跳擴(kuò)頻衛(wèi)星通信干擾效果分析*

薄 遠(yuǎn) 朱衛(wèi)綱 楊 君 邢 強(qiáng)

(裝備學(xué)院 北京 101416)

跳擴(kuò)頻衛(wèi)星通信干擾效果分析*

薄 遠(yuǎn) 朱衛(wèi)綱 楊 君 邢 強(qiáng)

(裝備學(xué)院 北京 101416)

論文介紹了跳擴(kuò)頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)信號級工作流程,對衛(wèi)星通信干擾方式和衛(wèi)星通信干擾的入手點(diǎn)進(jìn)行了敘述,選擇了具有代表性的干擾方式對其上行鏈路進(jìn)行了通信干擾仿真;在進(jìn)行了干擾效果評估等級的劃分后,依據(jù)誤碼率指標(biāo)對通信干擾效果進(jìn)行了定量計(jì)算,通過干擾效果分析,得出了梳狀譜干擾效果最理想的結(jié)論,可為衛(wèi)星通信干擾方面的研究提供一定的參考。

跳擴(kuò)頻衛(wèi)星通信系統(tǒng); 通信干擾; 誤碼率; 干擾效果分析

Class Number TN927

1 引言

在當(dāng)今世界軍事領(lǐng)域中,信息情報(bào)傳輸?shù)陌踩煽啃栽絹碓街匾?而作為通信領(lǐng)域的衛(wèi)星通信具有很多優(yōu)勢,被廣泛用于軍事領(lǐng)域的通信傳輸[1],尤其現(xiàn)階段世界各國發(fā)展使用的跳擴(kuò)頻衛(wèi)星通信系統(tǒng),對于干擾具有很強(qiáng)的抑制性能,可為戰(zhàn)時(shí)取得信息致勝權(quán)起到?jīng)Q定性作用,因此,在未來戰(zhàn)場上,如何有效干擾敵方的衛(wèi)星通信系統(tǒng)并定量分析、評估干擾效果成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn),一方面可為研究干擾、評估裝備提供科學(xué)有價(jià)值的參考,另一方面還可為研究衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗干擾性能提供一個(gè)模擬仿真的平臺。

跳擴(kuò)頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)與普通的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的區(qū)別在于發(fā)射端對信號進(jìn)行了跳擴(kuò)頻處理,使得信息傳輸?shù)陌踩煽啃源蟠筇岣遊2]。信號的跳擴(kuò)頻處理是利用擴(kuò)頻碼將通信信號擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上,并且通信信號的載頻按照擴(kuò)頻碼控制的頻率合成器的輸出按照一定規(guī)律變化,效果是信號的能量被平均分在頻帶內(nèi),敵方偵察接收機(jī)會誤把通信信號當(dāng)成噪聲,不進(jìn)行干擾,同時(shí)載頻的不停變化使敵方無法準(zhǔn)確跟蹤、干擾通信信號,即使遭到通信干擾,己方接收機(jī)也可利用擴(kuò)頻碼的相關(guān)特性,通過解擴(kuò)、解跳處理得到通信信號,因此達(dá)到了很好的抗干擾性能[3]。

