差分跳频通信抗干扰效能分析解析

1、收稿日期：2010-11-20修回日期：2011-01-20*基金项目：国家自然科学基金（60802031辽宁省高校创新团队基金资助项目作者简介:滕振宇（1977-，男，辽宁沈阳人，博士，研究方向:扩频通信技术及应用，信号处理。文章编号:1002-0640（201201-0011-05差分跳频通信抗干扰效能分析*滕振宇，冯永新（沈阳理工大学通信与网络工程中心，沈阳110159摘要:差分跳频通信系统是一种全面基于数字信号处理的全新概念的通 信系统，其技术体制和原理与常规跳频完全不同。差分跳频已成为当前短波保密通 信的一个重要发展方向，因此其抗干扰性能尤其引起人们的关注。由于差分跳频通 信系统特殊

2、的通信机理，其抗干扰效能完全不同于常规跳频通信系统。鉴于此，在对 差分跳频通信原理研究基础上，重点分析了差分跳频通信系统对同频干扰及异频干 扰的抗干扰效能，并通过计算机仿真对相应结论进行了验证，可为差分跳频通信的进 一步发展提供相关理论基础与技术借鉴。关键词:差分跳频，同频干扰，异频干扰，抗干扰效能中图分类号:T N 97文献标识码:AAn Efficie ncy An alysis of Differe ntial Freque ncyHopp ing Communi cati on Anti -jam mingTENG Zhe n -y u ,FENG Yong -x in(Communi

3、cation and N etw ork I nstitute ,S heny ang L ig ong U niver sity ,S heny ang 110159,Chi naAbstract :Differe ntial freque ncy hopp ing comm uni cati on sy stem is a sort of new co n cept co mmu-ni catio n system based on co mpr ehe nsive digital sig nal pro cess ing ,and it differs completely fro m

4、co nven tio nal fr eque ncy ho pping in tech no logy system and prin ciple .The differe ntial freque ncy hopp ing has become an importa nt dev elo pment directio n in the current shortw av e privacy com munication,so its antijamming per for mance is particularly a concern.ln virtue of the special co

5、mm uni cati on mecha nism of the differe ntial fr eque ncy hopp ing system,its an ti-jam ming efficie ncy is completely differ ent with the co nventio nal frequency ho pping com munication systemn view of this ,based on the resear ch of the differe ntial fr eque ncy hopp ing com muni cati on theory

6、,the efficie ncy of differe ntial fr eque ncy hopp ing co mmuni catio n system an ti-jamm ing to the sam e fr eque ncy jam mi ng and differe nt fr eque ncy jammi ng is especially an alyzed ,and the corr esp onding con clusi ons have bee n verified by computer simulatio n .It can afford in terrelated

7、 theo retical basis and tech ni cal refere nee for the fur ther developme nt of the differe ntial fr eque ncy ho pping comm uni catio n.Key words :Differential Frequency Hopping (DFH ,same frequency jamm ing ,differ ent freque ncy jammi ng ,anti -jam ming efficie ncy引言差分跳频通信系统是一种全面基于数字信号处理的全新概念的通信系统

8、，其技术体制和原理与常规跳频完全不同。美国Sanders公司研制的CHESS通信系统从高速差分跳频新体制出发，成功地实现了短 波宽频带、高速跳频，较好地解决了提高数据速率和抗跟踪干扰等问题1-8,这在传统的短波通信系统中是很难实现的。鉴于此，差分跳频已成为当前短波保密通信的 一个重要发展方向，其抗干扰性能更是引起人们的关注。然而，由于差分跳频通信系 统特Vol.37,No.1Jan ,2012火力与指挥控制Fire Con trol & Com man d Control第37卷第1期2012年1月殊的通信机理，其抗干扰效能完全不同于常规跳频通信系统。因此开展对差分 跳频通信系统的抗干扰效能研

