（通信与信息系统专业论文）通信对抗中高效干扰方法研究.pdf

摘要 通信干扰作为通信对抗的重要组成部分，是赢得战场控制权的重要手段。现 代化战争中成功的通信干扰往往能有效地打击敌方，破坏或降低敌方通信系统的 可靠性和有效性。随着军事化理论的不断完善，抗干扰技术的迅速发展，对通信 干扰的要求也越来越高。本文研究了通信对抗中的高效干扰方法，所做工作包括 以下内容： 1 在对传统干扰样式进行理论分析和仿真研究的基础上，提出一种新型干扰 策略断续干扰策略。仿真了基于断续干扰策略的噪声调幅、线性调频和高斯 白噪声干扰样式对扩频通信系统的干扰性能，结果表明：该干扰策略有效的提高 了干扰能力；在此基础上研究了噪声调幅干扰，重点研究噪声带宽和中心频率对 干扰性能的影响，并得到最优的断续干扰参数； 2 研究了该干扰策略在有a g c ( 自动增益控制) 模块的接收机中的干扰性能， 分别选取b p s k 及其扩频系统两种通信系统进行了仿真。仿真结果表明：对于b p s k 系统，选择合适的断续干扰参数可以提高干扰能力；对基于b p s k 的扩频通信系统， 该干扰策略在此接收机中同样可以有效地提高干扰能力； 3 研究了干扰载波频率的变化对自适应陷波器的性能影响。仿真结果表明： 自适应陷波器收敛速度不仅与步长因子有关，还与干扰的功率有关；当干扰载波 频率的变化速度比自适应陷波器的收敛速度快时，自适应陷波器无法收敛，从而 被有效干扰。 关键字：直接序列扩频干扰策略a g c自适应陷波器 a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o n j a m m i n g ， a s a n i m p o r t a n t p a r t o f c o m m u n i c a t i o n c o u n t e r m e a s u r e s ，i sa ni m p o r t a n tm e a n st ow i ni n i t i a t i v eo nt h eb a t t l e f i e l d t h e r e f o r e ， i i ln l o d e mw a r f a r e ，s u c c e s s f u li n t e r f e r e n c ei sa ne f f e c t i v ew a ya g a i n s tt h ee n e m yb y d e g r a d i n go re v e nd e s t r u c t i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h e i r c o m m u n i c a t i o nl i n k w i t ht h e c o n t i n u o u si m p r o v e m e n to ft h em i l i t a r yt h e o r y ，a n dr a p i dd e v e l o p m e n t so fj a m m i n g t e c h n o l o g y ，t h er e q u i r e m e n t so fc o m m u n i c a t i o nj a m m i n gp e r f o r m a n c ea r ei n c r e a s i n g l y d e m a n d i n g t h i st h e s i ss t u d yo nt h ei n t e r f e r e n c ep a t t e m sa n dd e s i g nt h ei n t e r f e r e n c e s t r a t e g yt oi n t e r f e r et h ed s s s ( d i r e c ts p r e a ds p e c t r u ms y s t e m ) t h em a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r es h o l w na sf o l l o w s ： i b a s i n go nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no ft h ei n t e r f e r e n c ep a t t e r n , w e p r o p o s ean e wi n t e r f e r e n c es t r a t e g y , i td i s c o n t i n u o u si n t e r f e r e n c es t r a t e g y s i m u l a t i o n s a l ec a r r i e do u tw i t hr e s p e c tt ot h en o i s ea m p l i t u d em o d u l a t i o nj a m m i n g ，l i n e a r f r e q u e n c