通信浮标经报文输入， 由声诱饵发射装置推出艇外后，通信浮标仅实现将报文以一定的周期循环向水面 舰队或岸基传送。我国目前现役潜艇装备的s q k 5 7 7 声诱饵装置外形长1 7 0 0 m m ， 直径1 8 0 m m 。 我们将设计并研制这样一个浮标通信系统，它既可实现将输入到浮标的报文 信息传送到水面舰队或岸基；又可通过浮标作为通信的中继平台，将水面舰队或 岸基的指挥信息发送给水下的潜艇。 在通信浮标的技术指标方面，由于仅要求从发射声诱饵装置的设备发射，因 此对潜艇本身的结构并没有改变，这个通信浮标系统所要求的通信距离为5 0 一8 0 海里( 9 0 一1 5 0 k r n ) 。 在这样的要求下，在海面无线通信这一部分，我们主要是考虑将跳频通信技 术引入其中，利用跳频技术的优点对系统的性能进行优化。 1 1 3 本系统引入跳频技术的原因 考虑到海上通信的环境，由于岛屿及其它海面上障碍物的反射作用，存在着 多径传播的干扰；而且短波信道易受到频率选择性衰落的影响；作为军事通信它 还容易受到敌方人为的干扰，军事通信还有其特有的保密性的要求；因此，将跳 频技术引入到小型海上短波通信系统中，可以有效地抵制这些干扰，提高信息传 华中科技大学硕士学位论文 = = ；。= = = ；= = ；= 目；目_ ；自j 目i = 自；= t = = ； 播的可靠性及保密性，使得系统在这些干扰下，可以正常的通信。 引入跳频技术可以为系统带来的好处具体体现在以下几个方面： 1 ) 由于发送信息在多个随机跳变的频率上进行传输，敌方不容易捕获到所发 送的信息，有利于信号的隐藏，可以有效躲避干扰，即使部分频点的信息受到干 扰，也不至于影响到整个通信的正常进行，从而提高了系统抗干扰能力。 2 ) 跳频通信具有多址、多用户能力。可以用地址码作为扩频码，在收端只有 用相同的地址码解扩才能收到信号。因此，在敌方不知道跳频规律的情况下，将 不能有效的获取通信的信息，从而大大提高信息的保密性。而且可以多个用户共 用一个信道，利用不同的跳频码进行通信，提高了信道的利用率。 3 ) 提高了信号的抗衰落能力，信息传输可靠性高。由于跳频信号在很宽的频 带上跳变，而衰落对频率有敏感性，即只对某一频率范围的信号衰减比较厉害， 而不会使整个信号产生严重畸变，故具有抗频率选择性衰落的能力。 4 ) 在存在多径干扰的场合，由于伪随机码尖锐的相关特性，使得多径射束完 全独立，只有当多径时延小于一个码元宽度时，才发生轻度衰落。从而提高了抗 多径的能力。 1 2 跳频通信的应用与发展 跳频通信f 2 】是扩频通信的一个分支，它的突出优点是抗干扰性强，因而很适 用于军事领域。7 0 年代末第一部跳频电台问世以后，就预示着其发展势头锐不可 挡。到了8 0 年代，世界各国军队普遍装备跳频电台。这十年是跳频电台发展速度 最快的十年。广泛使用跳频电台曾被誉为8 0 年代vhf 频段无线电通信发展的主 要特征。9 0 年代，跳频通信如虎添翼，在军用跳频通信领域已相当成熟的同时， 跳频通信的应用又拓宽到民用领域。业内人士指出，跳频通信是对抗无线电干扰 的有效手段，称其为无线电通信的“杀手铜”。跳频通信是如此的神奇，以致于 自其问世至今的短短3 0 年间，倍受世界各国，特别是几大军事强国的青睐。 跳频通信的发展历程可概括为：4 0 年代末理论先导，6 0 年代研制攻关，7 0 年代末产品问世，8 0 年代逐步推广，9 0 年代广泛应用，2 l 世纪飞速发展。