抗干擾技術(shù)分析

李雪華

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中電子裝備生存在紛繁復(fù)雜的電磁環(huán)境中,面臨的干擾威脅日益嚴(yán)重,干擾與抗干擾日趨激烈。隨著無(wú)線(xiàn)通信的加速發(fā)展和通信對(duì)抗技術(shù)的不斷進(jìn)步,背景無(wú)線(xiàn)電頻譜將非常復(fù)雜,與以往傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)相比呈現(xiàn)出智能化程度高、功能完善、數(shù)字與模擬信號(hào)結(jié)合的特點(diǎn),對(duì)電子系統(tǒng)的干擾分析及抗干擾技術(shù)的研究愈來(lái)愈引起人們的關(guān)注,如何掌握戰(zhàn)場(chǎng)中的“制信息權(quán)”,已成為信息領(lǐng)域的重要研究目標(biāo)。

1 干擾技術(shù)

通信對(duì)抗中,甲乙雙方都是依賴(lài)對(duì)空域、時(shí)域和頻域等的占用或干擾破壞,對(duì)獲取信息的無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)進(jìn)行的攪擾和壓制,來(lái)達(dá)到實(shí)施干擾的目的,主要干擾方式分為以下幾種:

①摧毀式干擾:如采用電磁炸彈摧毀通信節(jié)點(diǎn);

②軟干擾:即對(duì)信道分析后,實(shí)施干擾,如跟蹤式干擾;

③壓制式干擾:如窄帶瞄準(zhǔn)式干擾,寬帶阻塞式干擾;

④欺騙式干擾:如轉(zhuǎn)發(fā)式干擾和再生式干擾。

對(duì)信息戰(zhàn)而言,主要是針對(duì)后3種干擾形式對(duì)抗干擾,未來(lái)數(shù)字戰(zhàn)場(chǎng)通信對(duì)抗則主要圍繞抗干擾技術(shù)及抗截獲技術(shù)展開(kāi),因此必須研究有效的抗干擾及抗截獲體制和技術(shù),為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)提供通信盾牌,取得戰(zhàn)場(chǎng)的“制信息權(quán)”。

2 抗干擾技術(shù)

針對(duì)通信干擾技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展,通信系統(tǒng)必須采用靈活多樣的抗干擾措施,有針對(duì)性地提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力,通信抗干擾的目的是盡可能地降低乙方干擾效能以保證正常通信,迫使乙方干擾信號(hào)與甲方信號(hào)在時(shí)域、空域或頻域上保持一定差異,或者使乙方有效干擾功率達(dá)不到壓制甲方通信的要求。

2.1 擴(kuò)頻技術(shù)

常用的擴(kuò)頻技術(shù)有直接序列(DS)擴(kuò)頻、跳頻(FH)、跳時(shí)(TH)以及這些擴(kuò)頻方式的組合方式。

2.1.1 DS擴(kuò)頻技術(shù)

DS擴(kuò)頻技術(shù)是將發(fā)送的信息用偽隨機(jī)(PN)序列擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上去,在接收端,用與發(fā)端相同的PN序列對(duì)接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理,恢復(fù)出原來(lái)的信息。干擾信號(hào)由于與偽隨機(jī)序列不相關(guān),在接收端被擴(kuò)展,使落入信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾信號(hào)功率大大降低,從而提高了系統(tǒng)的輸出信噪比,達(dá)到抗干擾的目的。

假設(shè)相關(guān)接收機(jī)輸入信號(hào)的信噪比為Si/Ni,輸出信號(hào)的信噪比為So/No,輸入信號(hào)的帶寬為Bi,輸出信號(hào)的帶寬為Bo。在解擴(kuò)的過(guò)程中,信號(hào)從寬帶信號(hào)被還原到了窄帶的原始信號(hào),信號(hào)的前后功率不變,即So=Si,而窄帶干擾的過(guò)程恰恰相反,其功率也不變。由于Bo＜＜Bi,因此干擾信號(hào)落在帶寬Bo內(nèi)的功率為原來(lái)功率的Bo/Bi,因此DS系統(tǒng)的處理增益為:

即輸入帶寬與輸出帶寬的比值。

2.1.2 FH擴(kuò)頻技術(shù)

FH擴(kuò)頻技術(shù)是利用偽碼控制頻率合成器,使通信頻率做隨機(jī)跳變,即使乙方干擾的頻譜帶寬與通信信號(hào)的頻譜帶寬重合,但由于乙方的偵察和干擾跟不上通信載頻變化的速度,從而無(wú)法有效地實(shí)施干擾。隨著抗干擾技術(shù)的發(fā)展,FH技術(shù)正在向著高速寬帶跳頻、自適應(yīng)壞點(diǎn)刪除跳頻和差分跳頻等方向發(fā)展。