2 跳擴(kuò)頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作流程

圖1 跳擴(kuò)頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作流程

圖1為典型跳擴(kuò)頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作流程,基本分為三部分：信息發(fā)射端:經(jīng)過調(diào)制的信息首先要進(jìn)行擴(kuò)頻處理,然后在擴(kuò)頻碼發(fā)生器的作用下,經(jīng)調(diào)制的信息碼序列與擴(kuò)頻碼序列按照不同的組合碼字控制頻率合成器,其輸出的頻率根據(jù)碼字的改變而改變產(chǎn)生不同頻率的載頻,也就是說按照一定的規(guī)律產(chǎn)生了衛(wèi)星通信的跳頻圖案,最后是信號的射頻調(diào)制,將信號頻率調(diào)到高頻率上,通過射頻調(diào)制器、發(fā)生器,由天線將攜帶信息的信號輻射出去;衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器：經(jīng)上行鏈路傳輸過來的信號經(jīng)過一系列的去噪聲、功率放大處理、解擴(kuò)處理、解跳處理、信息解調(diào)得到原始信息,進(jìn)入衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器部分,這里的解擴(kuò)解跳處理是一個(gè)自相關(guān)的處理過程,此處的擴(kuò)頻碼發(fā)生器要與發(fā)射端的擴(kuò)頻碼發(fā)生器保持嚴(yán)格同步才能完成解擴(kuò)解跳處理,也就是說與地面的信號發(fā)射端的跳頻圖案相一致,得到的原始信息經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的處理、再經(jīng)過重新的調(diào)制、擴(kuò)頻處理和跳頻處理,得到下行鏈路信號,通過天線輻射出去?，F(xiàn)階段大多數(shù)國家都使用星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器,所以上行鏈路和下行鏈路的通信頻率可以不同,并且原始信息經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)器處理后的調(diào)制、擴(kuò)頻、跳頻處理方式可以和發(fā)送端處理方式不同,這也是星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)之一,能最大限度的優(yōu)化信道資源;信息接收端：經(jīng)下行鏈路,接收到來自衛(wèi)星處理后的信號,同樣經(jīng)過解擴(kuò)、解跳、解調(diào)的過程,最終得到原始信息,這里的解跳解擴(kuò)也是要保持?jǐn)U頻碼、跳頻圖案的嚴(yán)格同步,此時(shí)的擴(kuò)頻碼應(yīng)與經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器處理后進(jìn)行跳擴(kuò)頻處理時(shí)的擴(kuò)頻碼保持嚴(yán)格同步[4]。

3 衛(wèi)星通信干擾

· 衛(wèi)星通信干擾方式

現(xiàn)階段,對衛(wèi)星通信干擾主要有兩種體制：壓制式干擾和欺騙式干擾[5～6],如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星通信干擾方式

壓制式干擾是指進(jìn)入接收機(jī)的干擾信號功率要比通信信號經(jīng)過解調(diào)后功率大,使通信信號淹沒在干擾信號中,從而導(dǎo)致接收機(jī)無法正常接收通信信號,這種干擾方式主要包括瞄準(zhǔn)式干擾、阻塞式干擾、掃頻式干擾。瞄準(zhǔn)式干擾是指干擾信號頻率在通信信號載波頻率點(diǎn)上或者附近,也就是窄帶干擾,這種干擾的優(yōu)點(diǎn)是干擾頻帶窄,能量比較集中,利用率高,對定頻通信干擾效果好;阻塞式干擾是指干擾信號的頻譜覆蓋一定的通信頻段,又可分為連續(xù)阻塞式干擾和分段阻塞式干擾,連續(xù)阻塞式干擾是指干擾信號的頻譜覆蓋敵方通信的整個(gè)頻段,也就是寬帶噪聲干擾,而分段阻塞式干擾是指在敵方通信頻帶內(nèi)有間隔的產(chǎn)生梳狀譜干擾信號,落在其中的通信信號都將受到影響,通常阻塞式干擾多用于對擴(kuò)頻通信的干擾,因?yàn)橹灰蓴_信號的頻譜帶寬占據(jù)擴(kuò)頻通信信號頻譜帶寬的一半就可達(dá)到有效的干擾,也就是說在干擾功率一定的情況下,將多個(gè)梳狀譜設(shè)置在敵方最有可能通信的多個(gè)頻段內(nèi),就可實(shí)現(xiàn)最佳的干擾。這種干擾的優(yōu)點(diǎn)是干擾帶寬比較寬,容易覆蓋敵方通信頻段,缺點(diǎn)是干擾敵方通信的同時(shí)也會對己方通信造成干擾,并且較寬的干擾帶寬需要大功率作為支撐;掃頻式干擾是指在通信頻段內(nèi)產(chǎn)生頻率按照一定方式由高到底不斷變化的干擾信號,使干擾信號的頻譜在通信頻帶內(nèi)不停的移動(dòng)。這種干擾方式的優(yōu)點(diǎn)是在不知敵方通信頻率時(shí)對頻段內(nèi)的頻率點(diǎn)隨機(jī)進(jìn)行干擾,缺點(diǎn)是干擾信號能量利用率低。