诚然， 华中科技大学硕士学位论文 ；= = = = 目；目= _ 目i 目= ； 目_ l = _ = = a j ；目日= ；一 跳频通信是由电子对抗而首先应用于军事领域的。但是，它在民用通信的应用也 越来越受到人们的密切关注。目前，跳频通信的理论和技术已很成熟。 1 2 1 跳频通信在军事通信中的应用与发展 跳频通信自问世以来之所以如此迅猛发展，主要得益于跳频通信本身所具备 的突出优点。这些优点又符合现代信息战条件下电子对抗的要求。海湾战争表明， 跳频电台在通信中发挥了突出的作用。目前，跳频系统的跳频速率短波电台 1 0 0 跳秒，超短波电台5 0 0 跳秒，每秒千跳以上的跳频电台也已问世。可以 乐观地预测，到了2 l 世纪，跳频电台的跳速可发展到每秒几万跳，甚至每秒百万 跳。跳频带宽一般可工作到全频段。跳频频率集目前已达到3 0 0 个的水平，上万 个频率集的跳频系统也己研制出来。跳频系统的同步时间目前已达到几百毫秒的 数量级，今后必定越来越短。因为，同步建立时间越短，信息被敌方发现、截获 和测向的概率就越低，通信的隐蔽性越好。 当然，通信干扰与反干扰互相矛盾，互相制约，但又互相促进发展。 跳频通信并不惧怕单频干扰和多频干扰，但跟踪式干扰是跳频通信的“天敌”。 跟踪式干扰的步骤是：侦听、处理、施放干扰。当本方截获到敌方的跳频图案后， 迅速地以同样的跳频图案施放干扰，两个跳频图案的矢量迭加必然带来接收方的 困难，导致敌方无法完成正常的跳频通信。据报载，国外已有能同时监视8 0 个相 邻信道，扫描搜索速度为8 0 ，0 0 0 信道秒的侦察接收机问世，这种侦察接收机的 截获跳频图案的概率几乎达到1 0 0 。这是迄今为止对付跳频通信最理想的反干 扰手段。为了对付跟踪式干扰，人们总是希望尽可能缩短跳频信号的驻留时间， 使侦察接收机无可乘之机。这就要求跳频系统的跳速尽可能快。基于这方面考虑， 目前世界各国竞先研制快速跳频通信装备。 另外，跳频系统的技术发展又受到元器件、编解码技术等因素的制约。目前， 跳频速率尚未达到每秒5 0 0 0 跳。若达到这个水平，则目前的跟踪式干扰机便无能 为力了。为此，跳频通信将向以下两个方面发展：一个是跳频与直接序列扩频混 合使用方式，另一个是跳频与直接序列扩频、跳时三者混合使用方式。这样可以 华中科技大学硕士学位论文 优势互补，共同发展。 1 2 2 跳频通信在民用通信中的应用与发展 9 0 年代以来，跳频通信在军事通信领域的应用中取得巨大成就的基础上，又 开始向民用通信领域进军。原因有二：一是“无线革命”的兴起；数字蜂窝移动 通信、个人通信、室内无线通信等新兴通信方式，要求解决频带拥挤问题，由于 跳频通信的频谱利用率较高，因此，人们自然就考虑到采用跳频通信来解决这个 问题。二是市场需求的推动；采用新的通信技术不仅出于占有国内市场的考虑 也是为了争取国外市场。 在移动通信领域，扩容乃当务之急。跳频或扩频码分多址技术的增容潜力无 比强大。据专家估算，采用跳频或扩频码分技术后，目前的容量可提高2 0 倍。这 是一个十分惊人的数字。为此，许多专家学者纷纷倡导采用跳频或扩频码分多址 技术来解决扩容问题。 在有线通信领域，考虑到一方面扩建需要巨大的投资，另一方面，无线个人 通信又可作为有线通信网的应急手段，因此，跳频也是一条值得考虑的通信系统 建设途径。