對(duì)短波并行體制符號(hào)同步的靈巧干擾

孫志宇,徐以濤,胡勇軍,劉曉琦

(1.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院,江蘇南京210007;2.中國人民解放軍65631部隊(duì),遼寧錦州121000)

0 引言

同步是短波并行體制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié),攻擊數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的同步系統(tǒng),對(duì)破壞數(shù)據(jù)傳輸而言,在許多條件下會(huì)以小的代價(jià),取得更好的效果[1]。文獻(xiàn)[2]指出針對(duì)同步系統(tǒng)的干擾就是實(shí)現(xiàn)靈巧干擾技術(shù)的一種方法。符號(hào)同步是短波并行體制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的又一重要環(huán)節(jié),對(duì)并行體制同步的攻擊,已有文獻(xiàn)[3,4]研究對(duì)現(xiàn)在正在廣泛應(yīng)用于北約數(shù)據(jù)鏈link11和link16的同步過程攻擊,并取得了良好的干擾效果,本文研究對(duì)短波并行高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的符號(hào)同步的靈巧干擾技術(shù)。

1 39音并行調(diào)制解調(diào)器的信號(hào)波形結(jié)構(gòu)

1.1 39音并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)前導(dǎo)結(jié)構(gòu)

在傳輸數(shù)據(jù)之前,將傳輸3個(gè)前導(dǎo)信息:

Preamble-1傳送持續(xù)14個(gè)符號(hào)周期(信號(hào)存在信息和多普勒估值信息),包含14個(gè)符號(hào)周期的等幅未調(diào)制的4音信號(hào),頻率點(diǎn)分別為787.5 Hz、1 462.5 Hz、2 137.5 Hz和2 812.5 Hz,信號(hào)存在信息用來檢測(cè)信號(hào)是否到來,接收端檢測(cè)到此信號(hào)以確定信號(hào)出現(xiàn),多普勒頻偏估值信號(hào)用來估計(jì)信號(hào)通過信道后所產(chǎn)生的頻率偏差。

Preamble-2將傳送持續(xù)8個(gè)符號(hào)周期(用于符號(hào)同步建立信息),包含3個(gè)調(diào)制后的數(shù)據(jù)音,頻率點(diǎn)分別為1 125 Hz、1 800 Hz和2 475 Hz,符號(hào)同步建立信息為接收端建立符號(hào)同步提供必要的信息;

第3部分為相位參考幀,由一個(gè)符號(hào)周期組成;

最后為塊同步及39音數(shù)據(jù)信息,每個(gè)碼元長度為Tsymb=22.5 ms,如圖1所示。

圖1 39音OFDM系統(tǒng)分組波形結(jié)構(gòu)圖

1.2 Preamble-2符號(hào)同步算法

Preamble-2提供對(duì)符號(hào)同步捕獲的前導(dǎo)信息,在并行體制的HF MODEM中,符號(hào)同步的含義就是指要確定22.5 ms幀的起始位置,只有這個(gè)位置找到了,才能確保FFT變換的樣點(diǎn)取一幀內(nèi),以保證判決信號(hào)抽樣點(diǎn)在22.5 ms的中央。

發(fā)送端發(fā)送完用于信號(hào)存在檢測(cè)和載波同步的信號(hào)之后,在 3個(gè)正交頻率1 125 Hz、1 800Hz、2 475 Hz上,連續(xù)發(fā)送8幀2PSK信號(hào)用于符號(hào)同步的捕獲。對(duì)Preamble-2符號(hào)同步捕獲,采用的方法是基于內(nèi)積算法的符號(hào)定時(shí)同步。采用滑動(dòng)DFT算法來計(jì)算頻域內(nèi)的內(nèi)積值,此方法是建立在最大后驗(yàn)概率(MAP)準(zhǔn)則基礎(chǔ)上的內(nèi)積同步法。具體做法是在時(shí)域離散序列內(nèi)連續(xù)開設(shè)了2個(gè)長為N的觀測(cè)窗口,求得其頻譜上的頻譜值,通過滑動(dòng)DFT可算出每滑動(dòng)一點(diǎn)后對(duì)應(yīng)的頻域信號(hào)的頻譜矢量,得到其頻譜線上前后窗口內(nèi)的頻域值分別為:

