吳培培，張 旻，史英春

(國防科技大學 電子對抗學院，安徽 合肥 230037)

0 引 言

以第三代自動鏈路建立(3G-ALE，Third Generation Automatic Link Establishment)技術(shù)為基礎的第三代短波自適應通信，被廣泛應用于美軍與北約軍用通信標準中[1]。其采用具有固定信號格式的3G-ALE突發(fā)信號來實現(xiàn)鏈路建立、業(yè)務管理與數(shù)據(jù)交互等通信過程，有效提高了短波通信的傳輸可靠性[2]，給非合作的通信干擾帶來巨大挑戰(zhàn)。

在3G-ALE突發(fā)信號中，交互數(shù)據(jù)前端存在一段由特定序列組成的數(shù)據(jù)幀，稱為探測報頭。美軍標MIL-STD-188-141B[3]規(guī)定了3G-ALE突發(fā)信號采用8PSK調(diào)制樣式，并且提供了探測報頭的具體幀結(jié)構(gòu)。通信接收端通過檢測探測報頭的存在來實現(xiàn)3G-ALE突發(fā)信號的捕獲，并完成參數(shù)估計、頻差校正與信號同步等預處理工作，為后續(xù)數(shù)據(jù)解調(diào)與交互奠定基礎[4-5]。因此，針對3G-ALE突發(fā)信號探測報頭實施干擾，降低通信接收端探測報頭檢測概率，使得對信號的捕獲成功率下降，直接破壞通信鏈路的建立，可以作為一種可行并且有效的短波3G-ALE突發(fā)通信干擾策略[6-7]，相比以大功率持續(xù)壓制干擾信號交互數(shù)據(jù)的干擾方式，能夠取得事半功倍的干擾效果。

現(xiàn)有通信干擾的研究中，普遍以通信接收端解調(diào)誤碼率、誤比特率作為干擾性能指標[8-12]。但是在對3G-ALE突發(fā)信號探測報頭實施干擾時，需要以降低探測報頭檢測概率作為干擾目標，因此常規(guī)干擾的有效性存疑。文獻[6]對此進行了針對性干擾研究，根據(jù)探測報頭的信號頻域特征設計了頻域匹配寬帶噪聲的靈巧式干擾信號，干擾效果穩(wěn)定但是僅略優(yōu)于常規(guī)寬帶噪聲干擾。

本文針對目前通常使用的3G-ALE突發(fā)信號探測報頭滑動相關(guān)FFT檢測方法，提出一種隨機符號調(diào)頻干擾，能夠有效影響探測報頭的相關(guān)FFT檢測譜峰，降低其檢測概率。通信干擾方首先產(chǎn)生八進制隨機符號并進行基帶相移鍵控調(diào)制，之后對基帶調(diào)制信號進行調(diào)頻調(diào)制與功率放大形成干擾信號。干擾性能的理論分析與仿真實驗表明，提出的隨機符號調(diào)頻干擾能夠針對3G-ALE突發(fā)信號探測報頭檢測產(chǎn)生更好的干擾效果。

1 基本理論

1.1 3G-ALE突發(fā)信號結(jié)構(gòu)

3G-ALE突發(fā)信號一般包含保護序列(TLC/AGC)、探測報頭序列(PRE)與有效載荷數(shù)據(jù)序列(DATA)等三個信號部分。保護序列用于通信發(fā)送端的發(fā)送電平控制與通信接收端的自動增益控制；探測報頭序列用于信號的捕獲與分析預處理；數(shù)據(jù)序列攜帶用于特定交互作用的協(xié)議信息。圖1所示為3G-ALE突發(fā)信號用于自動鏈路建立ALE協(xié)議的突發(fā)波形BW0信號結(jié)構(gòu)。

圖1 突發(fā)波形BW0信號結(jié)構(gòu)

突發(fā)波形BW0的探測報頭序列是如表1所示的384符號八進制序列。

表1 突發(fā)波形BW0的探測報頭序列

只考慮探測報頭部分，通信發(fā)送端的3G-ALE突發(fā)信號可以表示為：

s(t)=exp[jφ(t)]exp(jωct)

(1)

式中：φ(t)為探測報頭序列映射的相位信息；ωc為發(fā)送信號射頻載波角頻率。令：

p(t)=exp[jφ(t)]

(2)

表示受到探測報頭序列調(diào)制的8PSK基帶探測報頭信號，則發(fā)送信號s(t)可以簡化為：

s(t)=p(t)exp(jωct)