如果采用跳频通信，可以预见未来会有“无线城市”和“无线办公室” 的不断涌现。另外，加强在光纤通信中应用跳频技术的研究，也是跳频技术的一 个发展方向。 在一些要求信息保密的部门或场所，如公安部门、安全部门、政法部门、证 券市场等，采用跳频通信作为其内部通信，则可以起到信息保密的作用，原因是 跳频通信被截获的概率很低。 在广播领域，原先的一个调频电台只能传送一个单声道和一个立体声节目， 采用跳频技术后，则可传送7 5 个立体声调频节目，而且是数字信号。 1 3 本论文的主要工作 本论文首先介绍了海上短波慢跳频通信系统的背景，并对本系统中所采用的 跳频技术作了详细的分析。跳频技术的优点就是其良好的抗干扰性能，所以本文详 6 华中科技大学硕士学位论文 细分析了跳频通信的干扰方式及其抗干扰的方法。在对跳频通信抗干扰的研究中 发现，跳频通信的重中之重在于其跳频同步部分。本文对跳频通信的同步部分进行 了详细研究。 在同步捕获方面，本文分析研究了自同步与外同步，并对各种同步方式进行了 分析比较，在最后本文提出了一种自同步与外同步相结合的同步方案并对该方案 的抗干扰性能进行了详细研究。 在同步跟踪方面，本文详细研究了两种跟踪环的原理及性能，这两种跟踪环分 别是基带相关同步跟踪环和非相干码跟踪环。经过分析比较发现，非相干码跟踪环 更适合跳频通信，并给出了非相干码跟踪环在跳频通信环境下的误差跟踪信号。 最后对本文提出的跳频通信的同步系统进行了仿真，分析了该同步系统的抗 干扰性能。经过仿真分析发现本文提出的同步方案是适用的，并在此基础上给出了 一些有用的结论。 华中科技大学硕士学位论文 i 目自口# = = l ；自l _ _ ；= 目目目= e i = = ；= | ；j ；= t = = _ 2 跳频通信系统的抗干扰分析及其关键技术 2 1 跳频通信与扩频通信的比较 通过第一章的介绍，我们可以看出之所以要采用跳频技术，就是因为它具有较 强的抗干扰能力，所以在说明跳频通信系统原理的时候将会着重从抗干扰能力上 进行阐述，在此基础上再分析跳频通信系统的关键技术。 跳频是最常用的扩频方式之一 3 1 ，其工作原理是指收发双方传输信号的载波 频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，也就是说，通信中使用的载波频率受 伪随机变化码的控制而随机跳变，从通信技术的实现方式来说，跳频是一种用码序 列进行多频频移键控的通信方式【4 1 ，也是一种码控载频跳变的通信系统。从时域上 来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号的频谱是 一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。 在对跳频通信系统原理的说明上本节就抓住它的抗干扰性能与一般的直接序 列扩频系统进行比较来阐述。 可以说这两种方式的抗干扰原理完全不同，前者是直接意义上的扩频，原信 号乘以宽频谱信号后得以扩展频谱；后者是间接意义上的扩频，用多个载频乘以 原信号，尽管从单个载频上来看还是窄带信号，但从整个频带上来看频谱被扩展 了：所以说这两种方式的抗干扰能力也是完全不同的闭。 直扩系统d s 的重要参数是扩频增益1 6 】。扩频增益g 指的是扩频接收解调处 理后的信噪比与扩频接收处理前的信噪比之比，也是扩频伪随机信号带宽与信息 数据信号带宽之比。 