9、究非常必要，可为差分跳频通信的进一步发展提供相 关理论基础与技术借鉴。1差分跳频通信基本原理差分跳频通信的基本原理描述如下。在发送端，当前时刻的频率值f i由上一跳 的频率值f i -1和当前时刻的数据符号X i共同决定，可用一个隐式差分方程表示为：f i =G (fi -1,X i (1式(1中G (?表示一种函数变换关系,简称G函数4。其频率、数据正变换关系可表示成图1的形1 G函数的正变换式。在接收端,通过数字化宽带接收，经FFT分析跳频带宽内的所有信号特征，确定f i -1和f i ,由G函数的逆变换即可恢复出发送端的数据信息X i ,即X i =G -1(fi -1,f i (2式(

10、2中G -1(?表示G函数的逆变换，即要求G函数必须具有可逆性。其逆变换关系可表示成图2的形式。由上述差分跳频通信基本原理可以看出，对于差分跳频通信系统，其接收环节主 要包括两大部分：一是差分跳频信号的检测；二是确定传输的数据序列。这两个环节是相互影响，相辅相成的。差分跳频信号的检测方法是根据信号的时域波形特征、 频域特征来判断发送的频率。判断的依据是根据信号的能量持续时间、在频率域上 的波形以及信号能量相对于该频率附近的信号能量是否足够强，来判决哪一个信道 上存在有效的跳频信号。然后根据频率转移函数 ，即G函数反向得出传输的数据。 由此可见，如果接收机能够正确检测出差分跳频信号，则可通过频率

11、转移函数很容易 得出所传输的数据。为了有效地对差分跳频通信抗干扰效能进行分析，对差分跳频通信系统接收环节进行了计算机仿真建模与实现。其中G函数构造采用基于m序列的G函数构造方法。对差分跳频信号的检测通过宽带接收，采用加窗FFT方法。对差分跳频通信 系统通频带内所有信号加窗FFT变换后得到的各信号频率及能量，通过绝对能量判 决环节及能量比例值判决环节综合确定差分跳频信号，其中绝对能量判决I北一V1-j占 *_Q-i 0010 20 30 40时间T(a)20250UM门限为5656.9,能量比例值判决门限为3.1501。通过测试，验证了仿真功能的正确性及完备性。2差分跳频通信抗同频干扰效能分析差

12、分跳频通信抗同频干扰效能完全不同于常规跳频通信。对于常规跳频通信系 统，当接收机处于同步捕获阶段时，同频干扰信号对其的作用机理主要是破坏其前导 序列码的相关性，从而迫使接收机无法正常接收其同步信息，导致接收机无法正常工 作;而当接收机处于同步跟踪阶段时，同频干扰信号对其的作用机理主要是影响其跟 踪环路的能量判决，当这种影响达到一定程度后，会迫使接收机失锁，从而迫使接收机 无法正常跟跳，导致接收机无法正常工作。2.1相位差为0寸当同频干扰信号与差分跳频通信系统当前跳信号相位差为0寸,即当干扰信号与差分跳频信号相位一致时，由于其频率一致，波形一致,则相当于干扰信号对差分跳频信号在时域 上进行了加强

13、。图3为同频干扰信号与差分跳频信号相位差为 0 寸的时域仿真图，在此假设同频干 扰信号与差分跳频信号幅值相同。图3相位差为0寸的时域仿真图图4相位差为135时的时域仿真图由图3可以看出，经过混合后的信号在时域各采样点上的幅值增大了2倍,而其他参数均未发生变化。差分跳频接收机在对这个混合信号进行检测时，由于其能量超过接收机的检测门限，因此接收机依然会将此频率的信号判别为有效信号 ，而该频率的信号也 符合其G函数转移路径，使得接收机根据频率转移函数反向得出传输的数据也不会 发生错误，因此此时同频干扰信号没有对差分跳频通信系统形成干扰。以上讨论了 同频干扰信号与差分跳频信号幅值相同的情况，当幅值不同

