6.1抗干擾技術概述6.2直接序列擴譜6.3跳頻技術6.4交織技術6.5Link16系統中的抗干擾技術6.1抗干擾技術概述6.1.1干擾在信息通信中,信號會受到各種形式以及各種外部信號的擾亂和破壞,這些擾亂和破壞統稱為干擾。信息通信中的干擾有多種分類方式。按產生的原因不同,將干擾分為自然干擾、無意的人為干擾和惡意干擾。(1)自然干擾包括宇宙噪聲和天體干擾。(2)無意的人為干擾主要指的是電氣設備或工業電力電子設備的干擾。(3)惡意干擾也稱為通信干擾,指的是為破壞或擾亂信息的接收而輻射的電磁波干擾。現代戰爭中,為了破壞敵方通信,針對通信信號會刻意釋放人為干擾。這種惡意的人為干擾使本身復雜的無線信道更加復雜。克服一般干擾的傳統技術根本無法應對惡意干擾,常規通信模式由此受到極大影響,需要新的抗干擾通信模式,因此抗干擾通信技術的作用日益重要。6.1.2通信干擾一切用于阻止敵方的電子通信,以及為降低或破壞敵方通信電子設備的作戰使用效能所采取的手段統稱為通信干擾。相對于無目的且時有時無的自然干擾和無意的人為干擾來說,通信干擾是有目的的人為破壞。這種人為破壞之所以能夠實現,主要基于兩大物理基礎,即無線電信道的開放性和無線電波傳輸的透明性。通信干擾的基本方法是將干擾信號隨同敵方所期望的通信信號一起送到敵方接收機中。要達到干擾有效的目的,必須在天線發射方向、發送信號強度、干擾距離以及傳播條件等方面進行精心考慮。通信干擾的分類方式主要有以下幾種。1)按干擾的作用性質分按干擾作用性質的不同,干擾可分為壓制性干擾和欺騙式干擾。壓制性干擾指的是通過發射大功率干擾信號,使敵方信號接收設備難以或者完全不能接收信息。欺騙式干擾指的是采用模擬目標通信信號的方式來欺騙敵方,使其作出錯誤判斷或決策。2)按同時干擾信道的數目分按同時干擾信道數目的不同,干擾可分為攔阻式干擾和瞄準式干擾。攔阻式干擾是指同時對某個頻段內多個信道實施干擾,干擾信號的帶寬包括目標信號的全部頻段或者部分頻段。攔阻式干擾的優點是可以對多個數據鏈頻道進行干擾,如果干擾功率足夠大,干擾帶寬設置合理,還可以對跳頻數據鏈信號實施干擾。瞄準式干擾是指對數據鏈的一個信道實施同頻干擾,干擾信號的頻率和數據鏈信號的頻率重合度高。瞄準式干擾的優點是干擾功率集中,干擾效果好。3)按干擾頻帶的寬窄分按干擾頻帶寬窄的不同,干擾可分為窄帶干擾和寬帶干擾。窄帶干擾即少量的干擾頻率fj1,fj2,…對準敵方的通信頻率fs1,fs2,…,干擾信號的頻帶很窄,可以與通信的有用信號頻帶相比擬,這樣干擾信號能量可以集中于信號頻帶內,從而對有用信號形成干擾。單頻干擾和正弦脈沖干擾是特殊的窄帶干擾。單頻干擾也稱為固頻干擾,這種干擾的干擾頻率fj對準敵方的通信頻率fs,即fj=fs,形成同頻干擾;正弦脈沖干擾類似于單頻干擾,但它以脈沖形式發送,峰值功率較強。寬帶干擾是在整個通信頻帶內釋放強功率干擾信號,使敵方的通信信號模糊不清或淹沒于干擾之中,相當于前述的攔阻式干擾。通信干擾的方式除對信號本身的干擾外,還存在對信道進行干擾的方式。例如,短波的天波通信是通過電離層的反射來實現信息傳輸的,因此可以采用影響電離層的方式來達到干擾目的,如采取核爆炸、釋放吸收材料等方式進行干擾,但其代價較大、作用時間較短。6.1.3抗干擾技術抗干擾技術是在各種干擾條件或復雜電磁環境中為保證通信正常進行所采取的各種技術和戰術措施的總稱。隨著開放空間的電磁環境日趨復雜,無線通信的抗干擾技術持續發展。抗干擾技術可以從時域、頻域、空域以及功率域四個維度來實現抗干擾目的。(1)從時域角度來看,通信信號在時間范疇上不再遵循原有的先后順序,而是發生了特定的變化。時域范圍內的抗干擾技術主要包括跳時通信、猝發通信、交織等。(2)從頻域角度來看,常用的抗干擾技術有基于擴展頻譜的抗干擾技術和基于非擴展頻譜的抗干擾技術。(3)從空域角度來看,利用無線通信信號在空間的傳播特性,通過調整極化方式、主瓣方向,應用分集技術,可以實現空域范疇內的抗干擾。這種抗干擾技術主要包括自適應天線調零技術和分集技術。(4)從功率域角度來看,壓制性干擾是戰場上常見的通信干擾方式,其實現干擾的條件是干擾信號的功率超過了敵方有用信號的功率,使得敵方無法從接收到的電磁波信號中提取出有用信號。抗干擾技術的最終目的是提高通信系統接收端的有效信干噪比,從而保證接收機能夠正確接收有用信號。6.2