跳频通信实际上并没有严格意义上的扩频增益，它是根据载波的随机跳变来 躲避干扰的，从这个意义上来说，跳频数可以称得上是其扩频增益了f 7 i 。 直扩系统和跳频系统的简易原理图如图2 。1 和图2 2 ： 华中科技大学硕士学位论文 书蒋发 l 掣下 匝匦麴匪墅圈 tl 信趟觏群蛰圃蓬卜匝醢殛p 圃 圆受圈匝蚕姻卜厦壹圈 阿i 羁奎a 葳翮 图2 2 跳频系统原理图 下面就直扩与跳频的抗干扰能力做一简要比较： ( 1 ) 抗强的定频干扰方面 由直扩抗干扰的机理可知，直扩抗干扰是通过相关解扩取得处理增益来达到 抗干扰目的的，但超过了干扰容限的定频干扰将会导致直扩系统的通信中断或性 能急剧恶化。而跳频系统是采用躲避的方法抗干扰，强的定频干扰只能干扰跳频 系统的一个或几个频率，若跳频系统的频道数很大，则对系统性能的影响是不严 重的。 因此，在抗强的定频干扰上，跳频系统比直扩系统优越f s 】。 ( 2 ) 抗衰落方面 抗衰落，特别是频率选择性衰落，这是室内通信环境下必须解决的问题。由 于直扩系统的射频带宽很宽，小部分频谱衰落不会使信号频谱产生严重的畸变， 而对跳频系统而言，频率选择性衰落将导致若干个频率受到影响，导致系统性能 的恶化。跳频系统要抗这种选择性衰落，可采用快速跳频的方法，使每一个频率 的驻留时间非常短，平均衰落就非常低。此外，还可以采用一比特信息用m 个频 率编码传输，也可较好地解决频率选择性衰落问题，这些都是以提高跳频速率为 代价。 9 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 抗多径干扰方面 多径问题是在移动通信、室内通信等系统中必须考虑的问题。多径干扰是由 于电波传播过程中遇到的各种反射体( 如高山、建筑物、墙壁、天花板等) 引起 的反射或散射。在接收端的直接传播路径和反射信号产生的群反射之间的随机干 涉形成的。多径干扰信号的频率选择性衰落和路径差引起的传播时延，会使信 号产生严重的失真和波形展宽，导致码间串扰，不但能引起噪声增加和误码率上 升，使通信质量降低。甚至使某些通信系统无法工作。由于直扩系统采用伪随机 码的相关解扩，只要多径时延大于一个伪随机码的切普宽度，这种多径就不能对 直扩系统形成干扰，直扩系统甚至可以利用这些干扰能量来提高系统的性能。而 跳频系统贝i j 不然，跳频系统要抗多径干扰，则要求每一跳的驻留时间很短，即要 求快跳频，在多径信号没有到来之前接收机已开始接收下一跳信号。例如，多径 时延为l p s ，贝i j 跳频速率要大于1 m c h i p s ，而对直扩系统而言，伪随机码速率大 于1 m c h i p s 即可。从实现上看，实现伪随机码速率大于1 m c h i p s 的直扩系统比 跳频速率为1 m c h i p s 的跳频系统要容易得多。 ( 4 ) 与窄带系统的兼容性方面 直扩系统是一个宽带系统，虽然可与窄带系统电磁兼容，但不能与其建立通 信。另外，对模拟信源( 如话音) 需作预先处理( 如语声编码后) ，才可接入直 扩系统。而对跳频系统而言，由于它是瞬时窄带系统，它易于与目前的窄带通信 系统兼容。目前的通信系统不论是模拟调制还是数字调制的，通常都是窄带的通 信系统。因此兼容的好处在于，先进的跳频电台可以与常规的电台互通，或者， 将常规电台加装抗干扰的跳频模块就可以变成跳频电台。而且，跳频系统对模拟 信源和数字信源均适用。 