14、时，由于同频干扰信号与 差分跳频信号在频率、波形、相位上均一致，则经过混合后,同频干扰信号对差分跳 频信号在时域各采样点上的幅值依然起到了增大的作用，因此12?（总第37-0012火力与指挥控制2012年 第1期对差分跳频接收机的影响分析依然如上所述。2.2相位差为135时当同频干扰信号与差分跳频通信系统当前跳信号相位差为135。,而频率、波形及幅值均相同时，图4为同频干扰信号与差分跳频信号相位差为135。时的时域仿真图。由图4可以看出,经过混合后的信号在时域各采样点上的幅值相对于差分信号发生了明显变化 出现了有的采样点上的幅值减小，有的采样点上的幅值由正值变为负值或由负值变 为正值等情况，从

15、而导致混合后的信号能量会发生变化。这会对776655500000500000500000aw00. 4 0. 8 1. 2 1. 6干扰信号幅值(a)接收机的绝对能量判决(b)接【差分跳频接收机的信号检测造成一定影响。图5相位差为135时不同幅值的同频干扰信号对接收机信号检测环节的影响结果图135时，不同幅值的5所示。在此，差分当同频干扰信号与差分跳频通信系统当前跳信号相位差为 同频干扰信号对差分跳频接收机信号检测环节的影响结果如图 跳频信号的幅值为2。图5中,(a为同频干扰信号对差分跳频接收机绝对能量判决环节的影响结果，(b为同频干扰信号对差分跳频接收机能量比例值判决环节的影响结果。由图5可

16、以看出，当同频干扰信号幅值低于0.42 X2或高于1.02 X2时,差分跳频接收机对混合后信号的绝对能量判决值依然高于所设定的门限值，此时同频干扰信号没有对差分跳频通信系统形成干扰；当同频干扰信号幅值介于0.42 X2 与 1.02 X2之间时，差分跳频接收机对混合后信号的绝对能量判决值低于所设定的门限值，此时同频干扰信号对差分跳频通信系统造成了干扰。另外，从图5可以看出，同频干扰信号对差分跳频接收机能量比例值判决环节也 有一定影响，但均未造成有效破坏，即接收机对混合信号的能量比例值判决值始终高 于所设定的门限。针对差分跳频接收机，其绝对能量判决环节和能量比例值判决环 节是与的关系，只要有一个

17、环节被成功干扰，就会导致接收机的误判，因此在同频干扰 信号与差分跳频通信系统当前跳信号相位差为135。时，在一定干扰能量情况下，会对差分跳频接收机形成干扰，造成差分跳赳干扰信号幅值干扰信号幅go接收机的绝对能量判决(b)接收机的能量比例1O O 57202.3 7 . 7 * /700065006000lmz干扰信号幅值(a)接收机的绝对能量判决(b)接 q频接收机对该跳的漏判。2.3相位差为180时当同频干扰信号与差分跳频通信系统当前跳信号相位差为180。,而频率、波形及幅值均相同时，图6为同频干扰信号与差分跳频信号相位差为180时的时域仿真图。由图6可以看出，经过混合后的信号在时域各采样点

18、上的幅值相 对于差分信号（a发生了明显的衰减。这会对差分跳频接收机的信号检测造成一定 影响。图6同频干扰信号与差分跳频信号相位差为180。时的时域仿真图图7相位差为180时不同幅值的同频干扰信号对接收机信号检测环节的影响结果图当同频干扰信号与差分跳频通信系统当前跳信号相位差为 180。时，不同幅值的 同频干扰信号对差分跳频接收机信号检测环节的影响结果如图 7所示。在此，差分 跳频信号的幅值为2。图7中,（a为同频干扰信号对差分跳频接收机绝对能量判决环节的影响结果 ，（b为同频干 扰信号对差分跳频接收机能量比例值判决环节的影响结果。由图7可以看出，当同频干扰信号幅值低于0.3 X2或高于1.7

