王 哲，楊 忠

（中國(guó)電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院，河北 石家莊 050000）

0 引 言

通信對(duì)抗是電子對(duì)抗的重要組成部分，在阻斷敵方通信、數(shù)據(jù)鏈、信號(hào)識(shí)別及測(cè)向等方面具有重要作用。因此，通信網(wǎng)絡(luò)在作戰(zhàn)體系中發(fā)揮著越來越重要的作用?，F(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)作為解決通信對(duì)抗問題的重要手段，在通信對(duì)抗中的應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)。文章基于通信對(duì)抗的背景，研究現(xiàn)代信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)，并以信號(hào)處理設(shè)備為案例進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)在通信對(duì)抗的應(yīng)用中具有良好的實(shí)踐效果。

1 通信對(duì)抗的概述

1.1 通信對(duì)抗的基本概念

通信對(duì)抗指在通信領(lǐng)域開展的電子對(duì)抗，是削弱與破壞敵方通信系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能和保護(hù)己方的通信系統(tǒng)正常發(fā)揮作用的使用效能所采取的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)措施和行動(dòng)的總稱[1]。通信對(duì)抗技術(shù)主要分為通信偵察、通信干擾及通信抗干擾3 類。

通信偵察旨在取得目標(biāo)有效信息，是通信干擾與通信抗干擾的基礎(chǔ)。有效的偵察可使己方處于通信對(duì)抗的優(yōu)勢(shì)地位。偵察設(shè)備能夠?qū)δ繕?biāo)信號(hào)進(jìn)行接收、轉(zhuǎn)換、估計(jì)、識(shí)別及預(yù)測(cè)等處理，從而得出目標(biāo)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)和信號(hào)來源，為己方進(jìn)行決策和反制提供幫助[2]。同時(shí)，目標(biāo)所處信號(hào)環(huán)境的復(fù)雜程度會(huì)顯著影響偵察的效果。

通信干擾是擾亂或破壞敵方通信系統(tǒng)而采取的通信攻擊手段的概括[3]。利用單臺(tái)套干擾設(shè)備或多臺(tái)套干擾設(shè)備聯(lián)合對(duì)目標(biāo)信號(hào)實(shí)施干擾，從而構(gòu)建干擾效果好、威力強(qiáng)、代價(jià)小的干擾系統(tǒng)。對(duì)于不同的目標(biāo)信號(hào)，干擾的樣式往往不同，常見的有瞄準(zhǔn)式、擴(kuò)譜信號(hào)式、攔阻式及分布式等。

通信抗干擾即對(duì)通信干擾進(jìn)行多維度的反制，多維度包括時(shí)域、頻域、空域等。在頻域抗干擾技術(shù)手段中，自適應(yīng)濾波技術(shù)是一種常用反制手段。時(shí)域抗干擾中使用擴(kuò)頻通信技術(shù)，其中跳頻擴(kuò)譜通信的抗干擾能力強(qiáng)，成為抗干擾通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的通信方式?？沼蚩垢蓴_具有顯著優(yōu)勢(shì)，可利用接收機(jī)的天線抑制干擾，目前使用的通信接收機(jī)很大限度地依賴空域抗干擾技術(shù)。

1.2 通信對(duì)抗的發(fā)展趨勢(shì)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展、作戰(zhàn)方式和理念的轉(zhuǎn)變，現(xiàn)代通信對(duì)抗呈現(xiàn)出體系化、精確化、智能化及一體化的趨勢(shì)。體系化通信對(duì)抗，以奪取戰(zhàn)場(chǎng)制通信電磁權(quán)為目的，通過強(qiáng)大的偵察能力和嚴(yán)密的統(tǒng)籌安排，綜合評(píng)估目標(biāo)信息和資源，以期在有限資源下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。精確化指在大功率通信等干擾下不影響己方通信的同時(shí)阻止敵方通信，主要體現(xiàn)在目標(biāo)的空間、時(shí)間和頻率上的精確特征分析、精確攻擊、指揮控制及協(xié)調(diào)作戰(zhàn)。智能化解決了模式固定、時(shí)效低、自動(dòng)化差的問題，具有自主感知、智能決策、自主學(xué)習(xí)及準(zhǔn)確打擊的優(yōu)勢(shì)。一體化結(jié)合網(wǎng)絡(luò)和電子技術(shù)，從物理層的干擾擴(kuò)展到協(xié)議層、信息層，具有破壞性強(qiáng)、效費(fèi)比高、威脅大的特點(diǎn)，極大地?cái)U(kuò)展現(xiàn)代通信對(duì)抗的作戰(zhàn)形式。

