通信干擾的基本概念 1 通信干擾的作用和任務通信干擾是為了阻止通信方的信息傳輸 有目的地在通信信道上向敵方接收機發(fā)射通信接收方不需要的噪聲或其他干擾信號 使通信接收方無法正確接收通信信號 從而達到破壞其信息傳輸目的所采取的電子行動 隨著軍事通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡化 尤其是以美軍為代表提出的網(wǎng)絡中心戰(zhàn)軍事思想的實施 對通信干擾提出了更大的挑戰(zhàn) 通信干擾的基本概念 2 通信干擾機的組成 通信干擾的基本概念 3 通信干擾的工作流程 通信干擾的基本概念 自適應干擾抵消器原理 通信干擾方程 1 干擾的三個重要概念 干信比 干擾壓制系數(shù)與干通比干信比 接收機輸入端的干擾信號與通信信號的功率比值 干擾壓制系數(shù) 針對某一具體通信信號的接收方式達到有效干擾所必需的干信比 干通比 干擾機能夠獲得有效干擾時的干擾距離與通信壓制距離之比的最大值 通信干擾方程 2 通信干擾基本方程 干信比方程由自由空間傳播公式可得 在通信接收機輸入端的通信信號功率為 同樣 在通信接收機輸入端的干擾信號功率為 通信干擾方程 通信接收機輸入端的干信比為 自由空間傳播條件下的干信比與干通比的平方成反比 平地傳播條件下的干信比為 平地傳播條件下的干信比不僅與干通比的四次方成反比 而且還與干擾天線與通信發(fā)射天線的高度比的平方成正比 通信干擾方程 通信信號的傳播模式為平地傳播 干擾信號傳播模式為自由空間傳播 這時的信干比為 通信信號的傳播模式為自由空間傳播 干擾信號傳播模式為平地傳播 這時的干信比為 通信干擾方程 實際干信比計算時 還要考慮天線極化損耗La和帶寬失配損耗Lb 如果接收機帶寬為Br 干擾信號帶寬為Bj 則帶寬失配損耗為 考慮損耗時的干信比公式只需在以上各式的基礎上再乘以 LaLb 就行了 比如考慮損耗時的自由空間傳播干信比公式為 通信干擾方程 如果假設通信接收天線是水平全向的 則有 Grj Grt 這時公式可簡化為 通常把發(fā)射機輸出功率P與發(fā)射天線增益G的乘積PG稱為發(fā)射機有效輻射功率 用ERP來表示 則上式也可表示為 通信干擾方程 3 干擾功率的計算自由空間傳播模式下所需的干擾功率為 將上式中干信比用壓制系數(shù)kj來代替 并用干通比r dj dc代入可得 通信干擾方程 平地傳播模式下所需的干擾功率為 其他兩種傳播模式下所需的干擾功率為 通信干擾方程 4 干擾壓制區(qū)分析自由空間傳播方式下 干擾功率確定 干擾機所能達到的干通比為 平地傳播方式下干擾機所能達到的干通比為 通信干擾方程 一旦干擾對象確定 干擾機性能也確定下來后 以上兩式的右邊實際上為一常數(shù) 將該常數(shù)分別設為c1和c2 則上述兩式可表示為 不失一般性 把c1和c2統(tǒng)一用c來表示 則有 注意常數(shù)c只取決于干擾機和干擾對象及其傳播路徑 通信干擾方程 干擾機 通信發(fā)射機和通信接收機的布局用圖來表示 通信干擾方程 設干擾機與通信發(fā)射機之間的距離djt為d 則由圖可得 由于 即 當c 1時 則有 即當c 1時 干擾有效區(qū)的邊界為一直線 該直線位于干擾機與通信發(fā)射機連線的中線位置如圖所示 通信干擾方程 通信干擾方程 當c 1時 則有 即干擾有效區(qū)邊界為一圓 該圓的圓心位于x軸上 當c 1時 邊界圓的圓心位于正x軸上 由于大于d 所以該圓的圓心位于通信發(fā)射機的右側(cè) 通信干擾方程 通信干擾方程 當c 1時 則有 最佳干擾理論 1 AM信號的最佳干擾設AM信號為 干擾信號為 不考慮噪聲影響 并設信號初相為0 到達通信接收機輸入端的合成信號為 最佳干擾理論 利用三角恒等式可得 