周 晗,黃芝平,王淑云

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院,長沙 410073)

1 引 言

通信干擾的目的在于攻擊和破壞敵方的信息傳輸,是目前通信對抗的主要手段之一。直接序列擴(kuò)頻(DSSS)系統(tǒng)用一個(gè)寬帶擴(kuò)頻信號或擴(kuò)頻碼對已調(diào)的數(shù)據(jù)載波進(jìn)行直接調(diào)制來實(shí)現(xiàn)帶寬的擴(kuò)展,它能夠使發(fā)射信號的能量被擴(kuò)展到一個(gè)更寬的頻帶內(nèi),從而提高與噪聲的相似度,使系統(tǒng)更具有隱蔽性和抗干擾性[1],是一種常用的抗干擾通信手段。

目前針對直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾方式很多,文獻(xiàn)[2]中比較了常用的幾種針對直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾方法,并得出了相比寬帶干擾和窄帶干擾,脈沖干擾是一種效率更高的干擾方法的結(jié)論。此外,掃頻式干擾也是一種常見的針對直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾形式。掃頻干擾是一種無引導(dǎo)的干擾方式,比較易于實(shí)現(xiàn)。但這種方法存在一些缺點(diǎn):一方面,它需要在比較大的范圍內(nèi)掃頻,需要的時(shí)間較長;另一方面,為提高干擾效果,其頻率步進(jìn)也不能過大[3]。文獻(xiàn)[3]在掃頻和多音干擾的基礎(chǔ)上,提出了針對直擴(kuò)系統(tǒng)的多音掃頻干擾,這種方法的本質(zhì)是將全頻段掃頻改為分頻段掃頻,在一定程度上提高了掃頻速率,相比常用的掃頻有一定的改進(jìn),但依然缺乏對頻率信息的利用,導(dǎo)致干擾音頻的數(shù)量難以選擇。干擾頻點(diǎn)數(shù)量過少,則依然無法解決傳統(tǒng)掃頻干擾的問題;干擾頻點(diǎn)數(shù)量過多,則會急劇增加干擾消耗。

文獻(xiàn)[4]提出利用信道化瞄頻干擾的方法來提高傳統(tǒng)壓制式干擾的效率,是一種有益的思路。但結(jié)合直擴(kuò)系統(tǒng)具有較強(qiáng)抗截獲能力的具體情況,利用這種方法干擾直擴(kuò)信號時(shí)會存在這樣幾個(gè)問題:首先直擴(kuò)信號難以被檢測到,其次對載頻的估計(jì)精度相比非擴(kuò)頻信號較低,會影響干擾效果。

在上述分析的基礎(chǔ)上,本文針對無引導(dǎo)掃頻干擾效率低下,以及直擴(kuò)信號難以被截獲的問題,提出了基于直擴(kuò)信號載頻估計(jì)的區(qū)間掃頻干擾方法。

2 基本原理及理論分析

2.1 直擴(kuò)系統(tǒng)模型

直接序列擴(kuò)頻最簡單的方式就是使用二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)做擴(kuò)頻調(diào)制,本文后面的論述均以此作為前提。理想的BPSK調(diào)制會使載波的瞬時(shí)相位有180°的變化,數(shù)學(xué)上可以表示成函數(shù)c(t)和載波的乘積,c(t)的取值為±1。假設(shè)一個(gè)恒定包絡(luò)已調(diào)的數(shù)據(jù)載波功率為P,角頻率為 ω0,數(shù)據(jù)相位調(diào)制為θd(t),則調(diào)制信號可表示為

對BPSK信號進(jìn)行擴(kuò)頻,要用函數(shù) c(t)乘以sd(t),c(t)代表擴(kuò)頻波形,這時(shí)的發(fā)射信號為

假設(shè)信號經(jīng)過了 Td的傳輸時(shí)延,則在接收端的解擴(kuò)輸出的信號可以表示為

假設(shè)對擴(kuò)頻碼的時(shí)延的估計(jì)是正確的,那么就有c(t-Td)c(t- Td)=1,再經(jīng)過進(jìn)一步解調(diào),就能恢復(fù)出原始的信號[1]。