2 現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的關(guān)鍵方法研究

2.1 基于特定特征的信號(hào)識(shí)別法

對(duì)信號(hào)的識(shí)別是信號(hào)處理的基本工作，也是信號(hào)分析的前提。在信號(hào)處理過程中，需要從信號(hào)樣本中提取信號(hào)特征值，然后根據(jù)不同類型信號(hào)的特征范圍進(jìn)行比對(duì)，判定信號(hào)類型歸屬。對(duì)于復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)和衰落嚴(yán)重的信道，進(jìn)行特征提取的難度較大。因此，只比對(duì)特定信號(hào)的最核心特征。例如，對(duì)于周期性的信號(hào)源發(fā)送已知數(shù)據(jù)，通過自相關(guān)處理可獲得信號(hào)的周期，再利用周期判別獲得信號(hào)的類型，降低信道對(duì)估計(jì)的影響。

基于特定特征的信號(hào)識(shí)別法的識(shí)別過程如下：將獲取的樣本信號(hào)作為輸入端，依次給到特征數(shù)據(jù)庫中的匹配濾波器，濾波器輸出一個(gè)表征匹配程度的值，當(dāng)這個(gè)值超過判定門限時(shí)，匹配濾波器所在的特征數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)的信號(hào)類型被認(rèn)為是可能的信號(hào)類型，最終在所有可能的信號(hào)類型中選出最優(yōu)的信號(hào)類型作為識(shí)別結(jié)果。識(shí)別原理如圖1 所示。

圖1 識(shí)別原理

基于特定特征的信號(hào)識(shí)別法提高識(shí)別的精準(zhǔn)度，預(yù)警次數(shù)減少，同時(shí)降低漏警概率，增強(qiáng)信道環(huán)境差時(shí)的信號(hào)識(shí)別能力。對(duì)于數(shù)量有限的信號(hào)類型，特別是識(shí)別難度大的信號(hào)類型，該識(shí)別法有效，且實(shí)際應(yīng)用效果良好。

2.2 基于多維搜索的空間譜測(cè)向技術(shù)

對(duì)于電磁頻譜信號(hào)的空間特征的處理，提取關(guān)鍵特征信息是有效引導(dǎo)干擾的前提。基于現(xiàn)實(shí)環(huán)境需求，研究空間測(cè)向技術(shù)，以波束形成技術(shù)和時(shí)域譜估計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過不同空間位置的天線采樣空間中的信號(hào)源，并分析處理采樣數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)快速、高精度的測(cè)向定位[4]。

多維度搜索的空間譜測(cè)向技術(shù)的子空間擬合算法，其核心為采用分解陣列接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣中的特征值手段來求取信號(hào)的子空間，利用陣列流矩陣形成的空間與信號(hào)子空間的相等或者正交關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)計(jì)所接收信號(hào)的波達(dá)方向（Direction of Arriva，DOA）預(yù)計(jì)[5]。

在已知信號(hào)源的數(shù)量的情況下，信號(hào)子空間與陣列流矩陣形成的空間是同一空間。但當(dāng)噪聲存在時(shí)，信號(hào)子空間與陣列流矩陣形成的空間不相等，因此需要構(gòu)建一個(gè)擬合關(guān)系，使得二者在最小二乘意義下擬合效果最好，即

在進(jìn)行預(yù)計(jì)過程時(shí)，A矩陣不變化，可得的最小二乘解為

結(jié)合式（1）和式（2），則有

式中：PA為陣列流矩陣與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離矢量；A+為陣列流矩陣的加號(hào)逆矩陣。

根據(jù)陣列接收的數(shù)據(jù)求出數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，進(jìn)行特征值分解得到子空間，根據(jù)陣列流矩陣結(jié)合式（2）和式（3），可計(jì)算得出信號(hào)源的方位信息。基于多維度參數(shù)搜索的方法適用于相干信號(hào)源的情況，在低信噪比和快拍數(shù)少的條件下也可取得很好的應(yīng)用。

2.3 通信干擾參數(shù)測(cè)算技術(shù)

在通信干擾的實(shí)施過程中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方的通信系統(tǒng)進(jìn)行有效的壓制，必須使目標(biāo)接收機(jī)的輸入端達(dá)到一定的電平，通常采用增大干擾功率或者縮短干擾距離的方法。其中，干擾距離由干擾機(jī)和目標(biāo)的相對(duì)位置決定，而干擾機(jī)的定位已知，目標(biāo)的定位通?？捎赡繕?biāo)的收發(fā)信機(jī)位置估測(cè)，其原因是敵方收發(fā)信機(jī)的之間距離遠(yuǎn)小于干擾距離。知曉干擾機(jī)和目標(biāo)通信鏈路的相互關(guān)系，還有目標(biāo)接收機(jī)的干信比，可估算干擾功率和干擾距離。