其中 對于采用非相干解調(diào)的接收機 一般都采用包絡檢波器解調(diào) 這時解調(diào)器的輸出即為合成信號的包絡R t 在R t 表達式中的后兩項是干擾信號的作用項 干擾是否有效主要取決于這兩項所起的作用大小 下面分幾種干擾樣式來討論 最佳干擾理論 1 單頻干擾單頻干擾時J t j t 均為常數(shù) 即J t J j t 如果假設單頻信號與通信信號載頻相同即 j c且 0 則合成信號的包絡為 當 j c 0時 假設干擾信號較小 即滿足 包絡表達式中的平方根用泰勒級數(shù)展開 只取前兩項可得 最佳干擾理論 單頻干擾時有 只要 j c落在音頻帶寬內(nèi) 將對通信信號形成單音干擾 但是由于人耳很容易抑制單音干擾 單音干擾不易產(chǎn)生好的干擾效果 所以 對AM信號不宜采用單頻干擾樣式 最佳干擾理論 2 調(diào)幅干擾采用調(diào)幅干擾時的合成信號包絡為 式中 代入可得 包絡檢波器的輸出噪信比為 最佳干擾理論 包絡檢波器的輸入干信比為 包絡檢波器的輸出噪信比與輸入干信比的關系為 從上式可見 AM信號的調(diào)制深度越深 其抗干擾能力越強 同樣AM干擾信號的調(diào)制深度越深 其干擾能力也越強 如果雙方都采用最大調(diào)幅度即100 這時有 最佳干擾理論 此時有 即包絡檢波器輸出端的解調(diào)噪信比只有輸入干信比的一半 最佳干擾理論 3 雙邊帶干擾采用雙邊帶干擾時的合成信號包絡為 式中J t mj t 包絡檢波器的輸出噪信比為 輸入干信比為 最佳干擾理論 包絡檢波器的輸出噪信比與輸入干信比關系為 與調(diào)幅干擾相比 雙邊帶干擾的輸出噪信比少了一個大于1的分母 因此雙邊帶干擾信號有更好的干擾效果 比如采用100 的調(diào)幅度時有 最佳干擾理論 4 調(diào)頻干擾采用調(diào)頻干擾時的合成信號包絡為 式中J t Aj為常數(shù) 包絡檢波器的輸出噪信比為 輸入干信比為 最佳干擾理論 包絡檢波器的輸出噪信比與輸入干信比關系為 由此可見 對AM信號干擾時 調(diào)頻干擾樣式與雙邊帶干擾樣式所得到的輸出噪信比是一樣的 由于雙邊帶干擾信號不是等幅波 其峰值功率受限于干擾發(fā)射機 所以 實際中對AM干擾使用最多的還是調(diào)頻干擾樣式 最佳干擾理論 當干擾信號比通信信號大 即滿足 合成信號包絡用泰勒級數(shù)展開 只取前兩項可得 合成信號包絡沒有獨立的通信信號分量 只有受到其頻差調(diào)制的信號項 所以 只要干擾信號電平足夠大 無論采用何種干擾樣式均能對AM信號起到干擾壓制效果 從此分析也可得出 對AM信號增大干擾功率可以大大提高干擾的有效概率 最佳干擾理論 上面討論的是AM解調(diào)采用非相干解調(diào)時的情況 如果通信接收機采用相干解調(diào) 則解調(diào)器的輸出信號為 上式中忽略了可以被后續(xù)濾波器濾除的直流項和高頻項 這樣解調(diào)輸出的干擾信號功率為 解調(diào)輸出的通信信號功率為 最佳干擾理論 解調(diào)器的輸出噪信比為 輸入干信比為 相干解調(diào)器的輸出噪信比與輸入干信比的關系為 可見當通信接收機采用相干解調(diào)時 其輸出噪信比與非相干解調(diào)時采用調(diào)頻干擾的情況是一樣的 而且與采用什么干擾樣式無直接關系 最佳干擾理論 綜上分析可以得出 對AM信號的最佳干擾為噪聲調(diào)頻干擾 為使調(diào)頻信號帶寬與AM信號相適應 應采用窄帶調(diào)頻即調(diào)頻指數(shù)mf 1 此時的調(diào)頻信號帶寬與AM信號帶寬是一樣的 但考慮到干擾信號載頻與通信信號載頻不可能完全一致 為使干擾信號能量能全部進入解調(diào)輸出濾波器 