直接序列擴譜直接序列擴譜(DS)是指直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發送端去擴展信號的頻譜,而在接收端用相同的擴頻碼序列進行解擴,把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。這里以二進制相移鍵控(BPSK)直擴系統為例,介紹直接序列擴譜通信的一般工作原理。如圖61所示,在發送端,數據經過編碼器后,先進行信息的BPSK調制,然后用產生的偽隨機序列對BPSK信號進行直接調制,擴頻后的寬帶信號經功率放大器放大后由天線發射出去;在接收端,接收到的信號經過前端射頻放大器放大后,先用本地偽隨機序列對直擴信號進行“逆擴頻調制(解擴)”,然后信號通過窄帶帶通濾波器與射頻振蕩器產生的本地載波進行混頻,再經過低通濾波、積分抽樣處理,送至數據判決器,恢復出數據。圖61虛線框中的部分分別完成擴譜調制與解擴。在該模型中,擴譜偽隨機序列和信息同樣采用了BPSK調制方式,擴譜調制是通過直接對載波調制來實現的。直擴系統中的直擴信號可以表示為由式(6.1)可以看出,d(t)與載波相乘實現了信息調制,c(t)再與之相乘則實現了直接序列擴譜調制。乘法是可交換的,因此圖61中直擴調制和BPSK調制的順序是可交換的。由于雙極性序列的相乘對應二元序列的異或運算,因此可以方便地用數字電路來實現,調制后的帶寬取決于偽隨機序列的速率。圖62給出了直擴系統的工作波形示意圖。從時域上看,在發送端,基帶數據通過BPSK調制得到窄帶調制信號,通過直擴系統與偽隨機序列產生器生成的偽隨機序列進行混頻(此處相當于相乘的關系),信號的頻譜被擴展,獲得擴譜波形。在接收端,當接收到擴譜波形后,與同樣的偽隨機序列進行混頻,信號頻譜變窄,獲得解擴波形。在這個步驟中,由于信道中引入的窄帶干擾與偽隨機序列具有較小的相關性,因此頻譜會被擴展,從而提高了信干比。后續的解擴波形再按照一般的BPSK解調方式進行處理,獲得最終數據。下面從頻域來定性地理解直擴系統的抗干擾原理。圖63給出了解擴處理前后信號功率譜示意圖。假設接收機接收到的信號中除有用信號外,還包括窄帶干擾、白噪聲和其他寬帶干擾,則不難看出:接收端的解擴器在組成上與發送端的擴譜調制器基本相同,只是在輸出端多了一個窄帶濾波器。因此,對于與接收機產生的偽隨機序列同步的有用信號,解擴器將它恢復成窄帶信號,且系統設計使得該窄帶信號恰好通過后面的窄帶濾波器。由于本地偽隨機序列信號是單位功率雙極性信號,因此在解擴器中乘法器前后信號的功率是不變的,但是有用信號的帶寬被大大壓縮,從而其功率譜密度大大提升。對于進入接收機的窄帶干擾,解擴器所起的作用是擴譜調制,即窄帶干擾信號被本地偽隨機序列調制,成為一個帶寬被極大擴展的寬帶干擾信號。與有用信號類似,擴展前后干擾信號的功率是不變的,因此在解擴后其功率譜密度大大降低。對于帶限白噪聲和其他寬帶干擾,通過解擴器后,其帶寬也同樣被擴展,功率譜密度下降,但其下降的幅度沒有窄帶干擾那樣明顯。這樣的信號通過后面的帶通濾波器后,大部分的干擾功率被濾除,而信號功率基本沒有損失。因此,解擴器前后的信干比大大提高,實現了抗干擾的功能。6.3