2.2 直擴(kuò)系統(tǒng)載頻估計(jì)原理

對直擴(kuò)信號載頻的估計(jì)方法有很多種,以BPSK調(diào)制方式為例,大致有以下幾類:基于非線性變換的方法,基于頻偏估計(jì)的方法,現(xiàn)代譜估計(jì)的方法,時(shí)頻分析方法,基于盲源分離的方法以及基于信號譜相關(guān)或循環(huán)自相關(guān)的方法[5]。在此,選用比較簡單、易于實(shí)現(xiàn)的非線性變換法,它是將PSK信號進(jìn)行非線性變換轉(zhuǎn)換為單頻信號,再按單頻信號的頻率估計(jì)方法進(jìn)行載頻估計(jì),對于BPSK可直接采用平方律法即可,其原理如下。

假設(shè)接收機(jī)接收到的信號表示為

式中,n(t)代表噪聲。做平方后,輸出信號為

除去噪聲及常數(shù)部分,剩下的就是一個(gè)頻率為2倍直擴(kuò)信號載頻的單頻信號,此時(shí)即可使用單頻估計(jì)方法對直擴(kuò)信號的載頻進(jìn)行估計(jì)。

2.3 掃頻信號對直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾分析

假設(shè)掃頻所使用的是一個(gè)帶寬相對直擴(kuò)通信帶寬較窄的信號,則此時(shí)掃頻信號對直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾過程可以按照脈沖信號和部分頻帶信號對直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾過程來進(jìn)行分析,在此引用文獻(xiàn)[1]中對這兩個(gè)過程的分析結(jié)果。對于BPSK系統(tǒng),誤碼率可以表示為

式中,N0為噪聲功率譜密度,NJ為干擾信號單邊功率譜密度,Eb是基帶信號的能量。

在脈沖干擾下,此時(shí)的平均誤比特率表示為

式中,ρ是存在干擾信號的相對時(shí)間,K是擴(kuò)頻調(diào)制的函數(shù)。在掃頻干擾下,ρ可以利用通信帶寬與掃頻帶寬的比值確定。

由式(7)可知,在常規(guī)的掃頻干擾下,由于不知道信號所在的范圍,因此掃頻帶寬會非常大,導(dǎo)致ρ值非常小,從而導(dǎo)致此時(shí)的誤碼率接近白噪聲干擾時(shí)的效果,要想達(dá)到較高的誤碼率就必須增加干擾的功率。因此,降低掃頻帶寬對于提高干擾效率十分必要。

3 方案設(shè)計(jì)簡述

如圖1所示,干擾系統(tǒng)主要由接收機(jī)和干擾機(jī)兩部分組成。接收機(jī)在接收頻率范圍內(nèi)對收到的信號首先進(jìn)行前端處理,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送入數(shù)字信號處理器件,如FPGA等,在軟件部分實(shí)現(xiàn)搜索檢波、載頻估計(jì),并將估計(jì)得到的頻點(diǎn)信息傳遞給干擾機(jī)。干擾機(jī)將發(fā)射頻率范圍分割成一個(gè)個(gè)小的頻率區(qū)間,并事先預(yù)置參數(shù),根據(jù)從接收機(jī)得到的載頻信息選擇對應(yīng)的干擾區(qū)間,并利用對應(yīng)的預(yù)置參數(shù)在區(qū)間中施放掃頻干擾。如果干擾機(jī)只產(chǎn)生單路信號,則可依次對選定區(qū)間進(jìn)行干擾,若能產(chǎn)生多路信號,則可以同時(shí)對多個(gè)選定區(qū)間進(jìn)行干擾。為避免自發(fā)自收,接收機(jī)在干擾間隙進(jìn)行工作。