調(diào)頻干擾信號帶寬應適當減小 最佳干擾理論 2 FM信號的最佳干擾設FM信號為 式中 干擾信號為 所以合成信號為 最佳干擾理論 利用三角恒等式可得 其中 當調(diào)頻解調(diào)器采用鑒頻器解調(diào)時 其輸出正比于合成信號的瞬時頻率f t 為便于分析 分小干擾和大干擾兩種情況來考慮 最佳干擾理論 小干擾時 即滿足 A J t 則 t 可簡化為 所以 鑒頻器輸出為 略去常數(shù)比例因子2 式中第一項為信號項 后兩項為干擾分量 下面分單頻干擾和調(diào)頻干擾兩種情況來討論 最佳干擾理論 1 單頻干擾單頻干擾時 J t Aj為常數(shù) j t j也為常數(shù) 這時有 由上式可見 干擾信號 第二項 項已變?yōu)橐粋€調(diào)頻調(diào)幅波 其帶寬與調(diào)頻信號帶寬是一樣的 當信號帶寬大于鑒頻器帶寬時 其超過部分將被濾波器濾除 如果用Fk表示帶寬不匹配所帶來的干擾能量損失 則鑒頻器輸出的干擾信號功率為 最佳干擾理論 鑒頻器輸出的通信信號功率為 所以 鑒頻器輸出的噪信比為 最佳干擾理論 輸入干信比為 鑒頻器輸出噪信比與輸入干信比的關系為 可見適當增大干擾信號與通信信號的載頻差 可提高干擾效果 但載頻差不能任意加大 頻差過大會被鑒頻器的后續(xù)濾波器濾除 另外 通信信號的頻偏越大 kf越大 帶寬越寬 其抗干擾能力越強 最佳干擾理論 2 調(diào)頻干擾采用調(diào)頻干擾時 J t Aj為常數(shù) 這時有 鑒頻器輸出噪信比與輸入干信比的關系為 式中kj為干擾信號的最大角頻偏 mj t 為干擾調(diào)制噪聲 最佳干擾理論 大干擾時 t 可表示為 鑒頻器輸出為 可見鑒頻器輸出不存在單獨的信號項 只有干擾分量 這時的鑒頻器已進入非線性狀態(tài) 出現(xiàn)所謂的 門限效應 最佳干擾理論 3 SSB信號的最佳干擾設SSB信號為 干擾信號為 所以通信接收機輸入端合成信號為 當采用相干解調(diào)時 用本地同步參考信號與上式相乘并濾除高頻分量后可得 最佳干擾理論 上式中的第一項為信號項 第二項為干擾項 所以解調(diào)器輸出端的噪信比為 最佳干擾理論 輸入干信比為 由此可見 SSB解調(diào)器的輸出噪信比與輸入干信比是一樣的 與采用的干擾樣式無關 以上結論是假定干擾信號能夠全部進入解調(diào)器 解調(diào)后的干擾分量能夠全部通過低通濾波器 如果在解調(diào)器輸入端設置一個上邊帶或下邊帶濾波器 對不同的干擾樣式通過該濾波器的能量就不一樣了 解調(diào)后的輸出噪信比也就不同了 最佳干擾理論 下面以AM干擾樣式為例 干擾信號為 干擾信號的平均功率由兩部分組成 即其載頻功率Pjc和兩個邊帶調(diào)制功率Pjm 其中每一邊帶的功率為 當在解調(diào)器輸入端設有邊帶濾波器時 經(jīng)過邊帶濾波后的干擾信號變?yōu)閱芜厧盘?可表示為 最佳干擾理論 所以送入解調(diào)器的合路信號為 經(jīng)過相干解調(diào)并濾除高頻分量后可得 最佳干擾理論 這樣輸出噪信比為 輸入干信比為 最佳干擾理論 輸出噪信比與輸入干信比的關系為 由此可見 干擾信號的調(diào)制深度越深 干擾效果越好 當采用100 調(diào)制時上式變?yōu)?