設(shè)該頻譜線上的內(nèi)積值為Z,則

式中,DOT運(yùn)算就是內(nèi)積運(yùn)算,求得相鄰兩觀測(cè)窗口在某頻譜線上的內(nèi)積值,滑動(dòng)窗口滑動(dòng)N點(diǎn),必會(huì)有同步點(diǎn)出現(xiàn)。根據(jù)同步點(diǎn)兩窗口的內(nèi)積值有特殊的統(tǒng)計(jì)特性,最后以兩窗口的內(nèi)積值的統(tǒng)計(jì)特性,應(yīng)用最大后驗(yàn)概率(MAP)準(zhǔn)則判決同步幀。判決同步幀的方法是:若在一個(gè)滑動(dòng)周期(滑動(dòng)DFT算法滑動(dòng)N次)中,第i次變換對(duì)應(yīng)的內(nèi)積值DOT滿足:

式中,DOTi為第i次變換的內(nèi)積值;P(Syn/DOTi)為當(dāng)內(nèi)積值為DOTi時(shí)第i點(diǎn)為同點(diǎn)的概率。通過對(duì)同步點(diǎn)的捕獲,可以判第i點(diǎn)為同步點(diǎn)。內(nèi)積同步法在并行體制系統(tǒng)中,是根據(jù)并行體制信號(hào)發(fā)送的特點(diǎn)而提出的一種簡單、可靠的符號(hào)同步方案。

2 符號(hào)同步對(duì)系統(tǒng)性能的影響

Speth和Fechtel等人對(duì)符號(hào)同步的影響進(jìn)行了研究[5]:在循環(huán)前綴內(nèi),受延遲擴(kuò)展和不受延遲擴(kuò)展的2個(gè)區(qū)域,若時(shí)間同步點(diǎn)在延遲擴(kuò)展影響的區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生ISI,反之則不會(huì)受到影響。在受到延遲擴(kuò)展影響的區(qū)域,由于nθ的存在,造成的影響是[6]:

式中,l為第l個(gè)ofdm符號(hào);k為OFDM符號(hào)所在的載波;zl,k為第l個(gè)符號(hào)第k個(gè)子載波的輸出;al,k為發(fā)射端第l個(gè)符號(hào)第k個(gè)子載波的數(shù)據(jù);nl,k為發(fā)射端第l個(gè)符號(hào)第k個(gè)子載波上的噪聲。由于符號(hào)同步誤差,對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響主要為ICI和ISI,ICI和ISI為近似為高斯噪聲,其方差為[6]:

式中,Tg為循環(huán)前綴的時(shí)間長度;τi為第i條徑的時(shí)延;T1=T/N,表示接收端時(shí)間抽樣間隔;hi為第i條徑的信道抽頭系數(shù)。時(shí)間同步誤差必須非常準(zhǔn)確,因?yàn)闀r(shí)間同步常常對(duì)信道估計(jì)性能有影響,而信道估計(jì)誤差將會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的影響,由于時(shí)間同步誤差導(dǎo)致的信道估計(jì)誤差的方差為[6]:

式中,εT1為時(shí)間偏移;W(τ)為信道估計(jì)中窗函數(shù),可見時(shí)間偏差不僅造成相位旋轉(zhuǎn),而且同時(shí)產(chǎn)生了ISI和ICI,使解調(diào)段信噪比降低。假設(shè)前后碼元是非相關(guān)的,此時(shí)可以近似得到接收端信噪比損失為:

