逄天洋，李永貴，牛英滔，韓 晨，夏 志

(1.陸軍工程大學(xué)， 江蘇 南京210000；2.南京電訊技術(shù)研究所，江蘇 南京 210000)

0 引言

在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，惡意干擾已成為軍事無線通信的主要威脅[1]。隨著干擾技術(shù)的不斷發(fā)展，干擾樣式已從傳統(tǒng)的阻塞式干擾發(fā)展為效率更高、作用范圍更廣、攻擊性更強(qiáng)的智能干擾[2]。完備的智能干擾機(jī)從戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)出發(fā)，通過偵察、學(xué)習(xí)和推理，采取最優(yōu)干擾策略，同時(shí)能夠根據(jù)反饋的干擾效果實(shí)時(shí)調(diào)整干擾策略，從而達(dá)到高效干擾的目的。因此，智能干擾已成為軍事無線通信系統(tǒng)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，亟待深入研究并提出有效應(yīng)對(duì)的方法。

文獻(xiàn)[3]提出了一種基于數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的最優(yōu)干擾波形，文中從以誤碼率最高為優(yōu)化準(zhǔn)則，利用全局最優(yōu)解和局部最優(yōu)解的數(shù)學(xué)方法求解滿足優(yōu)化準(zhǔn)則的干擾波形。這種最優(yōu)干擾針對(duì)不同的通信信號(hào)調(diào)制方式發(fā)出不同的干擾波形，且干擾波形與通信波形具有高相關(guān)性。與傳統(tǒng)的高斯噪聲干擾相比，這種干擾實(shí)現(xiàn)了高信噪比下的高誤碼率，是一種典型的物理層智能干擾[4]。本文以這種干擾作為研究對(duì)象，研究其感知方法。

文獻(xiàn)[5]提出了基于循環(huán)平穩(wěn)特性的信干噪比估計(jì)方法，能夠較準(zhǔn)確地估計(jì)出在高斯信道和瑞利信道下的信干噪比，可為干擾檢測(cè)提供重要依據(jù)。但該方法要求干擾信號(hào)與通信信號(hào)是獨(dú)立統(tǒng)計(jì)的。文獻(xiàn)[6]從干擾信號(hào)的高階累積量中提取特征參數(shù)用作支持向量機(jī)分類的特征向量，從而識(shí)別干擾信號(hào)的調(diào)制方式，但不足之處在于此算法需事先利用盲源分離技術(shù)將混合信號(hào)中的干擾信號(hào)分離出來；并且文中的干擾樣式是噪聲干擾、單音干擾等傳統(tǒng)干擾樣式。文獻(xiàn)[7]提出了基于高階累積量和循環(huán)譜的調(diào)制方式識(shí)別方法，可識(shí)別多種調(diào)制方式，但不足在于其只能對(duì)信道內(nèi)單一信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，難以對(duì)混合信號(hào)進(jìn)行區(qū)分并識(shí)別。文獻(xiàn)[8]通過盲源分離技術(shù)對(duì)同頻混合信號(hào)進(jìn)行區(qū)分并識(shí)別，但需要先驗(yàn)信息作為基礎(chǔ)，且算法復(fù)雜度較高。文獻(xiàn)[9]利用四階累積量對(duì)單一信道混合的兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制方式識(shí)別，但是前提是保證通信信號(hào)與干擾信號(hào)的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。文獻(xiàn)[10-16]均是利用能量檢測(cè)法或循環(huán)平穩(wěn)特性進(jìn)行干擾信號(hào)或可用頻譜檢測(cè)，但文獻(xiàn)所涉及的干擾信號(hào)均為噪聲干擾，并沒有關(guān)于高效干擾的檢測(cè)方法。綜上所述，當(dāng)前已有文獻(xiàn)主要存在干擾樣式單一、僅能對(duì)單信道內(nèi)單一信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別的問題，難以滿足本文中與通信信號(hào)具有高相關(guān)性的干擾信號(hào)的識(shí)別。因此，本文主要研究存在通信信號(hào)時(shí)最優(yōu)干擾信號(hào)的感知問題。

1 系統(tǒng)模型

1.1 最優(yōu)干擾模型

由文獻(xiàn)[3]可知，高斯信道中存在干擾時(shí)的M-QAM信號(hào)的平均誤碼率為：

(1)

式中，l為干擾信號(hào)，SNR為信噪比，JNR為干噪比，M為星座圖的階數(shù)，dmin為當(dāng)前調(diào)制方式下的最小歐氏距離。最優(yōu)干擾的數(shù)學(xué)表達(dá)式就是計(jì)算式(1)最大時(shí)l的分布。

(2)

式中，a為干擾信號(hào)l的幅值。文獻(xiàn)[1]已證明，在一定的干信比條件下對(duì)于M-QAM信號(hào)最優(yōu)干擾波形的調(diào)制方式是隨著信號(hào)調(diào)制方式變化的。為便于討論與研究，本文采用的通信信號(hào)調(diào)制方式為16QAM。根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的結(jié)論可知，此種通信信號(hào)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)干擾波形為QPSK調(diào)制干擾波形。

