一種數(shù)據(jù)鏈陣列天線全頻點壓制干擾抑制算法

王曉宇，王亞鋒，吳舜曉,2，張鐵峰

一種數(shù)據(jù)鏈陣列天線全頻點壓制干擾抑制算法

王曉宇1，王亞鋒1，吳舜曉1,2，張鐵峰1

（1 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068；2 中國人民解放軍93216部隊，北京 100085）

提出了一種數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)陣列天線全頻點壓制干擾抑制算法，在數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的時域、頻域抗干擾能力的基礎(chǔ)上增加了空域抗干擾能力。首先利用跳頻脈沖周期內(nèi)非有效脈沖時間段內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)進行協(xié)方差矩陣估計；然后通過功率倒置準(zhǔn)則計算抗干擾權(quán)值向量；最后對接收信號進行加權(quán)輸出，實現(xiàn)在有效脈沖到達時只抑制壓制干擾成分而不抑制有效脈沖的目的。通過計算機仿真試驗驗證了所提方法的正確性和有效性。

數(shù)據(jù)鏈；陣列天線；全頻點壓制干擾；抑制

0 引言

數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)是現(xiàn)代化信息作戰(zhàn)中的重要支撐[1]。近年來，由于干擾技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)面臨的電磁環(huán)境日益嚴(yán)峻。因此數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術(shù)已成為近年來通信領(lǐng)域研究的重點和熱點。

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)鏈抗干擾手段主要有直序或編碼擴頻抗干擾[2]、跳頻抗干擾[3]、跳時抗干擾[3]、時域抗干擾[4-6]、變換域抗干擾[7-10]和輔助碼抗干擾[11-14]等。

直序或編碼擴頻抗干擾技術(shù)在發(fā)射端利用偽隨機序列（擴頻碼）對待發(fā)送信息進行擴頻處理，擴頻后的信號帶寬取決于原始信息的速率和擴頻碼速率的比值。由于擴頻后信號的功率譜密度降低，因而降低了被截獲的概率。在接收端使用與發(fā)射端完全相同的偽隨機序列對基帶信號進行解擴處理，從而恢復(fù)原始信號，進一步通過解調(diào)處理得到原始數(shù)據(jù)。解擴過程可以抑制窄帶干擾，提高輸出信干噪比，但也會造成信號波形的失真。

跳頻抗干擾技術(shù)在發(fā)射端利用偽隨機序列（跳頻圖案）控制發(fā)射信號的載波在某個很寬的頻帶范圍內(nèi)進行周期性跳變來實現(xiàn)頻譜擴展。跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力主要取決于跳頻速率和跳頻帶寬。只要跳頻速率足夠快，就可以躲避對方施加的跟蹤瞄準(zhǔn)式干擾。在接收端使用與發(fā)射端完全相同的跳頻圖案，在時間上實現(xiàn)同步即可實現(xiàn)對信息的有效解調(diào)。但是，對于全頻點大功率壓制干擾，跳頻抗干擾技術(shù)將完全失效。

跳時抗干擾技術(shù)在發(fā)射端根據(jù)偽隨機序列控制信號的發(fā)送時刻和發(fā)送時長，使對方無法準(zhǔn)確獲知通信時間，難以對通信信號進行有效偵收并施加精確的瞄準(zhǔn)式干擾。與跳頻抗干擾相同，對于全頻點大功率壓制干擾，跳時抗干擾技術(shù)將完全失效。

時域干擾估計抵消技術(shù)利用擴頻通信系統(tǒng)中偽隨機序列的良好隨機性、難以預(yù)測的特性，先按照某種最優(yōu)準(zhǔn)則對干擾進行估計，然后在接收信號中對干擾進行抵消，從而達到干擾抑制的目的。

變換域抗干擾處理技術(shù)是基于部分頻帶干擾所占頻譜帶寬遠小于擴頻帶寬的特點，在變換域去除干擾所對應(yīng)的頻譜分量而不會對擴頻信號造成嚴(yán)重失真的原理，在變換域?qū)Ω蓴_進行零陷抑制。

