基于掃頻鋸齒波和噪聲調(diào)頻信號組合的通信干擾彈絕對最佳干擾樣式

張 杰，錢立志，陳 棟

(陸軍炮兵防空兵學(xué)院高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實驗室，安徽 合肥 230031)

0 引言

通信干擾彈是用常規(guī)火炮、火箭炮發(fā)射，以彈藥作為運載工具，將干擾機快速運載到敵目標(biāo)區(qū)域，完成通信干擾任務(wù)的特種炮彈，通信干擾彈以干擾敵短波和超短波戰(zhàn)術(shù)跳頻電臺為主[1-3]。

目前，普遍認(rèn)為對跳頻通信實施有效干擾的傳統(tǒng)方式有五種：快速跟蹤式干擾、瞄準(zhǔn)式干擾、寬頻段梳狀阻塞式干擾、連續(xù)阻塞式干擾、掃頻式干擾[4]。對于彈載通信干擾來說，其中瞄準(zhǔn)式干擾需要破譯跳頻圖案，實際上比較困難，而且在實現(xiàn)瞄準(zhǔn)式干擾之前，偵察、頻率引導(dǎo)、信號監(jiān)視這三部分是必不可少的，對干擾機性能的要求很高；跟蹤干擾中的波形跟蹤干擾也要從破譯跳頻圖案著手，難度同樣很大[4]；引導(dǎo)式跟蹤干擾以時間為代價, 只要出現(xiàn)載頻便快速引導(dǎo)干擾，實現(xiàn)相對簡單些，但也不能實現(xiàn)100%的干擾效率[5]。

而現(xiàn)有涉及通信干擾彈研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)資料主要涉及三個方面[6]：文獻(xiàn)[7-8]是干擾彈作戰(zhàn)效能的評估與計算問題,文獻(xiàn)[9-11]是干擾彈的最優(yōu)分布求解問題，文獻(xiàn)[12-15]是干擾彈具體研制技術(shù)方案的總結(jié)概括。可以看出，如何解決傳統(tǒng)跳頻電臺干擾方式用于彈載通信干擾存在的問題，目前還沒有相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行過系統(tǒng)地研究。因此，本文針對此問題，提出了基于掃頻鋸齒波和噪聲調(diào)頻信號組合的通信干擾彈絕對最佳干擾樣式。

1 掃頻鋸齒波信號和噪聲調(diào)頻信號

1.1 掃頻鋸齒波信號

掃頻鋸齒波的時域信號圖如圖1所示。

圖1 掃頻鋸齒波時域信號圖Fig.1 Time domain signal diagram of sweeping sawtooth wave

在掃頻周期T內(nèi)，瞬時頻率從f2掃到f1，掃頻的中心頻率為f0，其瞬時頻率為：

(1)

1.2 噪聲調(diào)頻信號

若載波的頻率隨調(diào)制電壓的變化而變化，而振幅保持不變，則這種調(diào)制稱為調(diào)頻。當(dāng)調(diào)頻電壓為噪聲時，則稱其為噪聲調(diào)頻[16]。噪聲調(diào)頻信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

式(2)中，U0為載波電壓；ωj為載波角頻率；KFM為調(diào)諧率，表示每伏電壓引起的角頻率的變化；Uf(t)為帶限白噪聲。

2 通信干擾彈的絕對最佳干擾樣式

2.1 彈載通信干擾對干擾樣式的要求

1) 干擾功率的限制。就傳統(tǒng)干擾方式而言，對跳頻電臺采用瞄準(zhǔn)式或跟蹤式干擾并不難，關(guān)鍵取決于器件的信號處理速度是否能夠滿足要求。由于偵收發(fā)射一體機受元器件限制，干擾設(shè)備發(fā)射功率比較大，需要射頻放大電路提高發(fā)射功率，而接收端需要有較高的靈敏度，也需要放大濾波處理，同時具有收發(fā)一體端口的器件很少，因而信號偵收設(shè)備與干擾信號發(fā)射設(shè)備一般都是分開的，中間有控制系統(tǒng)連接。但是彈載通信干擾機的發(fā)射功率不是越大越好，如果仿照車載式通信干擾機的功率指標(biāo)參數(shù)去研制，寸土寸金的彈載空間無法滿足大功率發(fā)射要求。

2) 反應(yīng)時間的要求。對于瞄準(zhǔn)式干擾來說，要想完成對目標(biāo)的干擾，從瞄準(zhǔn)式干擾中的引導(dǎo)接收機截獲到目標(biāo)信號開始到干擾機發(fā)射出干擾的這段時間越短越好，尤其是對干擾跳頻電臺來說，反應(yīng)時間不能超過每一跳的駐留時間的1/2[17]，否則干擾無效；如果彈載通信干擾機采用瞄準(zhǔn)式干擾的話，無論是軟硬件本身發(fā)展水平，還是轉(zhuǎn)瞬即逝的炮彈空中飛行時間都是勉為其難的事。