即用調(diào)幅干擾樣式對SSB信號進行載頻瞄準干擾時 解調(diào)器輸出端的噪信比只有輸入干信比的1 6 干擾效率很低 最佳干擾理論 從以上的舉例可以看出 對SSB信號的干擾必須采用與被干擾信號頻譜重疊的干擾樣式 或者說干擾信號的載頻必須選在SSB信號的頻譜中心上 而不能選在SSB信號的載頻上 另外 干擾信號的帶寬必須與SSB信號的帶寬相一致 最佳干擾理論 4 ASK信號的最佳干擾ASK信號為 干擾信號為 假定 j c j 0 則信號 干擾與噪聲的合成信號為 最佳干擾理論 上式中的噪聲n t 為窄帶高斯白噪聲 則x t 的包絡為 服從廣義瑞利分布 概率密度函數(shù)分別為 最佳干擾理論 式中 a1 As Aj a0 Aj 當接收機采用包絡檢波解調(diào)時 判決規(guī)則為 b為判決門限 所以 接收誤碼率為 用rs As n表示信噪比 b0 b n表示歸一化門限 則 最佳干擾理論 由上式可見 ASK信號的誤碼率不僅與jsr有關 還與判決門限b0有關 當jsr 1時 Pe 1 2 誤碼率最大 當不存在干擾 大信噪比時rs 1 歸一化最佳門限為 此時 最佳干擾理論 最佳干擾理論 如果通信接收機能夠根據(jù)干擾電平大小來自適應地選取判決門限 則可使干擾無效 比如 如果歸一化判決門限為 則誤碼率為 此時的誤碼率只與信噪比rs有關 而與干信比jsr無關 對付自適應門限的有效辦法是采用 乒乓 式隨機 開關 干擾 以加大通信方自適應門限檢測的難度 最佳干擾理論 靈巧干擾時的合成信號可表示為 最佳干擾理論 誤碼率為 由上式可見 當jsr 1即干擾信號電平與通信信號電平相等時 誤碼率達到最大 Pe 1 2 而與選取的判決門限無關 最佳干擾理論 4 FSK信號的最佳干擾FSK信號為 在接收機解調(diào)器中 使 1信號通過的信道稱為 傳號 信道 使 2信號通過的信道稱為 空號 信道 這樣 在發(fā)送 1 時 傳號信道輸出的合成信號為 最佳干擾理論 式中 x1 t 中的第三項為廣義平穩(wěn)高斯噪聲 它由兩部分組成 即接收機自身產(chǎn)生的熱噪聲和有意的干擾噪聲 總平均功率為 空號信道輸出的合成信號為 最佳干擾理論 同樣 在發(fā)送 0 時 傳號信道輸出的合成信號為 空號信道輸出的合成信號為 式中 最佳干擾理論 x1 t 和x2 t 的包絡均服從廣義瑞利分布 在發(fā)送 1 時的錯誤接收概率為 最佳干擾理論 在發(fā)送 0 時的錯誤接收概率為 所以 總的誤碼率為 當 0 1 等概率發(fā)送時 P 1 P 0 0 5 有 假設單音干擾初始相位服從 0 2 上均勻分布時 最佳干擾理論 1 單信道單音干擾單音干擾只對傳號信道或空號信道進行的干擾 比如對傳號信道進行單信道單音干擾時 有Aj2 0 B2 A N1 N0 Nt 信噪比rs 單音干信比rj 干擾噪聲比rn分別為 則有 當Aj0 Aj1時 同樣可得干擾空號信道的誤碼率與上式一樣 最佳干擾理論 2 空閑信道單音干擾空閑信道單音干擾是指發(fā)送 1 時干擾空號信道 發(fā)送 0 時干擾傳號信道 誤碼率為 可見干擾空閑信道時 誤碼率跟干擾信號初始相位無關 最佳干擾理論 3 雙信道雙音干擾雙信道雙音干擾是指用兩個頻率分別為 1 2的單音同時對傳號信道和空號信道進行干擾 此時設Aj1 Aj2 Aj N1 N2 Nt B1 B2 B 這時發(fā)送 1 0 時的錯誤接收概率相等 總誤碼率為 最佳干擾理論 4 單信道噪音干擾單信道噪音干擾是指用中心頻率為 1或 2的窄帶平穩(wěn)高斯噪聲只對傳號信道或空號信道進行的干擾 比如對傳號信道進行單信道噪音干擾時 有Aj1 Aj2 0 B1 B2 A N2 NtN1 Nt Nj 總誤碼率為 同樣可得對空號信道進行噪音干擾時的誤碼率與上式一樣 最佳干擾理論 5 空閑信道噪音干擾空閑信道噪音干擾是指發(fā)送 1 時用窄帶平穩(wěn)高斯噪聲對空號信道進行干擾 發(fā)送 0 時只干擾傳號信道 總誤碼率為 最佳干擾理論 6 雙信道噪音干擾雙信道噪音干擾是指用中心頻率為 1和 2的窄帶平穩(wěn)高斯噪聲同時對傳號信道和空號信道進行的干擾 此時有Aj1 Aj2 0 B1 B2 A N1 N2 Nt Nj 總誤碼率為 可見它與對單信道噪音干擾時的誤碼率是一樣的 