針對(duì)短波3G-ALE突發(fā)信號(hào)探測(cè)報(bào)頭的干擾研究

吳培培，張 旻，史英春

(國(guó)防科技大學(xué) 電子對(duì)抗學(xué)院，安徽 合肥 230037)

0 引 言

以第三代自動(dòng)鏈路建立(3G-ALE，Third Generation Automatic Link Establishment)技術(shù)為基礎(chǔ)的第三代短波自適應(yīng)通信，被廣泛應(yīng)用于美軍與北約軍用通信標(biāo)準(zhǔn)中[1]。其采用具有固定信號(hào)格式的3G-ALE突發(fā)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)鏈路建立、業(yè)務(wù)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(lái)巨大挑戰(zhàn)。

在3G-ALE突發(fā)信號(hào)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(cè)報(bào)頭。美軍標(biāo)MIL-STD-188-141B[3]規(guī)定了3G-ALE突發(fā)信號(hào)采用8PSK調(diào)制樣式，并且提供了探測(cè)報(bào)頭的具體幀結(jié)構(gòu)。通信接收端通過檢測(cè)探測(cè)報(bào)頭的存在來(lái)實(shí)現(xiàn)3G-ALE突發(fā)信號(hào)的捕獲，并完成參數(shù)估計(jì)、頻差校正與信號(hào)同步等預(yù)處理工作，為后續(xù)數(shù)據(jù)解調(diào)與交互奠定基礎(chǔ)[4-5]。因此，針對(duì)3G-ALE突發(fā)信號(hào)探測(cè)報(bào)頭實(shí)施干擾，降低通信接收端探測(cè)報(bào)頭檢測(cè)概率，使得對(duì)信號(hào)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(hào)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(biāo)[8-12]。但是在對(duì)3G-ALE突發(fā)信號(hào)探測(cè)報(bào)頭實(shí)施干擾時(shí)，需要以降低探測(cè)報(bào)頭檢測(cè)概率作為干擾目標(biāo)，因此常規(guī)干擾的有效性存疑。文獻(xiàn)[6]對(duì)此進(jìn)行了針對(duì)性干擾研究，根據(jù)探測(cè)報(bào)頭的信號(hào)頻域特征設(shè)計(jì)了頻域匹配寬帶噪聲的靈巧式干擾信號(hào)，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(duì)目前通常使用的3G-ALE突發(fā)信號(hào)探測(cè)報(bào)頭滑動(dòng)相關(guān)FFT檢測(cè)方法，提出一種隨機(jī)符號(hào)調(diào)頻干擾，能夠有效影響探測(cè)報(bào)頭的相關(guān)FFT檢測(cè)譜峰，降低其檢測(cè)概率。通信干擾方首先產(chǎn)生八進(jìn)制隨機(jī)符號(hào)并進(jìn)行基帶相移鍵控調(diào)制，之后對(duì)基帶調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻調(diào)制與功率放大形成干擾信號(hào)。干擾性能的理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)表明，提出的隨機(jī)符號(hào)調(diào)頻干擾能夠針對(duì)3G-ALE突發(fā)信號(hào)探測(cè)報(bào)頭檢測(cè)產(chǎn)生更好的干擾效果。

1 基本理論

1.1 3G-ALE突發(fā)信號(hào)結(jié)構(gòu)

3G-ALE突發(fā)信號(hào)一般包含保護(hù)序列(TLC/AGC)、探測(cè)報(bào)頭序列(PRE)與有效載荷數(shù)據(jù)序列(DATA)等三個(gè)信號(hào)部分。保護(hù)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(dòng)增益控制；探測(cè)報(bào)頭序列用于信號(hào)的捕獲與分析預(yù)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(hào)用于自動(dòng)鏈路建立ALE協(xié)議的突發(fā)波形BW0信號(hào)結(jié)構(gòu)。

圖1 突發(fā)波形BW0信號(hào)結(jié)構(gòu)

突發(fā)波形BW0的探測(cè)報(bào)頭序列是如表1所示的384符號(hào)八進(jìn)制序列。

表1 突發(fā)波形BW0的探測(cè)報(bào)頭序列

只考慮探測(cè)報(bào)頭部分，通信發(fā)送端的3G-ALE突發(fā)信號(hào)可以表示為：

s(t)=exp[jφ(t)]exp(jωct)

(1)

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

p(t)=exp[jφ(t)]

(2)

表示受到探測(cè)報(bào)頭序列調(diào)制的8PSK基帶探測(cè)報(bào)頭信號(hào)，則發(fā)送信號(hào)s(t)可以簡(jiǎn)化為：

s(t)=p(t)exp(jωct)

(3)

1.2 探測(cè)報(bào)頭滑動(dòng)相關(guān)FFT檢測(cè)方法

通信接收端通常使用本地信號(hào)滑動(dòng)相關(guān)FFT的方法實(shí)現(xiàn)探測(cè)報(bào)頭的檢測(cè)[13]，如圖2所示。

圖2 滑動(dòng)相關(guān)FFT檢測(cè)方法

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

圖3 3G-ALE突發(fā)信號(hào)探測(cè)報(bào)頭檢測(cè)性能

2 干擾設(shè)計(jì)

