通信干扰+-+通信及信息对抗.ppt

通信干扰的基本概念 1 通信干扰的作用和任务通信干扰是为了阻止通信方的信息传输 有目的地在通信信道上向敌方接收机发射通信接收方不需要的噪声或其他干扰信号 使通信接收方无法正确接收通信信号 从而达到破坏其信息传输目的所采取的电子行动 随着军事通信系统的网络化 尤其是以美军为代表提出的网络中心战军事思想的实施 对通信干扰提出了更大的挑战 通信干扰的基本概念 2 通信干扰机的组成 通信干扰的基本概念 3 通信干扰的工作流程 通信干扰的基本概念 自适应干扰抵消器原理 通信干扰方程 1 干扰的三个重要概念 干信比 干扰压制系数与干通比干信比 接收机输入端的干扰信号与通信信号的功率比值 干扰压制系数 针对某一具体通信信号的接收方式达到有效干扰所必需的干信比 干通比 干扰机能够获得有效干扰时的干扰距离与通信压制距离之比的最大值 通信干扰方程 2 通信干扰基本方程 干信比方程由自由空间传播公式可得 在通信接收机输入端的通信信号功率为 同样 在通信接收机输入端的干扰信号功率为 通信干扰方程 通信接收机输入端的干信比为 自由空间传播条件下的干信比与干通比的平方成反比 平地传播条件下的干信比为 平地传播条件下的干信比不仅与干通比的四次方成反比 而且还与干扰天线与通信发射天线的高度比的平方成正比 通信干扰方程 通信信号的传播模式为平地传播 干扰信号传播模式为自由空间传播 这时的信干比为 通信信号的传播模式为自由空间传播 干扰信号传播模式为平地传播 这时的干信比为 通信干扰方程 实际干信比计算时 还要考虑天线极化损耗La和带宽失配损耗Lb 如果接收机带宽为Br 干扰信号带宽为Bj 则带宽失配损耗为 考虑损耗时的干信比公式只需在以上各式的基础上再乘以 LaLb 就行了 比如考虑损耗时的自由空间传播干信比公式为 通信干扰方程 如果假设通信接收天线是水平全向的 则有 Grj Grt 这时公式可简化为 通常把发射机输出功率P与发射天线增益G的乘积PG称为发射机有效辐射功率 用ERP来表示 则上式也可表示为 通信干扰方程 3 干扰功率的计算自由空间传播模式下所需的干扰功率为 将上式中干信比用压制系数kj来代替 并用干通比r dj dc代入可得 通信干扰方程 平地传播模式下所需的干扰功率为 其他两种传播模式下所需的干扰功率为 通信干扰方程 4 干扰压制区分析自由空间传播方式下 干扰功率确定 干扰机所能达到的干通比为 平地传播方式下干扰机所能达到的干通比为 通信干扰方程 一旦干扰对象确定 干扰机性能也确定下来后 以上两式的右边实际上为一常数 将该常数分别设为c1和c2 则上述两式可表示为 不失一般性 把c1和c2统一用c来表示 则有 注意常数c只取决于干扰机和干扰对象及其传播路径 通信干扰方程 干扰机 通信发射机和通信接收机的布局用图来表示 通信干扰方程 设干扰机与通信发射机之间的距离djt为d 则由图可得 由于 即 当c 1时 则有 即当c 1时 干扰有效区的边界为一直线 该直线位于干扰机与通信发射机连线的中线位置如图所示 通信干扰方程 通信干扰方程 当c 1时 则有 即干扰有效区边界为一圆 该圆的圆心位于x轴上 当c 1时 边界圆的圆心位于正x轴上 由于大于d 所以该圆的圆心位于通信发射机的右侧 通信干扰方程 通信干扰方程 当c 1时 则有 最佳干扰理论 1 AM信号的最佳干扰设AM信号为 干扰信号为 不考虑噪声影响 并设信号初相为0 