基于Simulink的高速跳頻通信系統(tǒng)抗干擾性能分析

魏 瑋 張海勇 王 睿

摘 要:隨著通信技術(shù)的發(fā)展,跳頻技術(shù)特別是高速跳頻技術(shù)已經(jīng)成為軍事通信抗干擾的重要方式。介紹了跳頻通信的基本原理,建立了Simulink環(huán)境下的高速跳頻通信系統(tǒng)模型,針對(duì)不同干擾樣式進(jìn)行了仿真,并分析其抗干擾性能,得到了有效干擾的樣式,提出了增強(qiáng)干擾效果的結(jié)論,為高速跳頻通信系統(tǒng)的應(yīng)用及其對(duì)抗研究提供有力支持。

關(guān)鍵詞:跳頻;抗干擾性能;Simulink;通信系統(tǒng)

中圖分類號(hào):TN914.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)21-025-04

Anti-jamming Performance Analysis of High Speed Frequency-hopping

Communication System Based on Simulink

WEI Wei,ZHANG Haiyong,WANG Rui

(Dalian Naval Academy,Dalian,116018,China)

Abstract:With the development of communication technology,frequency-hopping technology especially high speed frequency-hopping technology has become an important part of military anti-jamming communication.By describing the basic principle of frequency-hopping communication system,model of high speed frequency-hopping communication system built by Simulink is provided.According to the anti-jamming capability after simulating with the present of different jamming types,the article makes the conclusion of useful jamming pattern and the way of strengthening the jamming preformence,which provides convincing support to the application and anti-jamming research of high speed frequency-hopping communication system.

Keywords:frequency-hopping;anti-jamming capability;Simulink;communication system

0 引 言

跳頻通信以其強(qiáng)抗干擾能力和高安全性在軍事通信領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著C4ISR系統(tǒng)要求的不斷提高,跳頻通信系統(tǒng)正向著跳速不斷提高,跳頻帶寬越來(lái)越大,跳頻圖案越來(lái)越復(fù)雜的方向發(fā)展[1]。目前每秒鐘萬(wàn)跳以上的高速跳頻已成為跳頻技術(shù)的發(fā)展方向。以美軍的JTIDS為例,其跳速能夠達(dá)到76 923跳/s,跳頻帶寬也達(dá)到了153 MHz。

本文將利用Matlab仿真軟件中的Simulink對(duì)采用MSK調(diào)制的高速跳頻通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真,并針對(duì)各種干擾樣式對(duì)其進(jìn)行分析,并得出結(jié)論。

1 跳頻通信原理

跳頻就是用偽碼序列構(gòu)成跳頻指令來(lái)控制頻率合成器,并在多個(gè)頻率中進(jìn)行選擇的移頻鍵控。所傳遞的信息碼與偽隨機(jī)序列模二相加(或波形相乘)構(gòu)成跳頻指令(即跳頻圖案),并由它隨機(jī)選擇發(fā)送頻率[2]。跳頻通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖如圖1所示[3]。

圖1 跳頻通信系統(tǒng)模型

發(fā)送端的信息碼序列與偽隨機(jī)序列經(jīng)過(guò)調(diào)制后,按不同的跳頻圖案控制頻率的合成。在接收端,接收到的信號(hào)與干擾經(jīng)高放濾波后送至混頻器。接收機(jī)的本振信號(hào)也是一頻率跳變信號(hào),跳變規(guī)律是相同的,兩個(gè)合成器產(chǎn)生的頻率相對(duì)應(yīng),但對(duì)應(yīng)的頻率有一頻差,正好為接收機(jī)的中頻。只要收發(fā)方的偽隨機(jī)碼同步,就可使收發(fā)雙方的跳頻源-頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率同步,經(jīng)混頻后,就可得到一個(gè)不變的中頻信號(hào),然后對(duì)此信號(hào)進(jìn)行解調(diào),就可恢復(fù)出發(fā)送的信息。而對(duì)干擾信號(hào)而言,由于不知道跳頻頻率的變化規(guī)律,與本地的頻率合成器產(chǎn)生的頻率不相關(guān),因此,不能進(jìn)入混頻器后面的中頻通道,不能對(duì)跳頻系統(tǒng)形成干擾,這樣就達(dá)到了抗干擾的目的。在本文的實(shí)際仿真過(guò)程中,不考慮跳頻時(shí)鐘的不能同步的情況,即認(rèn)為發(fā)送端和接收端的跳頻時(shí)鐘是完全同步的[1]。