在自動(dòng)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(hào)，這就為通信干擾方檢測(cè)信號(hào)的存在并且實(shí)施干擾提供了可能。根據(jù)探測(cè)報(bào)頭滑動(dòng)相關(guān)FFT檢測(cè)原理，干擾信號(hào)應(yīng)當(dāng)對(duì)其相關(guān)FFT檢測(cè)譜峰造成影響。

2.1 干擾信號(hào)模型

文獻(xiàn)[10]指出，與數(shù)字通信信號(hào)具有相似時(shí)域頻域特性的數(shù)字調(diào)制干擾信號(hào)更容易對(duì)通信信號(hào)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(hào)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(shì)，提出一種隨機(jī)符號(hào)調(diào)頻干擾。通信干擾方首先產(chǎn)生八進(jìn)制隨機(jī)符號(hào)并進(jìn)行基帶相移鍵控調(diào)制，之后將基帶調(diào)制信號(hào)通過調(diào)頻調(diào)制器與功率放大器形成干擾信號(hào)。干擾信號(hào)產(chǎn)生流程如圖4所示。

圖4 干擾信號(hào)產(chǎn)生流程

結(jié)合調(diào)頻信號(hào)表達(dá)形式[14-15]，提出的隨機(jī)符號(hào)調(diào)頻干擾信號(hào)可以表示為：

(4)

式中：Aj為干擾信號(hào)線性放大增益；ωj為干擾信號(hào)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(jìn)制隨機(jī)符號(hào)調(diào)制產(chǎn)生的基帶干擾信號(hào)，即：

m(t)=exp[jφj(t)]

(5)

式中：φj(t)為八進(jìn)制隨機(jī)符號(hào)映射的相位信息。相比(2)式可以看出，基帶干擾信號(hào)m(t)與基帶探測(cè)報(bào)頭信號(hào)p(t)具有相似的時(shí)域頻域特征。

2.2 干擾性能分析

3G-ALE突發(fā)信號(hào)經(jīng)過信道傳輸，會(huì)受到加性高斯白噪聲與人為隨機(jī)符號(hào)調(diào)頻干擾的影響，通信接收端接收信號(hào)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(cè)報(bào)頭滑動(dòng)相關(guān)FFT檢測(cè)方法，通信接收端首先對(duì)接收信號(hào)r(t)去載波處理，得到基帶接收信號(hào)：

r1(t)=r(t)exp(-jωct)

(7)

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

(8)

將本地已知的探測(cè)報(bào)頭序列按照美軍標(biāo)規(guī)定的信號(hào)格式調(diào)制產(chǎn)生基帶本地信號(hào)p(t)，取共軛后與基帶接收信號(hào)r1(t)做相關(guān)運(yùn)算：

(9)

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

p(t)p*(t)=exp[jφ(t)]exp[-jφ(t)]=1

(10)

即表示基帶接收信號(hào)與基帶本地信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算結(jié)果為一零頻常數(shù)信號(hào)，F(xiàn)FT變換時(shí)會(huì)在零頻位置出現(xiàn)相關(guān)FFT檢測(cè)譜峰，可說(shuō)明檢測(cè)存在探測(cè)報(bào)頭。

(9)式中第二項(xiàng)，零均值加性高斯白噪聲與基帶本地信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算結(jié)果為一隨機(jī)信號(hào)，F(xiàn)FT變換時(shí)不會(huì)出現(xiàn)相關(guān)FFT檢測(cè)譜峰[6]，因此對(duì)探測(cè)報(bào)頭檢測(cè)造成的影響小。

(9)式中第三項(xiàng)，表示去載波干擾信號(hào)與基帶本地信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算結(jié)果。下面具體分析其FFT變換結(jié)果對(duì)探測(cè)報(bào)頭檢測(cè)造成的影響[16]。

考慮到3G-ALE突發(fā)信號(hào)是帶寬3 kHz的窄帶信號(hào)[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(hào)，滿足以下約束條件：

(11)

利用歐拉公式將(9)式中第三項(xiàng)的干擾信號(hào)部分展開：

(12)

當(dāng)滿足(11)式約束條件時(shí)，存在以下近似關(guān)系：

(13)

(14)

因此可以將(9)式中第三項(xiàng)簡(jiǎn)化為：

(15)

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

p*(t)?P*(-ω)

(16)

(17)

因此對(duì)(9)式中第三項(xiàng)做FFT變換的結(jié)果可以表示為：

(18)

式中：*表示卷積運(yùn)算。(18)式中第一項(xiàng)是對(duì)基帶本地信號(hào)p(t)共軛的FFT變換，因此具有8PSK基帶信號(hào)頻譜特征(如圖5(a)所示)，在干擾信號(hào)增益Aj的放大下會(huì)將探測(cè)報(bào)頭相關(guān)FFT檢測(cè)譜峰淹沒，起到干擾效果。