輔助碼技術(shù)一般利用干擾的二階統(tǒng)計量和擴頻碼信息對干擾進行抑制。

以上數(shù)據(jù)鏈通信抗干擾手段均可以實現(xiàn)特定條件下的干擾抑制，但是對于全頻點大功率壓制干擾，這些抗干擾技術(shù)性能急劇下降甚至完全失效。因此，本文提出一種基于陣列天線的全頻點壓制干擾抑制算法，在數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)時域、頻域抗干擾能力的基礎(chǔ)上增加空域抗干擾能力，可進一步提升數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 陣列接收信號模型

陣列接收信號主要包括接收天線陣列、數(shù)據(jù)鏈通信信號、壓制干擾信號和噪聲等四個方面。

接收天線陣列方面，假設(shè)天線陣列包含若干個各向同性的接收天線陣元，任意兩個陣元間距小于數(shù)據(jù)鏈信號最高工作頻率對應(yīng)波長的二分之一，不考慮陣元間的互耦效應(yīng)且通道間幅相響應(yīng)完全一致。陣列布局如圖1所示。

圖1 接收陣列天線模型

數(shù)據(jù)鏈通信信號，假設(shè)入射信號數(shù)量已知，且入射到接收陣列的數(shù)據(jù)鏈信號均為遠場平面波窄帶信號：

即同一個入射信號在各陣元響應(yīng)的時延差可以用相位差等效表示。不失一般性，假設(shè)數(shù)據(jù)鏈通信信號采用時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）體制，即一個脈沖周期內(nèi)陣列天線只能接收到一個用戶發(fā)射的脈沖信號。

壓制干擾信號，假設(shè)壓制干擾信號頻率完全覆蓋數(shù)據(jù)鏈工作的所有頻點，即陣列接收到的每個數(shù)據(jù)鏈工作脈沖均被壓制。壓制干擾信號為平穩(wěn)隨機過程，且與數(shù)據(jù)鏈信號波形互不相關(guān)。入射到接收陣列的壓制干擾信號也滿足遠場平面波窄帶信號模型。

2 基于天線陣列的全頻點壓制干擾抑制算法

基于天線陣列的全頻點壓制干擾抑制算法的目標(biāo)為依據(jù)一定準(zhǔn)則通過式（3）的采樣數(shù)據(jù)計算幅相加權(quán)向量，通過對進行求和運算，使得輸出信號中的干擾信號分量得以抑制，算法運行流程如圖2所示。

本文采用功率倒置準(zhǔn)則[15]（Power Inversion，PI）進行抗干擾權(quán)值計算，PI準(zhǔn)則是一種約束空域濾波器輸出準(zhǔn)則，即：

將式（5）代入式（4）構(gòu)建拉格朗日函數(shù)為：

進一步將式（10）代入式（8）中可以得到只抑制壓制干擾信號而不抑制有效通信信號成分的抗干擾權(quán)值為：

3 仿真分析驗證

典型地，采用Link-16數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)進行仿真，數(shù)據(jù)鏈工作在L頻段，跳頻間隔為3 MHz，采用32倍直序擴頻，瞬時帶寬為3.5 MHz，跳頻頻點數(shù)為51個，分布在總帶寬為960～1 215 MHz頻段內(nèi)。脈沖周期為13 μs，脈寬為6.4 μs。天線陣列包含4個接收陣元，陣列布局為中心等間隔圓環(huán)陣，陣元間距為1 215 MHz對應(yīng)波長的0.4倍，如圖3所示。

假設(shè)空間中存在1個壓制干擾源，干擾源所輻射的壓制干擾信號頻點完全覆蓋數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的51個頻點，陣列天線口面接收干信比（Jam Signal Ratio，JSR）為43 dB。干擾源位于接收陣列坐標(biāo)系的200°方向，而有效通信信號從45°方向入射到陣列天線。