調(diào)制中采用的是MSK(最小頻移鍵控),就是h=0.5的CPFSK,由于具有連續(xù)的相位從而能夠獲得良好的頻譜特性,是擴(kuò)頻技術(shù)中經(jīng)常運(yùn)用的調(diào)制技術(shù)[4]。其表達(dá)式為:

s㎝SK=cos(ωct+παk2Tst+φk), (k-1)Ts≤t≤kTs

式中:Е豤為載波角頻率;Ts為碼元寬度;αk為第k個(gè)碼元中的信息,取值為1或-1;φk為第k個(gè)碼元的相位常數(shù),在時(shí)間(k-1)Ts≤t≤kTs內(nèi)保持不變[1]。

2 高速跳頻通信系統(tǒng)仿真模型

利用Matlab中的Simulink對(duì)跳頻系統(tǒng)進(jìn)行仿真,建立仿真模塊如圖2所示。

系統(tǒng)的主要性能參數(shù)有:系統(tǒng)的跳頻點(diǎn)64個(gè),頻率間隔3 MHz,跳速為40 000跳/s,信道為高斯白噪聲信道(AWGN)。Bernoulli Binary Generator是信號(hào)源,用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)10 Mb/s的二進(jìn)制信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制以后與由偽隨機(jī)序列產(chǎn)生的跳頻載波相乘完成跳頻。跳頻擴(kuò)頻后的信號(hào)在經(jīng)過(guò)AWGN信道之后,受到來(lái)自Subsystem noise模塊產(chǎn)生的人為干擾。在解調(diào)模塊里,包含人為干擾分量的信號(hào)與來(lái)自跳頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的跳頻信號(hào)的共軛(由Math Function完成)相乘,完成解跳,然后經(jīng)過(guò)解調(diào),恢復(fù)原信號(hào)[2,5]。

Subsystem PN Sequence是為隨機(jī)序列產(chǎn)生子模塊,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。 偽隨機(jī)碼采用m序列,每6 b產(chǎn)生一個(gè)0~63的十進(jìn)制整數(shù),用來(lái)隨機(jī)控制跳頻輸出頻率。這個(gè)模塊輸出的序列經(jīng)過(guò)2FSK調(diào)制后成為跳頻載波。

圖2 跳頻系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 偽隨機(jī)序列產(chǎn)生子模塊結(jié)構(gòu)圖

跳頻載波、信源的調(diào)制輸出和跳頻后的信號(hào)分別如圖4~圖6所示。

圖4 跳頻載波頻譜圖

圖5 信源的調(diào)制輸出信號(hào)頻譜圖

圖6 跳頻擴(kuò)頻后的信號(hào)頻譜圖

Subsystem noise子模塊用來(lái)產(chǎn)生干擾。本文主要采用寬帶噪聲干擾和梳狀干擾兩種形式。

3 高速跳頻通信系統(tǒng)抗干擾性能分析

3.1 抗寬帶噪聲干擾能力分析

寬帶噪聲干擾是指干擾信號(hào)能量加到目標(biāo)電臺(tái)所適用的整個(gè)頻譜帶寬上,也被稱為全頻段干擾或攔阻式干擾。寬帶噪聲干擾是多信道干擾,主要不足在于它所產(chǎn)生的干擾功率密度很低,因?yàn)橛邢薜母蓴_功率被擴(kuò)展得很寬,因此不能像部分頻段干擾那么有效。