跳頻技術所謂跳頻,比較確切的意思是:用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說,用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調制,使載波頻率不斷地跳變。簡單的頻移鍵控,如2FSK只有兩個頻率,分別代表傳號和空號。而跳頻系統則有幾個、幾十個甚至上千個頻率,由所傳信息與擴頻碼的組合來選擇控制,不斷跳變。跳頻通信系統的組成原理如圖64所示(其中D(t)為輸入信號,D'(t)為輸出信號)。跳頻通信中的頻率在什么范圍,以什么樣的規律,按什么樣的速度,如何實現收發同步,取決于以下性能指標:(1)跳頻帶寬與跳頻數目。跳頻帶寬為可選用的信道數目N與信道帶寬B的乘積。一般地,跳頻帶寬越寬,跳頻通信的抗干擾能力越強。跳頻數目是指頻率合成器輸出的跳頻頻率個數。目前,跳頻通信系統的跳頻數目通常為幾百到幾千,決定跳頻數目的主要因素是頻率合成器的技術性能和系統所需的抗干擾容限。(2)跳頻速率。跳頻速率是指每秒頻率跳變的次數。決定跳頻速率的因素有三個:一是頻率合成器的跳頻速度;二是信息速率;三是抗跟蹤式干擾的能力。跳速越快,抗跟蹤式干擾的能力就越強。(3)跳頻頻率表。跳頻頻率表用于表示跳頻的頻率組成。(4)跳頻圖案。跳頻器輸出的跳變的頻率序列稱為跳頻圖案。圖65為一個跳頻圖案示意圖,圖中橫軸為時間,縱軸為帶寬,圖案中的陰影部分表明什么時間選用何種頻率作為載波。決定跳頻圖案的因素有兩個:一是跳頻頻率表;二是偽隨機序列產生器。6.4

交織技術數據鏈系統在數據傳輸過程中常常會因外來的各種干擾而引起突發錯誤,發生的錯誤有很強的相關性。當產生一個錯誤時,往往波及后面的很多數據,導致一片數據都發生錯誤,使突發錯誤的數目超過了糾錯碼的糾錯能力。交織技術可以將突發錯誤分散開來,把突發差錯信道改造成獨立的隨機差錯信道,從而充分發揮數據鏈系統中信道編碼的作用,有效地提高了數據傳輸的可靠性。交織從本質上來講就是最大限度地改變信息結構而不改變信息內容,使信道傳輸過程中所產生的突發錯誤最大限度地分散化。常見的交織技術有分組交織、卷積交織和偽隨機式交織等。這里主要介紹分組交織。分組交織是將所取的編碼符號寫成一個矩陣,再通過某種特定的規則從矩陣中讀出這些符號,從而實現改變符號次序的功能。分組交織編碼示意圖如圖66所示。交織技術對已編碼的信號按一定規則重新排列。解交織后,突發性錯誤在時間上被分散,使其類似于獨立發生的隨機錯誤,從而用前向糾錯碼可以有效地進行糾錯。前向糾錯碼加交織的作用可以理解為擴展了前向糾錯的可抗長度字節。糾錯能力強的編碼一般要求的交織深度相對較低;糾錯能力弱的編碼則要求更深的交織深度。一般來說,在對數據進行傳輸時,在發送端先對數據進行FEC編碼,然后進行交織處理;在接收端,次序和發送端相反,先進行去交織處理完成錯誤分散,再用FEC解碼實現數據糾錯。另外,交織本身不會增加信道的數據碼元。6.5

Link16系統中的抗干擾技術作為聯合作戰用的Link16的通道,JTIDS/MIDS的抗干擾機制是多重的,以應對戰場嚴重的敵對電磁環境。1.跳頻技術跳頻是JTIDS的首要擴頻方式,其工作頻段為960~1215MHz,該頻段共三個小段:969~1008MHz、1053~1065MHz和1113~1206MHz。在整個960~1215MHz頻段的兩端各留有9MHz的頻率沒有使用,這樣就避免了與頻段外工作的其他系統發生干擾。同時,敵我識別(IFF)系統占用了1030MHz和1090MHz兩個頻率,這樣既避免了干擾,也排除了這兩個頻率及其附近的保護區域頻段。實際上,JTIDS跳頻頻帶也就分成了三個部分。每個頻隙寬度為3MHz,均勻地分布在上述頻段內,頻隙數目為51個,各頻隙的頻率值如表61所示。對于每個脈沖,JTIDS載頻都變化到表中51個頻率中的某一個。標準跳變頻率大于33000跳/秒。JTIDS網絡成員在分配時隙中發射信息脈沖,各個脈沖的載波不一定相同,隨機分布在工作頻段中。JTIDS采用寬間隔跳頻方式,相鄰脈沖的載頻最小間隔為30MHz,也就是要求跳過至少9個頻隙,跳頻速率不小于76923跳/秒。JTIDS的跳頻序列由網絡參與組(NPG)、網絡編號和指定的傳輸加密變量的功能電路共同決定,工作在不同的NPG、網絡編號或加密變量的單元有不同的跳頻序列,從而確保了多個發射設備即使在視距范圍內相互傳輸也不會造成相互干擾。Link16跳頻迫使敵方干擾機工作在很寬的頻段上,從而降低了干擾效能。此外,對于跳頻的主要對抗方式—跟蹤和轉發式干擾,Link16脈沖跳頻的抗擊能力強于連續工作系統。Link16每個射頻脈沖的持續工作時間為6.4μs,對應電波往返傳播距離為3×105km/s×6.4μs÷2=0.96km≈1km