ym o d u l a t i o nj a m m i n ga n dg a u s s i a n w h i t en o i s ej a m m i n ge m p l o y i n gt h e p r o p o s e di n t e r f e r e n c es t r a t e g yt oj a m as p r e a ds p e c t n m as y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ei n t e r f e r e n c es t r a t e g yc o u l dp r o v i d eb e t t e r j a m m i n gp e r f o r m a n c ec o m p a r e d 、析t ht h ec o n v e n t i o n a lo n e s m o r e o v e r , t h ei m p a c t so fb a n d w i d t ha n dc e n t e rf r e q u e n c y o fm en o i s eo nt h ei a m m i n gp e r f o r m a n c ea r es t u d i e d , a n dt h eo p t i m a lp a r a m e t e r sf o r i n t e r m i t t e n ti n t e r f e r e n c ea r eo b t a i n e d ； 2 t h ep e r f o r m a n c eo ft h ed i s c o n tj a m m i n gs t r a t e g yt oj a ma c o m m u n i c a t i o n s y s t e mw i t ha g c ( a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 ) i nt h er e c e i v e ra r ee x p l o r e d , w i t h b p s ka n d b p s k b a s e ds p r e a ds p e c t r u ms y s t e ma sag o o ds y s t e mi ns i m u l a t i o n s ，r e s p e c t i v e l y n u m e r i c a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ea p p r o p r i a t ec h o i c eo f p a r a m e t e r sf o rt h ed i s c o n t i n u o u s i n t e r f e r e n c es t r a t e g yc o u l dr e d u c et h ej a m m i n g s i g n a lr a t i oa tw h i c ht h ej a m m i n g a p p e a r st ob ee f f e c t i o n a sf o rt h eb p s k - b a s e ds p r e a ds p e c t r u ms y s t e m ，t h ep r o p o s e d i n t e r f e r e n c es t r a t e g yc o u l da l s oi m p r o v et h ej a m m i n gp e r f o r m a n c e ； 3 t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea d a p t i v en o t c hf i l t e rw i t ht h ec h a n g eo ft h ec a r r i e r f r e q u e n c yo ft h ej a m m i n gi si n v e s t i g a t e d c o m p u t e r s i m u l a t i o n ss h o wt h a t , t h e c o n v e r g i n gs p e e d o ft h e a d a p t i v en o t c h f i l t e r r e l y n o to n l yo nt h er a d i u so f c o n v e r g e n c e ，b u ta l s oo nt h ep o w e ro ft h ej a m m i n g w h e n t h ef r e q u e n c yo f j a m m i n g c h a n g e sf a s t e rt h a nt h ec o n v e r g i n gs p e e do ft h ea d a p t i v ef i l