在下一节中将会对军事通信中常见的干扰进行详细说明。 2 2 跳频通信系统的干扰方式与抗干扰方法 跳频通信系统的干扰按性质来分有两种，一种是无意的固定或半固定干扰，一 般指来自移动通信、专用无线电通信以及广播电视等发射信号，其中包括跳频通信 1 0 华中科技大学硕士学位论文 网络本身产生的跳频频率碰撞。另一种是有意的人为干扰或敌对干扰，一般在军事 通信中存在，在战术通信网中，干扰主要来自敌方机载干扰机的干扰。干扰的种类 和形式很多，可以是窄带干扰或者宽带干扰，也可以是脉冲干扰、扫频干扰、应答 干扰或者窃听干扰等等1 9 。 现代战争中，电子战具有非常重要的地位，对电磁波谱的控制权成为掌握战争 主动权的大事，通信抗干扰问题受到普遍重视。跳频通信技术的应用，使通信与通 信对抗双方展开了激烈的较量。一方在寻求最佳的抗干扰方法与策略，另方则 在寻找最佳的侦察，识别、截获、及干扰的方法和策略。 2 2 1 跳频抗千扰的概念 1 信号体积与通信对抗 为了说明扩展频谱信号的性质和抗干扰机理，我们用时间、频率和能量三维空 间中的信号体积来描述三种扩频信号【加1 ，即d s s s ( 直扩) ，f h - s s ( 跳频) 和 f h d s s s ( 跳频直扩混合式) 。 图2 3 三种扩频信号的信号体积 我们定义两种信号体积：总体信号体积v 和瞬间信号体积形。三种信号的总体 信号体积分别为= r , g e , ，= 五暇县，一。= 正暇e 3 ，而它们的瞬间信号体 积分别为，= p k ，= 五县，巧所一。= 五恳，三种信号瞬间体积的大小视具 体参数而定。通常丘 易 e ， 。 瞬间信号体积的大小对通信对抗一方来说至关重要，因为通常是采用能量检 测器的方法对跳频信号进行检测。信号能量、信号驻留时间、信号带宽之积将对 华中科技大学硕士学位论文 信号源的方位估值、频率估值、信号到达时间估值产生如下影响： ( 1 ) 位角估值的标准离差，当用相位干涉仪测向时有： 盯( c 2 z r f o d c o s ) ( e n o 一2 ( 2 1 ) 式中，庐为方位角，且 _ ( 3 t r 2 8 2 瓦) “2 ( 2 4 ) 对于跳频信号，式中曰= ，z = 正a 又知口l 正易，即瞬间信号体积越小 时间估值精度越差。如果信号驻留时间是时变的，则将给侦察截获系统建立时间窗 口带来困难。从而可提高抗截获能力。 2 跳频抗干扰的概念 华中科技大学硕士学位论文 跳频信号具有总体信号体积和瞬间信号体积。其抗干扰的基本概念是：减小瞬 间信号体积、增大总体信号体积、增大瞬间信号的随机性，并使信号体积与干扰 信号自适应1 1 0 l 。 ( 1 ) 减小瞬间信号体积 跳频信号瞬间体积巧。= 正e 2 ，通常是给定的，正、e 2 是可变参量。跳频 通信系统中为达到信噪比的要求，e 有一个最小值，即对给定系统，e ，也是固定 的。因此，只有通过减小正即增加跳速来提高器抗干扰、抗截获的能力。 ( 2 ) 增大总体信号体积 跳频信号总体体积，= 正k 巨，它是瞬间信号跳变的空间。增大，将使干 扰信号与跳频信号瞬时频率重合的概率减小，这就是跳频抗干扰的机理，并由此引 出跳频处理增益g = 1 0 1 0 9 n ( n 为信道数) ：同时，对跳频信号的侦察、捕获的难 度也增大，故也能提高其抗截获性能。 ( 3 ) 增大瞬间信号的随机性 当给定时，瞬间信号在总体信号空间出现的随机性越大，其抗干扰的能力 越强，即要求e ，r ，均为时变的。此外，减小瞬间信号体积，即将时间、频率、 能量坐标的尺度划分得更细，也可增大瞬间信号的随机性。 ( 4 ) 信号体积与干扰信号自适应 当信号体积能够随干扰信号而自适应地变化，则可建立一种干扰自适应跳频 通信系统。即真正具有躲避干扰能力的跳频系统，对瞬间信号体积而言，有功率自 适应、频率自适应和驻留时间自适应；对总体信号，有跳频带宽自适应和跳频周 期自适应。 2 2 2 跳频通信千扰方式 ( 1 ) 宽带噪声干扰 在常规跳频的情况下，要达到对同样传输数据速率的固定频率传输所产生的 华中科技大学硕士学位论文 = = 2 = = = ；= = 自；= 自= = ；= = = = ；= = t = g ；= ；= = 一 同样干扰效果，宽带噪声干扰源蚣须增加其输出功率，并使功率增加值接近常规 跳频处理增益的d b 值。 如果能逼使干扰源将其瞬时输出功率分散在比传输信号调制带宽宽得多的频 带上，这将使大多数干扰源由于输出功率的限制而企图干扰的目的无法达到。 ( 2 ) 窄带噪声干扰 窄带噪声干扰】对跳频传输信号的影响与频率集的配置有关。实际跳频频率 ( 信道) 的配置可以有四种方式例：不邻接、邻接、重叠和严重重叠方式。如果跳频 调制信号带宽为f ，并假设一旦跳频调制信号受窄带噪声干扰，则一定是窄带噪 声干扰落入跳频调制信号频带内，而且干扰信号足够强，这时称该跳频频点的信道 为被干扰信道。 不邻接方式 图2 4 为跳频信道按不邻接方式配置。如果窄带噪声干扰落在某一跳频调制 信号频带内( 如图2 4 中的干扰a ) ，则跳频信道被干扰；如果窄带噪声干扰落在跳 频调制信号频带以外( 如图2 4 中的干扰b ) ，则不会对跳频信道引扰。 一仉 。 i - 慑 r n _ k 一 厂 | | | ， | l 图2 4 不邻接方式 邻接方式 图2 5 为跳频信道按邻接方式配置。跳频信道被干扰的可能性与窄带噪声干 的带宽、功率和位置有关。 如果窄带噪声干扰完全落在一个确定的跳频调制信号带宽上( 如图2 5 中干 扰a ) ，则该跳频信道被干扰；如果窄带噪声干扰落在两个确定的跳频调制信号带 1 4 华中科技大学硕士学位论文 ；= 自= ； = ；目= = 自目= ；目= = = 目= = = ；= = = 宽的部分边带上( 如图2 5 中干扰b ) ，则视窄带噪声干扰的功率大小和它与跳频 调制信号带宽重叠的位置，有可能对一个或者两个跳频信道造成干扰。 t 型 一 r 仉口 厂 厂 1 f ，厂， f f f ，。一 厂 飞5 f ju 图2 5 邻接方式 重叠方式 图2 6 为跳频信道按重叠方式配置。 干扰b 僦 图2 6重叠方式 在点对点跳频通信中，这种配置能明显地减小传输跳频信号所要求的射频带 宽，使得能用于跳频的信道总数增加或跳频的总带宽的节省。但在组网通信中，则 可能增加随机碰撞的机会。在这种配置中，一个固定的、足够强度的窄带噪声干扰 信号，最多可能使三个跳频信道受干扰( 如图2 6 中干扰b ) ，也可能使两个跳频信 道受干扰( 如图2 6 中干扰a ) ，在个别的特殊的情况下，有可能只有一个跳频信道 华中科技大学硕士学位论文 受干扰。 严重重叠方式 严重重叠方式的跳频信道配置可以分为两种情况，一种为严重重叠连续配置 ( 如图2 7 示) ，一种为严重重叠不连续配置( 如图2 8 示) 。