1.2 接收機(jī)模型

為方便研究，本文采取如下假設(shè)：

① 信道中存在零均值高斯白噪聲，且與通信信號(hào)和干擾信號(hào)之間是獨(dú)立的；② 干擾信號(hào)與通信信號(hào)是同步的，其他信息是未知的；③ 同一信道中除通信信號(hào)外，只存在一種調(diào)制方式的干擾信號(hào)；④ 本文可能的干擾信號(hào)調(diào)制方式集合為{BPSK，QPSK，8PSK}；⑤ 通信信號(hào)的調(diào)制方式為16QAM。

由于通信信號(hào)與干擾信號(hào)都經(jīng)過調(diào)制，因此到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)是由多種調(diào)制信號(hào)混合而成的，單信道中多個(gè)線性調(diào)制信號(hào)混合的信號(hào)數(shù)學(xué)模型[17]可表示為：

y(t)=s(t)+l(t)+n(t)，

(3)

式中，s(t)為信道內(nèi)經(jīng)調(diào)制后的通信信號(hào)，l(t)為同一信道內(nèi)的干擾信號(hào)，n(t)為加性噪聲。由文獻(xiàn)[1]可知，此時(shí)的最優(yōu)干擾信號(hào)的調(diào)制方式為QPSK。16QAM和QPSK可分別表示為：

xQPSK(t)=cos(2πfct+θm)m=1,2,3,4，

(4)

x16QAM(t)=rncos(2πfct+θn)n=1…16，

(5)

式中，fc為載頻，θ為載波相位，r為幅度，m,n為調(diào)制方式的階數(shù)。由于接收信號(hào)中的通信信號(hào)調(diào)制方式已知為16QAM，故干擾感知問題可簡(jiǎn)化為檢測(cè)某一通信信道中是否存在QPSK調(diào)制的干擾信號(hào)。通過以上模型和假設(shè)，本文要研究的問題是：在最優(yōu)干擾與通信信號(hào)的混合信號(hào)中，如何感知最優(yōu)干擾信號(hào)的存在。

2 算法描述

由文獻(xiàn)[18]給出的結(jié)論可知匹配濾波器的沖激響應(yīng)為：

h(t)=kxm*(t0-t)，

(6)

H(f)=S*(f)e-j2πfT，

(7)

式中，k為任意常數(shù)，xm(t)為干擾信號(hào)時(shí)域表達(dá)式，t0為時(shí)延，H(f)為濾波器頻率響應(yīng)，S(f)為xm(t)的傅里葉變換。由上式可知匹配濾波器的沖激響應(yīng)就是延時(shí)的信號(hào)xm(t)的鏡像。匹配濾波器無論是從時(shí)域還是從頻域，都充分保證了所匹配的信號(hào)盡可能多地通過，噪聲或其他信號(hào)盡可能少地通過，因此能獲得最大信噪比輸出。

由匹配濾波原理可知，與匹配濾波器匹配的信號(hào)，在經(jīng)過匹配濾波后會(huì)形成幅度較高的輸出。因此利用此原理可以檢測(cè)本文中的混合信號(hào)中干擾信號(hào)的調(diào)制方式。

將信號(hào)y(t)作為匹配濾波器的輸入，算法原理如圖1所示。

圖1 檢測(cè)流程

濾波器的沖激響應(yīng)由式(6)得到，本文為方便計(jì)算取k=1,t0=0，則各匹配濾波器的沖激響應(yīng)為：

hBPSK(t)=xBPSK*(-t)=cos(-ωt+θm)m=1,2，

(8)

hQPSK(t)=xQPSK*(-t)=cos(-ωt+θm)m=1,2,3,4，

(9)

h8PSK(t)=x8PSK*(-t)=cos(-ωt+θm)m=1,2…8。

(10)

匹配濾波器的輸入信號(hào)y(t)為：

y(t)=axm(t)+bx16QAM(t),

(11)

式中，a,b分別為xm(t),x16QAM(t)的幅值，用以確定濾波器輸入的信干比。為方便公式計(jì)算，此計(jì)算式中不考慮噪聲的存在。將式(10)整理得：

y(t)=Acos2πfct-Bsin2πfct，

(12)

式中，A=acosθm+brncosθn;B=asinθm+brnsinθn;θm為干擾信號(hào)調(diào)制方式的不同相位，m=1，2，3，4;rn,θn為16QAM調(diào)制的不同幅值和相位，n=1…16。

將混合信號(hào)y(t)輸入匹配濾波器，則各匹配濾波器的輸出為：

(AsinθJ+BcosθJ)sin2πfct]+T[(AcosθJ-BsinθJ)·

cos2πfct+(AsinθJ-BcosθJ)sin2πfct]，

(13)