(6-2)即干擾機跟蹤轉發的有效條件是干擾機與發射機的距離不能超過1km。這在實際場景中難以實現。2.直接序列擴譜JTIDS對每個字符采用長度為32的M序列擴頻調制,調制方式為最小頻移鍵控(MSK),就是我們常用的循環碼移位鍵控編碼(CCSK),即軟擴頻。JTIDS字符脈沖波形如圖67所示,每個基碼寬0.2μs,每個字符脈沖含有32個基碼,脈沖寬度為6.4μs,重復周期為13μs,占空比為6.4∶6.6。每個字符脈沖的直擴偽隨機碼以循環移位表示5bit信息,包括數字信息和糾錯信息。在數據鏈成員進行網絡同步時,粗同步和精同步的同步頭都采用了直接序列擴譜技術。粗同步頭一共包括16個雙脈沖字符,由于只用作接收機同步,因此其偽隨機序列選擇范圍較寬。32位的偽隨機序列一共有232種,粗同步頭脈沖所用偽隨機序列不可能從這232種中任意選取,而是用其中一個或數個子集。子集中偽隨機序列的選擇標準是偽隨機序列之間應該有良好的互相關特性,這樣不容易造成同步移位。良好的互相關特性指的是,用一個脈沖信號的本地偽隨機序列與另一個脈沖信號的偽隨機序列作相關處理時,不會產生明顯的相關峰。在發射時,由于每個粗同步頭脈沖的偽隨機序列要先經保密數據單元(SDU)處理,因此,每個粗同步頭脈沖的偽隨機序列是嚴格保密的。精同步頭的報頭和消息本體所用的都是載有數據的同一偽隨機序列。精同步頭用的序列是01111100111010010000101011101100,代表固定的數據00000。報頭和消息本體用的序列還有這個序列的其余31個循環移位,比如用1111001110100100001010111011000代表數據00001等。5bit信息碼和32bit碼片的映射關系如表62所示。但在用它們去調制載頻以備發射之前,也是經過加密處理的,所以外界看到的并非這種偽隨機序列。選取這種偽隨機序列是因為它自相關特性好。當循環移位的位數不同時,本地偽隨機序列和信號偽隨機序列之間只有很小的相關峰;當正好移位對準時,有大的相關峰,這是正確的信息解調需要的。3.糾錯編碼JTIDS消息本體均由1組、2組或4組字符塊構成,每組字符塊有93個字符。同時,每組字符塊包括3個碼字,每個碼字有31個字符,但這并不說明每個字符都載有信息。這31個字符是由RS碼的(31,15)前向糾錯編碼后形成的,這就意味著每個碼字只有15個字符載有信息,其余31-15=16個字符是在發射機中為在接收時糾錯而附加上去的檢錯字符。當JIDS/MIDS信號在傳播過程中因受到干擾或其他原因使接收后有些脈沖的數據解調錯誤或解調不出來時,這些檢測字符便發揮了作用,它使得當2e+E≤16時,接收機還能正確恢復那15個字符所載有的信息,這里e指數據解調錯誤的字符數,E是接收機中解調不出來而被抹去的字符數。由此可見,這種糾錯編碼能容忍的抹去字符數比解調錯誤的字符數要多1倍,因而接收機設計時應盡量用抹去的方式對待有問題的字符。圖68中只畫出了93個字符中1個碼字的糾錯編碼情況,對于其余的碼字,糾錯編碼相同。4.交織技術JTIDS/MIDS的糾錯編碼設置是提高其抗干擾能力的重要措施,這雖然會降低系統的吞吐率,但是對于保證戰場上的信息可靠傳輸來說是必要的。同時,即使用了這樣的糾錯編碼,其能夠承受的干擾仍是有限度的。為了應對突發干擾,JTIDS/MIDS采取了交織措施。所謂交織,是指字符不按照正常順序發射,而是把這個順序打亂,在報頭與碼字之間可以隨機地選擇字符,形成新的順序進行發