基于寬帶波束形成的跳頻通信跟蹤干擾抑制方法

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 )

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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(duì)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(shí)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(diǎn)。采用空間插值的頻域?qū)拵Рㄊ纬杉夹g(shù)實(shí)現(xiàn)了跳頻信號(hào)與跟蹤干擾信號(hào)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(duì)所提跟蹤干擾抑制方法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，驗(yàn)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(guò)偽隨機(jī)序列控制載波頻率跳變來(lái)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(jī)速度足夠快，進(jìn)而形成跟蹤干擾時(shí)，就會(huì)給跳頻通信帶來(lái)極大威脅[1]。

通常為了對(duì)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(huì)造成跳頻系統(tǒng)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)難度增大。為了實(shí)現(xiàn)跟蹤干擾的抑制，文獻(xiàn)[2]提出應(yīng)用天線(xiàn)調(diào)零技術(shù)，結(jié)合跳頻技術(shù)，實(shí)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(wèn)題；前面2種方案在對(duì)跟蹤干擾抑制時(shí)，未考慮干擾與期望信號(hào)是否相干，而且需要準(zhǔn)確知道跳頻信號(hào)的導(dǎo)向矢量，為了解決這些問(wèn)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(shí)現(xiàn)跟蹤干擾的抑制。文獻(xiàn)[4]提出的算法適合一維線(xiàn)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(bǔ)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(xiàn)調(diào)零技術(shù)結(jié)合跳頻通信對(duì)抗跟蹤干擾，其接收模塊都是在跳頻信號(hào)完成解跳后才進(jìn)行波束控制。因?yàn)?，所采用的自適應(yīng)波束形成算法是針對(duì)窄帶信號(hào)才能實(shí)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(shí)現(xiàn)同步，進(jìn)而不能被解調(diào)時(shí)，上述抗跟蹤干擾性能將會(huì)下降很多，同時(shí)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(hào)的時(shí)延內(nèi)實(shí)現(xiàn)跳頻信號(hào)的抽樣，進(jìn)而完成跳頻信號(hào)的調(diào)零，而實(shí)際上隨著跳速的提高，跳頻信號(hào)和跟蹤干擾之間的時(shí)延越來(lái)越小。在這么短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的DOA估計(jì)，并控制波束形成，難度較大。

跳頻信號(hào)和跟蹤干擾信號(hào)在解跳前屬于寬帶信號(hào)[6]，對(duì)于寬帶信號(hào)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(huì)造成接收信號(hào)發(fā)生畸變。為了解決該問(wèn)題，文獻(xiàn)[7]采用離散傅里葉變換插值實(shí)現(xiàn)寬帶波束形成，但是需要基陣靈敏度函數(shù)滿(mǎn)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(duì)各個(gè)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(shí)現(xiàn)，雖然犧牲了一些性能代價(jià)，但是能滿(mǎn)足工程實(shí)現(xiàn)的需求。

本文設(shè)計(jì)在跳頻信號(hào)同步前實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)下變頻之前，實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤干擾信號(hào)波束控制的調(diào)零，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)天線(xiàn)陣元對(duì)接收到的時(shí)域數(shù)據(jù)做FFT變換，在頻域進(jìn)行實(shí)現(xiàn)波束形成后，經(jīng)過(guò)加窗求和，再通過(guò)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(xiàn)陣元為均勻線(xiàn)陣，在某一個(gè)頻點(diǎn)ωk形成波束圖：

(1)

式中，b(ωk,Ωb)為第b個(gè)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(gè)天線(xiàn)陣元所在的位置。方向矢量Ωb為：

(3)

式中，θb為第b個(gè)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(diǎn)ωk的2級(jí)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(gè)天線(xiàn)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(xiàn)陣元，這樣會(huì)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(wèn)題是如何平衡窄主瓣和低旁瓣。那么在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，如果使得陣列天線(xiàn)數(shù)量較少時(shí)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(xiàn)距離，當(dāng)天線(xiàn)陣元數(shù)較少時(shí)，把陣元距離變成αd，這里α稱(chēng)為擴(kuò)展因子，這樣就會(huì)使得天線(xiàn)的合成空間變大，形成較窄的主瓣，但是這樣做會(huì)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(jí)設(shè)計(jì)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(gè)過(guò)程分為2部分：空間插值和旁瓣濾波。該方法的缺點(diǎn)是計(jì)算量大，其本質(zhì)是通過(guò)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(duì)于均勻線(xiàn)陣的波束形成器為：

(6)

式中，Wpr,m為第m個(gè)天線(xiàn)陣元的幅度；θ0為初始角度；k=2π/λ。經(jīng)過(guò)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(jí)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(hào)與跟蹤干擾信號(hào)模型