3 對(duì)符號(hào)同步靈巧干擾策略

靈巧干擾的設(shè)計(jì)方案:首先靈巧干擾要借助于偵察手段,對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別并準(zhǔn)確獲取目標(biāo)信號(hào)的參數(shù)特征,作為引導(dǎo)施放干擾的依據(jù);然后在干擾引導(dǎo)技術(shù)的引導(dǎo)下,提取不同的信號(hào)特征,根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)和自學(xué)習(xí)功能,選擇或設(shè)計(jì)干擾樣式,生成針對(duì)性很強(qiáng)的干擾信號(hào);最后再通過干擾引導(dǎo)技術(shù)從時(shí)間域、空間域、頻率域、樣式域和過程域等多維空間形成最佳匹配的干擾信號(hào)。

對(duì)Preamble-2的符號(hào)同步捕獲的靈巧干擾策略正是基于這種干擾設(shè)計(jì)方案,首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行偵收,對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析后,干擾樣式設(shè)計(jì)出一種相關(guān)性強(qiáng)的干擾信號(hào),最后由發(fā)射端發(fā)出干擾信號(hào)。

相關(guān)性強(qiáng)的干擾信號(hào)是利用干擾引導(dǎo)技術(shù),通過對(duì)通信信號(hào)的截獲,設(shè)計(jì)出參數(shù)與其相同或接近的相關(guān)干擾信號(hào),表達(dá)式為:

式中,Pjam為干擾信號(hào)的幅度;ajam(t)為與信號(hào)參數(shù)相關(guān)的函數(shù);fjam為與通信信號(hào)相同或這接近的干擾信號(hào)的載頻;θjam為與信號(hào)相同或接近的干擾信號(hào)的相位。因?yàn)楦蓴_信號(hào)與發(fā)送端的信號(hào)由很強(qiáng)的相關(guān)性,使得接收端對(duì)接收到的符號(hào)同步頭產(chǎn)生錯(cuò)誤判決,導(dǎo)致符號(hào)同步出錯(cuò)。干擾后對(duì)OFDM解調(diào)的影響,直接給出加入干擾后接收信號(hào)的表達(dá)式。

接收端接收到的第q個(gè)子載波上的第n個(gè)OFDM符號(hào)的表達(dá)式為:

式中,njam的定義為干擾信號(hào)對(duì)其產(chǎn)生的符號(hào)同步偏差。由式分析干擾對(duì)符號(hào)定時(shí)的影響有以下3點(diǎn):

①相位旋轉(zhuǎn)2πqnjam/NFFT,旋轉(zhuǎn)隨子載波索引q變化但不隨n增加;

②定時(shí)干擾使得同步點(diǎn)落在CP后,接收端對(duì)信號(hào)作FFT變換之后,將包含了下一個(gè)OFDM符號(hào)的采樣,由此將造成符號(hào)間干擾ISI和ICI;

4 對(duì)符號(hào)同步的靈巧干擾仿真

對(duì)符號(hào)同步靈巧干擾有了2種干擾效果:①使得系統(tǒng)的誤碼率升高,使得接收端理解信息難度加大,達(dá)到不能理解的程度,理論表明當(dāng)誤碼率達(dá)到50%時(shí),接收方將不能理解其信息內(nèi)容;②使得信息傳輸滯后,戰(zhàn)場(chǎng)上時(shí)間就是生命的保障,干擾同步系統(tǒng),將會(huì)導(dǎo)致信息的延誤或者信息的滯后,為我方贏得時(shí)間。

仿真采用 Matlab軟件,在典型短波信道Watterson信道下仿真。采樣速率為7 200,FFT點(diǎn)數(shù)為128,單音間隔56.25 Hz,符號(hào)同步音1 125 Hz、1 800 Hz、2 475 Hz,CP長度為 34*(1/7 200)=4.732 ms,調(diào)制方式采用DQPSK,碼元長度22.5 ms,碼元速率44.444。

