跳頻通信主要干擾模式及抗干擾方法研究

彭 巍，郝 威, 陳德志

(1. 海軍工程大學(xué)，武漢 430033; 2. 91644部隊, 廣東汕頭 515910)

0 引言

抗干擾通信作為未來高技術(shù)戰(zhàn)爭中通信對抗的重要手段，一直是世界各國軍事通信領(lǐng)域發(fā)展的重點。目前抗干擾性能最好的是擴展頻譜通信，在擴展頻譜通信中，又分為直接序列(D S)、跳頻(F H)、跳時(TH)和線性調(diào)頻(Chirp)等4種基本方法[1]，其中跳頻通信的抗干擾性能最為突出，本文將針對五種典型的干擾模式，著重對跳頻通信系統(tǒng)展開抗干擾性能分析。

1 跳頻通信系統(tǒng)主要干擾模式

一般說來，跳頻通信面臨的干擾威脅主要有人為干擾和自然干擾等，人為干擾又分為有意干擾和無意干擾。從干擾樣式上劃分，可以歸為三種基本類型：一是阻塞干擾，二是跟蹤干擾，其次是多頻連續(xù)波干擾[2]。不同的裝備形式和不同的使用環(huán)境，所面臨的干擾威脅也是不盡相同的。

1.1 阻塞干擾

阻塞干擾指的是能夠同時覆蓋全部跳頻通信頻率或部分跳頻通信頻率的一種干擾方式，屬于定頻干擾，并不跟蹤跳頻通信頻率的跳變。阻塞干擾帶寬可寬可窄，在時域上可覆蓋全部跳頻通信信號。實際上，阻塞干擾是一種非相關(guān)干擾[3]，也就是說干擾載體信號特征與跳頻通信系統(tǒng)載體信號特征不吻合或是不完全吻合。從定義上可知，只要干擾功率足夠，無論是人為無意干擾還是工業(yè)干擾也都有可能對跳頻通信造成阻塞干擾。

根據(jù)典型的實現(xiàn)途徑，人為有意阻塞干擾可分為寬帶阻塞干擾、部分頻帶阻塞干擾、梳狀阻塞干擾等類型。

1.1.1 寬帶阻塞干擾

寬帶阻塞干擾的基本原理是先偵察所要干擾的系統(tǒng)的頻段信息，再對跳頻通信的全頻段或較大頻段進行無縫隙地固定或輪流功率壓制干擾。

這種干擾方式的主要優(yōu)點是不需要過多的對方系統(tǒng)先驗知識，實現(xiàn)和使用都比較簡單，并能獲得較好的干擾效果。主要缺點是容易干擾到己方通信[4]，干擾功率集中，當總干擾功率一定時，干擾頻段越寬，則落到每個通信頻率上的干擾功率就越低，即:分配到每個可用頻點上的干擾功率隨著總頻點數(shù)的增加而線性下降。

對于寬帶阻塞干擾，要覆蓋跳頻通信網(wǎng)較大的頻率范圍或全部跳頻通信頻段，在這種方式下，一臺或數(shù)量較少的干擾機很難保證干擾功率的要求，寬帶阻塞干擾相當于提高了接收機熱噪聲電平。寬帶阻塞干擾系統(tǒng)對通信偵查、識別、引導(dǎo)控制和響應(yīng)速度的要求不高，但是，必須具有足夠強的總干擾功率，付出比干擾定頻通信更大的代價。其典型頻域效果示意圖如圖1所示。

1.1.2 部分頻帶阻塞干擾

部分頻帶阻塞干擾的基本原理和寬帶阻塞干擾是一致的，區(qū)別是只進行部分頻帶的集中干擾。擴頻信號是寬帶信號，在擴頻通信所受到的干擾形式中，部分頻帶阻塞干擾可能更符合干擾的實際分布情況，寬帶阻塞干擾要求很大的干擾功率，因此在運用上經(jīng)常把整個頻段分為幾個較小的頻段，采用部分頻帶阻塞干擾。