2.1.3 FT擴(kuò)頻技術(shù)

FT擴(kuò)頻技術(shù)是把時(shí)間軸分成許多時(shí)間片,由擴(kuò)頻碼序列控制發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變,時(shí)間片很短,在時(shí)域上躲避敵方干擾,它與FH的差別在于一個(gè)控制的是頻率,而另一個(gè)控制的是時(shí)間。

上面3種不同的擴(kuò)頻方式,雖然都具有較強(qiáng)的抗干擾性能,但也有各自的不足之處。在實(shí)際使用中,有時(shí)單一的擴(kuò)頻方式很難滿(mǎn)足實(shí)際需要,若將2種或多種擴(kuò)頻方式結(jié)合起來(lái),就能達(dá)到任何單一方式難以達(dá)到的效果。最常用的混合擴(kuò)頻方式有FH/DS、TH/DS 和FH/TH 等。

2.2 自適應(yīng)天線(xiàn)技術(shù)

自適應(yīng)天線(xiàn)系統(tǒng)由天線(xiàn)陣和信息處理器組成,當(dāng)天線(xiàn)工作時(shí),信息處理器的輸入和輸出特性按一定的算法來(lái)調(diào)整其內(nèi)部序數(shù),從而自動(dòng)地修正和優(yōu)化天線(xiàn)的方向圖、頻率響應(yīng)和極化特性,搜索和跟蹤有用信號(hào)并消除干擾信號(hào)。它能在空間、頻率和極化方面自動(dòng)對(duì)干擾信號(hào)調(diào)零,對(duì)有用信號(hào)提供最大增益,主要有以下3種技術(shù):

①數(shù)字波束形成技術(shù):利用波束形成自適應(yīng)陣,在引導(dǎo)信號(hào)達(dá)到天線(xiàn)陣時(shí),便給信息處理器提供一個(gè)方向信息,并在此方向上形成主瓣;

②自適應(yīng)調(diào)零天線(xiàn)技術(shù):自適應(yīng)調(diào)零天線(xiàn)利用敵我雙方信號(hào)在幅度、頻率和空間方位的不同,通過(guò)對(duì)天線(xiàn)各陣元進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)處理,自動(dòng)控制和優(yōu)化天線(xiàn)陣的方向圖,在干擾源方向產(chǎn)生深度調(diào)零,使信號(hào)受到的干擾最少;

③極化調(diào)零自適應(yīng)天線(xiàn)陣:此天線(xiàn)用在有用信號(hào)和干擾信號(hào)的極化方式不同的情況下,用最小均方誤差算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)控制,以便對(duì)干擾信號(hào)的極化調(diào)零,保證有用信號(hào)的最大輸出。

2.3 自適應(yīng)干擾抑制技術(shù)

自適應(yīng)干擾抑制是一種針對(duì)性強(qiáng)的抗干擾手段,自動(dòng)搜索帶內(nèi)的單頻干擾并自動(dòng)進(jìn)行干擾抑制。DS擴(kuò)頻系統(tǒng)中,由于擴(kuò)頻帶寬的限制,當(dāng)擴(kuò)頻增益不能提供足夠的干擾抑制時(shí),對(duì)窄帶干擾信號(hào),在窄帶干擾所占用的頻帶上形成陷波,慮除干擾信號(hào),或直接對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行估計(jì),并從接收信號(hào)中減去對(duì)干擾信號(hào)估計(jì),處理后的接收信號(hào)送解擴(kuò)處理,以解調(diào)性能的略微降低,換取系統(tǒng)對(duì)窄帶干擾信號(hào)的抑制。

2.4 糾錯(cuò)編碼+交織技術(shù)

糾錯(cuò)編碼技術(shù)是應(yīng)用最廣泛、也是歷史最悠久的抗干擾措施,以往主要用于抗非人為干擾,如環(huán)境噪聲干擾等?，F(xiàn)將糾錯(cuò)編碼技術(shù)應(yīng)用于軍事通信系統(tǒng)中,對(duì)抗有意的人為干擾。主要的糾錯(cuò)編碼技術(shù)包括自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)技術(shù)和前向糾錯(cuò)編碼(FEC)技術(shù)。為了防止突發(fā)干擾引起的誤碼,同時(shí)加入交織技術(shù),將信道突發(fā)錯(cuò)誤隨機(jī)化,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.5 自適應(yīng)功率控制技術(shù)

