閆云斌，程　穎，馬曉琳，李永科

(1.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003；

2.總裝駐南京軍代表局，江蘇 南京 210024 )

?

基于寬帶波束形成的跳頻通信跟蹤干擾抑制方法

閆云斌1，程穎2，馬曉琳1，李永科1

(1.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003；

2.總裝駐南京軍代表局，江蘇 南京 210024 )

摘要提出了一種針對跳頻通信中跟蹤干擾抑制方法，該方法能夠在跳頻同步前實現(xiàn)跟蹤干擾的抑制，避免了傳統(tǒng)跟蹤干擾抑制方法在跳頻同步被干擾后失效的缺點。采用空間插值的頻域?qū)拵Рㄊ纬杉夹g(shù)實現(xiàn)了跳頻信號與跟蹤干擾信號的波束形成，在此基礎(chǔ)上，給出了一種跟蹤干擾抑制方法。對所提跟蹤干擾抑制方法進(jìn)行了計算機仿真，驗證了該方法的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞跳頻；跟蹤干擾；頻域?qū)拵Рㄊ?；空間插值；干擾抑制

Follower Jamming Suppression for Frequency Hopping Communication Based on Broadband Beam Forming

YAN Yun-bin1,CHENG Ying2,MA Xiao-lin1,LI Yong-ke1

(1.OrdnanceEngineeringCollege,ShijiazhuangHebei050003,China；2.NanjingMilitaryRepresentativeBureauofGeneralArmamentsDepartment,NanjingJiangsu610214，China)

AbstractA method of follower jamming suppression for frequency hopping (FH) communication is proposed,which can realize follower jamming suppression prior to FH synchronization and therefore avoid the defect of traditional method.The beam forming for FH signals and follower jamming signals are realized on the base of broadband beam forming of spatial interpolation,then the follower jamming suppression method is given.At last,the correctness and effectiveness of the method are verified.

Key wordsfrequency hopping;follower jamming;frequency domain broadband beam forming;spatial interpolation;jamming suppression

0引言

跳頻通信技術(shù)通過偽隨機序列控制載波頻率跳變來躲避干擾，使得跳頻通信能夠?qū)姑闇?zhǔn)式干擾。但是，當(dāng)敵方偵察機速度足夠快，進(jìn)而形成跟蹤干擾時，就會給跳頻通信帶來極大威脅[1]。

通常為了對抗跟蹤干擾，需要提高跳頻的速率或者采用變跳的措施，但是，這樣顯然會造成跳頻系統(tǒng)復(fù)雜、實現(xiàn)難度增大。為了實現(xiàn)跟蹤干擾的抑制，文獻(xiàn)[2]提出應(yīng)用天線調(diào)零技術(shù)，結(jié)合跳頻技術(shù)，實現(xiàn)跟蹤干擾的抑制；文獻(xiàn)[3]在其基礎(chǔ)上，利用數(shù)字波束形成和跳頻相結(jié)合，解決了快速跟蹤干擾的抑制問題；前面2種方案在對跟蹤干擾抑制時，未考慮干擾與期望信號是否相干，而且需要準(zhǔn)確知道跳頻信號的導(dǎo)向矢量，為了解決這些問題，文獻(xiàn)[4]結(jié)合空間平滑技術(shù)，應(yīng)用特征空間自適應(yīng)波束方法實現(xiàn)跟蹤干擾的抑制。文獻(xiàn)[4]提出的算法適合一維線陣，為了推廣到二維虛擬空間平滑算法，文獻(xiàn)[5]在均勻矩形陣列下，結(jié)合二維虛擬子空間和相位補償算法，給出了一種抗跟蹤干擾方法。

文獻(xiàn)中提到的跟蹤干擾抑制技術(shù)，其核心是利用自適應(yīng)天線調(diào)零技術(shù)結(jié)合跳頻通信對抗跟蹤干擾，其接收模塊都是在跳頻信號完成解跳后才進(jìn)行波束控制。因為，所采用的自適應(yīng)波束形成算法是針對窄帶信號才能實現(xiàn)，但是當(dāng)跳頻通信中的同步信息被干擾，導(dǎo)致跳頻通信不能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)同步，進(jìn)而不能被解調(diào)時，上述抗跟蹤干擾性能將會下降很多，同時上述提到的自適應(yīng)波束形成要求在跟蹤干擾與跳頻信號的時延內(nèi)實現(xiàn)跳頻信號的抽樣，進(jìn)而完成跳頻信號的調(diào)零，而實際上隨著跳速的提高，跳頻信號和跟蹤干擾之間的時延越來越小。在這么短的時間實現(xiàn)準(zhǔn)確的DOA估計，并控制波束形成，難度較大。