由式（11）得到的抗干擾權(quán)值向量得到的陣列接收方向圖如圖4所示。從圖4中可以看出，陣列接收方向圖上在200°干擾入射方向上形成了超過40 dB深度的零陷，可以有效地抑制接收信號中的壓制干擾成分，同時，陣列接收方向圖上在45°方向上的響應(yīng)則略大于0 dB，表示抗干擾后有效通信信號功率未受到抑制。

抗干擾前陣列接收信號中有效信號、噪聲和干擾成分的功率分布如圖5所示；抗干擾后輸出信號中有效信號、噪聲和干擾成分的功率分布如圖6所示。從圖5和圖6中可以看出，在抗干擾前壓制干擾信號遠高于有效信號功率；經(jīng)過天線陣列抗干擾后，壓制干擾信號成分的功率被抑制到底噪之下。

圖5 抗干擾前有效信號、噪聲和干擾成分分布

圖6 抗干擾后有效信號、噪聲和干擾成分分布

抗干擾前后歸一化相關(guān)結(jié)果如圖7所示。從 圖7中可以看出，直接采用抗干擾前的天線陣列接收信號相關(guān)解調(diào)結(jié)果中不存在明顯的相關(guān)峰，無法完成后續(xù)的信息解調(diào)；而采用抗干擾后輸出的信號進行相關(guān)解調(diào)，結(jié)果中有明顯的相關(guān)峰，進而可以完成后續(xù)的信息解調(diào)。

考慮本文所提方法在全頻點壓制干擾條件下對300 km范圍內(nèi)有效數(shù)據(jù)鏈通信信號的接收響應(yīng)。

假設(shè)單個干擾源位于陣列天線水平距離為160 km、方位為180°的位置上，干擾輻射功率為90 dBm，到達陣列天線口面功率電平約為-50 dBm，通道噪聲功率約為-96 dBm，300 km范圍內(nèi)有效通信信號的發(fā)射功率均為53 dBm。設(shè)后端相關(guān)解調(diào)需要至少0 dB信干噪比（Signal Jam Noise Ratio，SJNR）的輸入信號，經(jīng)過抗干擾處理后陣列天線輸出的SJNR云圖如圖8所示，其中紅色虛線以內(nèi)的區(qū)域輸出SJNR小于0 dB。從圖8中可以看出，經(jīng)過抗干擾處理后，可以有效接收并解調(diào)300 km范圍內(nèi)大約72%的區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)鏈通信信號。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于陣列天線的數(shù)據(jù)鏈全頻點壓制干擾抑制算法，在數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)的時域、頻域抗干擾能力的基礎(chǔ)上增加了空域抗干擾能力。利用脈沖周期內(nèi)從開始到實際有效脈沖信號到達前的時間段內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)進行協(xié)方差矩陣估計，通過功率倒置準(zhǔn)則計算抗干擾權(quán)值向量，實現(xiàn)在有效脈沖到達時只抑制壓制干擾成分而不抑制有效脈沖的目的。通過計算機仿真試驗驗證了本文所提方法的正確性和有效性。

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Data Link Full Frequency Points Interference Suppression Method Based on Antenna Array

WANG Xiaoyu, WANG Yafeng, WU Shunxiao, ZHANG Tiefeng

A full frequency points interference suppression method based on antenna array for data link communication system was proposed. The spatial interference suppression ability was added for data link communication system except for the original interference suppression ability in time domain and frequency domain. Firstly, the covariance matrix is estimated using the sampling data in the non-valid pulse period in a frequency hopping period. Then the anti-jamming weight vector is calculated by power inversion criterion. Finally, the received signals are weighted to achieve the purpose of suppression the jamming signals only. The correctness and effectiveness of the proposed method are verified by computer simulation.

Data Link; Antenna Array; Full Frequency Points Interference; Suppression

TN973

A

1674-7976-(2022)-04-242-06

2022-05-25。

王曉宇（1983.05—），內(nèi)蒙古興和人，博士，高級工程師，主要研究方向為陣列信號處理及導(dǎo)航對抗。