严重重叠不连续配置是 对严重重叠连续配置的改进，其不连续部分即为禁用频段，其目的是要避开已知的 固定干扰。这两种配置方式除了与重叠方式一样有频带节省和跳频频点的增加外， 对于受窄带干扰的情况或者组网的情况下，系统性能有可能相对变得更差。根据重 叠的程度，一个窄带干扰可能会破坏许多个跳频信道的正常信息传输。 干杰b干抗 图2 7 严重重叠连续配置 干扰b 干扰 图2 8 严重重叠不连续配置 华中科技大学硕士学位论文 目 - _ ；目l 目= i 目_ _ 目；- - 目目_ l a _ _ _ _ tl = 目一 下面详细介绍两种干扰方式 1 窄带跟踪式干扰 跟踪式干扰呲1 也称转发式干扰。传统的转发式干扰为单频瞄准式干扰，即通过 对跳频信号侦察、处理，然后发射一个与信号相同频率的干扰信号。对跳频通信 有威胁的干扰信号必须在跳频信号驻留期间到达对方接收机，并且使干扰信号具 有最佳干扰形式。跟踪式干扰通过要求干扰引导机获取跳频信号的瞬时时频特性， 并快速跟踪频率跳变来达到对跳频通信系统的干扰目的。 跳频收发信机和转发式干扰机的几何配置如图2 9 所示。 干扰机 发送仁。二机 图2 9 干扰机与跳频收发信机几何配置图 当干扰有效时，满足 华+ 耳s 鲁+ 杩 ( 2 s ) 式中，c 为电波传播速度；昂为侦察处理时间；乃为信号驻留时间；，7 为小于 1 的常数。 由于转发干扰需要处理时间以及处理位置的原因，使得跳频信号和该信号的 干扰信号存在时延，这一时延为 毛；喇耳+ 掣，己) ( 2 。6 ) 有效干扰时间为 = 己一巧 ( 2 7 ) 由上式看出，当乙 只 ，所以只是乙的减函数 当干扰有效时，= 乃一考夥 ( 2 9 ) 当干扰造成的误码率超过一期望值匕，即e2 匕时， 獬畿考一华 眨埘 上式给出了转发式干扰机侦察、处理跳频信号时间的上限( 干扰有效) 。 讨论：f 由于当嚣= 0 时，误码率最大，这时 弓= r a p , 一) ， 【乙一( 如+ 以一西) ，c 】( e 一) 由此，干扰有效时暑必须满足 c - - t a 只一民) 【乃一( 哎+ 西一面) ，c ( 巧一) ) ( 2 1 1 ) 跳频速率增加，则跳频信号的驻留时间乃减小，也使干扰机截获概率置和施 华中科技大学硕士学位论文 放干扰的概率b 减小，这样= 点b 减小。结果是只减小。当只减小到不能使式 ( 2 1 0 ) 成立时，则干扰无效。 从上面的分析可以看出，干扰机干扰有效的时候要求它的信号侦察和处理的 时间必须小于某个值，要提高跳频通信系统的抗干扰能力，就要求跳频通信系统的 跳频驻留时间越小越好，即跳频速率越高越好。 2 2 3 宽带阻塞式干扰 阻塞式干扰1 1 3 l - - 般不要求复杂的侦察系统配合，在技术上比转发式干扰简单， 对侦察的主要依赖是提供跳频频段和信号功率州1 ，以确定干抗频段和干扰功率。只 要阻塞干扰了跳频频带的一半，即跳频信道数的半，就能实现有效干扰。为产生 阻塞干扰信号，干扰机需产生一个具有一定电平的宽带信号，产生宽带干扰信号的 有效方法有： 1 ) 锯齿波宽带调频 2 ) 三角波宽带调频 3 ) 伪脉冲序列调频 如果增大跳频频宽，阻塞式干扰机的干扰频带和干扰功率必须也随之增大才 能达到有效干扰。但干扰功率一定的干扰机，存在一个最佳的干扰频宽使误码率最 大。