跳頻信號和跟蹤干擾信號在解跳前屬于寬帶信號[6]，對于寬帶信號的波束形成，需要波束形成器能在不同頻率上形成相同束寬的波束，否則會造成接收信號發(fā)生畸變。為了解決該問題，文獻(xiàn)[7]采用離散傅里葉變換插值實現(xiàn)寬帶波束形成，但是需要基陣靈敏度函數(shù)滿足一定條件，在應(yīng)用上存在一定的局限性。文獻(xiàn)[8]提出一種基于頻域處理的寬帶恒束寬的波束形成方法，該方法在一定寬帶內(nèi)對各個頻率進(jìn)行空間插值的數(shù)字加權(quán)，能夠得到恒束寬的波束。該方法容易實現(xiàn)，雖然犧牲了一些性能代價，但是能滿足工程實現(xiàn)的需求。

本文設(shè)計在跳頻信號同步前實現(xiàn)對跟蹤干擾的抑制。采用基于空間插值的頻域?qū)拵ё赃m應(yīng)波束控制技術(shù)，在信號下變頻之前，實現(xiàn)對跟蹤干擾信號波束控制的調(diào)零，從而實現(xiàn)對跟蹤干擾的抑制。

1空間插值的頻域?qū)拵Рㄊ纬杉夹g(shù)

1.1 頻域?qū)拵Рㄊ纬?/p>

基于頻域處理的寬帶波束形成模型如圖1所示。首先每一個天線陣元對接收到的時域數(shù)據(jù)做FFT變換，在頻域進(jìn)行實現(xiàn)波束形成后，經(jīng)過加窗求和，再通過FFT逆變換后就可以得到波束形成后的數(shù)據(jù)[8]。

圖1　基于頻域處理的寬帶波束形成模型

假設(shè)天線陣元為均勻線陣，在某一個頻點ωk形成波束圖：

(1)

式中，b(ωk,Ωb)為第b個方向的導(dǎo)向矢量，可以表示為：

b(ωk,Ωb)= [exp(-jωkcd1Ωb),…,exp(-jωkcdmΩb),…

,

(2)

式中，dm=[d1,…dm…dM],m=1,…;M為第m個天線陣元所在的位置。方向矢量Ωb為：

(3)

式中，θb為第b個方向的方位角；θb∈[-180°,180°]；c為光速。

式(2)中，W(ωk)和win(ωk)分別是波束形成器中頻點ωk的2級頻域加權(quán)系數(shù)，其結(jié)果是使數(shù)字波束能夠形成相同的波束。W(ωk)為頻率ωk在第m個天線陣元的復(fù)加權(quán)系數(shù)，可表示為：

(4)

(5)

1.2 空間插值濾波方法

空間濾波的目標(biāo)是得到較窄的主瓣和較低的旁瓣。而主瓣變窄需要更多的天線陣元，這樣會增加系統(tǒng)復(fù)雜度。上節(jié)中波束形成器應(yīng)用加窗能夠降低旁瓣，但是存在的問題是如何平衡窄主瓣和低旁瓣。那么在實際應(yīng)用過程中，如果使得陣列天線數(shù)量較少時得到較窄的主瓣和較低的旁瓣波束，文獻(xiàn)[9]應(yīng)用空間插值波束形成器解決了該難題。

該方法的主要原理是增大天線距離，當(dāng)天線陣元數(shù)較少時，把陣元距離變成αd，這里α稱為擴(kuò)展因子，這樣就會使得天線的合成空間變大，形成較窄的主瓣，但是這樣做會破壞波束形成的限制條件，產(chǎn)生空間相位譜鏡像。那么在后級設(shè)計合理的濾波器，把鏡像分量濾除掉，得到需要的窄主瓣和低旁瓣的波束。整個過程分為2部分：空間插值和旁瓣濾波。該方法的缺點是計算量大，其本質(zhì)是通過算法的復(fù)雜度換取了陣元數(shù)目的減少。

定義μ=kd(sinθ-sinθ0)，z=exp(ju)，對于均勻線陣的波束形成器為：

(6)

式中，Wpr,m為第m個天線陣元的幅度；θ0為初始角度；k=2π/λ。經(jīng)過空間插值后，波束形成器可表示為[9]：

(7)

式中，F(xiàn)sh(μ)為第一級濾波器，可表示為：

(8)

