孫明亮++雷坤++吳彬彬

摘要：該文針對短波復雜電磁環(huán)境下多種干擾的特點和常用干擾抑制算法的性能，提出了一種多模多域的抗干擾技術(shù)方案，分析了這種技術(shù)方案對典型干擾樣式的抗干擾效果，并通過計算及仿真證明，達到了抗干擾的目的。

關(guān)鍵詞：短波通信；跳頻；多模多域抗干擾

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）17-0035-03

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和在戰(zhàn)爭中的廣泛運用，作為電子戰(zhàn)主要內(nèi)容的通信對抗，成為了雙方的主要焦點。特別是在戰(zhàn)場惡劣電磁環(huán)境中，在大強度干擾對抗時，干擾類型往往以具有時、頻、空等多維多域特征出現(xiàn)。據(jù)此，筆者對不同干擾模式，應采取的多域干擾抑制措施進行了深入的研究。

1 干擾抑制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通信對抗一體化的核心技術(shù)是建立在頻譜感知基礎(chǔ)上的，頻譜感知即是對干擾信號的探測識別，完整的頻譜感知模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。從探測通道能夠獲得感興趣頻帶內(nèi)信號的占用情況，通過編制算法軟件進行后續(xù)的多域信號分析處理，即可采取對應的抗干擾措施。

2 干擾抑制系統(tǒng)分析

信號特征提取和模式識別是多模式多域抗干擾通信的第一步，特征提取和模式識別對多模式多域抗干擾通信非常重要， 它能使系統(tǒng)實時獲得當前頻率集的通信質(zhì)量，并為下一步的抗干擾策略選取提供依據(jù)。圖2給出了干擾識別的流程圖，它可以分為5個主要步驟。

2.1 頻率跳變

頻率跳變是指把通信偵察機的接收頻率調(diào)整到下一個所要探測的信道，這里由DSP和FPGA聯(lián)合控制頻率合成器的本振頻率。該系統(tǒng)采用雙接收通道，一個用于接收數(shù)據(jù)，一個用于頻譜感知。本系統(tǒng)采用數(shù)字化信道接收機來實現(xiàn)頻譜感知，以信道帶寬為間隔，進行快速掃描。掃描方式有兩種，即按全頻段順序掃描和按預置頻率集掃描。為了方便對干擾模式的識別，一方面，偵察機的偵察跳變規(guī)律與通信中所使用的跳頻圖案不一致，這樣便于實現(xiàn)對各種干擾樣式的探測；另一方面，由于偵察某一信道所需時間要遠小于跳頻通信中在這一信道的駐留時間，因此在很短的時間內(nèi)可以實施對整個頻帶的快速掃描。

2.2 信號采集

為了對當前的信道進行有效分析，必須采集足夠多的信號樣本，同時，為了提高偵察的速度，跳頻掃描速率也必須足夠快。這樣一來，需要對采樣速率和跳頻駐留時間聯(lián)合設計，進行折中處理，才能準確獲取當前信道接收信號的頻譜特征。即在每一跳的駐留時間內(nèi)，得到多個采樣點，對下變頻器輸出的I/Q兩路數(shù)據(jù)分別保存，等待后續(xù)處理。

2.3 功率譜估計

循環(huán)譜檢測法主要是為了實現(xiàn)接收信號功率的精確檢測，本系統(tǒng)設計中將循環(huán)譜檢測應用到MPSK檢測中，以確定合適的判定門限。通過測量MPSK信號的周期循環(huán)譜在[f=±fc α=1/Tc]處的峰值大小，來相應精確計算信號的接收功率，而這兩個參數(shù)（[fc 與 Tc]）在檢測過程中對我們來說是已知的，因此在檢測過程中僅需要計算MPSK信號的周期循環(huán)譜在該處的峰值即可而并不需要計算它的整個周期循環(huán)譜，從而大大降低了該算法的計算復雜度。

此外，在戰(zhàn)場惡劣電磁環(huán)境中，干擾都是動態(tài)變化的，特別是跳頻干擾時，其變化速率更快。因此，對寬頻帶全頻段掃描的各頻率點能量值需要增加記憶性，從而能夠感知跳頻信號對系統(tǒng)的影響。穩(wěn)健頻點能量估計框圖如圖3所示。