式中，J=BPSK,QPSK,8PSKT為符號(hào)周期，θJ為不同干擾方式對(duì)應(yīng)的不同相位。

當(dāng)干信比足夠大時(shí)，A≈acosθm、B≈asinθm，則式(13)可簡(jiǎn)化為：

(14)

由上式可得到，匹配濾波器輸出的幅值大小僅與干擾信號(hào)的相位與幅值有關(guān)。且當(dāng)匹配濾波器沖激響應(yīng)的相位與輸入信號(hào)的相位相匹配時(shí)取得最大值：

yoJmax(t)=max(yoJ(t))，當(dāng)且僅當(dāng)θJ=θm。

(15)

式(13)表明，當(dāng)混合信號(hào)中存在于匹配濾波器沖激響應(yīng)相匹配的信號(hào)時(shí)，濾波器的輸出會(huì)有較高的幅值。

3 仿真驗(yàn)證

仿真中設(shè)定采樣頻率為10 MHz，通信信號(hào)與干擾信號(hào)的載波頻率均為1 MHz，仿真時(shí)間為10-4s。通信信號(hào)為16QAM信號(hào)，濾波器分別為BPSK，QPSK，8PSK濾波器，干擾信號(hào)為QPSK信號(hào)，且僅在10-5～2×10-5s實(shí)施干擾，干信比為15～0 dB(文獻(xiàn)[1]中提到的干信比的拐點(diǎn)，在此干信比范圍內(nèi)，最優(yōu)干擾為QPSK調(diào)制信號(hào))。

設(shè)匹配濾波器的輸入為x[n]，n為仿真中設(shè)定的點(diǎn)數(shù)，則有：

∑x[n]y[n]>λ，

(16)

式中，y[n]為匹配濾波器的沖激響應(yīng)序列，λ為不同濾波器的判決門限值，門限值在仿真中設(shè)定為除去當(dāng)前濾波器外的其他兩個(gè)濾波器輸出的最大值。

圖2為干信比為3 dB、信噪比為5 dB時(shí)，各濾波器的輸出幅度。由仿真圖可以看出，3種濾波器在干擾存在的時(shí)刻都發(fā)生了較大的響應(yīng)，均在干擾出現(xiàn)時(shí)刻產(chǎn)生了相關(guān)峰。這是因?yàn)楸疚念A(yù)先設(shè)置的干擾信號(hào)集(BPSK,QPSK,8PSK)的時(shí)域波形均有不同程度的相關(guān)性，因此造成了混合信號(hào)通過3種濾波器時(shí)，產(chǎn)生了形狀類似、幅值不同的相關(guān)峰。但是QPSK濾波器的相關(guān)峰超過了判決器的門限，根據(jù)式(13)可以得到此干擾信號(hào)的調(diào)制方式為QPSK。

圖2 濾波器輸出

圖3為不同干信比條件下最優(yōu)干擾的檢測(cè)概率。為方便計(jì)算，仿真中取50個(gè)采樣點(diǎn)為一組進(jìn)行平均能量的計(jì)算，將此平均能量與門限值進(jìn)行比較來確定干擾信號(hào)的存在。門限值通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值得到的，本仿真中將門限值設(shè)定為特定干信比條件下BPSK、8PSK濾波器響應(yīng)峰值的最大值，以確保門限判決器的判決結(jié)果不會(huì)受其他2個(gè)濾波器的影響。由圖3可知，檢測(cè)器的檢測(cè)概率隨著干擾信號(hào)功率的增強(qiáng)而增大。干擾信號(hào)的功率增大，相應(yīng)的濾波器的響應(yīng)也會(huì)增大，相反其他2種濾波器的響應(yīng)并不會(huì)有明顯增強(qiáng)，因此與QPSK濾波器的響應(yīng)差值會(huì)逐漸變大，使得檢測(cè)器的檢測(cè)概率增大。

圖3 干擾檢測(cè)概率與干信比的關(guān)系

4 結(jié)束語

從已有文獻(xiàn)提出的最優(yōu)干擾模型出發(fā)，研究了此種干擾的檢測(cè)策略。由于這種干擾是根據(jù)不同調(diào)制方式的通信系統(tǒng)發(fā)出不同調(diào)制方式的干擾信號(hào)，干擾信號(hào)與通信信號(hào)的調(diào)制方式具有高相關(guān)性，因此將這種最優(yōu)干擾的檢測(cè)策略作為智能干擾檢測(cè)的一種研究案例。提出了基于匹配濾波器的部分最優(yōu)干擾檢測(cè)模型，主要利用匹配濾波中相同信號(hào)的相關(guān)峰值最大的思想，檢測(cè)單信道中混合調(diào)制方式的識(shí)別，以此達(dá)到檢測(cè)部分最優(yōu)干擾的目的。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文提出的算法在一定條件下能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出最優(yōu)干擾的存在，并且在干信比超過14 dB時(shí)，檢測(cè)概率可趨近于100%。