圖1 方案原理框圖Fig.1 Schematic diagram of proposed scheme

干擾過程由測頻和載頻估計(jì)過程進(jìn)行引導(dǎo),其中測頻由于所涉及的內(nèi)容過多,在此不作討論。

載頻估計(jì)的原理如第一節(jié)所述。若直接將進(jìn)行了平方倍頻的信號變換到頻率域進(jìn)行頻率估計(jì),在信噪比降低的時(shí)候,會對檢測性能造成較大的影響,因此在這里使用相關(guān)累加的方法[5],根據(jù)隨機(jī)噪聲不相關(guān)和正弦信號的相關(guān)特性,將采集的信號根據(jù)采集的長度分成若干段,每段分別做自相關(guān),最后進(jìn)行累加。由于隨機(jī)噪聲固有的特性,可知只要每一段信號有一定長度,同時(shí)分段的數(shù)量足夠,最終就能夠比較理想的抵消噪聲的影響。當(dāng)然,這個(gè)過程也受信噪比和數(shù)據(jù)采集長度的影響。

在信噪比降低,接近系統(tǒng)的噪聲容限時(shí),由于虛警和漏報(bào)的概率增加,可能估計(jì)得到的頻點(diǎn)并不是真實(shí)的載頻頻點(diǎn)。針對這種狀況,在方案中采取以下兩個(gè)措施:一是將估計(jì)過程中得到的全部頻點(diǎn)都送入干擾機(jī)中,并在對應(yīng)的位置產(chǎn)生干擾信號;二是選擇合適的區(qū)間大小,即使估計(jì)的位置相對真實(shí)頻點(diǎn)有一定的偏差,但只要估計(jì)的頻點(diǎn)和真實(shí)頻點(diǎn)在同一個(gè)區(qū)間內(nèi),也依然可以對真實(shí)的載頻位置形成干擾,這一點(diǎn)需要根據(jù)實(shí)際情況來確定。

4 仿真分析

仿真過程利用MATLAB中的Simulink實(shí)現(xiàn),通信信號載波頻率為100 kHz,采樣頻率為1 000 kHz,基帶數(shù)據(jù)速率為100 Hz,擴(kuò)頻碼為8位PN碼,速率10 kHz;調(diào)制方式為BPSK;信道為AWGN信道。

4.1 直擴(kuò)通信載頻估計(jì)仿真

根據(jù)上文所述,載頻估計(jì)采用非線性變換的方法,仿真時(shí)間為0.5 s。在通信信號經(jīng)過AWGN信道后,首先取接收信號的平方值,然后將其分為40段,每段分別進(jìn)行自相關(guān)并累加,最后做4 096點(diǎn)FFT變換,所得結(jié)果如圖2所示。

圖2 對BPSK直擴(kuò)信號的載頻估計(jì)Fig.2 The carrier frequency estimation for DSSS-BPSK

此時(shí)的載波頻率為100 kHz,按照之前的理論結(jié)果,得到的應(yīng)為2倍載頻,即200 kHz。可以看到,在圖2所示的仿真結(jié)果中,在200 kHz這一點(diǎn)有很明顯的波峰,但隨著信噪比的逐漸降低,其分辨能力也迅速下降。仿真過程中,在約-12 dB的信噪比下,此時(shí)在200 kHz所得到的波峰幅值幾乎已經(jīng)與噪聲相當(dāng),這比文獻(xiàn)[5]中給出的仿真性能要差,這主要是由于仿真所得的用于估計(jì)載頻的點(diǎn)數(shù)量太少,導(dǎo)致信息量不夠。如前文所述,當(dāng)信噪比太低以致載頻信息被噪聲淹沒時(shí),可通過擴(kuò)大干擾范圍的方法實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信號的干擾。當(dāng)信噪比進(jìn)一步降低時(shí),則需要改進(jìn)估計(jì)的方法。

4.2 掃頻干擾對BPSK直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾仿真

圖3中給出了幾種不同的干擾信號對直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾效果,信噪比變化為-24～5 dB,干擾信號依次為白噪聲干擾、窄帶干擾、單音干擾、多音干擾、掃頻干擾,其中窄帶干擾、單音干擾均選擇中心頻率與通信載頻相同,窄帶干擾的干擾帶寬為1 kHz,多音干擾取95 kHz、100 kHz和105 kHz 3 個(gè)頻點(diǎn),掃頻范圍為以載頻為中心的10 kHz范圍,仿真時(shí)間為0.5 s。