對于部分頻帶阻塞干擾，覆蓋跳頻通信的頻率范圍較小，干擾功率相對集中一些，其典型頻率效果示意圖如圖2所示。

1.1.3 梳狀阻塞干擾

梳狀阻塞干擾在獲得跳頻通信頻段信息的基礎(chǔ)上，還要獲得跳頻通信頻率表的頻率間隔(即:頻率跳變過程中的最小頻率間隔)，然后按照該頻率間隔，針對全部或部分通信頻段進行固定或輪流的多頻點窄帶瞄準干擾，而不是采用無縫隙的頻譜覆蓋，同樣在時域上覆蓋跳頻通信信號。從頻譜上看，干擾信號是一排間斷性的頻帶干擾，故叫做梳狀干擾[5]。梳狀干擾類似部分頻帶噪聲干擾，對付跳頻通信特別有效，并且易于產(chǎn)生。典型的梳狀阻塞干擾頻率效果示意圖如圖 3所示。

1.2 跟蹤干擾

跟蹤式干擾是在對通信信號進行快速截獲、分選、分析的基礎(chǔ)上，確定干擾對象，引導(dǎo)干擾機瞄準通信信號頻率發(fā)射干擾的一種干擾方式，由于對跳頻信號的截獲、分選、分析和發(fā)射干擾信號需要一定的時間，所以跟蹤式干擾只能對每跳信號的部分時間實現(xiàn)干擾，跟蹤干擾示意圖如圖4所示。這種干擾方式對慢速跳頻系統(tǒng)產(chǎn)生很大的威脅，當跳頻速率很高時，由于每一跳的駐留時間很短，跟蹤式干擾方式來不及跟蹤跳頻信號，也就無法對干擾目標實施干擾。因此，跳頻速率越高，越能保護跳頻通信系統(tǒng)不受跟蹤式干擾機的干擾。

1.3 多頻連續(xù)波干擾

所謂多頻連續(xù)波干擾是指干擾方發(fā)送多個頻率和相位不相同的連續(xù)正弦波進行干擾。設(shè)干擾方知道傳輸信號結(jié)構(gòu)，但不知道跳頻序列，將干擾功率J等分在k個頻率上。干擾方的任務(wù)是選擇干擾頻率間隔使得比特差錯率最大[6]。

2 抗干擾方法

2.1 抗寬帶阻塞干擾方法

對付這種干擾可以采取以下措施:

1) 擴展跳頻帶寬

從寬帶阻塞干擾的干擾特點上可以看出，擴展跳頻帶寬是提高跳頻通信系統(tǒng)對抗該種干擾的有效手段。跳頻帶寬展寬，敵方干擾頻帶要相應(yīng)增加，同時在保持干擾功率譜密度不變的條件下總的干擾功率也要相應(yīng)提高，而跳頻通信的功率并不需要增加。因此，跳頻通信擴展跳頻帶寬，能夠使干擾方的全頻帶干擾設(shè)備付出展寬干擾頻帶、提高干擾功率的雙份代價，使干擾設(shè)備復(fù)雜化和體積、重量、能源供給的增加，使干擾方在技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)使用上產(chǎn)生更大困難和限制。

2) 功率對抗

采用功率對抗策略來抑制該種干擾，即采取硬抗手段。在使用中，無論是自適應(yīng)調(diào)整功率還是人工調(diào)整功率，都必須遵循一條原則，即:在可以正常通信的條件下，發(fā)射功率越小越好，以便己方對敵形成低截獲率信號。只有在遭到強干擾或由于通信距離太遠造成信號場強太弱的情況下才加大發(fā)射功率，是不得以而為之。

2.2 抗部分頻帶阻塞干擾發(fā)法

從部分頻帶阻塞干擾的特點可以看出，它屬于定頻干擾，對付這種干擾可采用以下策略：

1) 空閑信道搜索技術(shù)

所謂空閑信道搜索技術(shù)，就是指在通信之前收端掃描發(fā)送端發(fā)來的約定頻率探測信號，分析擬用通信信道中的各個頻率質(zhì)量，刪除被干擾頻率，將沒有干擾或干擾情況較弱的頻率組成跳頻圖案進行通信。這種措施是在通信之前對信道進行篩選，減輕了通信開始時的壓力，但對通信過程中的干擾不能及時處理，相當于常規(guī)跳頻通信，在干擾嚴重的情況下，會使系統(tǒng)被迫回到空閑信道搜索狀態(tài)，掃描后再回到跳頻通信狀態(tài)。