(3)

1.2 探測報頭滑動相關(guān)FFT檢測方法

通信接收端通常使用本地信號滑動相關(guān)FFT的方法實現(xiàn)探測報頭的檢測[13]，如圖2所示。

圖2 滑動相關(guān)FFT檢測方法

通信接收端首先將接收信號去載波，得到基帶接收信號；將本地已知的探測報頭序列按照美軍標MIL-STD-188-141B規(guī)定的信號格式調(diào)制產(chǎn)生基帶本地信號；之后在基帶接收信號內(nèi)從接收起始時刻開始，取一段與基帶本地信號等長度的信號窗口，并向后滑動該信號窗口；將信號窗口內(nèi)的基帶接收信號與基帶本地信號的共軛做相關(guān)運算，并對相關(guān)運算結(jié)果做FFT變換，檢測是否有出現(xiàn)相關(guān)FFT檢測譜峰并超過規(guī)定閾值；如果沒有則將信號窗口繼續(xù)向后滑動，直至出現(xiàn)超過規(guī)定閾值的相關(guān)FFT檢測譜峰，則表示已檢測到探測報頭。加性高斯白噪聲信道下的3G-ALE突發(fā)信號探測報頭檢測性能如圖3所示。

圖3 3G-ALE突發(fā)信號探測報頭檢測性能

2 干擾設計

在自動鏈路建立過程中，通信發(fā)送端持續(xù)發(fā)送突發(fā)波形BW0的3G-ALE突發(fā)信號，這就為通信干擾方檢測信號的存在并且實施干擾提供了可能。根據(jù)探測報頭滑動相關(guān)FFT檢測原理，干擾信號應當對其相關(guān)FFT檢測譜峰造成影響。

2.1 干擾信號模型

文獻[10]指出，與數(shù)字通信信號具有相似時域頻域特性的數(shù)字調(diào)制干擾信號更容易對通信信號接收造成影響。此外，角度調(diào)制(包括調(diào)頻、調(diào)相)的噪聲干擾信號也具有較好的干擾效果[11-12]。

本章結(jié)合數(shù)字調(diào)制干擾與角度調(diào)制干擾中調(diào)頻干擾的優(yōu)勢，提出一種隨機符號調(diào)頻干擾。通信干擾方首先產(chǎn)生八進制隨機符號并進行基帶相移鍵控調(diào)制，之后將基帶調(diào)制信號通過調(diào)頻調(diào)制器與功率放大器形成干擾信號。干擾信號產(chǎn)生流程如圖4所示。

圖4 干擾信號產(chǎn)生流程

結(jié)合調(diào)頻信號表達形式[14-15]，提出的隨機符號調(diào)頻干擾信號可以表示為：

(4)

式中：Aj為干擾信號線性放大增益；ωj為干擾信號射頻載波角頻率；Kf為調(diào)頻靈敏度，是調(diào)頻調(diào)制器的重要參數(shù)之一；m(t)為根據(jù)八進制隨機符號調(diào)制產(chǎn)生的基帶干擾信號，即：

m(t)=exp[jφj(t)]

(5)

式中：φj(t)為八進制隨機符號映射的相位信息。相比(2)式可以看出，基帶干擾信號m(t)與基帶探測報頭信號p(t)具有相似的時域頻域特征。

2.2 干擾性能分析

3G-ALE突發(fā)信號經(jīng)過信道傳輸，會受到加性高斯白噪聲與人為隨機符號調(diào)頻干擾的影響，通信接收端接收信號可以表示為：

r(t)=s(t)+n(t)+j(t)

(6)

式中：n(t)表示信道零均值加性高斯白噪聲。根據(jù)1.2節(jié)探測報頭滑動相關(guān)FFT檢測方法，通信接收端首先對接收信號r(t)去載波處理，得到基帶接收信號：

r1(t)=r(t)exp(-jωct)

(7)

暫不考慮干擾信號與3G-ALE突發(fā)信號之間存在的載頻頻偏，即假設ωj=ωc。則基帶接收信號可以簡化為：

(8)

將本地已知的探測報頭序列按照美軍標規(guī)定的信號格式調(diào)制產(chǎn)生基帶本地信號p(t)，取共軛后與基帶接收信號r1(t)做相關(guān)運算：

(9)

對(9)式相關(guān)運算結(jié)果Γ(t)做FFT變換，檢測是否出現(xiàn)相關(guān)FFT檢測譜峰并超過規(guī)定閾值。式中第一項：

p(t)p*(t)=exp[jφ(t)]exp[-jφ(t)]=1

(10)