圖3 不同形式的信號的干擾效果Fig.3 The jamming effects of different signals

從以上仿真結(jié)果中可以看出,在這幾種干擾形式中,白噪聲和窄帶噪聲的干擾效果比較差,可見直擴(kuò)系統(tǒng)對隨機(jī)噪聲信號有較強(qiáng)的處理增益;單頻干擾信號在信噪比較低的情況下干擾效果比較差,但受信噪比變化的影響很小,和多音干擾比較相似,在這兩種信號的干擾下,系統(tǒng)的誤碼率變化呈明顯的階梯狀,確實(shí)實(shí)現(xiàn)了有效干擾,但無論多頻信號還是單頻信號,都需要明確的知道載頻信息,或者據(jù)文獻(xiàn)[6]的結(jié)論,至少要知道直擴(kuò)信號的通信頻段。相比之下,掃頻干擾信號的誤碼率變化是連續(xù)的,誤碼率隨信噪比的變化趨勢與多音干擾接近,但干擾范圍大于多音干擾。因此,在文中選擇使用掃頻干擾信號。

4.3 掃頻帶寬對干擾效果的影響仿真

圖4顯示的是掃頻帶寬對干擾效果的影響,其參數(shù)設(shè)置與前面的仿真一致。在這里假設(shè)掃頻時(shí)間是固定的,那么掃頻帶寬越寬,掃頻速率越快,圖4中幾條曲線的掃頻速率從上到下依次為20 kHz/s、40 kHz/s、100 kHz/s。從仿真結(jié)果中也可以看出,同等信噪比條件下,帶寬越窄,干擾效果越好,對載頻估計(jì)的要求就越高。

圖4 不同掃頻帶寬的干擾效果Fig.4 The jamming effects of different sweeping bands

4.4 與傳統(tǒng)掃頻、單音/多音干擾的對比分析

根據(jù)前文所述,BPSK調(diào)制方式的直擴(kuò)系統(tǒng)在掃頻干擾下的誤比特率可以表示為式(7)?？梢钥闯?此時(shí)最關(guān)鍵的參數(shù)是ρ,當(dāng)缺乏有效的先驗(yàn)時(shí),為了覆蓋目標(biāo)信號所在的頻段,勢必需要在很寬的范圍上掃頻,此時(shí) ρ趨于0,目標(biāo)系統(tǒng)中的誤比特率主要由白噪聲決定,其干擾效果趨于圖3中的白噪聲干擾。由圖中所示的仿真結(jié)果可以看出,這種情況下的干擾效果遠(yuǎn)不如掌握了一定載頻信息時(shí)的干擾效果。同時(shí)也可以看出,在式(7)中當(dāng)ρ趨于1時(shí),此時(shí)的誤比特率主要由白噪聲功率和干擾功率共同決定,干擾效果趨于單/多音干擾時(shí)的結(jié)果。但 ρ趨于1意味著干擾信號的頻率范圍接近在任意時(shí)刻都完全與目標(biāo)通信信號的頻率范圍相重合,在非協(xié)作的狀況下,這對通信信號截獲、載頻估計(jì)的過程提出了很高的要求,比較難實(shí)現(xiàn)。

通過上述對比分析可以看出,相比無引導(dǎo)的掃頻干擾,文中提出的方法能夠有效地提高干擾效率,相比單/多音等形式的引導(dǎo)式干擾,文中的方法降低了對引導(dǎo)部分的要求,在實(shí)際應(yīng)用中相對易于實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié) 論

本文從提高掃頻干擾的干擾效率的角度出發(fā),提出了一種基于直擴(kuò)系統(tǒng)載頻估計(jì)的區(qū)間掃頻干擾方法,通過仿真驗(yàn)證了這種方法相對傳統(tǒng)的掃頻干擾提高了干擾效率。與現(xiàn)有研究成果相比,本文提出的方法目的在于結(jié)合有引導(dǎo)與無引導(dǎo)干擾的優(yōu)勢,既能充分利用載頻信息,提高干擾效率,同時(shí)又能降低對引導(dǎo)部分的要求,簡單易行,是一種高效的方法。目前的不足之處在于文中只是采用仿真的方法對方案進(jìn)行了論證,在進(jìn)一步的研究中可考慮進(jìn)行實(shí)物平臺上的試驗(yàn)。

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