t e r , i ti sh a r df o rf i l t e rt o c o n v e r g e ，w h i c hm e a n st h ee f f i c i e n c yo f t h ed e s i g n e d j a m m i n g k e y w o r d s ：d i r e c ts p r e a ds p e c t r u ms y s t e m i n t e r f e r e n c es t r a t e g ya g c a d a p t i v en o t c hf i l t e r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 现代战争中，军事通信被誉为“现代战争的神经网络 ，尤其是在信息化战 争中，随着信息量的增大，大量的指挥控制信息需要准确快速的传输，使通信系 统的作用和地位更加突出。信号和干扰信号存在于同一信道环境中，干扰敌方的 通信网络系统成为军事行动中的重要组成部分。通信干扰是指为了阻止敌方的信 息传输，有目的地在信道上向敌方接收机发射敌方不需要的噪声或其它干扰信号， 使敌方无法正确接收信号，从而破坏其通信系统的有效性和可靠性，使敌方的信 息传输和指挥控制不能正常进行，达到破坏其信息传输的目的所采取的电子行动 0 1 1 2 1 o 干扰无线通信系统作为通信对抗的重要组成部分，是赢得战场控制权的重要 手段。它能切断敌方的通信链路，使其信息传输中断，从而使得敌方在现代化战 争中由于缺乏信息而处于被动的局面。因此，现代化战争中成功的通信干扰往往 能有效地打击敌方，破坏或降低敌方通信系统的可靠性和有效性。 随着通信技术的发展，作为网络化、信息化战场神经中枢的通信网络系统也 发生了显著的变化，通信频带不断加宽，保密措施不断完善，反侦察、抗干扰能 力不断加强，以扩频通信为代表的抗干扰通信发展尤为迅速。目前，针对扩频通 信系统的干扰研究已经成为国内外电子对抗领域研究的热门课题。通信抗干扰与 通信干扰伴随发展，由于通信抗干扰技术的日益发展，通信对抗面临着极大的挑 战。各国都在不断加强通信干扰技术的研究，衍生出新的干扰技术和方法，使得 通信干扰具有对抗性、先进性、进攻性、技战综合性、反应速度快、工作频带宽、 干扰技术难等特点1 2 卜 4 1 。 本文在仿真几种传统的干扰样式的基础上，提出了一种新型干扰策略：断续 干扰。并将此干扰策略分别通过扩频与非扩频通信系统进行了干扰性能仿真验证。 1 2 1 通信干扰技术 1 2 通信干扰技术及其发展趋势 通信对抗的最终目标是对敌方通信系统进行有效干扰，切断其通信联络和支 援部队的突防。在现代化信息时代，军事信息在现代战争中作用越来越大，所以 2通信对抗中高效干扰方法研究 以攻击和破坏信息传输为目的的通信干扰在现代化战争中地位日益提高【3 】。 ( 1 ) 通信干扰分类 通信中无线接收设备收到的干扰多种多样，按干扰来源，可分为自然干扰和 人为干扰。自然干扰包括雷电、地震和火山等爆发时产生的电磁辐射造成的干扰， 由电离层、云、雨、山和其它物体对电磁波的反射或吸收所造成的干扰【4 j 。人为 干扰是为了破坏敌方通信而有意释放的干扰。图1 1 给出了干扰的分类。 自然干扰 通信干扰1 人为干扰j 有源干扰 无源干扰 卜性干扰鬣篆雾 【欺骗性干扰 图1 1 通信干扰的分类 人为干扰按照干扰能量的来源分为有源干扰和无源干扰两种。有源干扰是利 用发射机转发某种电磁波，以扰乱或者欺骗敌方的电子接收设备，使其不能正常 工作，又称为积极干扰。无源干扰则是利用自身不产生电磁辐射的干扰物，有意 识的改变敌方发射的电磁波传播，使其产生折射、反射或者吸收，又称为消极干 扰。由于无源干扰在通信干扰领域中应用很少，所以重点研究有源干扰。 无线通信有源干扰，按照信号作用的原理可划分为遮盖性干扰和欺骗性干扰。 遮盖性干扰又称压制性干扰，使用干扰机发射某种干扰，以某种方式遮盖敌方信 号的频谱，使得敌方通信接收机降低或者完全失去正常的工作能力【4 】。遮盖性干 扰又分为暴露性干扰和隐蔽性干扰。暴露性干扰释放时，敌方可以发觉受到人为 的干扰，隐蔽性干扰释放时，通信已经破坏，但敌方未发觉。欺骗性干扰又称模 拟性干扰，是有意识的通过模拟敌方的通信信号，把模拟的假信号发送到敌方通 信网，造成敌方通信失误或者行动错误，通过欺骗性干扰有计划有组织的进行【3 j 。 本文主要研究遮盖性干扰【4 j 。 遮盖性干扰按照干扰调制方式分为键控干扰、音频杂音调制干扰、脉冲干扰 和噪声干扰。音频杂音调制干扰是指应用音频杂音信号来调制干扰机载波形成的 干扰【7 卜网，有调频干扰、调幅干扰和调相干扰，主要用来压制各种相应的调制方 式的无线通信；脉冲干扰是利用干扰机发射一系列脉冲信号或类似于被干扰设备 的脉冲信号而形成的干扰，这类脉冲信号可以是已调制的或未调制的高频脉冲， 这种干扰的特点是作用时间短促，脉冲功率大，通常用于干扰脉冲信号通信或数 字通信【4 】：噪声干扰是利用幅度、相位和频率随机变化的电磁波信号作为干扰的 一类干扰，干扰噪声包括纯噪声干扰和噪声调制干扰，纯噪声干扰就是随机干扰， 即噪声源直接产生起伏噪声经放大后形成干扰。