一種有效的對直接序列擴(kuò)頻信號干擾技術(shù)

李圣安，朱秀珍，羅 超

（中國電子科技集團(tuán)公司27所，鄭州450047）

0 引 言

直接序列擴(kuò)頻（DSSS）通信具有抗干擾能力強(qiáng)、被截獲概率低、隱蔽性好、抗多徑衰落以及良好的碼分多址能力等一系列優(yōu)點(diǎn)［1］，成為現(xiàn)代信息傳輸常用的主要通信方式之一，被廣泛應(yīng)用于移動通信、衛(wèi)星通信、個人通信、測控、導(dǎo)航和雷達(dá)等多個軍民用領(lǐng)域。

隨著DSSS通信技術(shù)在軍事領(lǐng)域的日益廣泛應(yīng)用，基于現(xiàn)代信息戰(zhàn)中“制信息權(quán)”的考慮，對DSSS信號的偵察干擾已成為信息化作戰(zhàn)的主要內(nèi)容［2］?，F(xiàn)階段由于干擾檢測、抑制、對消和自適應(yīng)調(diào)零等抗干擾技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得對DSSS信號的對抗干擾越來越困難，常規(guī)的噪聲干擾、脈沖干擾和調(diào)制干擾等干擾方式對DSSS信號的干擾效能大大降低，如何對具有強(qiáng)抗干擾性的DSSS信號實(shí)施高效干擾是信息對抗領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

1 直接序列擴(kuò)頻通信

DSSS通信的原理是：在信息發(fā)送端，用高速的偽隨機(jī)噪聲序列碼對信號進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，將信號頻譜擴(kuò)展到較寬的頻段上；在信息接收端采用相同的序列碼對接收的信號進(jìn)行解擴(kuò)解調(diào)，把展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始的信息。通過擴(kuò)展頻譜的相關(guān)處理，大大降低了信號的功率譜能量密度，獲得高處理增益，使得信號具有很強(qiáng)的隱蔽性和抗干擾能力。DSSS系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

以直接序列－二進(jìn)制相移鍵控（DS－BPSK）為例，其信號數(shù)學(xué)模型為：

式中：A為信號幅度；d（t）∈ （－1，1），為信息數(shù)據(jù)序列；PN（t）∈ （－1，1），為特定長度的擴(kuò)頻碼；ω0為載波頻率；φ為初始相位。

圖1 DSSS系統(tǒng)原理框圖

圖2 加干擾的DSSS信號解擴(kuò)前后功率譜示意圖

DSSS信號所采用的擴(kuò)頻碼序列一般為m序列、GOLD序列或其它非線性序列，這些偽碼序列具有尖銳的自相關(guān)峰和極低的互相關(guān)值。對于干擾信號而言，由于很難做到與目標(biāo)系統(tǒng)偽隨機(jī)序列相關(guān)，在DSSS系統(tǒng)接收端解擴(kuò)功能模塊的作用下，干擾信號頻譜被擴(kuò)展，相應(yīng)功率譜密度被降低（如圖2所示），大大減少了進(jìn)入信號通帶內(nèi)的干擾功率，使解調(diào)器的輸入信噪比和信干比提高，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。只有當(dāng)干擾信號的偽隨機(jī)碼（PN）序列與通信使用的PN序列相同并在相位上完全一致地到達(dá)接收機(jī)時，擴(kuò)頻系統(tǒng)才會明顯地被干擾［3］。所以在目標(biāo)信號偽碼，碼型未知的情況下，對其實(shí)施有效干擾具有較大難度。

2 干擾技術(shù)原理

DSSS通信一般具有較高的處理增益，若采取常規(guī)的干擾信號實(shí)施壓制干擾，到達(dá)目標(biāo)接收端的干擾功率要求足夠大，能夠抵消目標(biāo)擴(kuò)頻處理增益，才可達(dá)到理想的干擾效果。在目標(biāo)通信系統(tǒng)采用干擾抵消、自適應(yīng)調(diào)零和自適應(yīng)濾波等先進(jìn)抗干擾技術(shù)時，一旦干擾信號功率大到一定程度，會被接收系統(tǒng)快速地檢測到，并被其采取上述先進(jìn)技術(shù)濾除，為實(shí)施對DSSS信號的大功率壓制干擾帶來較大困難。