欺騙式干擾是指發(fā)射與通信信號相似度很高的干擾信號,使接收機(jī)鎖定在干擾信號上,經(jīng)處理后得到虛假的信息,達(dá)到欺騙的目的,這種干擾主要包括產(chǎn)生式干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。產(chǎn)生式干擾是指通過偵察和處理敵方通信信號,對描述信號的重要參數(shù)進(jìn)行特征提取,然后利用電子器件產(chǎn)生與通信信號頻率一致的干擾信號。這種干擾方式的優(yōu)點(diǎn)對跳擴(kuò)頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)的干擾非常有效,缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來比較難,對硬件的要求特別高;轉(zhuǎn)發(fā)式干擾是指通過偵察敵方通信信號,對其進(jìn)行一定時(shí)延的再發(fā)射,使得對碼同步要求嚴(yán)格的通信接收機(jī)不能正確判別真實(shí)信號,造成接收機(jī)對通信信號的識別在時(shí)間上的消耗,同時(shí)影響軟件程序的運(yùn)算量和硬件的存儲量等。這種干擾方式的優(yōu)點(diǎn)是干擾產(chǎn)生簡單,不需要知道通信信號的先驗(yàn)知識,干擾效果好。

· 衛(wèi)星通信干擾入手點(diǎn)

圖3為衛(wèi)星通信干擾模型：從模型中可以看到對衛(wèi)星通信進(jìn)行干擾的入手點(diǎn)有上行鏈路、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、下行鏈路[7]。

對上行鏈路的干擾一般是指對上行通信信號的干擾,包括瞄準(zhǔn)式干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾,達(dá)到壓制和欺騙的目的。對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的干擾一般指通過上行鏈路將大功率干擾信號發(fā)送到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上,使轉(zhuǎn)發(fā)器達(dá)到飽和狀態(tài),不能接收正常通信信號,達(dá)到通信堵塞的目的,此時(shí)的干擾信號頻帶可與通信信號的頻帶不同,但是要在轉(zhuǎn)發(fā)器的頻帶范圍之內(nèi)。對下行鏈路的干擾一般指對下行通信信號的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾,達(dá)到欺騙的目的,此時(shí)干擾信號的頻帶須在下行通信信號頻帶的范圍之內(nèi)。

圖3 衛(wèi)星通信干擾模型

4 跳擴(kuò)頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信干擾仿真

本文的衛(wèi)星通信干擾仿真在干擾信號上選擇窄帶干擾信號、寬帶噪聲干擾信號和梳狀譜干擾信號,干擾的入手點(diǎn)放在上行鏈路,即從上行鏈路加入干擾信號,信道選擇高斯信道。

· 上行鏈路衛(wèi)星通信信號

主要通信參數(shù)：基帶數(shù)字信號調(diào)制方式為BPSK,擴(kuò)頻碼選擇M序列,跳頻頻點(diǎn)選擇8個(gè)：[13.5 18.7 23.9 28.1 33.3 41.6 46.0 50.0(GHz)]。圖4為基于Matlab的基帶信號進(jìn)行調(diào)制、擴(kuò)頻、跳頻處理后加入高斯隨機(jī)噪聲的頻譜。

圖4 上行鏈路通信信號

· 窄帶干擾信號

窄帶干擾信號(相對通信信號頻段)是通過AR模型產(chǎn)生的[8],帶寬為5G(約占通信頻段的13.5%,中心頻率為23.9GHz)。

圖5 窄帶干擾信號頻譜

· 寬帶噪聲干擾信號

寬帶噪聲干擾信號的產(chǎn)生是由高斯噪聲經(jīng)濾波器的處理后調(diào)制到相應(yīng)的頻段上得到的[9],噪聲帶寬為36GHz(覆蓋通信信號頻段)。