到达通信接收机输入端的合成信号为 最佳干扰理论 利用三角恒等式可得 其中 对于采用非相干解调的接收机 一般都采用包络检波器解调 这时解调器的输出即为合成信号的包络R t 在R t 表达式中的后两项是干扰信号的作用项 干扰是否有效主要取决于这两项所起的作用大小 下面分几种干扰样式来讨论 最佳干扰理论 1 单频干扰单频干扰时J t j t 均为常数 即J t J j t 如果假设单频信号与通信信号载频相同即 j c且 0 则合成信号的包络为 当 j c 0时 假设干扰信号较小 即满足 包络表达式中的平方根用泰勒级数展开 只取前两项可得 最佳干扰理论 单频干扰时有 只要 j c落在音频带宽内 将对通信信号形成单音干扰 但是由于人耳很容易抑制单音干扰 单音干扰不易产生好的干扰效果 所以 对AM信号不宜采用单频干扰样式 最佳干扰理论 2 调幅干扰采用调幅干扰时的合成信号包络为 式中 代入可得 包络检波器的输出噪信比为 最佳干扰理论 包络检波器的输入干信比为 包络检波器的输出噪信比与输入干信比的关系为 从上式可见 AM信号的调制深度越深 其抗干扰能力越强 同样AM干扰信号的调制深度越深 其干扰能力也越强 如果双方都采用最大调幅度即100 这时有 最佳干扰理论 此时有 即包络检波器输出端的解调噪信比只有输入干信比的一半 最佳干扰理论 3 双边带干扰采用双边带干扰时的合成信号包络为 式中J t mj t 包络检波器的输出噪信比为 输入干信比为 最佳干扰理论 包络检波器的输出噪信比与输入干信比关系为 与调幅干扰相比 双边带干扰的输出噪信比少了一个大于1的分母 因此双边带干扰信号有更好的干扰效果 比如采用100 的调幅度时有 最佳干扰理论 4 调频干扰采用调频干扰时的合成信号包络为 式中J t Aj为常数 包络检波器的输出噪信比为 输入干信比为 最佳干扰理论 包络检波器的输出噪信比与输入干信比关系为 由此可见 对AM信号干扰时 调频干扰样式与双边带干扰样式所得到的输出噪信比是一样的 由于双边带干扰信号不是等幅波 其峰值功率受限于干扰发射机 所以 实际中对AM干扰使用最多的还是调频干扰样式 最佳干扰理论 当干扰信号比通信信号大 即满足 合成信号包络用泰勒级数展开 只取前两项可得 合成信号包络没有独立的通信信号分量 只有受到其频差调制的信号项 所以 只要干扰信号电平足够大 无论采用何种干扰样式均能对AM信号起到干扰压制效果 从此分析也可得出 对AM信号增大干扰功率可以大大提高干扰的有效概率 最佳干扰理论 上面讨论的是AM解调采用非相干解调时的情况 如果通信接收机采用相干解调 则解调器的输出信号为 上式中忽略了可以被后续滤波器滤除的直流项和高频项 这样解调输出的干扰信号功率为 解调输出的通信信号功率为 最佳干扰理论 解调器的输出噪信比为 输入干信比为 相干解调器的输出噪信比与输入干信比的关系为 可见当通信接收机采用相干解调时 其输出噪信比与非相干解调时采用调频干扰的情况是一样的 而且与采用什么干扰样式无直接关系 最佳干扰理论 综上分析可以得出 对AM信号的最佳干扰为噪声调频干扰 为使调频信号带宽与AM信号相适应 应采用窄带调频即调频指数mf 1 此时的调频信号带宽与AM信号带宽是一样的 但考虑到干扰信号载频与通信信号载频不可能完全一致 为使干扰信号能量能全部进入解调输出滤波器 调频干扰信号带宽应适当减小 最佳干扰理论 2 FM信号的最佳干扰设FM信号为 式中 干扰信号为 所以合成信号为 最佳干扰理论 利用三角恒等式可得 其中 当调频解调器采用鉴频器解调时 其输出正比于合成信号的瞬时频率f t 为便于分析 分小干扰和大干扰两种情况来考虑 最佳干扰理论 小干扰时 即满足 A J t 则 t 可简化为 所以 鉴频器输出为 略去常数比例因子2 式中第一项为信号项 后两项为干扰分量 下面分单频干扰和调频干扰两种情况来讨论 最佳干扰理论 1 单频干扰单频干扰时 J t Aj为常数 j t j也为常数 这时有 由上式可见 干扰信号 第二项 项已变为一个调频调幅波 其带宽与调频信号带宽是一样的 当信号带宽大于鉴频器带宽时 其超过部分将被滤波器滤除 如果用Fk表示带宽不匹配所带来的干扰能量损失 则鉴频器输出的干扰信号功率为 最佳干扰理论 鉴频器输出的通信信号功率为 所以 鉴频器输出的噪信比为 最佳干扰理论 输入干信比为 鉴频器输出噪信比与输入干信比的关系为 可见适当增大干扰信号与通信信号的载频差 可提高干扰效果 但载频差不能任意加大 频差过大会被鉴频器的后续滤波器滤除 另外 通信信号的频偏越大 kf越大 带宽越宽 其抗干扰能力越强 最佳干扰理论 2 调频干扰采用调频干扰时 J t Aj为常数 这时有 鉴频器输出噪信比与输入干信比的关系为 式中kj为干扰信号的最大角频偏 mj t 为干扰调制噪声 最佳干扰理论 大干扰时 t 可表示为 鉴频器输出为 可见鉴频器输出不存在单独的信号项 只有干扰分量 这时的鉴频器已进入非线性状态 出现所谓的 门限效应 最佳干扰理论 3 SSB信号的最佳干扰设SSB信号为 干扰信号为 所以通信接收机输入端合成信号为 当采用相干解调时 用本地同步参考信号与上式相乘并滤除高频分量后可得 最佳干扰理论 上式中的第一项为信号项 第二项为干扰项 所以解调器输出端的噪信比为 最佳干扰理论 输入干信比为 由此可见 SSB解调器的输出噪信比与输入干信比是一样的 与采用的干扰样式无关 以上结论是假定干扰信号能够全部进入解调器 解调后的干扰分量能够全部通过低通滤波器 如果在解调器输入端设置一个上边带或下边带滤波器 对不同的干扰样式通过该滤波器的能量就不一样了 解调后的输出噪信比也就不同了 最佳干扰理论 下面以AM干扰样式为例 干扰信号为 干扰信号的平均功率由两部分组成 即其载频功率Pjc和两个边带调制功率Pjm 其中每一边带的功率为 当在解调器输入端设有边带滤波器时 经过边带滤波后的干扰信号变为单边带信号 可表示为 最佳干扰理论 所以送入解调器的合路信号为 经过相干解调并滤除高频分量后可得 最佳干扰理论 这样输出噪信比为 输入干信比为 最佳干扰理论 输出噪信比与输入干信比的关系为 由此可见 干扰信号的调制深度越深 干扰效果越好 当采用100 调制时上式变为 即用调幅干扰样式对SSB信号进行载频瞄准干扰时 解调器输出端的噪信比只有输入干信比的1 6 干扰效率很低 最佳干扰理论 从以上的举例可以看出 对SSB信号的干扰必须采用与被干扰信号频谱重叠的干扰样式 或者说干扰信号的载频必须选在SSB信号的频谱中心上 而不能选在SSB信号的载频上 另外 干扰信号的带宽必须与SSB信号的带宽相一致 最佳干扰理论 4 ASK信号的最佳干扰ASK信号为 干扰信号为 假定 j c j 0 则信号 干扰与噪声的合成信号为 最佳干扰理论 上式中的噪声n t 为窄带高斯白噪声 则x t 的包络为 服从广义瑞利分布 概率密度函数分别为 最佳干扰理论 式中 a1 As Aj a0 Aj 当接收机采用包络检波解调时 判决规则为 b为判决门限 所以 接收误码率为 用rs As n表示信噪比 b0 b n表示归一化门限 则 最佳干扰理论 由上式可见 ASK信号的误码率不仅与jsr有关 还与判决门限b0有关 当jsr 1时 Pe 1 2 误码率最大 当不存在干扰 大信噪比时rs 1 归一化最佳门限为 此时 最佳干扰理论 最佳干扰理论 如果通信接收机能够根据干扰电平大小来自适应地选取判决门限 则可使干扰无效 比如 如果归一化判决门限为 则误码率为 此时的误码率只与信噪比rs有关 而与干信比jsr无关 对付自适应门限的有效办法是采用 乒乓 式随机 开关 干扰 以加大通信方自适应门限检测的难度 最佳干扰理论 灵巧干扰时的合成信号可表示为 最佳干扰理论 误码率为 由上式可见 当jsr 1即干扰信号电平与通信信号电平相等时 误码率达到最大 Pe 1 2 而与选取的判决门限无关 最佳干扰理论 4 FSK信号的最佳干扰FSK信号为 在接收机解调器中 使 1信号通过的信道称为 传号 信道 使 2信号通过的信道称为 空号 信道 这样 在发送 1 时 传号信道输出的合成信号为 最佳干扰理论 式中 x1 t 中的第三项为广义平稳高斯噪声 它由两部分组成 即接收机自身产生的热噪声和有意的干扰噪声 总平均功率为 空号信道输出的合成信号为 最佳干扰理论 同样 在发送 0 时 传号信道输出的合成信号为 空号信道输出的合成信号为 式中 最佳干扰理论 x1 t 和x2 t 的包络均服从广义瑞利分布 在发送 1 时的错误接收概率为 最佳干扰理论 在发送 0 时的错误接收概率为 所以 总的误码率为 当 0 1 等概率发送时 P 1 P 0 0 5 有 假设单音干扰初始相位服从 0 2 上均匀分布时 最佳干扰理论 1 单信道单音干扰单音干扰只对传号信道或空号信道进行的干扰 比如对传号信道进行单信道单音干扰时 有Aj2 0 B2 A N1 N0 Nt 信噪比rs 单音干信比rj 干扰噪声比rn分别为 则有 当Aj0 Aj1时 同样可得干扰空号信道的误码率与上式一样 最佳干扰理论 2 空闲信道单音干扰空闲信道单音干扰是指发送 1 时干扰空号信道 发送 0 时干扰传号信道 误码率为 可见干扰空闲信道时 误码率跟干扰信号初始相位无关 最佳干扰理论 3 双信道双音干扰双信道双音干扰是指用两个频率分别为 1 2的单音同时对传号信道和空号信道进行干扰 此时设Aj1 Aj2 Aj N1 N2 Nt B1 B2 B 这时发送 1 0 时的错误接收概率相等 总误码率为 最佳干扰理论 4 单信道噪音干扰单信道噪音干扰是指用中心频率为 1或 2的窄带平稳高斯噪声只对传号信道或空号信道进行的干扰 比如对传号信道进行单信道噪音干扰时 有Aj1 Aj2 0 B1 B2 A N2 NtN1 Nt Nj 总误码率为 同样可得对空号信道进行噪音干扰时的误码率与上式一样 最佳干扰理论 5 空闲信道噪音干扰空闲信道噪音干扰是指发送 1 时用窄带平稳高斯噪声对空号信道进行干扰 发送 0 时只干扰传号信道 总误码率为 最佳干扰理论 6 双信道噪音干扰双信道噪音干扰是指用中心频率为 1和 2的窄带平稳高斯噪声同时对传号信道和空号信道进行的干扰 此时有Aj1 Aj2 0 B1 B2 A N1 N2 Nt Nj 总误码率为 可见它与对单信道噪音干扰时的误码率是一样的 