2空間插值下頻域?qū)拵Рㄊ纬筛櫢蓴_抑制

2.1跳頻信號與跟蹤干擾信號模型

假設(shè)接收端觀察時間為T，在觀察時間內(nèi)共接收到M跳信號，則接收到的信號可以表示為[10]：

s(t)= 2S∑Mk=1rectTH(t-kTH-t1)·

exp(j2πfk(t-kTH-t1)+jθk)+n(t),0

(9)

式中，S為跳頻信號功率；fk和θk為獲得的第k跳信號的載頻和相位；TH為跳頻間隔時間；n(t)為高斯白噪聲；rectTH為寬度為TH的矩形窗。

跟蹤干擾是指干擾信號能跟蹤跳頻頻點跳變的干擾方式，其在時域和頻域特征相均和跳頻信號類似，不同之處在于跟蹤干擾與跳頻信號存在一定的時延，而且跟蹤干擾調(diào)制的是干擾信息。

2.2跟蹤干擾抑制系統(tǒng)

對于跟蹤干擾的抑制，前面研究都是在跳頻信號解調(diào)后，對窄帶信號進(jìn)行處理。為了在跳頻解調(diào)前實現(xiàn)跟蹤干擾的抑制，就需要采用寬帶信號的空間譜估計和波束形成，因為跳頻信號和跟蹤干擾信號在解調(diào)前均可看作是寬帶信號。跳頻同步前跟蹤干擾抑制的系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2　跟蹤干擾抑制系統(tǒng)模型

圖2中，來自K個天線陣元的跳頻信號和跟蹤干擾信號，首先經(jīng)過寬帶空間譜估計和寬帶波束形成后，在空域?qū)崿F(xiàn)分離，經(jīng)過跟蹤干擾識別，判斷是否存在跟蹤干擾，如果存在，此時根據(jù)跟蹤干擾信號所在的方向，確定自適應(yīng)波束形成加權(quán)輸出的約束矢量，并把約束矢量復(fù)制傳遞給跳頻通信的接收端。陣列天線通過波束控制器把零點方向?qū)?zhǔn)跟蹤干擾方向，把陣列方向圖的主瓣指向跳頻信號的方向，從而達(dá)到抗跟蹤干擾的目的。

對于跟蹤干擾的識別，筆者在文獻(xiàn)[6]進(jìn)行了詳細(xì)的研究，這里不再贅述。因此，對于跟蹤干擾的抑制的關(guān)鍵就是能夠?qū)μl信號和跟蹤干擾信號進(jìn)行波束形成。

跳頻通信在實際的應(yīng)用之一就是跳頻電臺，通常在實際應(yīng)用過程中不可能配備很多根天線用來組成陣列。因此，需要考慮在較少陣元下實現(xiàn)跳頻信號的波束控制。本文對于跳頻信號和跟蹤干擾信號的波束形成采用的就是空間插值的頻域?qū)拵Рㄊ??；诳臻g插值的頻域?qū)拵Рㄊ纬商幚砟Ｐ腿鐖D3所示。

圖3　基于空間插值的頻域?qū)拵РㄊＰ?/p>

圖3中，對接收到的跳頻信號和相關(guān)干擾信號首先經(jīng)過頻域?qū)拵Рㄊ纬?。采用空間插值濾波方法代替了加窗求和，其目的就是在陣元數(shù)較少時，降低旁瓣寬帶，得到較窄的主瓣。

在波束形成和跟蹤干擾識別后，把通過基于空間插值的寬帶波束形成器后的權(quán)矢量求得波束形成加權(quán)輸出的約束矢量，把獲得的波束控制器加權(quán)輸出的約束矢量復(fù)制到波束控制器，使得陣列天線的主瓣方向?qū)?zhǔn)跳頻信號，零點方向?qū)?zhǔn)跟蹤干擾，進(jìn)而實現(xiàn)跟蹤干擾的抑制。

3性能仿真及分析

為了驗證采用空間插值寬帶波束形成技術(shù)對跳頻通信中跟蹤干擾抑制的有效性，采用M=8陣元組成的線性等距線陣，跳頻信號工作在超短波頻段，頻率為33～88 MHz，帶寬為25 kHz，偽隨機序列采用m序列，跳頻頻點數(shù)為64，跳速為200 Hop/s，其中跳頻信號方向為-20°，陣列接收信噪比為10 dB，陣元間距等于跳頻最高頻率對應(yīng)波長的1/2，假定經(jīng)過跟蹤干擾識別后存在跟蹤干擾，其中跟蹤干擾方向為10°。信干比為-3 dB。其中跳頻信號的入射頻率在觀測時間T內(nèi)共有4跳，分別是35 MHz、37.5 MHz、42.5 MHz和40 MHz。采樣快拍數(shù)為512。