即表示基帶接收信號與基帶本地信號的相關(guān)運算結(jié)果為一零頻常數(shù)信號，F(xiàn)FT變換時會在零頻位置出現(xiàn)相關(guān)FFT檢測譜峰，可說明檢測存在探測報頭。

(9)式中第二項，零均值加性高斯白噪聲與基帶本地信號的相關(guān)運算結(jié)果為一隨機信號，F(xiàn)FT變換時不會出現(xiàn)相關(guān)FFT檢測譜峰[6]，因此對探測報頭檢測造成的影響小。

(9)式中第三項，表示去載波干擾信號與基帶本地信號的相關(guān)運算結(jié)果。下面具體分析其FFT變換結(jié)果對探測報頭檢測造成的影響[16]。

考慮到3G-ALE突發(fā)信號是帶寬3 kHz的窄帶信號[13]，因此通信干擾方可采用窄帶調(diào)頻方式產(chǎn)生干擾信號，滿足以下約束條件：

(11)

利用歐拉公式將(9)式中第三項的干擾信號部分展開：

(12)

當滿足(11)式約束條件時，存在以下近似關(guān)系：

(13)

(14)

因此可以將(9)式中第三項簡化為：

(15)

令P(ω)、M(ω)分別與p(t)、m(t)互為FFT變換對，根據(jù)信號FFT變換性質(zhì)：

p*(t)?P*(-ω)

(16)

(17)

因此對(9)式中第三項做FFT變換的結(jié)果可以表示為：

(18)

式中：*表示卷積運算。(18)式中第一項是對基帶本地信號p(t)共軛的FFT變換，因此具有8PSK基帶信號頻譜特征(如圖5(a)所示)，在干擾信號增益Aj的放大下會將探測報頭相關(guān)FFT檢測譜峰淹沒，起到干擾效果。

圖5 不同信號FFT頻譜比較

2.3 干擾性能比較

本節(jié)中分析了兩種常規(guī)通信干擾對于3G-ALE突發(fā)信號探測報頭滑動相關(guān)FFT檢測的干擾效果，分別是PSK調(diào)制干擾(即數(shù)字調(diào)制干擾)、噪聲調(diào)頻干擾(即角度調(diào)制的噪聲干擾)，對比說明提出的隨機符號調(diào)頻干擾效果。

常規(guī)PSK調(diào)制干擾信號表達式為：

j(t)=Ajm(t)exp(jωjt)

(19)

通信接收端干擾信號與基帶本地信號相關(guān)運算結(jié)果的FFT變換即為：

AjP*(-ω)*M(ω)

(20)

FFT變換結(jié)果為兩項8PSK基帶信號頻譜的卷積。圖5(c)反映了該頻譜卷積結(jié)果，與圖5(a)相比可以看出其頻譜幅度偏低并且呈明顯的包絡下降趨勢，因此對于探測報頭相關(guān)FFT檢測譜峰的淹沒作用降低，干擾效果下降。

常規(guī)噪聲調(diào)頻干擾信號表達式為：

(21)

式中：nj(t)為基帶噪聲干擾信號。通信接收端干擾信號與基帶本地信號相關(guān)運算結(jié)果的FFT變換即為：

(22)

式中：Nj(ω)是nj(t)的FFT變換對。與(18)式的區(qū)別在于式中第二項的頻譜卷積結(jié)果(如圖5(d)所示)，與圖5(b)相比可以看出二者頻譜結(jié)構(gòu)相似，干擾效果接近；但是圖5(d)中零頻位置的頻譜幅度略高，因此在相同參數(shù)調(diào)頻靈敏度Kf的條件下，干擾效果略有下降。

3 干擾仿真實驗

本章以通信接收端3G-ALE突發(fā)信號探測報頭的滑動相關(guān)FFT檢測概率作為干擾性能指標，仿真提出的隨機符號調(diào)頻干擾實驗。仿真實驗參數(shù)設置如表2所示。

表2 仿真實驗參數(shù)設置

定義干信比：

(23)

表示在通信接收信號中，隨機符號調(diào)頻干擾信號功率Pj與3G-ALE突發(fā)信號功率Ps的比值。

3.1 干擾性能實驗

本節(jié)中首先仿真調(diào)頻靈敏度、干擾頻偏等干擾因素對于隨機符號調(diào)頻干擾性能的影響，探索有效發(fā)揮干擾性能目標下的干擾參數(shù)設置，為干擾對比實驗的參數(shù)合理設置提供參考。