由圖可以看出，穩(wěn)健頻點能量估計實現(xiàn)了快充慢放機制。工作機制如下：

第一步先比較當前檢測的頻點能量與記憶能量值比較，若前者強，則以前者檢測結(jié)果為準，否則進行第二步。

第二步將記憶能量值與當前檢測值經(jīng)過IIR低通濾波器，實現(xiàn)慢放過程。

這樣就從時頻二維對寬頻段信號進行了檢測，防止檢測的最佳工作頻點落入跳頻頻率集中，這樣就會不斷造成數(shù)據(jù)業(yè)務信道工作頻率點的轉(zhuǎn)移。

圖3 穩(wěn)健頻點能量估計框圖

2.4 特征提取和選擇

根據(jù)模式識別理論，原始數(shù)據(jù)組成的空間稱為測量空間，分類識別賴以進行的空間稱為特征空間，通過變換，將測量空間中表示的模式變?yōu)樘卣骺臻g中表示的模式。

根據(jù)干擾信號與通信信號以及背景噪聲在頻域上體現(xiàn)出的不同特性，確定在頻域上進行特征提取。對于未知隨機信號，無法像用數(shù)學表達式精確表示，而只能用它的各種統(tǒng)計平均量來表征。根據(jù)累計多次探測的全頻段功率譜，可以計算得到均值和方差，因此我們將這些均值和方差序列作為分類的二維特征空間。

該模塊中的特征提取是面向抗干擾策略。我們要提取兩個特征：最佳工作頻率點和干擾分布。最佳工作頻率點就是在允許通信的頻段內(nèi)，通過穩(wěn)健頻率點能量估計算法估計出一段時間內(nèi)的受干擾最小的頻率點。干擾分布是通過穩(wěn)健頻率點能量估計值與循環(huán)譜檢測算出的干擾門限值進比較確定某頻點是否受干擾，然后確定受干擾的頻率點占通信頻段的百分比。

2.5 干擾模式分類識別

短波信道干擾方式可分為跟蹤干擾、壓制干擾和梳狀干擾；干擾的類型可分為靜態(tài)干擾、動態(tài)干擾和回放干擾；干擾模式主要有掃頻干擾、偽碼干擾、白噪聲干擾和FSK干擾等。

通過建立干擾模型庫，對干擾樣式進行可靠估計，將干擾劃分成典型干擾與非典型干擾。

這里給出一種基于模式識別的典型干擾樣式識別方法，僅以無干擾、單音干擾、窄帶干擾和重度干擾為例進行粗識別。根據(jù)有無干擾以及常見的干擾樣式，可以分為四種情況：

①當接收信號中不含干擾時，信號的功率譜基本保持平坦特性，譜均值和譜方差在較小的范圍內(nèi)變化；

②當接收信號受到輕度干擾時，如果是單音干擾，必然存在少量數(shù)據(jù)均值和方差遠遠大于其它數(shù)據(jù)；

③當接收信號受到輕度干擾時，如果是窄帶干擾，除了存在少量數(shù)據(jù)均值和方差遠遠大于其它數(shù)據(jù)外，還有一部分數(shù)據(jù)均值較大，而方差較??；

④當接收信號受到重度干擾時，除了存在大量數(shù)據(jù)均值和方差遠遠大于其它數(shù)據(jù)外，還有相當多的數(shù)據(jù)均值較大，而方差較小。

根據(jù)這四種情況下功率譜均值和方差分布的不同特性，可采用C-均值算法中的模糊C均值分類（FCM）算法進行干擾識別。識別過程如下：

①將探測得到的功率譜均值[m]和方差[σ2]，顯示在[（m，σ2）]的二維空間內(nèi)；

②綜合考慮以上四種情況，設定C = 4，采用FCM算法對數(shù)據(jù)進行分類；

③根據(jù)四個聚類的中心[（m1，σ12）]，[（m2，σ22）]，[（m3，σ32）]和[（m4，σ42）]的分布特性和每一類的屬性特征，判斷接收信號中是否存在干擾，以及存在哪一種干擾。