如果干扰频宽过窄，使得跳频信道中干扰功率远远大于跳频信号功率，则信道 中过大的干扰功率造成功率浪费；如果干扰频带过宽，使得跳频信道中干扰功率远 远小于信号功率，则功率过于分散，干扰作用不大。 2 2 4 跳频抗干扰的方法 根据2 2 1 节的分析我们知道跳频抗干扰的基本概念是：减小瞬间信号体积、 增大总体信号体积、增大瞬间信号的随机性，并使信号体积与干扰信号自适应。 对于减小瞬间信号体积，只有通过减小正即增加跳速来提高器抗干扰、抗截 1 9 华中科技大学硕士学位论文 = ；z ；= = ；= 目1 ；目。目= 目；= 口= 自；目= = = l = # = 获的能力。 增大总体信号体积将使干扰信号与跳频信号瞬时频率重合的概率减小，而对 于跳频通信来说，即是增大其扩频增益即增大跳频的频率数。 对于增大瞬间信号的随机性来说，可采用的方法有很多种，如增大跳频集，增 长跳频图案等。 对于使信号体积与干扰信号自适应的方法目前可采用的有很多种如：信号驻 留时间随机跳变，跳频带宽随机跳变，跳频信号功率自适应，跳频带宽自适应，跳频 驻留时间自适应，跳频功率自适应等j 。 综上所述，为提高跳频通信系统的抗干扰能力，已经采用的方法有如下几种： ( 1 ) 增加跳频速率； ( 2 ) 增大跳频带宽； ( 3 ) 增长跳频图案； ( 4 ) 增大跳频集： 这几种方法同跳频通信系统的各个部分是紧密相连的，如频率合成器部分，跳 频图案部分等。 不管是上面所述的哪种抗干扰方法，必须都是在能实现跳频同步的前提下才 能发挥作用的。如果不能实现跳频的同步，那么将不能正确接收跳频信号，整个跳 频通信将会中止，所以可以说跳频通信的同步是跳频技术的重中之重。当然，在同 步的前提下，以上几种方法都将有助于提高跳频同步系统的抗干扰能力，在第五 章中将会通过仿真结果进行详细分析。 2 3 跳频通信系统的关键技术 由跳频信号产生的过程可以看出，不论是数字的还是模拟的定频发送系统， 在原理上，只要再加装上一个跳频器就可以变成个跳频的发送系统。但是在实 际中需考虑信道机的带通宽度。跳频信号的接收，其过程与定频相似。为了保证 2 0 华中科技大学硕士学位论文 混频后获得中频信号，要求频率合成器的输出频率要比外来信号高出一个中频。 接收系统的跳频器产生的跳频图案应当与所要接收的外来跳频信号的跳频图案一 致，收端产生的频率还要高出一个中频，并且要求收发跳频完全同步。 可以看出，跳频器包括能产生频谱纯度好的快速切换的频率合成器以及好的 跳频指令发生器，跳频器是跳频系统的关键部件：而跳频系统要实现跳频通信， 能正确接收跳频信号就是关键，而能正确接收跳频信号的条件就是跳频系统要实 现同步，并且从上一节跳频干扰的分析来看，干扰都是以破坏跳频系统的同步来达 到其目的的，由此可见，跳频同步1 1 6 1 是跳频系统的核心技术【”。 除了同步技术是跳频通信关键技术以外，还有其他一些技术是跳频系统的关 键，下面将对它们进行一一阐述。 i ) 同步技术 系统的同步包括以下几个方面： 收端和发端产生的跳频图案相同，即有相同的跳频规律； 收端和发端的跳变频率应保证在接收端产生固定的中频信号，即跳变的载 波频率与收端产生的本地跳变频率相差一个中频： 频率跳变的起止时刻在时间上同步，即同步跳变，或相位一致： 在传送数字信息时，还应做到帧同步和位同步。 图2 1 0 示出了跳频同步的几种情况，其中，图( a ) 只是跳频图案相同；图( b ) 是跳频图案【1 7 1 及跳频频