噪声调制信号【6 j 【1 6 ) l i p 利用噪声源 产生的信号来调制幅度、相位和频率的干扰，分别称为噪声调幅、噪声调频、噪 第一章绪论 声调相干扰。噪声干扰是应用最广的干扰方式，也是本文重点研究的干扰样式。 ( 2 ) 通信干扰策略 干扰机可以采用几种可能的干扰策略来对付一个通信系统，包括抗干扰系统。 一种干扰策略是否成功取决于通信系统采用的具体抗干扰技术类型5 1 。 一般采用两种基本波形来对抗抗干扰通信系统。以通信发送频率为中心频率 的信号可能是一个未调制的信号，也可能是用一个或者多个音调信号调制波形， 还可能是用噪声信号调制的波形。噪声信号的带宽是可变的。当载波信号没有调 制时，干扰波形是一个单音信号，当载波信号在一个以上的音调上调制时，干扰 机发射多个音调。通常，这些音调的位置根据所要干扰的目标或者多个目标的某 些信息来确定。噪声可以用来增大抗干扰系统正在使用的频谱的背景噪声【6 j 。 干扰策略有多种分类方式，包括按照可用功率在频率上的分配、所发射的调 制类型、对付多目标的干扰时间分割，瞬时功率在对付多目标时的功率分配等。 本文提出的干扰策略为功率在时间上的分配，后续章节将具体介绍。 1 2 2 发展趋势 随着军事化理论的不断完善，抗干扰技术的迅速发展，通信干扰面临的环境 越来越复杂，对通信干扰的要求也越来越高。目前通信干扰主要应用以下技术： 一 多目标干扰技术、空间功率合成技术、对跳频通信的干扰技术和对卫星通信的干 扰技术。为了应对面临的挑战，通信干扰的发展趋势主要有以下几个方面【1 】【2 】。 ( 1 ) 多功能一体化综合通信的干扰技术研究 现代战争具有高速度、快节奏和流动性等特点，因此对通信对抗快速反应能 力和整体作战能力都有了更高的要求，于是发展侦察、测向定位和干扰综合一体 化通信对抗系统已经成为了普遍趋势。 ( 2 ) 远程超大功率干扰技术 随着宽带通信技术的发展，尤其是空间和星际间通信链路的发展，使通信频 段不断扩大，对抗该通信手段的干扰方法是将通信干扰功率也将不断增大。因此， 发展远程、超大功率、多信道干扰技术成为当务之急，需要充分利用空间功率合 成技术、相控阵技术，智能天线技术。 ( 3 ) 分布式网络干扰技术 随着无人机技术和干扰的网络化技术的发展，分布式网络化干扰技术迅速发 展为新型通信干扰技术的重点研究方向。分布式网络化干扰技术是对干扰任务分 配，干扰机实时控制，远程引导等功能通过网络化遥控来实现，分布式干扰机分 布在不同的地域和空域，形成多方向的干扰扇面，从而形成大面积的压制式干扰。 ( 4 ) 干扰领域的空间化 4通信对抗中高效干扰方法研究 由于地面干扰技术发射信号受到地面等因素的影响造成干扰距离比较有限， 无法对卫星通信实施干扰，因此将干扰平台空间化成为了干扰领域的一个发展方 向。 1 3 本文章节安排 本文主要针对直接序列扩频系统的抗干扰性，研究和设计高效干扰样式和干 扰策略，并且针对实际接收机和自适应陷波器进行性能验证。具体章节安排如下： 第一章绪论。首先阐述论文的研究背景和意义，概述通信干扰的基本概念， 并且给出全文的框架结构。 第二章主要介绍扩频系统的基本概念、分类和主要特征，直接序列扩频系统 的数学模型，几种常用的扩频码的原理和特性。 第三章主要介绍通信系统中几种传统的干扰，在对高斯白噪声干扰研究基础 上，提出新型干扰策略；将新型干扰策略应用到几种传统干扰样式，得到高效的 干扰样式；在以上基础上研究噪声调幅干扰，讨论了带宽与中心频率等参数对干 扰性能的影响。 第四章主要介绍自动增益控制( a g c ) 的原理及其性能，观察参数的选取对 a g c 性能的影响；研究新型干扰策略对于有a g c 的通信接收机系统中的干扰性 能，主要选取b p s k 调制信号及采用b p s k 调制方式的直接序列扩频系统进行了 干扰性能仿真。 第五章主要介绍自适应陷波器，主要通过仿真研究了自适应陷波器的性能。 在此基础上，针对自适应陷波器的性能特点设计新的干扰样式，分别将单音、频 率随时间服从线性变化以及平方规律变化的干扰加入到b p s k 系统中，观察干扰 信号对自适应陷波器收敛的影响，同时研究了自适应陷波器的参数变化对其性能 的影响。 第二章扩频通信系统 5 第二章扩频通信系统 2 i 扩频通信系统概述 扩频通信系统由于具有可进行多址接入、低截获概率性、抗干扰能力、距离 分辨率和保密性等特点，在移动通信、军事通信以及情报等系统中得到了广泛的 应用【1 0 1 。为取得现代电子战的胜利，对扩频通信的有效干扰成为一项关键技术， 因此对扩频通信系统进行有效干扰已成为国内外电子对抗领域内的热门研究课 题。在本论文研究新型的干扰策略之前，本章首先介绍扩频通信系统的基本概念， 包括直接序列扩频系统的基本原理和抗干扰能力。 2 i i 扩频通信基本概念 扩频通信系统是指在发端利用某个特定的扩频码将传输信号的频谱扩展成为 宽频带信号送入信道中传输，在接收端利用相对应的扩频码，将扩频信号的频谱 压缩，恢复成传输的信息信号的带宽，达到传输信息的目的。扩频通信系统的传 输带宽大于原始信息的传输速率；传输带宽主要由扩频码决定，此扩频码采用伪 随机序列【1 0 1 。