圖5 不同信號(hào)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(duì)于3G-ALE突發(fā)信號(hào)探測(cè)報(bào)頭滑動(dòng)相關(guān)FFT檢測(cè)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(duì)比說(shuō)明提出的隨機(jī)符號(hào)調(diào)頻干擾效果。

常規(guī)PSK調(diào)制干擾信號(hào)表達(dá)式為：

j(t)=Ajm(t)exp(jωjt)

(19)

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

AjP*(-ω)*M(ω)

(20)

FFT變換結(jié)果為兩項(xiàng)8PSK基帶信號(hào)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(luò)下降趨勢(shì)，因此對(duì)于探測(cè)報(bào)頭相關(guān)FFT檢測(cè)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(hào)表達(dá)式為：

(21)

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

(22)

式中：Nj(ω)是nj(t)的FFT變換對(duì)。與(18)式的區(qū)別在于式中第二項(xiàng)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(shí)驗(yàn)

本章以通信接收端3G-ALE突發(fā)信號(hào)探測(cè)報(bào)頭的滑動(dòng)相關(guān)FFT檢測(cè)概率作為干擾性能指標(biāo)，仿真提出的隨機(jī)符號(hào)調(diào)頻干擾實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

定義干信比：

(23)

表示在通信接收信號(hào)中，隨機(jī)符號(hào)調(diào)頻干擾信號(hào)功率Pj與3G-ALE突發(fā)信號(hào)功率Ps的比值。

3.1 干擾性能實(shí)驗(yàn)

本節(jié)中首先仿真調(diào)頻靈敏度、干擾頻偏等干擾因素對(duì)于隨機(jī)符號(hào)調(diào)頻干擾性能的影響，探索有效發(fā)揮干擾性能目標(biāo)下的干擾參數(shù)設(shè)置，為干擾對(duì)比實(shí)驗(yàn)的參數(shù)合理設(shè)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(duì)于隨機(jī)符號(hào)調(diào)頻干擾效果具有一定的影響。在無(wú)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(xiàng)的理論分析結(jié)果相一致；但通常不將其取為0值，這是因?yàn)檎{(diào)頻靈敏度為0值時(shí)的干擾信號(hào)即成為一單音干擾信號(hào)，容易被通信接收端頻域檢測(cè)并濾除[17]。

(2)干信比提高到一定程度時(shí)，調(diào)頻靈敏度的影響逐漸弱化，這是因?yàn)榇藭r(shí)干擾效果主要體現(xiàn)在(18)式中第一項(xiàng)的干擾信號(hào)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(shè)上進(jìn)行的，然而在實(shí)際干擾中難免存在由于對(duì)3G-ALE截獲信號(hào)載頻估計(jì)不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的干擾頻偏。設(shè)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(duì)于隨機(jī)符號(hào)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(fù)雜；干信比提高到一定程度時(shí)，干擾頻偏的影響逐漸減弱，干擾效果達(dá)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(duì)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(xiàn)[6]提出的匹配噪聲干擾?？梢钥闯?，盡管隨機(jī)符號(hào)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(duì)較小。

3.2 干擾對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在上一節(jié)干擾因素影響干擾性能實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論基礎(chǔ)上，本節(jié)設(shè)置調(diào)頻靈敏度值為15，并且不存在干擾頻偏，仿真隨機(jī)符號(hào)調(diào)頻干擾與其它幾種干擾樣式的干擾效果對(duì)比，如圖8、圖9所示。

圖8 干擾效果對(duì)比(1)

圖8反映了隨機(jī)符號(hào)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(duì)比。可以看出，當(dāng)干信比達(dá)到13 dB以上時(shí)，三種干擾樣式均能夠取得明顯干擾效果，但是隨機(jī)符號(hào)調(diào)頻干擾效果更優(yōu)。當(dāng)產(chǎn)生探測(cè)報(bào)頭滑動(dòng)相關(guān)FFT檢測(cè)概率基本為0的干擾效果時(shí)，隨機(jī)符號(hào)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(shì)，相比PSK調(diào)制干擾也具有2 dB以上的干信比優(yōu)勢(shì)，因此可以節(jié)省一定的干擾功率。

圖9對(duì)比了隨機(jī)符號(hào)調(diào)頻干擾與文獻(xiàn)[6]提出的匹配多音干擾、匹配噪聲干擾的干擾效果?？梢钥闯?，隨機(jī)符號(hào)調(diào)頻干擾優(yōu)勢(shì)明顯，干信比達(dá)到13 dB 以上時(shí)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(duì)比(2)

4 結(jié) 語(yǔ)

為了降低通信接收端的短波3G-ALE突發(fā)信號(hào)探測(cè)報(bào)頭檢測(cè)概率，破壞突發(fā)信號(hào)捕獲與通信鏈路建立，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)3G-ALE突發(fā)通信的有效干擾，本文針對(duì)探測(cè)報(bào)頭的滑動(dòng)相關(guān)FFT檢測(cè)方法，提出一種隨機(jī)符號(hào)調(diào)頻干擾。理論推導(dǎo)與仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了干擾有效性與干擾優(yōu)勢(shì)，可以為實(shí)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(yīng)用價(jià)值。