19、X时,差分跳频接收机对混合后信号的绝对能量判决值依然高于所设定的门限值，此时同频干扰信号没有对差分跳频通 信系统形成干扰；当同频干扰信号幅值介于0.3從与1.7從之间时，差分跳频接收机 对混合后信号的绝对能量判决值低于所设定的门限值，此时同频干扰信号对差分跳 频通信系统造成了干扰。另外，从图7中可以看出，同频干扰信号对差分跳频接收机 能量比例值判决环节也有一定影响，当同频干扰信号的幅值为1.0 X2时，即同频干扰信号的幅值与差分信号的幅13?滕振宇，等:差分跳频通信抗干扰效能分析（总第 37-0013值相等时，会使得接收机的能量比例值判决值低于所设定的门限，从而对差分跳频通信系统造成了干扰。针

20、对差分跳频接收机，其绝对能量判决环节和能量比例值 判决环节是与的关系，只要有一个环节被成功干扰，就会导致接收机的误判，因此在同 频干扰信号与差分跳频通信系统当前跳信号相位差为180。时,在一定干扰能量情况下，会对差分跳频接收机形成干扰，造成差分跳频接收机对该跳的漏判。由以上的分析及讨论可以看出，同频干扰信号对差分跳频通信系统的影响主要 体现在对其的信号检测环节。同频干扰信号对差分跳频通信系统的影响有正面的，也有负面的，对于通信方应对这种影响加以充分认识。3差分跳频通信抗异频干扰效能分析差分跳频通信抗异频干扰效能更是完全不同于常规跳频通信。由于常规跳频通 信系统存在同步环节，对于信号时频域分布要

21、求极为严格，因此异频干扰对其基本难 以形成有效干扰。而对于差分跳频通信系统，异频干扰则是一个主要威胁，其原因在 于差能量较低的差勺分跳频通信系统的特殊通信机理。图8对差分跳频通信系统异频干扰示意图对差分跳频通信系统异频干扰示意图如图 8所示。假设差分跳频接收机接收到 的上一跳差分信号频率为f i ,符合其G函数转移路径的下一跳差分信号频率分别为 fm及f n ,但它们所代表的数据意义不同。当没有异频干扰信号存在时，即不存在频率为fn的干扰信号时，差分跳频接收机通过对整个通频带内信号的能量及频率检测 可以很容易地检测到频率为fm的差分跳频信号，从而通过G-1函数及转移路径f i -f r可以确定

22、所传输的真实数据,并以f m为下次判断G函数转移路 径的基准频点。当异频干扰信号存在时，即存在频率为f n的干扰信号时，差分跳频接收机通过对整个通频带内信号的能量及频率检测，会同时检测到频率为f m的差分跳频信号及频率为f n的干扰信号，此时一些不符合G函数转移路径频率的干扰 信号会被剔除，但由于频率为f n的干扰信号符合其G函数转移路径，因此不会被剔 除。当频率为能量较低的差分踩頻 VTKfn的干扰信号能量高于频率为fm的差分跳频信号能量时，差分跳频接收机会 错误地将能量较高的干扰信号误判为真实信号，并通过G -1函数及转移路径f i -f错误地确定了所传输的数据，并错误地以f n为下次判

23、断G函数转移路径的基准频点，从而对差分跳频接收机造成干扰。为了充分认识异频干扰对差分跳频接收机的影响，下面对其进行仿真分析与讨 论。假设异频干扰信号与差分跳频通信系统当前跳信号时域波形完全一致，考虑不同频率及信号能量情况。S (t信号的频率为f ,G (t信号的频率为f 1,M (t信号的频率为f 2图9信号S (t、G (t及M (t频谱图图9为包含差分跳频信号S (t、符合G函数转移路径的异频干扰信号G (t及不符合G函数转移路径的异频干扰信号 M (t在内的3个信号的频谱图。假设差分跳频接收机正确接收到的上一跳信号频率f 0=15.02M Hz。由于差分跳频接收机在对通频带内信号进行检测