设扩频信号的带宽为形，原始信息比特速率为r ( b s ) ，则扩频系统 的扩频增益为忍= w r ，色的值一般大于l 。扩频信号固有的冗余度，可用来克 服无线通信系统中常遇到的严重干扰【l 们。 扩频通信有以下用途： 1 ) 抑制干扰的有害影响，包括人为干扰、信道中其它用户引起的干扰以及多 径传播引起的白干扰。 2 ) 以很低的功率谱密度发送信号，实现隐蔽通信，信号隐藏在背景噪声干扰 中，难以截获和侦查。 3 ) 实现信息的保密传输。 扩频通信的基本理论依据是香农( c e s h a n n o n ) 的信道容量公式： c = b l o g ( 1 + s n )( 2 - 1 ) 其中c 为加性高斯白噪声信道( a w g n ) 的信道容量，单位为比特秒，s 为接收 信号的平均功率，为噪声的平均功率，露为信道带宽。 定理表明，只要系统的传输速率尺小于或者等于信道容量c ，理论上就可以 保证差错概率足够小。香农公式给出了信道的无差错传输信息能力与信道中的信 噪比以及传输信息的带宽之间的关系。对于给定的信噪比s n r ，只要增加用于传 6 通信对抗中高效干扰方法研究 输信息的带宽b ，就可以增加在信道中无差错传输信息的速率c 。同样，当信噪 比s n r 下降时，可以通过增加系统传输带宽b 的方法来保持信道容量c 不变。也 就是说，对于任意给定的信息传输速率c ，当信噪比s n r 下降时，可以用增大系 统的传输带宽b 来获得较低的信息差错率【1 1 1 ，这正是扩频通信产生的理论依据。 2 1 2 扩频通信系统分类 根据系统产生扩频信号的方式可以分为：直接序列扩频系统，频率跳变扩频 系统，时间跳变扩频系统以及混合扩频系统。 1 ) 直接序列扩频系统( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， d s s s ) ：是用待传输信号与高速率的伪随机序列波形相乘后的宽带信号去直接控 制载波信号的某个参量，调制后信号带宽大于传输信息的带宽，用于频谱扩展的 伪随机序列称为扩频码序列【1 0 1 。 2 ) 频率跳变扩频通信系统( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，f h s s ) ：简称跳频系统，它是用二进制伪随机序列去控制射频载波振荡器 输出信号的频率，发射信号的载波频率随伪随机序列的变化而跳变，而载波频率 通常是几千到几万个离散频率。 3 ) 时间跳变扩频通信系统( t i m eh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，t h s s ) ：简称时跳系统，它是将一个信息符号时长( 帧) 分成若干个时 隙，由伪随机序列根据要发送的信息符号内容来控制在一帧中的哪个时隙发送信 号。由于一个符号时长分成了若干比较窄的时隙，每个符号只在一个时隙发射信 号，从而实现了信号带宽的展宽。 4 ) 混合扩频系统：将上面提到的几种扩频方式混合使用，如：f h d s ，d s t h ， h f f r i - i 等，既提高了系统的综合性能，又降低了硬件的复杂度。 2 1 3 扩频通信系统的主要特点 扩频通信是一种具有优良抗干扰性能的技术，它的主要优点剐1 0 q 1 2 l ： 1 ) 抗干扰性能好：扩频通信系统具有极强的抗人为干扰能力，有利于电子反 对抗，特别适合在军事通信系统中运用。 2 ) 选择性寻址能力强：可以用码分多址的方式来组成多址通信网络，存在于 同一个多址通信网内的接收机和发射机，可以同时使用相同的频带工作，对于给 定的接收机，当扩频码指定，该接收机就需要使用相同扩频码的发射机相联系。 3 ) 保密性能好：首先，扩频信号的频谱结构主要由扩频码来决定。信息的隐 蔽性和安全程度取决于所使用的扩频码，由于扩频通信系统可以使用码长很长的 第二章扩频通信系统7 伪随机序列，伪随机序列具有随机特性，经过它的调制后的数字信息类似于随机 噪声；其次，扩频信号的功率均匀的分布在很宽的频率范围内，传输信号的功率 谱密度很低，降低了系统的截获概率，提高了系统的保密性能【1 2 1 。 4 ) 功率谱密度低：对于其它通信系统的干扰较小，在输出信号功率相同的情 况下，由于扩展了信号的频带，降低了信号的功率谱密度，从而降低了系统在单 位频带内的信号功率。 5 ) 便于进行传播时延和传播距离的测量：利用扩频码良好的自相关特性，可 以进行精确的符号定时同步，从而进行传输时间与传输距离的测量。 2 2 直接序列扩频系统概述 在直接序列扩频通信系统中，采用b p s k 调制方式，直接序列扩频系统的数 学模型如图2 1 所示。 ( a ) 发送系统 ( b ) 接收系统 图2 1 直接序列扩频系统的数学模型 设数据源产生的数据流经过编码后产生的比特流为 ) ，扩频码序列为 q ，江o ，1 ，2 ，n - 1 ，其成型波为： - 1 c ( f ) = c , g c t - i t 。) ( 2 - 2 ) 其中乏表示每个码的时长，g ( ，) 为码生成波形，于是基带扩频信号波形为： 彳( ，) = a c ( t - n r ，) ( 2 3 ) n = 0 8 通信对抗中高效干扰方法研究 其中正= 幄为每个信息符号( 比特) 的时长。 