短波跳頻通信中多模多域干擾抑制措施研究

孫明亮++雷坤++吳彬彬

摘要：該文針對(duì)短波復(fù)雜電磁環(huán)境下多種干擾的特點(diǎn)和常用干擾抑制算法的性能，提出了一種多模多域的抗干擾技術(shù)方案，分析了這種技術(shù)方案對(duì)典型干擾樣式的抗干擾效果，并通過(guò)計(jì)算及仿真證明，達(dá)到了抗干擾的目的。

關(guān)鍵詞：短波通信；跳頻；多模多域抗干擾

中圖分類號(hào)：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）17-0035-03

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和在戰(zhàn)爭(zhēng)中的廣泛運(yùn)用，作為電子戰(zhàn)主要內(nèi)容的通信對(duì)抗，成為了雙方的主要焦點(diǎn)。特別是在戰(zhàn)場(chǎng)惡劣電磁環(huán)境中，在大強(qiáng)度干擾對(duì)抗時(shí)，干擾類型往往以具有時(shí)、頻、空等多維多域特征出現(xiàn)。據(jù)此，筆者對(duì)不同干擾模式，應(yīng)采取的多域干擾抑制措施進(jìn)行了深入的研究。

1 干擾抑制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通信對(duì)抗一體化的核心技術(shù)是建立在頻譜感知基礎(chǔ)上的，頻譜感知即是對(duì)干擾信號(hào)的探測(cè)識(shí)別，完整的頻譜感知模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。從探測(cè)通道能夠獲得感興趣頻帶內(nèi)信號(hào)的占用情況，通過(guò)編制算法軟件進(jìn)行后續(xù)的多域信號(hào)分析處理，即可采取對(duì)應(yīng)的抗干擾措施。

2 干擾抑制系統(tǒng)分析

信號(hào)特征提取和模式識(shí)別是多模式多域抗干擾通信的第一步，特征提取和模式識(shí)別對(duì)多模式多域抗干擾通信非常重要， 它能使系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得當(dāng)前頻率集的通信質(zhì)量，并為下一步的抗干擾策略選取提供依據(jù)。圖2給出了干擾識(shí)別的流程圖，它可以分為5個(gè)主要步驟。

2.1 頻率跳變

頻率跳變是指把通信偵察機(jī)的接收頻率調(diào)整到下一個(gè)所要探測(cè)的信道，這里由DSP和FPGA聯(lián)合控制頻率合成器的本振頻率。該系統(tǒng)采用雙接收通道，一個(gè)用于接收數(shù)據(jù)，一個(gè)用于頻譜感知。本系統(tǒng)采用數(shù)字化信道接收機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻譜感知，以信道帶寬為間隔，進(jìn)行快速掃描。掃描方式有兩種，即按全頻段順序掃描和按預(yù)置頻率集掃描。為了方便對(duì)干擾模式的識(shí)別，一方面，偵察機(jī)的偵察跳變規(guī)律與通信中所使用的跳頻圖案不一致，這樣便于實(shí)現(xiàn)對(duì)各種干擾樣式的探測(cè)；另一方面，由于偵察某一信道所需時(shí)間要遠(yuǎn)小于跳頻通信中在這一信道的駐留時(shí)間，因此在很短的時(shí)間內(nèi)可以實(shí)施對(duì)整個(gè)頻帶的快速掃描。

2.2 信號(hào)采集

為了對(duì)當(dāng)前的信道進(jìn)行有效分析，必須采集足夠多的信號(hào)樣本，同時(shí)，為了提高偵察的速度，跳頻掃描速率也必須足夠快。這樣一來(lái)，需要對(duì)采樣速率和跳頻駐留時(shí)間聯(lián)合設(shè)計(jì)，進(jìn)行折中處理，才能準(zhǔn)確獲取當(dāng)前信道接收信號(hào)的頻譜特征。即在每一跳的駐留時(shí)間內(nèi)，得到多個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)下變頻器輸出的I/Q兩路數(shù)據(jù)分別保存，等待后續(xù)處理。

2.3 功率譜估計(jì)

循環(huán)譜檢測(cè)法主要是為了實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)功率的精確檢測(cè)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將循環(huán)譜檢測(cè)應(yīng)用到MPSK檢測(cè)中，以確定合適的判定門限。通過(guò)測(cè)量MPSK信號(hào)的周期循環(huán)譜在[f=±fc α=1/Tc]處的峰值大小，來(lái)相應(yīng)精確計(jì)算信號(hào)的接收功率，而這兩個(gè)參數(shù)（[fc 與 Tc]）在檢測(cè)過(guò)程中對(duì)我們來(lái)說(shuō)是已知的，因此在檢測(cè)過(guò)程中僅需要計(jì)算MPSK信號(hào)的周期循環(huán)譜在該處的峰值即可而并不需要計(jì)算它的整個(gè)周期循環(huán)譜，從而大大降低了該算法的計(jì)算復(fù)雜度。

此外，在戰(zhàn)場(chǎng)惡劣電磁環(huán)境中，干擾都是動(dòng)態(tài)變化的，特別是跳頻干擾時(shí)，其變化速率更快。因此，對(duì)寬頻帶全頻段掃描的各頻率點(diǎn)能量值需要增加記憶性，從而能夠感知跳頻信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響。穩(wěn)健頻點(diǎn)能量估計(jì)框圖如圖3所示。

由圖可以看出，穩(wěn)健頻點(diǎn)能量估計(jì)實(shí)現(xiàn)了快充慢放機(jī)制。工作機(jī)制如下：

第一步先比較當(dāng)前檢測(cè)的頻點(diǎn)能量與記憶能量值比較，若前者強(qiáng)，則以前者檢測(cè)結(jié)果為準(zhǔn)，否則進(jìn)行第二步。

第二步將記憶能量值與當(dāng)前檢測(cè)值經(jīng)過(guò)IIR低通濾波器，實(shí)現(xiàn)慢放過(guò)程。

這樣就從時(shí)頻二維對(duì)寬頻段信號(hào)進(jìn)行了檢測(cè)，防止檢測(cè)的最佳工作頻點(diǎn)落入跳頻頻率集中，這樣就會(huì)不斷造成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道工作頻率點(diǎn)的轉(zhuǎn)移。

圖3 穩(wěn)健頻點(diǎn)能量估計(jì)框圖

2.4 特征提取和選擇

根據(jù)模式識(shí)別理論，原始數(shù)據(jù)組成的空間稱為測(cè)量空間，分類識(shí)別賴以進(jìn)行的空間稱為特征空間，通過(guò)變換，將測(cè)量空間中表示的模式變?yōu)樘卣骺臻g中表示的模式。

根據(jù)干擾信號(hào)與通信信號(hào)以及背景噪聲在頻域上體現(xiàn)出的不同特性，確定在頻域上進(jìn)行特征提取。對(duì)于未知隨機(jī)信號(hào)，無(wú)法像用數(shù)學(xué)表達(dá)式精確表示，而只能用它的各種統(tǒng)計(jì)平均量來(lái)表征。根據(jù)累計(jì)多次探測(cè)的全頻段功率譜，可以計(jì)算得到均值和方差，因此我們將這些均值和方差序列作為分類的二維特征空間。

該模塊中的特征提取是面向抗干擾策略。我們要提取兩個(gè)特征：最佳工作頻率點(diǎn)和干擾分布。最佳工作頻率點(diǎn)就是在允許通信的頻段內(nèi)，通過(guò)穩(wěn)健頻率點(diǎn)能量估計(jì)算法估計(jì)出一段時(shí)間內(nèi)的受干擾最小的頻率點(diǎn)。干擾分布是通過(guò)穩(wěn)健頻率點(diǎn)能量估計(jì)值與循環(huán)譜檢測(cè)算出的干擾門限值進(jìn)比較確定某頻點(diǎn)是否受干擾，然后確定受干擾的頻率點(diǎn)占通信頻段的百分比。

2.5 干擾模式分類識(shí)別

短波信道干擾方式可分為跟蹤干擾、壓制干擾和梳狀干擾；干擾的類型可分為靜態(tài)干擾、動(dòng)態(tài)干擾和回放干擾；干擾模式主要有掃頻干擾、偽碼干擾、白噪聲干擾和FSK干擾等。

通過(guò)建立干擾模型庫(kù)，對(duì)干擾樣式進(jìn)行可靠估計(jì)，將干擾劃分成典型干擾與非典型干擾。

這里給出一種基于模式識(shí)別的典型干擾樣式識(shí)別方法，僅以無(wú)干擾、單音干擾、窄帶干擾和重度干擾為例進(jìn)行粗識(shí)別。根據(jù)有無(wú)干擾以及常見(jiàn)的干擾樣式，可以分為四種情況：

①當(dāng)接收信號(hào)中不含干擾時(shí)，信號(hào)的功率譜基本保持平坦特性，譜均值和譜方差在較小的范圍內(nèi)變化；

②當(dāng)接收信號(hào)受到輕度干擾時(shí)，如果是單音干擾，必然存在少量數(shù)據(jù)均值和方差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它數(shù)據(jù)；

③當(dāng)接收信號(hào)受到輕度干擾時(shí)，如果是窄帶干擾，除了存在少量數(shù)據(jù)均值和方差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它數(shù)據(jù)外，還有一部分?jǐn)?shù)據(jù)均值較大，而方差較??；

④當(dāng)接收信號(hào)受到重度干擾時(shí)，除了存在大量數(shù)據(jù)均值和方差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它數(shù)據(jù)外，還有相當(dāng)多的數(shù)據(jù)均值較大，而方差較小。

根據(jù)這四種情況下功率譜均值和方差分布的不同特性，可采用C-均值算法中的模糊C均值分類（FCM）算法進(jìn)行干擾識(shí)別。識(shí)別過(guò)程如下：

①將探測(cè)得到的功率譜均值[m]和方差[σ2]，顯示在[（m，σ2）]的二維空間內(nèi)；

②綜合考慮以上四種情況，設(shè)定C = 4，采用FCM算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類；

③根據(jù)四個(gè)聚類的中心[（m1，σ12）]，[（m2，σ22）]，[（m3，σ32）]和[（m4，σ42）]的分布特性和每一類的屬性特征，判斷接收信號(hào)中是否存在干擾，以及存在哪一種干擾。

3 綜合抗干擾措施

信號(hào)特征提取和模式識(shí)別是多模式多域抗干擾通信的第一步，如何對(duì)各種干擾進(jìn)行消除是多模式多域抗干擾通信的第二步。這里給出基于時(shí)域抵消、頻域陷波和子帶變換的綜合抗干擾處理技術(shù)。通過(guò)干擾樣式的信號(hào)特征識(shí)別、干擾歸類處理、弱信號(hào)檢測(cè)、多域干擾消除等手段，實(shí)現(xiàn)了多模式多域抗干擾通信，提高了復(fù)雜電磁環(huán)境下的通信可靠性。

3.1 基于干擾模型庫(kù)的干擾估計(jì)抵消抑制

對(duì)于典型干擾，可結(jié)合干擾模型庫(kù)，通過(guò)特定干擾處理細(xì)則，對(duì)干擾進(jìn)行有效的抑制。以干擾的觀測(cè)信號(hào)為期望信號(hào)，根據(jù)典型干擾信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸波形信號(hào)明顯區(qū)別，對(duì)各種干擾信號(hào)進(jìn)行估計(jì)，在此基礎(chǔ)上采用基于模型庫(kù)的干擾估計(jì)算法，確定當(dāng)前接收信號(hào)存在的典型干擾樣式、強(qiáng)度、出現(xiàn)規(guī)則等干擾信號(hào)特征，利用本地再生干擾樣式與輸入信號(hào)相減運(yùn)算抵消動(dòng)態(tài)干擾。采用時(shí)域抵消的干擾濾波方法可以逐采樣點(diǎn)更新權(quán)值，具有提高輸出信干噪比，跟蹤速度快等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于靜態(tài)干擾可采用頻域窄帶濾波技術(shù)濾除多達(dá)4個(gè)窄帶干擾；對(duì)于動(dòng)態(tài)干擾結(jié)合干擾模型庫(kù)，在時(shí)域上進(jìn)行抵消處理，削弱干擾影響；對(duì)于回放干擾，通過(guò)傳輸波形和時(shí)間相關(guān)聯(lián)的方式，使回放干擾隨時(shí)間的推移，不能形成有效干擾。

圖4給出了采用的干擾估計(jì)抵消抑制原理框圖。

由于短波信道上存在干擾的多樣性，干擾模型庫(kù)只能對(duì)單音、多音、掃頻等典型干擾進(jìn)行有效的抵消處理，采用干擾估計(jì)抵消濾波方法的性能受干擾樣式影響很大。對(duì)于非典型干擾，則以信息比特為期望信號(hào)，按照最優(yōu)準(zhǔn)則令信息比特濾波估計(jì)值與期望值之間的誤差最小化來(lái)提高輸出信干噪比，這種方法可以適用于任何干擾，但需要采用已知的訓(xùn)練序列作為期望信號(hào)，在收斂后轉(zhuǎn)入判決反饋模式，利用接收判決的信息比特作為期望信號(hào)。

3.2 自適應(yīng)子帶變換

針對(duì)非典型抗干擾處理技術(shù)，我們針對(duì)短波信道特點(diǎn)，給出并實(shí)現(xiàn)了基于自適應(yīng)子帶變換的變換域處理算法。該算法具有優(yōu)良的時(shí)頻域特性和多分辨分析特性，能隨輸入信號(hào)靈活地調(diào)整其時(shí)頻分辨率，自適應(yīng)地選取與信道匹配的基底，迅速地把干擾定位在一個(gè)頻域范圍，干擾抑制器的正交鏡像濾波器具有良好的幅頻特性，能更徹底地抑制干擾，對(duì)有用信息的濾除極少，特別適用于非平衡信道。

3.3 多域多模干擾處理效果

綜合抗干擾處理策略及其效果圖如圖5所示。

4 抗干擾性能仿真與測(cè)試

針對(duì)跳頻點(diǎn)的穩(wěn)健頻點(diǎn)能量估計(jì)仿真圖如圖6和圖7所示。圖8和圖9給出了ISE ChipScope頻譜感知實(shí)測(cè)結(jié)果。以當(dāng)前通信頻率集帶寬60MHz為例，圖8表示干擾帶寬為12MHz輕度干擾時(shí)的頻譜探測(cè)波形，圖9表示干擾帶寬為40MHz重度干擾時(shí)的頻譜探測(cè)波形。由實(shí)際感知結(jié)果可見(jiàn)，能夠獲得精確的頻譜占用情況。

5 結(jié)論

本文主要研究了短波通信中如何抑制有意和無(wú)意的電臺(tái)干擾，分析了各種干擾樣式對(duì)不同短波通信系統(tǒng)的影響，并提出了針對(duì)各種干擾的信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)和多模多域的抗干擾策略，通過(guò)計(jì)算及仿真證明，多模式干擾自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，能模仿實(shí)戰(zhàn)環(huán)境中的干擾情況，然后針對(duì)不同干擾模式，采取相對(duì)應(yīng)的多域抗干擾措施，達(dá)到了消除干擾的目的。

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