最佳干扰理论 最佳干扰理论 6 BPSK信号的最佳干扰BPSK信号为 到达解调器输入端的合成信号为 式中n1 t n0 t 为窄带高斯噪声 设其均值为零 平均功率为N1和N0 它由两部分组成 一部分是热噪声 另一部分是人为干扰噪声 统计独立有 N1 Nt Nj1 N0 Nt Nj0 最佳干扰理论 对于BPSK信号只能采用相干解调 如下图所示 发送 1 时 发送 0 时 最佳干扰理论 给定干扰信号初始相位 j时 若nc1 t nc0 t 为均值为零 方差为N1和N0的高斯正态过程 则随机变量v1和v0也服从高斯正态分布 其均值为 方差为 式中n1 n0分别为nc1 t nc0 t 的单边功率谱密度 最佳干扰理论 所以v1和v0的概率密度函数为 发 1 时的错误接收概率为 最佳干扰理论 发 0 时的错误接收概率为 在 0 1 等概率发送情况下 总误码率为 用 代入得 最佳干扰理论 其中B为积分器带宽 一般有 公式简化为 下面分几种干扰方式讨论存在干扰时的误码率 设 j服从 0 2 上的均匀分布 信噪比rs 单音干信比rj 干扰噪声比rn分别为 最佳干扰理论 1 1 码元单音干扰 1 码元单音干扰是指用载频为 c的单音信号只对 1 码元比特进行干扰 这种干扰是一种脉冲干扰 干扰信号只在出现 1 比特的码元区间存在 在 0 比特码元无干扰信号 这时有Aj0 0 N1 N0 Nt 并设Aj1 Aj j1 j总误码率为 最佳干扰理论 2 0 码元单音干扰与 1 码元单音干扰的含义是一样的 这时有 Aj1 0 N1 N0 Nt 并设Aj0 Aj j0 j 总误码率为 最佳干扰理论 3 连续单音干扰连续单音干扰是指在 0 1 码元上用载频为 c的同一单音信号进行的干扰 这时有 Aj1 Aj0 Aj j1 j0 j N1 N0 Nt 总误码率为 最佳干扰理论 4 单码元噪音干扰单码元噪音干扰是指用载频为 c的窄带高斯噪音只对 1 码元比特或 0 码元比特进行的干扰 比如 1 码元噪音干扰时 有 Aj1 Aj0 0 N1 Nt Nj N0 Nt 总误码率为 同样可得 0 码元噪音干扰的误码率与上式一样 最佳干扰理论 5 连续噪音干扰连续噪音干扰是指用载频为 c的同一窄带高斯噪音对 0 1 码元连续进行的干扰 这时有 Aj1 Aj0 0 N1 Nt Nj N0 Nt Nj 总误码率为 最佳干扰理论 通信干扰体制 1 窄带瞄准式干扰瞄准式干扰就是以一部干扰机 压制敌方一个确定信道的通信干扰方式 瞄准式干扰的干扰信号频谱与通信信号频谱完全重合 干扰信号载频与通信信号载频或中心频率基本一致 瞄准式干扰根据干扰方式不同还可细分为强制瞄准式干扰和间断观察瞄准式干扰两大类 瞄准式干扰的干扰样式主要采用两种 窄带噪音调频和窄带平稳高斯噪声 通信干扰体制 2 宽带噪声拦阻干扰拦阻干扰就是在某一给定的频段上同时施放干扰信号 对在该频段上的所有信道进行全面压制的一种干扰方式 拦阻干扰最直接的产生方法就是在给定的频段上形成宽带连续谱噪声 通信干扰体制 基带噪声源也可以采用数字方法来产生 即通过产生正态分布随机数并经过D A变换后得到 其中D A的采样频率取为与噪声带宽相同的频率值 通信干扰体制 3 宽带扫频拦阻干扰它的基本原理是用锯齿波扫频来产生宽带信号 在 0 T 区间的数学表达式为 该信号的瞬时频率为 通信干扰体制 锯齿波扫频信号 锯齿波扫频信号对应的频谱结构如下 通信干扰体制 通信干