采用平衡调幅，实现b p s k 载波调制，并且通过一个中心频率为z 的带通滤 波器，发送信号为： j ( ，) = a ( t ) c o s ( 2 r c f ) ( 2 - 4 ) 假设扩频信号经过无线信道传输，为有干扰的理想高斯白噪声信道，接收信 号可表示为： ，( f ) = s ( r ) + 刀( r ) + - 厂( f )( 2 5 ) 其中n ( t ) 为零均值的高斯白噪声，j ( f ) 为信号频带内的干扰。 接收端将接收信号进行正交下变频，变为零中频复信号 r o ( t ) = 【，( f ) p 一7 2 石肛却】厅o ) ( 2 - 6 ) = a ( t ) e 7 2 码疗_ + d o ( f ) + 山( f ) 其中z 为本地载波估计，v = z 一允为频偏，为载波相偏， ( r ) 为正交下变频 的低通滤波器，n o ( t ) 和j o ( f ) 为n ( t ) 和，( ，) 搬移至零频附近的噪声干扰。 将零中频复信号( ，) 逐个符号与扩频码波形c q ) 进行同步相关运算实现解 扩，并采用锁相环消除频偏相偏影响，e p ： 去r r o ( t ) 矿朋蜘) c ( r - 刀t , ) d t = 三kr r 瓦【彳( f ) + 呓( r ) + ( f ) 一u 一，l t , ) d t 土k p 瓦c o 一刀t t , ) d t ( 2 - 7 ) = 壶r i 陟 = 。五即一丹r 。) d t r 可见，当取常数k = k n + i ) t , f 2 u - 一刀互渺时，上述同步相关值为第刀个符号的估 计值屯，它与真值之间的误差即为噪声干扰部分和本地扩频码波形的相关值。 e ( 加壶r m ) + j o ( t ) e - j ( 2 聊- 9 ) c ( t 一拧t ) d t ( 2 - 8 ) 由于砸) 是一个伪随机序列，此时p ( 押) 是一个零均值高斯随机变量，当p ( 疗) 的 方差与包作为第刀个符号判决量进行判决时，有较高的正确率。 以上阐述的直接序列扩频系统的数学模型，是扩频通信系统在理论上的抽象 和概括，是对扩频通信系统的本质的描述。虽然模型中忽略了许多次要的因素， 但却能够反映扩频通信系统本质的特性。在后面章节讨论扩频通信系统中的干扰 性能时将采用该模型f 1 3 h 1 刀。 第二章扩频通信系统 9 2 3 伪随机序列的选取 通信系统里一般使用伪随机序列作为扩频码来实现信号的频谱扩展。伪随机 序列又称p n 序列，它是一种类似白噪声性质的码。伪随机序列的特性在很大程 度上决定着扩频系统的性能，如抗干扰能力、多址能力、码同步等。所以伪随机 序列的选择对于扩频通信系统是非常重要的，针对不同情况可以对它的性能提出 不同的要求，如伪随机性、相关特性及复杂度。 选择伪随机序列的基本原则如下： 1 ) 良好的相关性：包括自相关和互相关特性； 2 ) 选择的伪随机序列数量应足够多，以满足系统容量的要求：m 元扩频系 统中每个用户各需要一组扩频码，每一组至少需要m 个相互正交的p n 码； 3 ) 伪随机序列的生成简单、快速：扩频时选取的扩频码是根据所传输的信息 不断变化的，因此扩频码的生成要求简单快速； 4 ) 伪随机序列长度应该足够长，以提供必要的处理增益； 5 ) 便于实现码同步：初始捕获快速、成功概率大、跟踪稳定时间长等i t 。 以上原则既存在相互联系，又存在矛盾。具有良好相关特性的扩频码容易实 现码同步；扩频码越长，越有利于提高处理增益，但码过长意味着同步的复杂度 提高，导致初始捕获时间增加。因此必须充分的考虑系统性能要求和实现复杂度 等问题，合理选择扩频码。伪随机序列的种类很多，常用的有m 序列、g o l d 序 列、w a l s h 序列等。 2 3 1m 序列的原理和特性 二进制m 序列即最长线性移位寄存器序列，是一种重要的伪随机序列，m 序 列具有优良的自相关特性，其功率谱类似于高斯白噪声。m 序列在扩频通信以及 码分多址系统中有着广泛的应用，由m 序列还可以构造得到其它类型的码序列。 ( 1 ) m 序列的原理 m 序列是最长线性移位寄存器序列，它的特征多项式是本原多项式。产生m 序列的移位寄存器的电路结构必须按照其特征多项式来构造，m 序列的长度须 满足= 2 ”一l ，其中以为移位寄存器的级数。一般反馈移位寄存器的基本结构如 图2 2 所示，它是由串联的 个二元移位寄存器及一个开关网络构成，可以通过 一个多项式来表示。m 序列与其本原多项式是一一对应的，本原多项式也可以表 示为 g ，c l ，c 2 ，q 或八进制数形式1 1 6 j 。 1 0通信对抗中高效干扰方法研究 图2 2a 级反馈移位奇存器的基本结构 g ( x ) = c o + c l x + c 2 x 2 + + c x ”( 2 9 ) ( 2 ) m 序列的特性 m 序列是一种随机序列，其自相关函数具有二值的尖锐特性，互相关是多值 的，分析m 序列的主要特性： 1 ) 平衡性：在m 序列码中，在一个长度n = 2 ”一1 内，码元为“0 出现 ( 一1 ) 2 = 2 p 1 1 次，码元为“l ”出现( + 1 ) 2 = 2 卜1 次，码元为“1 ”的数目和 码元为“0 的数目只相差1 个。