以對GPS系統(tǒng)粗捕獲（CA）碼實(shí)施壓制干擾為例分析，GPS信號CA碼的擴(kuò)頻處理增益為43dB，為達(dá)到較好的干擾效果（干信比為3dB），考慮到GPS接收機(jī)最小可檢測信噪比（假定為8dB），干擾信號到達(dá)接收機(jī)時其功率要求至少比GPS信號高38dB。這么大功率的干擾信號很容易被先進(jìn)的GPS接收機(jī)檢測到，若其采用自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)，可輕易將該干擾信號在空域?yàn)V除，使其干擾失效。

對DSSS信號的相關(guān)干擾、欺騙干擾等需要一定的先驗(yàn)知識，在準(zhǔn)確檢測到目標(biāo)信號的通信參數(shù)、擴(kuò)頻碼結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)上，才可以引導(dǎo)實(shí)施相關(guān)干擾、欺騙干擾。轉(zhuǎn)發(fā)干擾不需要詳細(xì)的信號參數(shù)，但需要知道其擴(kuò)頻碼周期，經(jīng)適當(dāng)延遲轉(zhuǎn)發(fā)方可達(dá)到干擾效果。

轉(zhuǎn)發(fā)干擾由于需要轉(zhuǎn)發(fā)截獲的目標(biāo)信號，一般需要干擾機(jī)采用收發(fā)隔離的2個天線同時持續(xù)工作，快速地把轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號輻射出去［4］。同時延遲時間必須嚴(yán)格考慮，延遲時間不當(dāng)，干擾會變?yōu)槟繕?biāo)信號的多徑效應(yīng)，或被目標(biāo)接收端解擴(kuò)器直接相關(guān)掉，有時還需要對待轉(zhuǎn)發(fā)的信號進(jìn)行特定的處理。結(jié)合相關(guān)干擾和轉(zhuǎn)發(fā)干擾的特點(diǎn)，通過對轉(zhuǎn)發(fā)延遲干擾的改進(jìn)，可以達(dá)到更高效的干擾，其干擾信號產(chǎn)生原理如圖3所示。

圖3 對DSSS信號干擾產(chǎn)生原理圖

首先對截獲的DSSS信號進(jìn)行一次緩存，要求存儲量至少大于1個擴(kuò)頻碼周期Tp，作為干擾信號的產(chǎn)生源。將緩存的數(shù)據(jù)與當(dāng)前實(shí)時接收到的DSSS信號進(jìn)行相關(guān)處理，通過對處理結(jié)果提取判決，引導(dǎo)干擾信號產(chǎn)生并適時輸出。干擾信號生成的依據(jù)是，在與當(dāng)前接收的信號具有最大相關(guān)值時，循環(huán)輸出緩存區(qū)內(nèi)整數(shù)倍擴(kuò)頻碼周期的信號作為干擾信號。干擾輸出時輸入單元可停止工作，大大降低了干擾系統(tǒng)的功耗和收發(fā)單元的相互間影響。

圖4分別為在信噪比SNR＝0dB和SNR＝－5dB條件下，計(jì)算的某DSSS信號緩存數(shù)據(jù)與其單周期的PN序列相關(guān)系數(shù)絕對值的示意圖，由于緩存數(shù)據(jù)與PN序列碼在某時刻存在較大相關(guān)性，可以對應(yīng)用此PN碼擴(kuò)頻的信號產(chǎn)生相關(guān)干擾。

圖4 緩存數(shù)據(jù)與單周期PN序列的相關(guān)圖（SNR＝0dB／－5dB）

由于緩存數(shù)據(jù)與目標(biāo)信號擴(kuò)頻碼結(jié)構(gòu)相同，為實(shí)施對目標(biāo)信號相關(guān)干擾提供基礎(chǔ)。將緩存數(shù)據(jù)與當(dāng)前接收的信號經(jīng)相關(guān)計(jì)算，當(dāng)兩者擴(kuò)頻碼同步時，相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)峰值，此時達(dá)到最大相關(guān)性，即可達(dá)到最佳干擾，相關(guān)系數(shù)的任意兩峰值間長度為整數(shù)倍擴(kuò)頻碼周期。為了使干擾信號長時間有效，需要截取緩存區(qū)內(nèi)n×Tp（n≥1）長度的信號，并持續(xù)循環(huán)輸出。

圖5 緩存數(shù)據(jù)與當(dāng)前接收信號的相關(guān)圖（SNR＝0dB／－5dB）

圖5分別為在信噪比SNR＝0dB和SNR＝－5dB條件下，計(jì)算的某DSSS信號緩存數(shù)據(jù)與實(shí)時接收信號的相關(guān)系數(shù)絕對值的示意圖，圖上出現(xiàn)的多個峰值時刻，表明當(dāng)前時刻接收信號擴(kuò)頻碼正好與緩存數(shù)據(jù)包含的擴(kuò)頻碼同步，緩存數(shù)據(jù)此時可作為有效干擾信號輸出。2個峰值間的時間長度為整數(shù)倍擴(kuò)頻碼周期，截取后循環(huán)輸出可實(shí)施對目標(biāo)信號的有效干擾。

3 干擾仿真分析

計(jì)算機(jī)仿真：假設(shè)目標(biāo)信號為DS－BPSK信號，PN碼序列長度為Np＝1 024，碼速率為Rc＝10Mbps，信息碼速率為Rd＝40kbps，擴(kuò)頻增益為10lg（10／0.04）＝24dB。對目標(biāo)基帶信號進(jìn)行仿真分析，采樣率為Fs＝1次／chip。仿真過程中隨機(jī)截取的緩存數(shù)據(jù)為5 000點(diǎn)。

在信噪比SNR＝0dB條件下進(jìn)行仿真分析，得到在不同干信比下的干擾性能如圖6所示。隨著干信比的增大，誤碼率也逐漸增大，干信比大于－1時誤碼率顯著上升。當(dāng)干信比大于1后，誤碼率接近0.5，趨于穩(wěn)定，達(dá)到理想干擾狀態(tài)。

在干信比JSR＝0dB和3dB條件下進(jìn)行仿真分析，得到在不同信噪比下的干擾性能，如圖7所示。在干信比一定時，隨著信噪比的增大，誤碼率變化緩慢，在信噪比較大情況下，系統(tǒng)誤碼率的大小主要由干信比的大小決定。

圖6 不同干信比下干擾性能圖（SNR＝0dB）

圖7 不同信噪比下干擾性能圖（JSR＝0dB／3dB）

4 結(jié)束語

由于抗干擾技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，對直接序列擴(kuò)頻通信的干擾對抗變得越來越困難。本文提出并分析了一種改進(jìn)的延遲轉(zhuǎn)發(fā)干擾方式，通過仿真驗(yàn)證了對直擴(kuò)信號干擾的有效性，對直擴(kuò)信號達(dá)到了較好的干擾效果。該方式需要先驗(yàn)知識少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，是一種對直擴(kuò)信號高效的干擾技術(shù)。

［1］查光明，熊賢祚.擴(kuò)頻通信［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

［2］電子戰(zhàn)技術(shù)與應(yīng)用——通信對抗篇編寫組.電子戰(zhàn)技術(shù)與應(yīng)用——通信對抗篇［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［3］顏彪，許宗澤.一種新的抗轉(zhuǎn)發(fā)干擾直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能 分 析 ［J］.數(shù) 據(jù) 采 集 與 處 理，2002，17（4）：415－418.

［4］王雪松，劉建成，張文明，等.間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的數(shù)學(xué)原理［J］.中國科學(xué)（E輯），2006，36（8）：891－901.