3) 頻率范圍及干擾帶寬應(yīng)可調(diào)整，以便適應(yīng)對不同頻段干擾的需要，同時干擾頻譜中各干擾分量的能量應(yīng)盡可能相等，各干擾分量的頻率間隔應(yīng)與所干擾頻段內(nèi)信號的信道間隔相匹配。

2.2 針對目標(biāo)接收機的最佳干擾和絕對最佳干擾

用不同的干擾信號去干擾同一目標(biāo)信號時，所需的壓制系數(shù)是不同的，即達(dá)到干擾奏效所需的干擾功率不一樣。干擾信號在頻域、時域滿足干擾信號特性要求，干擾奏效所需的干擾功率一般比較小，即壓制系數(shù)比較小，干擾的效率通常都比較高。而有的干擾雖然也能壓制信號，但是它的壓制系數(shù)可能會很大，需要很大的干擾功率。為了盡可能地降低干擾功率，應(yīng)選擇壓制系數(shù)小的干擾樣式[18]。最終確定的干擾信號樣式要依據(jù)實際情況，針對不同的被干擾信號的形式和接收方式而進(jìn)行[18]。

因此，最佳干擾是針對已知信號形式及給定接收方式下的有效干擾功率最小的干擾。實際中，目標(biāo)信號的信號形式比較容易得到，可通過截獲目標(biāo)信號獲得，而其接收方式則較難知道，因為信號的接收方式不是唯一的。對于某種信號的某一種接收方式的最佳干擾，可能由于受擾方采用針對這種干擾樣式而設(shè)計的另一種接收方式，從而使得這種干擾樣式的干擾無法奏效。對于任何最佳干擾而言，都不能排除受擾方可能采用針對這種干擾的抗干擾接收，而使得實際上的干擾并不是最佳干擾。因此必須采用某種“絕對最佳干擾”，即指對于已知信號形式的所有可能的接收方式，都有比較小的壓制系數(shù)的干擾，就稱為是對這種已知信號的“絕對最佳干擾”，如表1所示[18]。

表1 對不同接收方式的干擾樣式的壓制系數(shù)

表1中，某信號有五種不同的接收方式，對此信號施放四種不同的干擾。針對這種信號的接收方式1而言，干擾樣式3的壓制系數(shù)最小為0.12，故干擾樣式3是這所有四種干擾樣式中，針對接收方式1的最佳干擾；但如果信號采用接收方式2，則干擾樣式3就不是最佳的了。從表1中可看出，針對接收方式2，四種干擾樣式中干擾樣式4具有最小的壓制系數(shù)為0.3，所以對這種信號的接收方式2的最佳干擾是干擾樣式4。最佳干擾一定是針對某種信號的某一特定接收方式而言的，當(dāng)信號形式不同或者接收方式改變時，一般最佳干擾樣式都不一樣。

表1中，各個干擾樣式對五種不同的接收方式的壓制系數(shù)各不相同，說明五種接收方式對不同干擾的抗干擾能力各不相同。就干擾樣式3而言，當(dāng)采用接收方式2時，壓制系數(shù)最大，故接收方式2對干擾樣式3具有最強的抗干擾能力。一般受擾方總可以根據(jù)所受干擾的樣式而在其所有接收方式中選擇抗干擾能力強的接收方式。當(dāng)干擾的目標(biāo)具有多種接收方式或不清楚目標(biāo)的接收方式時，從對所有的接收方式都有較好的干擾效果出發(fā)，應(yīng)選擇絕對最佳干擾樣式。表1中的干擾樣式2是對這五種接收方式的絕對最佳干擾。雖然就每一種接收方式而言干擾2不如其他干擾，但對所有五種接收方式，干擾2都有較小的干擾壓制系數(shù)，所以說干擾樣式2是針對這五種接收方式的絕對最佳干擾。

跳頻通信中常用的調(diào)制方式有2FSK，2PSK，2DPSK，MSK和GMSK[19-23]，其中FSK和PSK調(diào)制均屬于相位不連續(xù)的恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)，而MSK和GMSK均屬于相位連續(xù)的恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)[24]，其中MSK是2FSK信號的改進(jìn)型，又稱為CP2FSK[24]，MSK信號的解調(diào)與FSK信號相似，可采用相干解調(diào)，也可采用非相干解調(diào)[25]，而且MSK系統(tǒng)在滿足最佳接收條件下的誤碼率與QPSK是相同的[24]；GMSK調(diào)制方式是MSK信號的改進(jìn)型，是在MSK調(diào)制器之前加入一個高斯低通濾波器，GMSK信號的解調(diào)也與FSK相似，可采用相干解調(diào)，也可采用非相干解調(diào)[25-26]，在其他相同條件下，GMSK誤碼率性能要比MSK差，即GMSK信號頻譜的改善是以損失誤碼率性能為代價的[24]。