这是由于在m 序列中不允许出现全零状态。 2 ) 移位相加性：m 序列 口f 与其移位序列 q 竹 的模2 加序列仍是该i n 序列 的另一位移序列q + 。，即 q o 口，竹 = qo q 竹 ( 2 1 0 ) 3 ) 在长度为n = 2 ”一1 的m 序列中，共有2 ”1 个游程，其中元素0 的游程与 元素1 的游程数目各占一半，长度为k ( 1 k s 拧一2 ) 的游程占总游程的i 2 ；长度 为万一1 的元素游程数只有一个，为0 元素的游程；长度为聆的游程只有一个，为 元素1 的游程。 4 ) m 序列的自相关函数是双值函数，即其自相关函数的取值只有两种，即1 和一i p ，其归一化自相关函数是： r c f ，= 一。? p ：二三尸= 2 ”一，( 2 - i i ) 2 3 2g o l d 码的原理和特性 在c d m a 系统中，不仅要求伪随机序列具有良好的随机性和不易被敌方检测 等特点，而且要求可用的伪随机序列数目要尽可能多。虽然m 序列具有良好的自 相关特性，但是m 序列的数目相对较少，很难满足实际应用中作为系统地址码的 要求，引入g o l d 码，g o l d 码具有良好的相关特性，可用码的数目远大于m 序列。 ( 1 ) m 序列优选对 所谓m 序列优选对是指在m 序列集合中，互相关函数绝对值的最大值 第二章扩频通信系统 陋o ) | 一最接近( 或达到) 互相关值下限( 最小值) 的一对m 序列。 设 q 是对应刀次本原多项式互( x ) 产生的m 序列， 包) 是对应玎次本原多项 式e ( x ) 产生的另一m 序列，当序列 q 与 包 的峰值互相关函数( 非归一化) l 如o ) i 一满足下列关系： r 盟 i r a , ( o 卜 z n 为偶蕊的微 ( 2 - 1 2 ) l22 + l 一 。 则互( x ) 与f d x ) 所产生的m 序列 q ) 与 岛) 构成优选对。 ( 2 ) g o l d 码的产生 g o l d 序列由两个长度相同、速率相同的m 序列优选对经过模2 加后得到， 具有良好的自相关以及互相关特性，且地址码的数目远远大于m 序列，由一对长 度为= 2 ”一1 的m 序列优选对可产生2 ”+ 1 条g o l d 码【1 8 l 。 ? 设 口) 和 b ) 是长度为n = 2 ”- 1 的m 序列优选对。以 口) 序列为参考序列， 对 6 序列进行循环移位f 个比特，得到 6 的移位序列 6 f ) ( 汪o ，1 ，) ，然后模 2 加得到一个新的长度为的序列 e ，即为g o l d 序列 q - o 6 f ) ( 2 1 3 ) ( 3 ) g o l d 序列的主要特性： 1 ) g o l d 序列不具有m 序列的游程特性和二值相关特性，但g o l d 码具有三值 互相关特性。 2 ) 对m 序列优选对采取不同循环移位可得到不同的g o l d 序列，一共可得到 2 ”一l 条，加上 口) 和 6 ，共得到2 ”+ 1 条g o l d 码，称为g o l d 码族。 3 ) 同族g o l d 序列互相关性满足优选对条件，其旁瓣的极大值不超过该m 序 列互相关函数的最大值。 g o l d 序列分为平衡码序列和非平衡码序列。平衡g o l d 序列是指在码序列中 “l 出现的个数比“0 的个数多一个的码，平衡g o l d 序列具有优良的自相关特 性及频谱特性，若码不平衡，则会造成载波泄漏，破坏扩频通信系统的保密性、 抗干扰与抗侦破能力【1 4 】【1 6 】。 为了寻找平衡g o l d 序列，r g o l d 给出了特征相位的定义：每一个最大长度 序列都具有特征相位，当序列处于特征相位时，序列每隔一位抽样结果都相同。 经过研究，处于特征相位上的两个序列 q 和 包 的移位寄存器，当移动序列 6 f ) 的第一个“0 ”对应到序列 q ) 的第一个“l ”时，这两个序列模2 加可得到平衡 g o l d 序列。 1 2通信对抗中高效干扰方法研究 2 3 3 其它码型 其它伪随机序列还有m 序列、混沌扩频序列、w a l s h 序列、多相序列等，在 具体的系统应用中，要根据系统的要求和限制，比如抗干扰性、传输速率、用户 个数和系统复杂度等具体问题，选择适当的扩频码。 2 4 本章小结 本章首先介绍了扩频系统的基本概念、分类和主要特征，介绍了直接序列扩 频系统的数学模型，最后简述了几种常见的伪随机序列的原理和特性，为后续章 节选取扩频码仿真提供理论依据。 第三章新型干扰策略 第三章新型干扰策略 本章首先研究几种传统的干扰样式，在不同的扩频增益下仿真其性能；提出 一种新型干扰策略断续干扰策略，并将该干扰策略引入到传统的干扰样式中； 最后研究了噪声调幅干扰，探讨了带宽和中心频率等参数对断续噪声调幅干扰的 性能影响。 3 1 干扰准则 通信对抗的最终目的是使对敌方的无线通信系统失去通信功能。在现代化信 息时代，军事信息在现代战争中作用越来越大，所以通信干扰在现代化战争中的 地位日益提高1 3 。 干扰基本准则有时域准则、频域准则、功率准则和样式准则。在实施干扰的 过程中，对应不同的通信信号应采用不同的干扰信号，才能获得理想效果。 