根據(jù)乙方干擾電平的高低自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)輸出功率的大小,當(dāng)乙方干擾信號(hào)強(qiáng)時(shí),發(fā)射機(jī)輸出功率隨之增大;當(dāng)乙方干擾信號(hào)弱時(shí),發(fā)射機(jī)輸出功率隨之減少。這樣,可始終保持足夠的信噪比,對(duì)乙方干擾能有效地予以抑制。

為強(qiáng)調(diào)《罕哈冉惠傳》的主題是“反天崇佛”，學(xué)者又拿出了如下細(xì)節(jié)證據(jù)：哈冉惠出征求婚時(shí)，口誦佛經(jīng)，祈禱一路平安，并燃“煨?！毕蚍鹱孢凳?；送行的人祝福他，一切會(huì)按佛祖旨意實(shí)現(xiàn)；阿克布拉爾汗在雪山上修建了八十八佛塔，寺院里供奉著釋迦摩尼佛像；姑娘出嫁時(shí)帶著金字大藏經(jīng)，勇士們結(jié)義時(shí)頭上頂著佛像；天上打雷時(shí)口誦佛經(jīng)可脫離危險(xiǎn)；用金殼里的神水和金丸能使人起死回生等等。

2.6 自適應(yīng)選頻技術(shù)

當(dāng)通信受到嚴(yán)重干擾時(shí),更改受干擾工作頻率,避開(kāi)乙方干擾或選擇干擾最小的頻段進(jìn)行通信。

既能實(shí)現(xiàn)改頻,又能實(shí)現(xiàn)最佳接收,就要最大限度地濾除干擾信號(hào),這就要求窄帶濾波器的通帶頻率隨著工作頻率的改變而相應(yīng)改變,此項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是電調(diào)濾波器,下面重點(diǎn)對(duì)電調(diào)濾波器的原理及作用加以介紹。

3 電調(diào)濾波器

3.1 雙工器工作原理

以微波設(shè)備為例,微波通信設(shè)備組成框圖如圖1所示。

圖1 微波通信設(shè)備組成原理

圖1中雙工器的作用是將發(fā)射功率通過(guò)發(fā)濾波,經(jīng)過(guò)環(huán)形器發(fā)射到天線(xiàn);同時(shí)天線(xiàn)接收信號(hào)通過(guò)環(huán)形器到收濾波器,接收有用信號(hào),濾除干擾信號(hào)。

發(fā)濾波器為帶通濾波器,通帶寬度根據(jù)發(fā)射信號(hào)帶寬進(jìn)行設(shè)計(jì),其作用是讓發(fā)射有用信號(hào)順利通過(guò),同時(shí)對(duì)發(fā)射信號(hào)的諧波、雜散等無(wú)用信號(hào)濾除。

收濾波器為帶通濾波器,通帶寬度根據(jù)發(fā)射信號(hào)帶寬進(jìn)行設(shè)計(jì),其作用是讓天線(xiàn)接收的有用信號(hào)順利通過(guò),對(duì)通帶外的其他干擾信號(hào)濾除,保證接收機(jī)接收有用信號(hào)的同時(shí),最大限度地濾除干擾信號(hào)。最佳雙工器發(fā)射、接收帶通濾波示意圖如圖2所示。

圖2 最佳雙工器發(fā)射、接收帶通濾波示意圖

由此可知,通信系統(tǒng)最佳發(fā)射、接收的帶寬應(yīng)該與發(fā)射、接收信號(hào)的頻譜寬度匹配,只有這樣,才能夠保證發(fā)射信號(hào)純正,同時(shí)接收信號(hào)不受外界干擾,因此,雙工器是微波通信設(shè)備與外界電磁頻譜交互的窗口。

對(duì)于民品微波設(shè)備,一般采用ITU規(guī)定的頻段,由無(wú)線(xiàn)電規(guī)劃管理部門(mén)指定頻率和帶寬,據(jù)此配備的雙工器的頻率、帶寬是固定不變的,由于其他用戶(hù)不允許在同一地區(qū)重復(fù)使用同一頻率,一般不會(huì)產(chǎn)生干擾。

對(duì)于軍事通信系統(tǒng),由于戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境非常復(fù)雜,存在甲方多種通信手段的自干擾和乙方的強(qiáng)干擾,要求通信設(shè)備必須具備現(xiàn)場(chǎng)改頻能力,以便應(yīng)付瞬息變換的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境,保證通信暢通。