圖6 寬帶噪聲干擾信號頻譜

· 梳狀譜干擾信號

梳狀譜干擾信號是由多個(gè)單音干擾信號疊加組成的[10],根據(jù)通信信號的跳頻頻點(diǎn)選擇由8個(gè)單音信號組成(與通信信號跳頻頻率相對應(yīng))。

圖7 梳狀譜干擾信號頻譜

5 干擾效果評估分析

· 干擾等級的劃分

從本文的干擾入手點(diǎn)考慮,評估干擾效果的指標(biāo)選擇衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器處對信號進(jìn)行解擴(kuò)、解跳、解調(diào)處理后的誤碼率,并根據(jù)工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)定義干擾等級[11]：

當(dāng)誤碼率范圍為大于等于0.2時(shí),衛(wèi)星上行鏈路通信受到強(qiáng)干擾,等級為三級;當(dāng)誤碼率范圍處于0.12～0.2區(qū)間時(shí),衛(wèi)星上行鏈路通信受到中度干擾,等級為二級;當(dāng)誤碼率處于0.05～0.12時(shí),衛(wèi)星上行鏈路通信受到輕度干擾,等級為一級;當(dāng)誤碼率小于0.05時(shí),衛(wèi)星上行鏈路通信未受到干擾。

· 誤碼率仿真分析

圖8 信干比與誤碼率的關(guān)系

圖8為三種干擾方式在不同信干比情況下的誤碼率曲線,從圖中可以得出以下結(jié)論：

1) 當(dāng)信干比小于-5dB時(shí),三種干擾對上行鏈路造成的誤碼率大致一樣,均達(dá)到了很好的干擾效果,隨著信干比的增大(干擾變小),三種干擾對上行鏈路的干擾效果逐漸減小,誤碼率逐漸減小;對于梳狀譜干擾,當(dāng)信干比小于1.3dB時(shí),上行鏈路受到強(qiáng)度為三級的強(qiáng)干擾,當(dāng)信干比處于1.3dB到5dB時(shí),上行鏈路受到強(qiáng)度為二級的中度干擾,當(dāng)信干比處于5dB～7dB時(shí),上行鏈路受到強(qiáng)度為一級的輕度干擾,當(dāng)信干比大于7dB時(shí),上行鏈路通信沒有受到影響;對于寬帶噪聲干擾,當(dāng)信干比小于-1.2dB時(shí),上行鏈路受到強(qiáng)度為三級的強(qiáng)干擾,當(dāng)信干比處于-1.2dB～1.5dB時(shí),上行鏈路受到強(qiáng)度為二級的中度干擾,當(dāng)信干比處于1.5dB～3.8dB時(shí),上行鏈路受到強(qiáng)度為一級的輕度干擾,當(dāng)信干比大于3.8dB時(shí),上行鏈路通信沒有受到影響;對于窄帶干擾,當(dāng)信干比小于-2.5dB時(shí),上行鏈路受到強(qiáng)度為三級的強(qiáng)干擾,當(dāng)信干比處于-2.5dB～0.7dB時(shí),上行鏈路受到強(qiáng)度為二級的中度干擾,當(dāng)信干比處于0.7dB～3.9dB時(shí),上行鏈路受到強(qiáng)度為一級的輕度干擾,當(dāng)信干比大于3.9dB時(shí),上行鏈路通信沒有受到影響。

2) 對于本文的衛(wèi)星通信上行鏈路干擾情況來說,在相同信干比的時(shí)候,梳狀譜干擾造成的誤碼率最大,干擾效果最好,其次為寬帶噪聲干擾,最后為窄帶干擾,這是因?yàn)?梳狀譜干擾信號的頻率與通信信號的跳頻頻率相同,干擾信號的能量利用率高,而寬帶干擾信號的能量分布在了整個(gè)通信頻段,只有部分能量分布在了通信頻率上,相對而言,能量的利用率較低,對于窄帶干擾,由于覆蓋的通信頻段有限,僅在一個(gè)通信跳頻頻率點(diǎn)上,所以當(dāng)通信信號頻率不在干擾范圍內(nèi)時(shí),對通信沒有造成影響,干擾信號的能量造成了很大的損失。