寬帶噪聲干擾的仿真模型如圖7所示。

用一個(gè)調(diào)制頻率f=200 MHz的正弦波將高斯白噪聲信號(hào)調(diào)制到200 MHz頻段上,這個(gè)寬帶干擾的頻譜圖如圖8所示。為了更好地進(jìn)行分析,分別在f=200 MHz,50 MHz,5 MHz,0.5 MHz┧母銎德實(shí)閔轄行仿真。經(jīng)過(guò)仿真,并將不同信干比下的誤碼率曲線繪制在同一幅圖像上,得到的結(jié)果如圖9所示。

圖7 寬帶噪聲干擾模塊圖

圖8 寬帶噪聲干擾頻譜圖

圖9 寬帶噪聲干擾信噪比誤碼率關(guān)系曲線

戰(zhàn)場(chǎng)上電磁環(huán)境非常復(fù)雜,10-2這一數(shù)量級(jí)的誤碼率被認(rèn)為是可以接受的,許多用于戰(zhàn)術(shù)層次的裝備誤碼率設(shè)計(jì)值為10-2。因此,較之為低的誤碼率被認(rèn)為是成功的抗干擾。從圖上可以看出,高速跳頻通信系的抗干擾性能與被干擾的頻段有關(guān),越接近跳頻頻帶的中心抗干擾性能越強(qiáng)[6,7]。對(duì)于干擾機(jī)而言,在接收端信號(hào)的能量只有達(dá)到相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度(數(shù)倍乃至數(shù)十倍于信號(hào))才能有效達(dá)成干擾,必須采取增大發(fā)射功率和縮短干擾距離的方式。對(duì)于高速跳頻而言,寬帶噪聲干擾雖然功耗大,干擾效率較低,但只要頻段覆蓋準(zhǔn)確,干擾距離和功率達(dá)到要求,仍然不失為一種有效的干擾手段。

3.2 梳狀干擾

梳狀干擾就是在預(yù)干擾的頻帶內(nèi)施放多個(gè)窄帶干擾信號(hào),特點(diǎn)是不需要復(fù)雜的偵察檢測(cè)系統(tǒng),適用于干擾各種通信系統(tǒng),其模型如圖10所示[1,6,8]。

圖10 梳狀干擾信號(hào)產(chǎn)生模型

采用7個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)將7個(gè)高斯噪聲調(diào)制后相加來(lái)模擬梳狀干擾。模塊圖如圖11所示。

圖11 梳狀干擾產(chǎn)生模塊結(jié)構(gòu)圖

載波的頻點(diǎn)分別是200 MHz,175 MHz,150 MHz,125 MHz,100 MHz,50 MHz,40 MHz,其頻譜圖如圖12所示。

圖12 梳狀干擾頻譜圖(7個(gè)頻點(diǎn))

先后對(duì)在7個(gè)頻點(diǎn)(200 MHz,175 MHz,150 MHz,125 MHz,100 MHz,50 MHz,40 MHz)調(diào)制的高斯噪聲和10個(gè)頻點(diǎn)(250 MHz,200 MHz,175 MHz,150 MHz,125 MHz,100 MHz,75 MHz,50 MHz,40 MHz,20 MHz)調(diào)制的高斯噪聲進(jìn)行仿真,得到兩條信干比和誤碼率的對(duì)應(yīng)曲線,如圖13所示。

圖13 梳狀干擾信噪比誤碼率關(guān)系曲線

從圖13上可以看出,對(duì)高速跳頻通信系統(tǒng)而言,梳狀干擾的影響遠(yuǎn)大于寬帶干擾。梳狀干擾的頻點(diǎn)越多,所占的帶寬就越大,跳頻通信誤碼率越高,干擾效果越明顯。