3.1.1 調(diào)頻靈敏度的影響

2.2節(jié)的干擾性能分析結(jié)果表明，參數(shù)調(diào)頻靈敏度Kf對于隨機符號調(diào)頻干擾效果具有一定的影響。在無干擾頻偏的前提下，仿真不同調(diào)頻靈敏度條件下的干擾效果，如圖6所示。

圖6(a) 不同調(diào)頻靈敏度下隨干信比變化的干擾效果

圖6(b) 不同干信比下隨調(diào)頻靈敏度變化的干擾效果

分析圖6結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

(1)降低調(diào)頻靈敏度能夠提高干擾效果，這與(18)式中第二項的理論分析結(jié)果相一致；但通常不將其取為0值，這是因為調(diào)頻靈敏度為0值時的干擾信號即成為一單音干擾信號，容易被通信接收端頻域檢測并濾除[17]。

(2)干信比提高到一定程度時，調(diào)頻靈敏度的影響逐漸弱化，這是因為此時干擾效果主要體現(xiàn)在(18)式中第一項的干擾信號線性放大增益上。

3.1.2 干擾頻偏的影響

2.2節(jié)的干擾性能分析是基于不存在干擾頻偏的假設上進行的，然而在實際干擾中難免存在由于對3G-ALE截獲信號載頻估計不準確而導致的干擾頻偏。設置調(diào)頻靈敏度值為15，仿真不同干擾頻偏條件下的干擾效果，如圖7所示。

圖7(a) 不同干信比下隨干擾頻偏變化的干擾效果

圖7(b) 不同干擾樣式下隨干擾頻偏變化的干擾效果

分析圖7結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

(1)干擾頻偏對于隨機符號調(diào)頻干擾效果有一定的影響，并且這種影響在低干信比條件下更加明顯與復雜；干信比提高到一定程度時，干擾頻偏的影響逐漸減弱，干擾效果達到穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)圖7(b)為在18 dB干信比條件下，隨干擾頻偏變化的幾種干擾樣式的干擾效果對比，包括有常規(guī)PSK調(diào)制干擾、常規(guī)噪聲調(diào)頻干擾，以及文獻[6]提出的匹配噪聲干擾?？梢钥闯觯M管隨機符號調(diào)頻干擾效果受到干擾頻偏的影響，但是相比其他干擾樣式，這種影響程度相對較小。

3.2 干擾對比實驗

在上一節(jié)干擾因素影響干擾性能實驗得到的結(jié)論基礎上，本節(jié)設置調(diào)頻靈敏度值為15，并且不存在干擾頻偏，仿真隨機符號調(diào)頻干擾與其它幾種干擾樣式的干擾效果對比，如圖8、圖9所示。

圖8 干擾效果對比(1)

圖8反映了隨機符號調(diào)頻干擾、PSK調(diào)制干擾與噪聲調(diào)頻干擾的干擾效果對比?？梢钥闯?，當干信比達到13 dB以上時，三種干擾樣式均能夠取得明顯干擾效果，但是隨機符號調(diào)頻干擾效果更優(yōu)。當產(chǎn)生探測報頭滑動相關(guān)FFT檢測概率基本為0的干擾效果時，隨機符號調(diào)頻干擾相比噪聲調(diào)頻干擾具有1～2 dB的干信比優(yōu)勢，相比PSK調(diào)制干擾也具有2 dB以上的干信比優(yōu)勢，因此可以節(jié)省一定的干擾功率。

圖9對比了隨機符號調(diào)頻干擾與文獻[6]提出的匹配多音干擾、匹配噪聲干擾的干擾效果。可以看出，隨機符號調(diào)頻干擾優(yōu)勢明顯，干信比達到13 dB 以上時的干擾效果明顯優(yōu)于其他兩種干擾樣式。

圖9 干擾效果對比(2)

4 結(jié) 語

為了降低通信接收端的短波3G-ALE突發(fā)信號探測報頭檢測概率，破壞突發(fā)信號捕獲與通信鏈路建立，進而實現(xiàn)對3G-ALE突發(fā)通信的有效干擾，本文針對探測報頭的滑動相關(guān)FFT檢測方法，提出一種隨機符號調(diào)頻干擾。理論推導與仿真實驗驗證了干擾有效性與干擾優(yōu)勢，可以為實際3G-ALE突發(fā)通信的干擾提供部分參考借鑒，具有一定的工程應用價值。