該種措施存在雖然對定頻干擾十分適用，但也存在明顯的不足。首先，通信開始時對信道的掃描需要較長時間，對通信過程中的干擾實時性不強;其次，由于通信過程中可能進行信道搜索和跳頻通信兩種狀態(tài)的切換，使得通信系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2) 實時頻率/功率自適應(yīng)技術(shù)

該技術(shù)是在通信過程中實時的檢測并刪除干擾嚴重的頻率，保證通信系統(tǒng)在較低干擾的頻率上跳頻，可以進一步提高系統(tǒng)的干擾容限，抗動態(tài)部分頻帶干擾。在實現(xiàn)該技術(shù)的同時，若采用功率自適應(yīng)跳頻技術(shù)，可以進一步提高抗干擾能力。該技術(shù)與空閑信道搜索技術(shù)聯(lián)合使用會起到更好的效果。

2.3 抗梳狀阻塞干擾方法

對付這種干擾可以采取以下措施:

1) 自動生成并更換頻率表的技術(shù)

梳狀干擾不像部分頻帶干擾，它像一把梳子一樣過濾頻帶，如果干擾間距與跳頻頻率間隔一致或接近將造成毀滅性的干擾，系統(tǒng)將可能崩潰，如果不采取有效措施，通信系統(tǒng)將被迫中斷，造成嚴重后果。因此可以采用自動生成并更換頻率表的技術(shù)。當跳頻通信系統(tǒng)面臨崩潰時，系統(tǒng)將自動產(chǎn)生并更換一張新的工作頻率表，擺脫當前干擾。該頻率表可以在原有頻段生成，也可在新頻段通信。

該種抗干擾措施在實施過程中需要注意以下問題:首先，要求通信雙方同時切換到新的頻率表上，要選擇恰當?shù)母鼡Q時機，對同步的要求較高，并保證通信不中斷;其次，對新生成的頻率表，要注意分布的均勻性，不能占用過多的頻率資源，避免影響通信的時效性;再次，要有是否進行頻率表切換的判決電路，要設(shè)置一個門限，只有系統(tǒng)達到很糟糕的情況下才可啟用。

2) 變間隔跳頻技術(shù)

由于工程實現(xiàn)方便和器件功能等原因，目前大多數(shù)跳頻通信裝備都采用等間隔跳頻方式，無論最小頻率間隔Δf取多大、跳頻圖案的隨機性能多好，但跳頻頻率表中的各頻率一般是按照Δf的整數(shù)倍排列的，頻率間隔參數(shù)單一，這一特征明顯。因此，給干擾方的偵察和干擾帶來了方便，只要獲取最低和最高跳頻頻率及Δf這三個參數(shù)，就等于獲得了整個頻率表信息。在這種情況下，梳狀干擾很容易與對應(yīng)的跳頻頻率相重合，干擾效率大大增加，從而形成了相應(yīng)的跳頻偵察與干擾體制。但如果采用變間隔跳頻技術(shù)，兩兩相鄰頻率之間的頻率間隔不相等，或不成整數(shù)倍，即頻率間隔為多參數(shù)，則可打破相應(yīng)的跳頻偵察和干擾體制，進一步提高跳頻通信系統(tǒng)的反偵察和抗干擾能力。

2.4 抗跟蹤干擾方法

跟蹤干擾無疑是常規(guī)跳頻通信的克星，能夠?qū)μl通信系統(tǒng)造成最佳干擾。但也存在不足之處，受到多方面的約束，如跳頻系統(tǒng)跳速和干擾跳速、有用信號功率和干擾信號功率、通信信號傳輸時延和干擾信號傳輸時延、跳頻系統(tǒng)帶寬和干擾機帶寬等。被干擾方可根據(jù)這些前提，采取相應(yīng)的措施克制跟蹤干擾。