假設(shè)接收端觀察時(shí)間為T(mén)，在觀察時(shí)間內(nèi)共接收到M跳信號(hào)，則接收到的信號(hào)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(hào)功率；fk和θk為獲得的第k跳信號(hào)的載頻和相位；TH為跳頻間隔時(shí)間；n(t)為高斯白噪聲；rectTH為寬度為T(mén)H的矩形窗。

跟蹤干擾是指干擾信號(hào)能跟蹤跳頻頻點(diǎn)跳變的干擾方式，其在時(shí)域和頻域特征相均和跳頻信號(hào)類(lèi)似，不同之處在于跟蹤干擾與跳頻信號(hào)存在一定的時(shí)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(duì)于跟蹤干擾的抑制，前面研究都是在跳頻信號(hào)解調(diào)后，對(duì)窄帶信號(hào)進(jìn)行處理。為了在跳頻解調(diào)前實(shí)現(xiàn)跟蹤干擾的抑制，就需要采用寬帶信號(hào)的空間譜估計(jì)和波束形成，因?yàn)樘l信號(hào)和跟蹤干擾信號(hào)在解調(diào)前均可看作是寬帶信號(hào)。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(lái)自K個(gè)天線(xiàn)陣元的跳頻信號(hào)和跟蹤干擾信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)寬帶空間譜估計(jì)和寬帶波束形成后，在空域?qū)崿F(xiàn)分離，經(jīng)過(guò)跟蹤干擾識(shí)別，判斷是否存在跟蹤干擾，如果存在，此時(shí)根據(jù)跟蹤干擾信號(hào)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(xiàn)通過(guò)波束控制器把零點(diǎn)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(hào)的方向，從而達(dá)到抗跟蹤干擾的目的。

對(duì)于跟蹤干擾的識(shí)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(duì)于跟蹤干擾的抑制的關(guān)鍵就是能夠?qū)μl信號(hào)和跟蹤干擾信號(hào)進(jìn)行波束形成。

跳頻通信在實(shí)際的應(yīng)用之一就是跳頻電臺(tái)，通常在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中不可能配備很多根天線(xiàn)用來(lái)組成陣列。因此，需要考慮在較少陣元下實(shí)現(xiàn)跳頻信號(hào)的波束控制。本文對(duì)于跳頻信號(hào)和跟蹤干擾信號(hào)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(duì)接收到的跳頻信號(hào)和相關(guān)干擾信號(hào)首先經(jīng)過(guò)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(shí)，降低旁瓣寬帶，得到較窄的主瓣。

在波束形成和跟蹤干擾識(shí)別后，把通過(guò)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(xiàn)的主瓣方向?qū)?zhǔn)跳頻信號(hào)，零點(diǎn)方向?qū)?zhǔn)跟蹤干擾，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)跟蹤干擾的抑制。

3性能仿真及分析

為了驗(yàn)證采用空間插值寬帶波束形成技術(shù)對(duì)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(xiàn)性等距線(xiàn)陣，跳頻信號(hào)工作在超短波頻段，頻率為33～88 MHz，帶寬為25 kHz，偽隨機(jī)序列采用m序列，跳頻頻點(diǎn)數(shù)為64，跳速為200 Hop/s，其中跳頻信號(hào)方向?yàn)?20°，陣列接收信噪比為10 dB，陣元間距等于跳頻最高頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/2，假定經(jīng)過(guò)跟蹤干擾識(shí)別后存在跟蹤干擾，其中跟蹤干擾方向?yàn)?0°。信干比為-3 dB。其中跳頻信號(hào)的入射頻率在觀測(cè)時(shí)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(hào)和跟蹤干擾信號(hào)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?duì)跳頻信號(hào)和跟蹤干擾信號(hào)進(jìn)行波束控制的有效性。雖然天線(xiàn)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(shuō)明本方法對(duì)跟蹤干擾抑制的性能，分別對(duì)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(duì)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(shí)，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(xiàn)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(xiàn)

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(shuō)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(yǔ)

傳統(tǒng)的跟蹤干擾抑制方法都是在跳頻信號(hào)同步后再解調(diào)實(shí)現(xiàn)的，但是當(dāng)跳頻同步被干擾以后，此類(lèi)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(shí)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(wú)法應(yīng)用的問(wèn)題。本文的研究成果可為跳頻通信抗跟蹤干擾提供參考。

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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(jiǎn)介

中圖分類(lèi)號(hào)TN912.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)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(wú)線(xiàn)電工程，2016，46(4)：43-46.