為了既滿(mǎn)足通信系統(tǒng)最佳發(fā)射、接收的濾波器帶寬要求,又能夠隨時(shí)改變工作頻率避開(kāi)干擾,在軍事通信設(shè)備中,一致采用電調(diào)濾波器作為最有效的抗干擾手段。如北約裝備的AN/GRC-226、GRC-245、GRC-512A、法國(guó)的TFH701、德國(guó)的 CTM301T、美國(guó)AN/TRC-190、土耳其GRC-5211、瑞典RL432和意大利MH313等系列軍用微波機(jī),均采用電調(diào)濾波器抗干擾措施,大量應(yīng)用于北約戰(zhàn)術(shù)軍事通信。

3.2 電調(diào)濾波器的實(shí)現(xiàn)及抗干擾中的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)以上論述可知,為了實(shí)現(xiàn)頻率抗干擾,又滿(mǎn)足最佳接收濾波器要求,要求濾波器的通帶頻率隨著工作頻率的改變而相應(yīng)改變,這就是電調(diào)濾波器。

電調(diào)濾波器是通過(guò)改變?yōu)V波器腔體諧振單元長(zhǎng)度來(lái)改變?yōu)V波器通帶頻率,改變諧振單元長(zhǎng)度的方法是通過(guò)微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的;微型步進(jìn)電機(jī)由監(jiān)控控制,因此,在改變工作頻率的同時(shí),監(jiān)控給微型步進(jìn)電機(jī)發(fā)指令,微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)諧振單元到指定頻率,實(shí)現(xiàn)通帶頻率電調(diào)改變。

電調(diào)濾波器通帶頻率改變示意圖如圖3所示,圖3中分別代表中心頻率為f1、f2和f3的3種濾波器的幅頻特性,由圖3可以看出,電調(diào)濾波器只改變中心頻率而帶寬不變。

圖3 電調(diào)濾波器通帶頻率改變示意圖

電調(diào)濾波器是軍事通信最重要的抗干擾措施之一,由于電調(diào)接收濾波器通帶只允許甲方對(duì)端有用信號(hào)通過(guò),而其余無(wú)用信號(hào),無(wú)論是本站自干擾信號(hào),還是乙方有意干擾信號(hào),均被有效濾除,對(duì)于通信設(shè)備的良好接收起到非常重要的作用,是對(duì)付電磁干擾的最有效手段,也是軍用微波通信設(shè)備的最關(guān)鍵部件。通過(guò)采用電調(diào)濾波器,即可實(shí)現(xiàn)圖2所示的最佳收、發(fā)濾波系統(tǒng)。

如果不采用電調(diào)濾波器,又希望改變工作頻率,只能夠采用寬帶帶通濾波器,通信設(shè)備工作頻率在寬帶帶通濾波器帶寬內(nèi)可變,由于固定濾波器帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際工作信號(hào)帶寬,因此該濾波器濾除不了發(fā)射的雜散,也濾除不了接收信號(hào)旁邊的干擾信號(hào),經(jīng)過(guò)寬帶固定濾波器后的收發(fā)頻譜示意圖如圖4所示。這樣實(shí)際的雙工器系統(tǒng)不是最佳系統(tǒng),將導(dǎo)致干擾信號(hào)通過(guò)雙工器進(jìn)入接收機(jī),對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生干擾,尤其是乙方干擾,干擾功率強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常接收電平,對(duì)接收機(jī)將是致命干擾,而濾波器通帶無(wú)法相應(yīng)改變,因此將導(dǎo)致通信中斷,這就是為什么軍事通信普遍采用電調(diào)濾波器作為抗干擾手段的根本原因。

圖4 經(jīng)過(guò)寬帶固定濾波器后的收發(fā)頻譜示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著通信對(duì)抗技術(shù)的不斷進(jìn)步,軍事通信抗干擾問(wèn)題也日益突出,使得軍事通信面臨諸多問(wèn)題,干擾與抗干擾技術(shù)已作為信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的一部分進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng),不僅要求局部的通信系統(tǒng)具有抗干擾能力,更重要的是整個(gè)通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)要具有綜合抗干擾能力,能在系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)的綜合對(duì)抗中,在任何復(fù)雜的電磁環(huán)境下完成信息傳輸。因此,研究和發(fā)展各種抗干擾技術(shù),并大力發(fā)展多體制相結(jié)合的綜合抗干擾技術(shù),已成為世界各國(guó)發(fā)展的目標(biāo)。

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