本文的初衷就是想尋找一種“絕對最佳干擾”樣式，針對2FSK，2PSK，2DPSK，MSK和GMSK五種調(diào)制模式下的目標(biāo)接收機，都可達(dá)到比較好的干擾效果，即基于“掃頻鋸齒波+噪聲調(diào)頻”信號組合的干擾樣式。

3 基于掃頻鋸齒波和噪聲調(diào)頻信號組合干擾樣式的彈載通信干擾機應(yīng)用實例

本文給出一種以“掃頻鋸齒波+噪聲調(diào)頻”信號組合為絕對最佳干擾樣式的彈載通信干擾機的簡要設(shè)計方案。

3.1 干擾機的組成

如圖2所示，彈載通信干擾機采用復(fù)合式干擾方案，即“掃頻鋸齒波+噪聲調(diào)頻”干擾樣式，干擾機主要包括鋸齒波產(chǎn)生器、鋸齒波調(diào)制器、噪聲源、噪聲調(diào)制器、合成器、帶通濾波器、寬帶放大器、末級功放和天線匹配器。

圖2 彈載通信干擾機組成Fig.2 Composition of projectile-borne communication jammer

3.2 干擾機的工作原理

鋸齒波產(chǎn)生器輸出一個掃描電壓，電壓平均值決定壓控振蕩器的輸出攔阻中心頻率，改變鋸齒波電壓的振幅，可以控制攔阻干擾的頻帶寬度。

如圖3所示，鋸齒波電壓的重復(fù)頻率決定了輸出頻譜的譜線間隔F。掃描電壓加到鋸齒波調(diào)制器上，產(chǎn)生射頻信號使輸出頻率在設(shè)定的攔阻帶寬內(nèi)掃描，形成一個較為均勻的帶寬干擾信號。

圖3 掃頻鋸齒波信號的頻譜圖Fig.3 Spectrum of sweeping sawtooth wave signal

圖3所示頻譜有如下特點：一是頻譜以掃描的中心頻率f0為中心，兩邊各分量的振幅對稱相等；二是頻譜帶寬B取決于掃頻頻偏2Δf，通常取B=2Δf，帶內(nèi)頻譜基本均勻，帶外頻譜幅度很小，可以忽略；三是相鄰頻譜分量的間隔等于鋸齒波頻率F。

噪聲源由一個m序列發(fā)生器構(gòu)成，產(chǎn)生一個準(zhǔn)白噪聲信號，作為調(diào)制信號加到噪聲調(diào)制器上，產(chǎn)生一個射頻干擾信號。

如圖4所示，窄帶噪聲調(diào)頻的頻譜寬度一般等于譜線間隔F，目的就是為了填滿頻譜間隔，這兩路干擾信號在合成器中合成后，形成一個組合式的連續(xù)阻塞式干擾信號。經(jīng)帶通濾波器濾波后，經(jīng)多級放大，使干擾信號具有一定的功率后，由天線輻射出去，對敵方通信實施有效的干擾。

圖4 掃頻鋸齒波+噪聲調(diào)頻信號組合的頻譜圖Fig.4 Spectrum of the combination of sweeping sawtooth wave and noise FM signal

該方案能在更寬的攔阻帶寬內(nèi)，具有更均勻的干擾頻譜，各相鄰頻譜分量的間隔相等，在帶外頻譜分量為零，對阻塞帶寬內(nèi)所有信道具有基本相同的干擾效果，滿足這樣的頻譜結(jié)構(gòu)的干擾是最理想的阻塞式干擾。此外，由于掃頻波的峰值因素較低，可以充分發(fā)揮干擾發(fā)射機的功率潛能。

4 結(jié)論

本文提出了以“掃頻鋸齒波+噪聲調(diào)頻”信號組合為彈載通信干擾機的絕對最佳干擾樣式，該干擾樣式對2FSK，2PSK，2DPSK，MSK和GMSK五種調(diào)制模式下的目標(biāo)接收機，都能達(dá)到比較好的干擾效果，且都有比較小的壓制系數(shù)。與此同時，該干擾樣式能在更寬的攔阻帶寬內(nèi)，具有更均勻的干擾頻譜，可以充分發(fā)揮干擾機的功率潛能。

如何將彈載通信干擾機與發(fā)射平臺無縫銜接，保證干擾機能順利、安全到達(dá)受擾方附近區(qū)域，則需要從彈藥結(jié)構(gòu)設(shè)計、彈體工作姿態(tài)控制、彈載干擾機抗高過載設(shè)計、彈載干擾機供電電源設(shè)計等各個方面深入細(xì)致地做工作，才能將理論變成現(xiàn)實。