24、时，采用宽开策略，因此这3个 不同频率的信号均会被检测到。其中差分跳频信号S (t的频率f =14.34M Hz,符合G函数转移路径的异频干扰信号 G (t的频率f仁14.42MHz,不符合G函数转移路径 的异频干扰信号M (t的频率f 2=13.22MHz。异频干扰信号G (t和M (t的幅值均 为差分跳频信号S (t幅值的1.1倍，即略大于差分跳频信号。对于差分跳频接收机的 绝对能量判决环节，其门限设定为5656.9。经过接收机对信号的绝对能量判决检测 可以得到：差分跳频信号S (t的绝对能量值为7069.8766符合G函数转移路径的异 频干扰信号G (t的绝对能量值为8556.3595不

25、符合G函数转移路径的异频干扰信 号M (t的绝对能量值为8557.1802可见，这3个信号都超过了差分跳频接收机的绝 对能量判决门限。而对于差分跳频接收机的能量比例值判决环节，其门限设定为3.1501。经过接收机对信号的能量比例值判决检测可以得到：差分跳频信号S (t的能量比例值为41.3161;符合G函数转移路径的异频干扰信号 G (t的绝对能量值为 58.3077;不符合G函数转移路径的异频干扰信号 M (t的绝对能量值为59.0246，可见, 这3个信号都超过了差分跳频接收机的能量比例值判决门限。综上，信号S (t、G (t及M (t均通过了接收机的能量检测环节。由于信号S (t、G (

26、t及M (t均通过了接收机的能量检测环节，因此接收机下一步将根据上一跳正14?(总第37-0014火力与指挥控制2012年 第1期确接收到的信号及当前跳信号进行G函数转移路径正确性的判断。由于异频干扰信号M(t不符合G函数转移路径，即不存在转移路径f0 -f2因此接收机会将此 频率信号剔除。而差分跳频信号 S(t及异频干扰信号G(t均符合G函数转移路径，即 转移路径f0-f及f0 -f1均存在,则接收机会将能量值较大的异频干扰信号G(t保留,而将差分跳频信号S(t剔除。对于接收机的接收，假设当频率转移路径f0-f代表的 数据意义为“0而频率转移路径f0 -f1代表的数据意义为“ 1则，接收机会

27、将传送的 数据误判为“ 1并错误地以f1为下次判断G函数转移路径的基准频点，从而对差分 跳频接收机造成了干扰。4结论以上从同频干扰及异频干扰两个角度分析了差分跳频通信系统的抗干扰效能，由以上的分析及仿真结果可以得出如下结论：(1对于差分跳频通信系统，同频干扰对差分跳频通信系统的影响有正面的，也有 负面的，对于通信方应对这种影响加以充分认识。(2由于差分跳频通信系统特殊的通信机理，相对于同频干扰，异频干扰的威胁性 更大，对于通信方，应通过适当的抗干扰方法及策略，努力削弱异频干扰给差分跳频通 信系统带来的这种重大威胁。参考文献：1 Her rick D L,L ee P K.CHESS:A New

28、 R eliableHigh Speed HF Ra dioC/P ro ceeding s of the1996-15th A nnual M ilitar y Co mmunicat ionsCo nferen ce.Washi ng ton D C:IEEE,1996:684-690.2 Her rick D L,Lee P K.Co rr elated Fr equencyHo ppi ng:A n Impr ov ed A ppro ach to HF SpreadSpectr um Com mun icati on sC/P ro ceed ing s of the1996T actical Co mmu nicatio ns Co nferen ce,1996:319-324.3姚富强，刘忠英.短波高速跳频CHESS电台G函数算法研究J.电子学报,2001,29(5:664-667. 4杨裕亮，何遵文,匡镜明.差分跳频系 统的转移函数研究J.通信学报,2002,23(4:103-108.陈 勇,赵杭生.差分跳频G函数算法的研究J.通信学报,2006,27(10: