對水聲直擴(kuò)通信系統(tǒng)的干擾效果分析

劉俊凱，張剛強(qiáng)，董陽澤，唐建生

(1. 水聲對抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201108；2. 水聲對抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京），北京 100036)

對水聲直擴(kuò)通信系統(tǒng)的干擾效果分析

劉俊凱1，張剛強(qiáng)1，董陽澤1，唐建生2

(1. 水聲對抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201108；2. 水聲對抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京），北京 100036)

直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)以其良好的抗干擾性、抗衰落性在水聲通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，從通信干擾的角度來看，對直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的干擾效果分析很有必要。首先利用 Matlab 對水聲直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真。隨后用 4 種典型的干擾方法（寬帶噪聲干擾、部分頻帶噪聲干擾、音調(diào)干擾和脈沖干擾）對此系統(tǒng)進(jìn)行干擾。通過對 4 種典型干擾下系統(tǒng)的誤比特率曲線進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：在通信機(jī)制不明確的情況下宜使用部分頻帶噪聲干擾；當(dāng)通信機(jī)制明確時(shí)，使用音調(diào)干擾，并且證明了干擾頻率的最佳位置；在一定條件下，脈沖干擾能夠?qū)χ苯訑U(kuò)頻系統(tǒng)產(chǎn)生有效干擾。以上分析對特定環(huán)境下的干擾樣式選取具有一定的指導(dǎo)意義。

直接擴(kuò)頻；干擾樣式；干擾效果；信干比

0 引 言

由于擴(kuò)頻通信抗截獲、抗干擾能力強(qiáng)、保密性能好，使其成為戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域應(yīng)用最廣的通信手段之一[1]，其基本工作方式主要包括直接序列擴(kuò)頻通信、跳頻通信和跳時(shí)通信。與其他擴(kuò)頻通信相比，直接序列擴(kuò)頻通信頻帶擴(kuò)展相對簡單、對設(shè)備的要求較低，使其在水聲通信中得到廣泛應(yīng)用。

對于射頻直擴(kuò)信號的干擾研究在過去的 20 多年已經(jīng)被驗(yàn)證[2–5]。但在水聲領(lǐng)域通信信號的干擾研究還處于初步研究階段。出于對水聲通信干擾技術(shù)的研究需要，本文對水聲直接擴(kuò)頻通信的干擾進(jìn)行探討。

對于直接序列擴(kuò)頻通信的干擾主要包括寬帶噪聲干擾、部分頻帶噪聲干擾、音調(diào)干擾和脈沖干擾 4種。為了尋找在特定條件下的最有效的干擾方式，利用上述 4 種典型的干擾樣式對直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行干擾仿真，通過對仿真條件和仿真干擾效果進(jìn)行

分析，探討不同條件下的最有效的干擾樣式，為以后的實(shí)際應(yīng)用做鋪墊。

1 DSSS 通信系統(tǒng)的基本原理

1.1 DS/BPSK 系統(tǒng)原理

DSSS 是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)序列擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上去，在接收端，用與發(fā)射端相同的偽隨機(jī)序列對接收機(jī)接收到的信號進(jìn)行解擴(kuò)處理，使信號的能量壓縮至原始帶寬內(nèi)[6]。圖 1 為 DSSS 通信系統(tǒng)工作原理圖。

圖1 DSSS 通信系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 DSSS communication system diagram

將數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積編碼，然后進(jìn)行交織，接著用載波進(jìn)行 BPSK 調(diào)制，再將調(diào)制的信號與偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼進(jìn)行相乘，就得到了已擴(kuò)頻調(diào)制的擴(kuò)頻信號。在接收端，用本地的偽隨機(jī)序列對接收信號進(jìn)行解擴(kuò)，然后再進(jìn)行解調(diào)。接著對解調(diào)信號進(jìn)行解交織和解編碼操作，得到通信數(shù)據(jù)。

1.2 隨機(jī)序列頻譜特性

M 序列因其有很好的自相關(guān)性成為擴(kuò)頻系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的偽隨機(jī)碼。由于偽隨機(jī)序列在直接擴(kuò)頻系統(tǒng)中的重要性，需對其進(jìn)一步分析，以便為后面的通信干擾提供理論支撐。

M 序列 c（t）的相關(guān)函數(shù)為[2]：

其功率譜為：

式中，L 為碼長；Tc為碼片周期。

本文仿真中采用碼片周期為 0.012 6 s，碼長為 63的 M 序列。圖 2 為此 m 序列的功率譜。

由圖可見，當(dāng)頻率為 0 時(shí)，功率譜的幅度相對于圖中所標(biāo)示譜線很小。如果使用與載波頻率相同的單頻干擾信號進(jìn)行干擾，經(jīng)過解擴(kuò)處理，其功率被擴(kuò)展到更寬的帶寬中而且還被削弱了與信號載波相同的部分。

圖2 M 序列的功率譜Fig.2 The power spectrum of M sequence

2 典型的通信干擾方法

常見的對直接序列擴(kuò)頻通信的干擾方法主要包括寬帶噪聲干擾、部分頻帶噪聲干擾、音調(diào)干擾和脈沖干擾 4 種。通過對發(fā)送的信號施加干擾，提高誤比特率，使接收到的信息不能正確解讀。圖 3 為不同干擾信號的頻譜圖。

圖3 不同干擾信號的頻譜圖Fig.3 The power spectrum of different interference signals

2.1 寬帶噪聲干擾

直接序列擴(kuò)頻信號的寬帶噪聲干擾就是指干擾信號帶寬近似與直接序列擴(kuò)頻信號相同。這種類型的干擾對各種形式的抗干擾通信都有效。寬帶噪聲干擾不需要準(zhǔn)確測定信號參數(shù)，也不用進(jìn)行分析識別，只需要大概了解通信頻段即可。但是，當(dāng)干擾功率一定時(shí)，有限的干擾功率被擴(kuò)展到很寬，功率譜密度很低，干擾效果不太理想。同時(shí)，在寬帶噪聲干擾范圍內(nèi)也會對干擾方通信造成干擾。寬帶噪聲干擾的頻譜如圖 3（a）所示。

2.2 部分頻帶噪聲干擾

部分頻帶噪聲干擾是將干擾能量集中在目標(biāo)所使用的頻譜范圍內(nèi)的部分相鄰或不相鄰的頻段上。部分頻帶噪聲干擾方式與寬帶噪聲干擾相似，不需要通信信號的較多準(zhǔn)確信息，大概了解通信信號的工作頻帶即可。由于部分頻帶噪聲干擾的頻帶相對于寬帶噪聲干擾較小，干擾功率一定的情況下，前者的功率譜密度較高。部分頻帶噪聲干擾的頻譜如圖 3（b）和圖 3（c）所示。

2.3 音調(diào)干擾

音調(diào)干擾就是根據(jù)所采用的干擾策略把一個(gè)或者多個(gè)干擾音調(diào)放置在信號頻譜的相應(yīng)位置。同時(shí)，音調(diào)的個(gè)數(shù)與位置都會影響音調(diào)干擾的效果[5–7]。音調(diào)干擾包括單音干擾和多音干擾，單音干擾是將單一的頻率放在信號頻譜的相應(yīng)位置對其進(jìn)行干擾，多音干擾是將多個(gè)干擾頻率規(guī)則的或者不規(guī)則的分布在信號頻譜上。相對于寬帶噪聲干擾和部分頻帶噪聲干擾，音調(diào)干擾對己方的通信影響較小，但是干擾頻率要放在特定頻點(diǎn)上干擾效果較佳，這需要對信號參數(shù)進(jìn)行精確分析。圖 3（d）和圖 3（e）分別為單音干擾和多音干擾的頻譜圖。

2.4 脈沖干擾

脈沖干擾類似于部分頻帶噪聲干擾。區(qū)別是前者是時(shí)間上的一部分，后者是頻譜上的一部分。脈沖干擾具有很寬的頻譜成分，因此，當(dāng)脈沖出現(xiàn)時(shí)，就很像寬帶噪聲[7–8]。在相同的平均功率條件下與其他干擾樣式相比，由于脈沖干擾信號不是一直發(fā)射，它有更大的峰值功率。

3 干擾仿真與分析

3.1 仿真條件

本文以 DS/BPSK 系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)參數(shù)如表 1 所示。

表1 DS/BPSK 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 DS/BPSK system parameters

實(shí)驗(yàn)證明[2]，若想消除編碼增益需要誤碼率達(dá)到10% 量級。所以本仿真中取 BER 為干擾性能指標(biāo)，并認(rèn)為誤比特率 （Bit Error Rate，BER）大于 0.1 作為干擾成功的標(biāo)志。

3.2 寬帶噪聲干擾與部分頻帶噪聲干擾

3.2.1 干擾信號帶寬對干擾效果的影響

通過不同帶寬的噪聲干擾信號對 DSSS 通信系統(tǒng)進(jìn)行干擾，分析不同帶寬干擾噪聲對 DSSS 通信系統(tǒng)的干擾效果。其中，寬帶噪聲干擾的干擾信號帶寬為（7.5 ～ 12.5 kHz），部分頻帶噪聲干擾信號的帶寬分為 5 組，分別為（8 ～ 12 kHz），（9 ～ 11 kHz），（9.5 ～ 10.5 kHz），（9.9 ～ 10.1 kHz），（9.92 ～ 10.08 kHz），干擾效果如圖 4 所示。

圖4 干擾信號帶寬對干擾效果的影響Fig.4 Effects of interference with different signal bandwidth

通過對圖 4 中不同帶寬的干擾信號干擾效果的比較可知：隨著干擾帶寬的減小，干擾效果增強(qiáng)。當(dāng)干擾帶寬超過最佳干擾帶寬時(shí)，干擾效果開始下降。所以對直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行部分頻帶干擾時(shí)，應(yīng)該考慮干擾功率、干擾信號帶寬、與通信信號功率對干擾效果的影響。在誤碼率為 0.1 的條件下，進(jìn)一步比較寬帶噪聲干擾信號和 2 kHz 帶寬的干擾信號，部分頻帶噪聲干擾信號相對于寬帶噪聲干擾信號有大約 1 dB的優(yōu)勢。當(dāng)將 0.2 kHz 和 0.16 Hz 帶寬的干擾效果與寬帶干擾相比可以看出，當(dāng)干擾信號帶寬接近窄帶干擾帶寬時(shí)，干擾效果較差。這與 M 序列對干擾信號的擴(kuò)展特性（見圖 2）有關(guān)。此次仿真中取 0.4 倍的信號帶寬較佳。

3.2.2 DSSS 系統(tǒng)擴(kuò)頻碼的長度對寬帶噪聲干擾的效果影響

通過對采用不同擴(kuò)頻碼長的通信系統(tǒng)進(jìn)行寬帶噪聲干擾，對比寬帶干擾在不同擴(kuò)頻增益下的干擾效果。其中寬帶噪聲信號的干擾帶寬為 8.75 ～ 11.25 kHz，7.5 ～ 12.5 kHz，5 ～ 15 kHz；與其對應(yīng)的擴(kuò)頻碼長分別為 31，63，127。圖 5 為擴(kuò)展碼的長度對寬帶噪聲干擾的影響。

圖5 擴(kuò)展碼的長度對寬帶噪聲干擾的影響Fig.5 Effects of different length of m sequence for wideband noise interference

從圖 5 可看出：對于寬帶噪聲干擾，通信擴(kuò)頻碼數(shù)越小干擾效果越好。在 0.1 誤碼率的條件下，對 PN碼長為 127 的系統(tǒng)比 PN 碼長為 31 的系統(tǒng)的干擾功率多 6 dB。在通信干擾過程中，一般認(rèn)為干信比超過通信系統(tǒng)擴(kuò)頻增益時(shí)才能干擾通信，所以若想達(dá)到干擾效果，擴(kuò)頻碼長越長所需的干擾功率越大。

3.3 音調(diào)干擾

音調(diào)干擾可分為單音干擾與多音干擾，通過仿真觀察不同干擾頻率和頻率數(shù)目下的干擾效果。

3.3.1 單音干擾

通過 7 個(gè)不同單音對 DSSS 系統(tǒng)進(jìn)行干擾，得到不同干擾頻率下的干擾效果，其干擾頻率分別為 10 kHz，10.08 kHz，10.16 kHz，10.29 kHz，10.32 kHz，10.48 kHz和12 kHz。