目標(biāo)接收機(jī)的信號(hào)功率為

式中：P為信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的平均功率；PT為發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率；GT為發(fā)射機(jī)的輻射增益；GR為接收機(jī)的接收功率增益；LTR為發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的功率傳播損耗。

考慮濾波損耗和極化損耗2 個(gè)因素，目標(biāo)接收機(jī)的干擾功率為

式中：Pj為干擾信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的平均功率；PTj為干擾發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率；GTj為干擾發(fā)射機(jī)的輻射增益；GRj為目標(biāo)接收機(jī)的接收功率增益；LTRj為干擾信號(hào)功率傳播損耗；F為濾波損耗；p為極化損耗。設(shè)在最佳干擾條件下釋放瞄準(zhǔn)式干擾，干擾信號(hào)的帶寬約等于目標(biāo)接收機(jī)信號(hào)帶寬，F(xiàn)取1，極化損耗以適當(dāng)?shù)膹浹a(bǔ)功率余量，式（5）簡(jiǎn)化為

由式（6）可知，要有效地利用干擾機(jī)對(duì)目標(biāo)通信系統(tǒng)實(shí)施干擾，干擾機(jī)與目標(biāo)系統(tǒng)的配置參數(shù)等多個(gè)因素是互相影響的。在配置固定的情況下，可測(cè)算出干擾機(jī)需要的發(fā)射功率。

3 現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用案例

3.1 通信對(duì)抗中的信號(hào)處理設(shè)備

基于現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)設(shè)計(jì)某型信號(hào)處理設(shè)備，由監(jiān)控單元、數(shù)字單元、信號(hào)處理單元、控制單元、信號(hào)產(chǎn)生單元、時(shí)分單元存儲(chǔ)單元以及電源單元組成，集成偵察和干擾等信號(hào)處理功能模塊，具備監(jiān)視、掃描、截獲、檢測(cè)、分析識(shí)別、解調(diào)、引導(dǎo)及控制等多種功能，能調(diào)制解調(diào)多路信號(hào)，并以瞄準(zhǔn)、跟蹤、阻攔等方式進(jìn)行干擾，適用于多種作戰(zhàn)環(huán)境，具有一體化多功能的優(yōu)良特性。

3.2 樣式識(shí)別能力評(píng)價(jià)

在擁擠的電磁頻譜環(huán)境中，識(shí)別信號(hào)樣式是一項(xiàng)重要的任務(wù)，以AM、FM、CW 信號(hào)的識(shí)別率來考核所設(shè)計(jì)的信號(hào)處理設(shè)備的能力?；谧R(shí)別正確率不小于90%的指標(biāo)，搭建測(cè)試環(huán)境，測(cè)試方法如圖2所示。在30 ～200 MHz 頻段內(nèi)選取若干個(gè)測(cè)試頻點(diǎn)，設(shè)置信號(hào)源幅度、頻率、調(diào)制樣式及符號(hào)速率，控制噪聲源的衰減值，調(diào)整信號(hào)源和噪聲源構(gòu)建信噪比大于等于12 dB 的環(huán)境，進(jìn)行50 次統(tǒng)計(jì)。

圖2 測(cè)試方法

對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，樣式識(shí)別統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 樣式識(shí)別統(tǒng)計(jì)

結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)信號(hào)處理設(shè)備對(duì)于3 種信號(hào)樣式的準(zhǔn)確率均大于90%，具有良好的識(shí)別能力，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

3.3 干擾信號(hào)輸出幅度評(píng)價(jià)

在進(jìn)行干擾活動(dòng)時(shí)，干擾機(jī)輸出信號(hào)的幅度影響著干擾的有效性，因此有必要評(píng)價(jià)信號(hào)處理設(shè)備的干擾信號(hào)幅度。該信號(hào)處理設(shè)備所期望的干擾輸出幅度不小于-10 dBm。在30 ～600 MHz 選取兩端極值和若干中間值，即30 MHz、100 MHz、400 MHz 以及600 MHz 為測(cè)試點(diǎn)，展開測(cè)試并統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果。信號(hào)輸出幅度統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

表2 信號(hào)輸出幅度統(tǒng)計(jì)

經(jīng)信號(hào)處理設(shè)備輸出的30 ～600 MHz 區(qū)間干擾信號(hào)幅度最小為-8.02 dBm，滿足期望輸出幅度。

4 結(jié) 論

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，通信對(duì)抗所面臨的形勢(shì)也愈加嚴(yán)峻?，F(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)及其相關(guān)的應(yīng)用在作戰(zhàn)體系的開展中起著重要作用。文章基于通信對(duì)抗技術(shù)手段的背景下，闡述現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)中的3 種技術(shù)，并評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的一體化信號(hào)處理設(shè)備案例，測(cè)試結(jié)果良好，說明現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)在通信對(duì)抗中的應(yīng)用具有重要的研究意義。