3 綜合抗干擾措施

信號特征提取和模式識別是多模式多域抗干擾通信的第一步，如何對各種干擾進行消除是多模式多域抗干擾通信的第二步。這里給出基于時域抵消、頻域陷波和子帶變換的綜合抗干擾處理技術(shù)。通過干擾樣式的信號特征識別、干擾歸類處理、弱信號檢測、多域干擾消除等手段，實現(xiàn)了多模式多域抗干擾通信，提高了復雜電磁環(huán)境下的通信可靠性。

3.1 基于干擾模型庫的干擾估計抵消抑制

對于典型干擾，可結(jié)合干擾模型庫，通過特定干擾處理細則，對干擾進行有效的抑制。以干擾的觀測信號為期望信號，根據(jù)典型干擾信號和數(shù)據(jù)傳輸波形信號明顯區(qū)別，對各種干擾信號進行估計，在此基礎(chǔ)上采用基于模型庫的干擾估計算法，確定當前接收信號存在的典型干擾樣式、強度、出現(xiàn)規(guī)則等干擾信號特征，利用本地再生干擾樣式與輸入信號相減運算抵消動態(tài)干擾。采用時域抵消的干擾濾波方法可以逐采樣點更新權(quán)值，具有提高輸出信干噪比，跟蹤速度快等優(yōu)點。對于靜態(tài)干擾可采用頻域窄帶濾波技術(shù)濾除多達4個窄帶干擾；對于動態(tài)干擾結(jié)合干擾模型庫，在時域上進行抵消處理，削弱干擾影響；對于回放干擾，通過傳輸波形和時間相關(guān)聯(lián)的方式，使回放干擾隨時間的推移，不能形成有效干擾。

圖4給出了采用的干擾估計抵消抑制原理框圖。

由于短波信道上存在干擾的多樣性，干擾模型庫只能對單音、多音、掃頻等典型干擾進行有效的抵消處理，采用干擾估計抵消濾波方法的性能受干擾樣式影響很大。對于非典型干擾，則以信息比特為期望信號，按照最優(yōu)準則令信息比特濾波估計值與期望值之間的誤差最小化來提高輸出信干噪比，這種方法可以適用于任何干擾，但需要采用已知的訓練序列作為期望信號，在收斂后轉(zhuǎn)入判決反饋模式，利用接收判決的信息比特作為期望信號。

3.2 自適應子帶變換

針對非典型抗干擾處理技術(shù)，我們針對短波信道特點，給出并實現(xiàn)了基于自適應子帶變換的變換域處理算法。該算法具有優(yōu)良的時頻域特性和多分辨分析特性，能隨輸入信號靈活地調(diào)整其時頻分辨率，自適應地選取與信道匹配的基底，迅速地把干擾定位在一個頻域范圍，干擾抑制器的正交鏡像濾波器具有良好的幅頻特性，能更徹底地抑制干擾，對有用信息的濾除極少，特別適用于非平衡信道。

3.3 多域多模干擾處理效果

綜合抗干擾處理策略及其效果圖如圖5所示。

4 抗干擾性能仿真與測試

針對跳頻點的穩(wěn)健頻點能量估計仿真圖如圖6和圖7所示。圖8和圖9給出了ISE ChipScope頻譜感知實測結(jié)果。以當前通信頻率集帶寬60MHz為例，圖8表示干擾帶寬為12MHz輕度干擾時的頻譜探測波形，圖9表示干擾帶寬為40MHz重度干擾時的頻譜探測波形。由實際感知結(jié)果可見，能夠獲得精確的頻譜占用情況。

5 結(jié)論

本文主要研究了短波通信中如何抑制有意和無意的電臺干擾，分析了各種干擾樣式對不同短波通信系統(tǒng)的影響，并提出了針對各種干擾的信號增強技術(shù)和多模多域的抗干擾策略，通過計算及仿真證明，多模式干擾自動識別系統(tǒng)，能模仿實戰(zhàn)環(huán)境中的干擾情況，然后針對不同干擾模式，采取相對應的多域抗干擾措施，達到了消除干擾的目的。

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