最佳干擾理論 最佳干擾理論 6 BPSK信號的最佳干擾BPSK信號為 到達解調(diào)器輸入端的合成信號為 式中n1 t n0 t 為窄帶高斯噪聲 設其均值為零 平均功率為N1和N0 它由兩部分組成 一部分是熱噪聲 另一部分是人為干擾噪聲 統(tǒng)計獨立有 N1 Nt Nj1 N0 Nt Nj0 最佳干擾理論 對于BPSK信號只能采用相干解調(diào) 如下圖所示 發(fā)送 1 時 發(fā)送 0 時 最佳干擾理論 給定干擾信號初始相位 j時 若nc1 t nc0 t 為均值為零 方差為N1和N0的高斯正態(tài)過程 則隨機變量v1和v0也服從高斯正態(tài)分布 其均值為 方差為 式中n1 n0分別為nc1 t nc0 t 的單邊功率譜密度 最佳干擾理論 所以v1和v0的概率密度函數(shù)為 發(fā) 1 時的錯誤接收概率為 最佳干擾理論 發(fā) 0 時的錯誤接收概率為 在 0 1 等概率發(fā)送情況下 總誤碼率為 用 代入得 最佳干擾理論 其中B為積分器帶寬 一般有 公式簡化為 下面分幾種干擾方式討論存在干擾時的誤碼率 設 j服從 0 2 上的均勻分布 信噪比rs 單音干信比rj 干擾噪聲比rn分別為 最佳干擾理論 1 1 碼元單音干擾 1 碼元單音干擾是指用載頻為 c的單音信號只對 1 碼元比特進行干擾 這種干擾是一種脈沖干擾 干擾信號只在出現(xiàn) 1 比特的碼元區(qū)間存在 在 0 比特碼元無干擾信號 這時有Aj0 0 N1 N0 Nt 并設Aj1 Aj j1 j總誤碼率為 最佳干擾理論 2 0 碼元單音干擾與 1 碼元單音干擾的含義是一樣的 這時有 Aj1 0 N1 N0 Nt 并設Aj0 Aj j0 j 總誤碼率為 最佳干擾理論 3 連續(xù)單音干擾連續(xù)單音干擾是指在 0 1 碼元上用載頻為 c的同一單音信號進行的干擾 這時有 Aj1 Aj0 Aj j1 j0 j N1 N0 Nt 總誤碼率為 最佳干擾理論 4 單碼元噪音干擾單碼元噪音干擾是指用載頻為 c的窄帶高斯噪音只對 1 碼元比特或 0 碼元比特進行的干擾 比如 1 碼元噪音干擾時 有 Aj1 Aj0 0 N1 Nt Nj N0 Nt 總誤碼率為 同樣可得 0 碼元噪音干擾的誤碼率與上式一樣 最佳干擾理論 5 連續(xù)噪音干擾連續(xù)噪音干擾是指用載頻為 c的同一窄帶高斯噪音對 0 1 碼元連續(xù)進行的干擾 這時有 Aj1 Aj0 0 N1 Nt Nj N0 Nt Nj 總誤碼率為 最佳干擾理論 通信干擾體制 1 窄帶瞄準式干擾瞄準式干擾就是以一部干擾機 壓制敵方一個確定信道的通信干擾方式 瞄準式干擾的干擾信號頻譜與通信信號頻譜完全重合 干擾信號載頻與通信信號載頻或中心頻率基本一致 瞄準式干擾根據(jù)干擾方式不同還可細分為強制瞄準式干擾和間斷觀察瞄準式干擾兩大類 瞄準式干擾的干擾樣式主要采用兩種 窄帶噪音調(diào)頻和窄帶平穩(wěn)高斯噪聲 通信干擾體制 2 寬帶噪聲攔阻干擾攔阻干擾就是在某一給定的頻段上同時施放干擾信號 對在該頻段上的所有信道進行全面壓制的一種干擾方式 攔阻干擾最直接的產(chǎn)生方法就是在給定的頻段上形成寬帶連續(xù)譜噪聲 通信干擾體制 基帶噪聲源也可以采用數(shù)字方法來產(chǎn)生 即通過產(chǎn)生正態(tài)分布隨機數(shù)并經(jīng)過D A變換后得到 其中D A的采樣頻率取為與噪聲帶寬相同的頻率值 通信干擾體制 3 寬帶掃頻攔阻干擾它的基本原理是用鋸齒波掃頻來產(chǎn)生寬帶信號 在 0 T 區(qū)間的數(shù)學表達式為 該信號的瞬時頻率為 通信干擾體制 鋸齒波掃頻信號 鋸齒波掃頻信號對應的頻譜結構如下 通信干擾體制 通信干