在圖 6 中，通過對第 2 ～ 第 6 個(gè)干擾頻率的干擾效果相比較可知：除了第 4 個(gè)干擾頻率的干擾信號無干擾效果，其他干擾頻率干擾信號的干擾效果相當(dāng)。通過對以上幾個(gè)頻率進(jìn)行分析得知，這幾個(gè)頻率相對于載波頻率的頻差都是信息速率的整數(shù)倍，即N/LTs（N∈Z）。當(dāng)以上干擾頻率的干擾效果與第 1 個(gè)干擾頻率相比較，從圖中可知，第 1 個(gè)干擾頻率對通信系統(tǒng)沒有造成影響，干擾頻率 1 為 10 kHz 的頻率，從圖 2 中干擾信號的頻譜圖可看到，頻譜的中心頻率處有一個(gè)明顯的凹陷，所以當(dāng)干擾頻率與載波頻率相同時(shí)，干擾功率嚴(yán)重衰減。通過對前者和干擾頻率 7作比較，可看出：頻率 7 時(shí)干擾信號的干擾能力相對來說較差?？芍S著干擾頻率與載波頻率的偏差越大，干擾效果越差。所以對于單音干擾，當(dāng)干擾功率一定的情況下，將干擾音調(diào)放在載波頻率上不是最佳的位置，放置干擾音調(diào)最佳的位置是高于或者低于載波頻率 n/LTs 處（n 不要太大）。

圖6 不同頻率單音干擾效果圖Fig.6 Effect of single tone interference with different frequency

3.3.2 多音干擾

多音干擾分為 3 組，每組 5 個(gè)頻率（Hz）：每組干擾頻率分別為 8.5 kHz，9.45 kHz，10 kHz，10.1 kHz，10.5 kHz，10.08 kHz，10.16 kHz，10.24 kHz，10.32 kHz，10.4 kHz，10.24 kHz，10.48 kHz，10.72 kHz，10.96 kHz，11.2 kHz。圖 7 為不同分布的多音干擾效果。

圖7 不同分布的多音干擾效果圖Fig.7 Multi-tone interference effects with different distributions

通過對圖 7 中 3 組干擾效果曲線的對比分析，可以得出結(jié)論：第 1 組與第 3 組對比可以看出，對于多音干擾應(yīng)該將多音干擾的干擾頻率調(diào)諧到頻差為數(shù)據(jù)比特速率的整數(shù)倍處，這樣的干擾效果更有效率；第2 組與第 3 組干擾曲線的對比，可看出，對于干擾頻率調(diào)諧到頻差為數(shù)據(jù)比特速率的整數(shù)倍處，應(yīng)選取倍數(shù)相對較小的頻率，這也與偏離載波頻率太多，干擾功率效率下降相符合。與單音干擾相比，干擾效果差異較小，但對于采用單頻干擾抑制技術(shù)的通信系統(tǒng)，多音干擾更加穩(wěn)健。

3.4 脈沖干擾

脈沖干擾仿真部分是從不同占空比和不同脈沖周期這 2 點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.4.1 占空比對脈沖干擾效果的影響

此仿真采用脈沖周期為 100 倍的 Ts，占空比分為7 組，分別為 0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，0.9，1.0 對DSSS 通信進(jìn)行干擾，干擾效果如圖 8 所示。

圖8 不同占空比對脈沖干擾效果的影響Fig.8 Effect of different duty cycle for pulsed interference effect

從圖 8 可看出：對于誤碼率為 0.1 的條件下，隨著占空比的增大，干擾效果變好，當(dāng)占空比大于 0.6時(shí)，干擾效果增加不太明顯。對于編碼、交織等對抗脈沖干擾技術(shù)的應(yīng)用的環(huán)境下，高干信比條件下，占空比大于 0.4 的干擾信號能達(dá)到很高的誤碼率；但對于占空比小于 0.2 的干擾信號，不能達(dá)到 BER ＞ 0.1，視為干擾無效。所以在脈沖干擾中占空比最好取 0.5以上為佳。

3.4.2 脈沖周期對脈沖干擾的效果影響

此仿真中，占空比為定值 0.6，脈沖的周期設(shè)置為7 組，分別為 0.126 s，0.252 s，0.378 s，0.63 s，1.26 s，2.52 s，5.04 s。圖 9 為不同脈沖周期對脈沖干擾效果的影響。

圖9 不同脈沖周期對脈沖干擾效果的影響Fig.9 Effects of different pulse cycle for pulsed interference effect

從圖 9 可看出，當(dāng)脈沖周期由小到大變化時(shí)，在相同信干比條件下，干擾效果總體上差異不太明顯。

由上所述，占空比決定了平均功率與峰值功率之間的關(guān)系，所以脈沖干擾的干擾效果取決于峰值功率，信號的脈沖周期對干擾效果的影響不是很明顯。

3.5 小結(jié)