3.3 其他干擾

瞄準(zhǔn)式干擾難以捕獲跳頻信號(hào)的瞬時(shí)載頻,所以很難達(dá)到干擾效果,其他干擾手段也存在類似問(wèn)題。對(duì)跳頻通信系統(tǒng)能夠產(chǎn)生良好干擾效果的是跟蹤式干擾。跟蹤式干擾是建立在對(duì)敵方跳頻通信信號(hào)的偵察、處理的基礎(chǔ)之上的。只有通過(guò)提取跳頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率、信號(hào)功率等參數(shù),發(fā)射一個(gè)具有相同信號(hào)特征的干擾信號(hào),才能達(dá)到干擾目的[9,10]。

通常,接收機(jī)、干擾機(jī)、發(fā)射機(jī)滿足圖14所示的位置關(guān)系。

圖14 跟蹤式干擾干擾機(jī)幾何配置圖

為了使干擾有效,必須滿足:

d2+d3c+T﹑r≤d1c+ηTd

式中:c是電波的傳播速度;T﹑r是偵察處理時(shí)間;Td是信號(hào)駐留時(shí)間;η為小于1的常數(shù)。

由圖13可知,實(shí)際有效的干擾時(shí)間是:

Ts=Td-T﹑r+d2+d3-d1c

所以,在敵方跳速和干擾機(jī)與通信機(jī)幾何分布都不變的條件下,只有將信號(hào)處理時(shí)間縮短到敵方信號(hào)駐留時(shí)間以內(nèi),才能達(dá)到有效干擾,這個(gè)時(shí)間越短,有效干擾時(shí)間就越長(zhǎng),干擾效果越好。

對(duì)于高速跳頻通信系統(tǒng)而言,信號(hào)駐留的時(shí)間非常短。美軍JTIDS信號(hào)駐留時(shí)間只有13 μs,本文采用的模型信號(hào)駐留時(shí)間為1/40 000 s(25 μs),對(duì)于目前的技術(shù)狀況來(lái)看,通信偵察機(jī)和干擾機(jī)的處理時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)時(shí)間(毫秒量級(jí)),不能達(dá)到有效干擾的目的,一旦跳頻速率達(dá)到每秒一萬(wàn)跳以上,跟蹤式干擾就只能在理論上成立,故本文只做理論分析。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)Simulink對(duì)高速跳頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真,達(dá)到了預(yù)期的效果。本文分析結(jié)果可以為今后的高速跳頻通信的仿真和應(yīng)用研究提供良好的借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]梅文華.跳頻通信[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005.

[2]李賀冰,袁杰萍,孔俊霞.Simulink通信仿真教程[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005.

[3]李國(guó)建,張海勇,槐萬(wàn)景.短波跳頻電臺(tái)組網(wǎng)研究[J].火力與指揮控制,2006,31(3):5-8.

[4]樊昌信,曹麗娜.通信原理[M].6版.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007.

[5]余莉,楊景曙,竺小松,等.跳頻信號(hào)的仿真模擬[J].電訊技術(shù),2001(4):70-74.

[6]趙榮黎.跳頻通信抗干擾技術(shù)[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào),1994,18(2):139-146.

[7]羅賢寧,朱霞.跳頻通信的抗干擾性能仿真檢測(cè)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(19):69-71.

[8]曾興雯,劉乃安,孫獻(xiàn)璞.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004.

[9]雷迎科,鐘子發(fā),吳彥華,等.跳頻信號(hào)偵察技術(shù)研究[J].艦船電子對(duì)抗,2006,29(6):15-19.

[10]王愛粉,劉炯,茍彥新.超短波跳頻信號(hào)的偵察方案探討[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002,3(1):43-48.

作者簡(jiǎn)介

魏 瑋 男,1982年出生,山東青島人,研究生。研究方向?yàn)橥ㄐ胖笓]自動(dòng)化。

張海勇 男,1966年出生,教授,博士后,碩士生導(dǎo)師。

王 睿 男,1982年出生,助教。