6 結(jié)語

跳擴(kuò)頻技術(shù)廣泛應(yīng)用在軍事衛(wèi)星通信中,起到了很好的抗干擾性能,但是不能完全抵消干擾信號的干擾,依據(jù)不同的干擾策略,合理利用梳狀譜、寬帶噪聲、窄帶干擾對于跳擴(kuò)頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)上行鏈路的干擾都有一定的效果;相對而言,三種干擾中梳狀譜干擾的效果最好,這對于今后研究衛(wèi)星通信干擾提供了一定的理論支持。

隨著技術(shù)的發(fā)展,軍事衛(wèi)星通信中應(yīng)用了很多先進(jìn)的抗干擾措施,如自適應(yīng)天線調(diào)零、自適應(yīng)編碼技術(shù)等[12],跳擴(kuò)頻技術(shù)只是其中一種,如何對軍事衛(wèi)星通信進(jìn)行有效的干擾并進(jìn)行合理的干擾效果評估是下一步需要繼續(xù)深入研究的工作。

[1] 趙志勇,毛忠陽,等.軍事衛(wèi)星通信與偵察[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013:16-17.

[2] 暴宇,李新民.擴(kuò)頻通信技術(shù)及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2011:42-45.

[3] 馬文勇.楊曦,尹斌.跳頻通信系統(tǒng)抗跟蹤式干擾性能研究[J].艦船電子工程,2009,29(2):75-76.

[4] 高銦璐,高梓賀.跳擴(kuò)頻通信系統(tǒng)干擾性能仿真研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2009,37(5):78-82.

[5] 寧國強(qiáng),張衛(wèi)東,等.通信中干擾及抗干擾技術(shù)綜述[J].四川兵工學(xué)報(bào),2011,32(5):115-119.

[6] 黃曉飛,徐池.衛(wèi)星通信干擾樣式研究[J].航天電子對抗,2011,27(6):17-19.

[7] 李晶,王猛,鄭家樣.衛(wèi)星通信系統(tǒng)干擾技術(shù)研究[J].艦船電子工程,2007,27(3):77-79.

[8] 熊小蘭.通信干擾生成原理及技術(shù)[D].武漢:華中科技大學(xué),2006.

[9] 郝東方.衛(wèi)星通信干擾技術(shù)的研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2012.

[10] 石熠.直接序列擴(kuò)頻通信信號的檢測與干擾研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2012.

[11] 王法棟,高鑫偉,鄭文斌.DSSS調(diào)制系統(tǒng)的干擾及效能評估[J].西安通信學(xué)院學(xué)報(bào),2012,3(11):23-25.

[12] 柴焱杰,孫繼銀,李琳琳,等.衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)綜述[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2011,39(3):113-117.

Jamming Effectiveness Analysis of DS/FH Satellite Communication

BO Yuan ZHU Weigang YANG Jun XING Qiang

(Academy of Equipment, Beijing 101416)

Based on introducing the signal flow of work of DS/FH satellite communication system, the paper presents the method of satellite communication jamming and breakthrough point of satellite communication jamming, and then makes the simulation of up chain communication by choosing representative methods of jamming. After dividing the jamming effect evaluation grade, the jamming effectiveness is calculated based on the bit error rate and the jamming effectiveness is calculated to get some meaningful conclusions: comb spectrum jamming is good at jamming theDS/FH satellite communication which can provide some reference for satellite communication jamming.

DS/FH satellite communication system, communicationjamming, biterror rate, jamming effectiveness analysis

2014年5月13日,

2014年6月23日 作者簡介:薄遠(yuǎn),男,碩士研究生,研究方向:現(xiàn)代信號處理。朱衛(wèi)綱,女,博士研究生,碩士生導(dǎo)師,研究方向:現(xiàn)代信號處理、空間信息對抗、多傳感器信息融合。楊君,男,博士研究生,講師,研究方向:陣列信號處理及空間譜估計(jì)。邢強(qiáng),男,碩士研究生,研究方向:現(xiàn)代信號處理。

TN927

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.016