采用空間插值頻域?qū)拵Рㄊ纬珊蟮玫降奶l信號和跟蹤干擾信號波束形成增益如圖4所示，從圖4可知，采用基于空間插值的頻域?qū)拵Рㄊ纬蓪μl信號和跟蹤干擾信號進(jìn)行波束控制的有效性。雖然天線陣元數(shù)目只有8根，但經(jīng)空間插值濾波，仍能夠獲得比較理想的波束，空間濾波效果良好。

圖4　基于空間插值的頻域?qū)拵Рㄊ较驁D

為了說明本方法對跟蹤干擾抑制的性能，分別對采用跟蹤干擾抑制后的跳頻通信系統(tǒng)和未采用干擾抑制的通信系統(tǒng)的誤碼率特性進(jìn)行對比仿真，圖5給出了信干比SIR=-3 dB，信噪比SNR以2.5 dB為步進(jìn)，從0～25 dB變化時，跳頻系統(tǒng)在跟蹤干擾下的誤碼率和本文采用的跟蹤干擾抑制方法的誤碼率曲線圖。

圖5　　　基于空間插值的頻域?qū)拵Рㄊ纬伞　　√l系統(tǒng)誤碼率曲線

從圖5中可以看出，在相同的SNR和SIR下，提出的基于空間插值的頻域?qū)拵Рㄊ纬筛櫢蓴_抑制算法的跳頻通信系統(tǒng)的誤碼率性能優(yōu)于存在跟蹤干擾的情況，這說明系統(tǒng)誤碼率性能得到了改善；隨著信噪比的增加，跳頻通信系統(tǒng)的性能提高明顯，抗跟蹤干擾性能得到了提升。

4結(jié)束語

傳統(tǒng)的跟蹤干擾抑制方法都是在跳頻信號同步后再解調(diào)實現(xiàn)的，但是當(dāng)跳頻同步被干擾以后，此類方法就失效了。本文提出的跳頻通信中跟蹤干擾抑制方法，能夠在跳頻同步前實現(xiàn)跟蹤干擾的抑制，避免了傳統(tǒng)跟蹤干擾抑制方法在跳頻同步被干擾后無法應(yīng)用的問題。本文的研究成果可為跳頻通信抗跟蹤干擾提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]全厚德，閆云斌，崔佩璋.跟蹤干擾對跳頻通信性能影響研究,火力與指揮控制,2012，37(11):133-136.

[2]EKEN F.Use of Antenna Nulling with Frequency-hopping Against the Follower Jammer[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation 1991,39(9):1 391-1 397.

[3]邱永紅，甘仲民，李廣俠，等.自適應(yīng)調(diào)零天線對快速跟蹤干擾抑制的研究[J]. 電子學(xué)報,2001,29(4):574-576.

[4]段志強，張林永，朱永春.基于自適應(yīng)天線的跳頻系統(tǒng)干擾抑制方法[J].電波科學(xué)學(xué)報,2004,19(6):296-299.

[5]尚佳棟，王祝林，郭旭靜，等.基于二維虛擬空間平滑算法的跳頻通信系統(tǒng)跟蹤式干擾抑制研究[J].電子與信息學(xué)報,2011,33(5):1 193-1 197.

[6]閆云斌,全厚德,崔佩璋.稀疏分解在跟蹤干擾信號特征提取中的應(yīng)用[J].信號處理,2012,28(12):1 714-1 720.

[7]朱維杰，孫進(jìn)才.基于DFT插值的寬帶波束形成器設(shè)計[J].通信學(xué)報,2002,23(3):59-66.

[8]朱文貴.基于陣列信號處理的短波跳頻信號盲檢測和參數(shù)盲估計[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2007.

[9]TUAN D H .A New Design Method for Digital Beamforming Using Spatial Interpolation[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2003(2):177-181.

[10]閆云斌,全厚德,崔佩璋.一種新的跳頻信號重構(gòu)方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報,2013,40(5):163-168.

閆云斌男，(1984—)，博士，講師。主要研究方向：擴(kuò)頻通信抗干擾技術(shù)。

程穎男，(1978—)，碩士，工程師。主要研究方向：控制工程。

作者簡介

中圖分類號TN912.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1003-3106(2016)04-0043-04

收稿日期：2016-01-18

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.11

引用格式：閆云斌，程穎，馬曉琳，等.基于寬帶波束形成的跳頻通信跟蹤干擾抑制方法[J].無線電工程，2016，46(4)：43-46.