依據(jù)式(13),當(dāng)符號(hào)同步錯(cuò)誤時(shí),接收端對(duì)數(shù)據(jù)解調(diào)會(huì)產(chǎn)生相位旋轉(zhuǎn)與幅度衰減,對(duì)系統(tǒng)實(shí)施針對(duì)符號(hào)同步的靈巧干擾參數(shù)njam=54時(shí),其星座點(diǎn)的變化如圖2所示。

圖2 干擾前后星座點(diǎn)變化

圖2為采用相干擾波形的靈巧方式干擾方式,其接收端解調(diào)前后星座圖的變化。從對(duì)比圖中可以明顯看出,星座圖相位旋轉(zhuǎn),幅度衰減,接收端已經(jīng)不能很好地對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行正確的解調(diào)。

概率準(zhǔn)則有時(shí)也被稱為戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用準(zhǔn)則或效能準(zhǔn)則,是從被干擾對(duì)象在電子干擾條件下,完成給定任務(wù)的概率出發(fā)來評(píng)估干擾效果。有些時(shí)候僅僅基于誤碼率準(zhǔn)則,并不能很好地評(píng)估干擾效果。

如當(dāng)系統(tǒng)本身在復(fù)雜的環(huán)境下性能就很差,使得誤碼率偏高,這時(shí)若使用誤碼率準(zhǔn)則,就不一定說明干擾效果有效。因此在對(duì)符號(hào)同步干擾效果評(píng)估時(shí),使用概率準(zhǔn)則,以接收端捕獲符號(hào)同步的錯(cuò)誤概率來評(píng)定干擾效果就顯得更加直觀。對(duì)靈巧干擾與多種干擾方式對(duì)符號(hào)同步捕獲概率的影響進(jìn)行仿真,如圖3所示。

圖3 靈巧干擾與常規(guī)干擾誤同步概率比較圖

從圖3中可見,當(dāng)采用相關(guān)波形進(jìn)行干擾,其頻率完全對(duì)準(zhǔn)符號(hào)同步音時(shí),靈巧干擾效果明顯好于瞄準(zhǔn)多音干擾、隨機(jī)多音干擾、隨機(jī)單音干擾、掃頻干擾和噪聲干擾,當(dāng)干擾功率JSR增大,符號(hào)同步錯(cuò)誤概率將增大?？梢?相關(guān)性強(qiáng)的靈巧干擾JSR在0 dB時(shí),對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生極大的影響,其錯(cuò)誤同步概率達(dá)到90%以上,隨機(jī)多音干擾等常規(guī)干擾,對(duì)系統(tǒng)影響比較小,都達(dá)不到壓制通信的目的,其中若要實(shí)現(xiàn)隨機(jī)多音干擾,全頻段噪聲干擾,其總功率都將非常高,且達(dá)不到更好的干擾效果。靈巧式的相關(guān)信號(hào)的干擾使得接收端對(duì)符號(hào)同步的估計(jì)產(chǎn)生錯(cuò)誤,而符號(hào)同步的錯(cuò)誤導(dǎo)致接收端不能正確解調(diào)數(shù)據(jù),并且符號(hào)同步錯(cuò)誤將造成通信雙方的數(shù)據(jù)傳遞的延誤。

5 結(jié)束語

首先分析符號(hào)同步偏差對(duì)系統(tǒng)的影響,而后剖析了39音并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中符號(hào)同步捕獲算法。對(duì)符號(hào)同步頭的干擾采用靈活的方式,既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)解調(diào)的影響,又能影響通信的建立,致使通信滯后。具體實(shí)施是利用Matlab軟件搭建仿真環(huán)境,采用滑動(dòng)相關(guān)法實(shí)現(xiàn)了對(duì)符號(hào)同步的建立,之后基于對(duì)符號(hào)同步的靈巧干擾思想,在短波信道下對(duì)高速短波并行體制的符號(hào)同步實(shí)施靈巧干擾,并與多種干擾方式進(jìn)行比較分析。通過理論上的分析與仿真結(jié)果驗(yàn)證,證明了靈巧干擾符號(hào)同步的實(shí)用性、可行性。

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