1) 提高跳速或變速跳頻

只要干擾方的干擾機跟蹤的速度跟不上通信方頻率跳變的速度，那樣干擾方就始終慢半拍，無法干擾到有用信號。對于跟蹤式干擾，提高跳速是主要的抗干擾手段。跳頻速率越高抗跟蹤式干擾能力越強。當跳頻周期小于路徑延遲與干擾機的反應(yīng)時間之和時，跟蹤式干擾將無法干擾跳頻通信。因此，提高跳頻通信系統(tǒng)的跳速，是跳頻通信系統(tǒng)的有效的抗干擾措施。

2) 跳頻組網(wǎng)

跳頻組網(wǎng)的主要目的有:首先提高了跳頻通信系統(tǒng)的反偵察能力。使干擾方在眾多的時延交錯、頻率交錯的跳頻網(wǎng)信號中難以區(qū)分通信方的頻率集，無法建立各頻率集和各跳頻網(wǎng)的對應(yīng)關(guān)系，從而增強其反偵察能力，同時增加其抗跟蹤干擾能力;其次提高了跳頻網(wǎng)系的運用能力。

2.5 抗多頻連續(xù)波干擾性能

多頻連續(xù)波干擾實際上是把干擾功率平分給多個隨機頻率和相位的正弦波進行干擾，以期待部分干擾波落入通信頻點上，這部分干擾被稱為有效干擾。對于被干擾方，增加可用跳頻頻率數(shù)是提高跳頻通信抗多頻點干擾的重要手段?？捎玫奶l頻率數(shù)增多，干擾方要相應(yīng)增加干擾頻點數(shù)和干擾功率，而跳頻通信并不需要增加功率。另外，對于高速跳頻通信如美國的JTIDS系統(tǒng)，其跳速高達3 8461. 5 hop/s或76923 hop/s，跟蹤干擾無法對其有效發(fā)揮作用，此時多頻點干擾就成為對付高速跳頻的重要手段。

3 小結(jié)

在提到的多種措施中，有些具有單一的用途，而有些則具有多種干擾都具有抵抗能力，具體情況如表1所示。其中，“*”表示相應(yīng)的抗干擾措施對該種干擾有所貢獻。

4 結(jié)束語

本文通過對上述五種干擾樣式分析，充分了解了各種干擾樣式的工作機理及其特點，并針對各自的特點提出了一些合理的抗干擾增效措施，增強系統(tǒng)的可靠性。從表1中可以看出，除了更換頻率表技術(shù)能抵御本文研究的五種干擾，但也是不得已而為之，并且不能抵抗白噪聲干擾和多徑干擾。因此，沒有一種干擾方式是能抵抗所有種類的干擾。因此僅僅依靠一種措施是遠遠不夠的，需要多種措施有機結(jié)合，即采取綜合抗干擾技術(shù)體制和措施，并要與電子反偵察緊密結(jié)合。雖然多種措施能抵抗各種干擾，但同時也會帶來系統(tǒng)的復(fù)雜性，要根據(jù)系統(tǒng)的用途、層次和裝備形式等因素，進行合理的選擇和設(shè)計。

:

[1]蔡臻祥. 短波跳頻抗干擾技術(shù)體制研究.無線電通信技術(shù), 2001, 27(3):42-44.

[2]李一兵，譚俊鋒，劉明偉.自適應(yīng)跳頻通信系統(tǒng)抗干擾性能分析.信息技術(shù),2004, 25(5): 46-48.

[3]李琳.擴頻通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)窄帶干擾抑制技術(shù)研究.國防科技大學(xué)博士論文,2004:23-34.

[4]韓玉輝.電子戰(zhàn)環(huán)境下的抗干擾通信系統(tǒng).無線電工程, 1997, 27(1):35-37.

[5]陳智. 差分跳頻通信系統(tǒng)抗部分頻帶噪聲干擾的性能分析.電子與信息學(xué)報,2007,29 (6):1324-1327.

[6]K. S.Shanmugan, P. Bataban. A modified monte carlo simulation technique for the evaluation of error rate in digital communication systems. IEEE Transactions on Communications, 1980, 28(11):1916-1924.