1 ) 时域准则：为了进行有效干扰，必须保证干扰与信号在时域上的一致性， 即时域上的瞄准。 2 ) 频域准则：为了进行有效干扰，干扰信号的频带必须与信号频带相同。如 果干扰信号带宽大于通信信号的带宽，则会造成干扰能量的浪费；而干扰信号的 带宽小于通信信号的带宽，若干扰信号无法对准通信信号的主瓣，则有可能达不 到干扰其正常通信的目的。 3 ) 功率准则：为了定量的描述干扰对通信接收机系统影响的程度，需要引进 压制系数k 的概念。压制系数k 定义为在确保干扰对通信接收机系统完全压制的 情况下，接收机系统输入端所需干扰功率与信号功率之比，即k = 只只，其中只为 在保证完全压制的情况下，通信接收机输入端的干扰功率；只为通信接收机输入 端的信号功率。 4 ) 样式准则：不同类型的通信接收机可能采取不同的调制方式，最有效的干 扰样式并不一定与通信信号具有完全相同的结构特征，同一种干扰样式可能适用 于不同形式的通信信号。 3 2 传统的干扰样式研究 传统干扰包括音调干扰和噪声干扰。音调干扰可分为单音干扰和多音干扰； 噪声干扰是利用幅度、相位和频率随机变化的电磁波信号作为干扰信号，包括纯 噪声干扰和噪声调制干扰。纯噪声干扰是利用噪声源直接产生噪声经放大后形成 1 4 通信对抗中高效干扰方法研究 干扰信号，分为宽带噪声干扰、窄带噪声干扰和多频带噪声干扰；噪声调制干扰 则是利用噪声信号来调制幅度、相位和频率的干扰信号，分为噪声调幅、噪声调 频、噪声调相干扰。 3 2 1 音调干扰 在音调干扰中，一个或者多个干扰音调根据干扰策略的需要置于频谱的相应 位置，这些音调的位置和数量都会影响干扰的性能。图3 1 给出了几种传统干扰 的频谱示意图，单音干扰是将一个音调置于需要的位置，如图3 1 ( a ) 所示，多音 干扰则是将干扰功率分布在几个音调之间，如图3 1c o ) 所示。 工 ( a ) 单音干扰 工土工i 工 ( b ) 多音干扰 二二二二 ( c ) 全频段干扰 口 口口口 一 图3 1 干扰信号频谱不恿图 ( 1 ) 单音干扰 干扰信号在一个频点发射，因此干扰信号是一个单频点的连续波音调，由于 是针对单个频点的干扰，因此相对于整个频段来说，干扰的影响范围比较小，对 于跳频系统来说，它不能起到有效的干扰作用，但能够有效干扰频带比较窄的目 标 2 2 1 1 2 3 1 。单音调干扰的主要缺点是极易被解扩前的陷波器消除，或者大幅度减弱 其干扰效果。 ( 2 ) 多音干扰 干扰机可以同时发射多个音调的干扰信号，这些音调可以固定在特定的频率 上，也可以是随机分布，如果针对一个特定的系统进行干扰，固定干扰频率的多 音干扰的干扰效果很显著。当多个音调位于相邻的信道时，成为“梳状”干扰， 假设音调精确地位于频带内的一个频率上，从而使得干扰能够通过接收机的滤波 器，而不至于被滤除而过分衰减 2 4 1 。多音调干扰的主要缺点是因其峰平比比较高， 而使干扰发射机效率降低。 3 2 2 纯噪声干扰 对于纯噪声干扰，干扰载波信号用随机噪声波形进行调制，其目的是通过将 噪声加进接收机来干扰信号波形，其中干扰带宽既可以与系统所使用的整体带宽 第三章新型干扰策略 一样宽，也可以只占用一部分带宽，根据干扰带宽不同，干扰效果会有所不同。 一般情况下，假设噪声为高斯白噪声，理论情况下高斯白噪声的带宽无限大，可 以将高斯白噪声通过滤波器来限制它的带宽。 ( 1 ) 宽带噪声干扰 宽带噪声干扰是指将噪声能量加到信号的整个带宽上，如图3 1 ( c ) 所示，有 时也称作全频段干扰，这种干扰对各种通信系统都有效，它能有效屏蔽某一覆盖 范围，同时也可在一段时间内防止敌方通信截获我方信息。宽带噪声干扰通过将 高斯白噪声通过宽带带通滤波器产生。 假设高斯白噪声以( f ) ，服从均值为0 ，方差为1 的高斯分布，即满足 ( f ) 一n ( o ，1 ) ( 3 - 1 ) 则宽带噪声干扰表示为 x ( r ) = l 甩( f ) 以f - 叮) d z ( 3 - 2 ) 其中w ( f ) 为窗函数w ( y c o ) 的傅立叶逆变换，w ( y o j ) 由带宽a c o 决定，窗函数的表 达式为： 形( 胁托i 嚣 ( 3 - 3 ) 宽带噪声干扰主要缺点是干扰功率谱密度可能很低。有限的干扰功率分配在 很宽的频带内，相当于提高了接收机的背景噪声。如果干扰源离接收机的距离与 通信距离相比有明显的优势，即干通距离比很小，这种干扰的效果足够达成电子 对抗的目的【3 1 。 ( 2 ) 窄带噪声干扰 窄带噪声干扰是将所有干扰能量集中在通信带宽的某一段频率范围内。与宽 带噪声干扰相比，窄带噪声干扰使干扰功率集中在某一频段内，提高该频带内的 干扰功率谱密度，实现频段集中干扰，达到干扰的目的，频谱示意图如图3 1 ( d ) 所示【1 9 1 。 窄带干扰可用等效窄带高斯噪声近似。设窄带干扰占整个带宽的百分比为a ， 干扰功率为彳2 ，则双边带功率谱密度可简单表示为彳2 2 0 t t o , ，其中。为信号带 宽。窄带高斯噪声功率谱密度可表示为： f 彳2r o t h 吐 l ，徊) i = 2 a c o , ( 3 4 ) 【0 o t h e r s 实