通過對上述 4 種典型干擾樣式的對比分析得出：

1）對于寬帶噪聲干擾和部分頻帶噪聲干擾，因?yàn)樗鼈儗νㄐ判盘柕南闰?yàn)知識需求較少，容易實(shí)施。

2）最優(yōu)部分頻帶噪聲干擾相對于寬帶噪聲干擾在0.1 誤碼率條件下有 1 dB 的功率優(yōu)勢。所以在通信信號機(jī)制不明確的情況下，采用部分頻帶干擾為好。

3）音調(diào)干擾中，多音干擾相對單音干擾的干擾效果更加穩(wěn)健，同時(shí)由于多音干擾的功率更加集中，相對于部分頻帶干擾來說更加具有優(yōu)勢。但是對于音調(diào)干擾音調(diào)要放置在某些頻點(diǎn)上才會產(chǎn)生較好的效果，所以音調(diào)干擾對于要干擾的通信信號的通信機(jī)制的某些參數(shù)要精確地獲得。

4）脈沖干擾與部分頻帶干擾類似，前者是時(shí)域一部分，后者是頻域一部分。在相同平均功率且干擾功率受限的條件下，脈沖干擾有更大的峰值功率，干擾效果更好。脈沖干擾是間歇性的進(jìn)行干擾，己方可以利用干擾的間歇時(shí)間進(jìn)行信息的通信。

4 結(jié) 語

本文在對直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，研究了寬帶噪聲干擾、部分頻帶噪聲干擾、音調(diào)干擾和脈沖干擾 4 種典型的干擾樣式對直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)干擾效果。并對上面幾種典型干擾式的仿真分析進(jìn)行分析總結(jié)，對特定環(huán)境下干擾樣式的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]殷敬偉. 水聲通信原理及信號處理技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2011: 59–101.

[2]POISEL R A. 現(xiàn)代通信干擾原理與技術(shù)(2版)[M]. 樓才義, 王國宏, 張春磊, 等譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2014: 327–363.

[3]LUNAYACH R S. Performance of a direct sequence spread spectrum system with long period and short period code sequences[J]. IEEE Transactions on Communications, 1983, 31(3): 412–419.

[4]付君. 直擴(kuò)系統(tǒng)抗單頻干擾性能仿真分析[J]. 信息通信, 2014(9): 25–27.

[5]石熠. 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的干擾研究[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2011: 29–44.

[6]陳超, 王敏, 錢峰. 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)誤碼性能分析[J]. 空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, 23(3): 178–180.

[7]那丹彤, 趙維康. 跳頻通信干擾與抗干擾技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2013: 133–150.

[8]丁亞非, 李文生. 脈沖干擾直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)性能分析[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2010, 27(5): 9–12, 115. DING Ya-fei, LI Wen-sheng. Analysis of pulse jamming capabilities for direct sequence spread spectrum communication[J]. Computer Simulation, 2010, 27(5): 9–12, 115.

Effect analysis of underwater acoustic DSSS communication system under jamming

LIU Jun-kai1, ZHANG Gang-qiang1, DONG Yang-ze1, TANG Jian-sheng2
(1. Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory, Shanghai 201108, China; 2. Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory (Beijing), Beijing 100036, China)

Direct sequence spread spectrum (DSSS) technique is widely used in underwater acoustic communication due to its good performance on anti-interference and anti-fading. Therefore, from the point of view of communication interference, it is necessary to make an effect evaluation on DSSS communication under jamming. Firstly we simulate the underwater acoustic DSSS communication system by using matlab software. Then the system is disturbed by four typical methods(wideband noise interference, partial band noise interference, tone interference and pulse interference). By comparing the BER curves of the system under four typical jamming, the results show that it is better to use partial band noise interference in the case of communication mechanism is not clear; when the communication mechanism is clear, we can use tone interference to interfere with the system. And the optimal frequency position of tone interference is also demonstrated; under certain conditions, pulse jamming can effectively interfere with the DSSS system. The above analysis play a guiding role for the interference pattern selection under specific circumstance.

direct sequence spread spectrum；interference pattern；interference effect；signal to interference ratio

U666.7

A

1672 – 7619(2016)11 – 0106 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.11.022

2016 – 07 – 20；

2016 – 08 – 24

劉俊凱(1990 – )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樗曂ㄐ鸥蓴_。