CPM-LFM雷達(dá)通信一體化信號(hào)干擾效果分析

王 冠，王 暉，胡汗青，孫 靜

(空軍通信士官學(xué)校，遼寧 大連 116600)

0 引 言

號(hào)稱“千里眼”與“順風(fēng)耳”的雷達(dá)與通信作戰(zhàn)裝備，在電子戰(zhàn)中扮演了重要角色。由于科技的不斷發(fā)展，戰(zhàn)場電子設(shè)備越來越多，作戰(zhàn)設(shè)備頻譜資源日益緊缺，雷達(dá)通信一體化的提出，為其帶來轉(zhuǎn)機(jī)，也給電子對抗帶來了新的目標(biāo)。雷達(dá)通信一體化信號(hào)能夠在雷達(dá)探測時(shí)完成通信功能，主要包含2種形式：一種是雷達(dá)信號(hào)作為載體(例如二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)-線性調(diào)頻(LFM)、正交調(diào)幅(QAM)-LFM類型一體化信號(hào))；另一種是通信信號(hào)為載體(例如正交頻分復(fù)用(OFDM)-BPSK-LFM、 OFDM-QAM-LFM類型一體化信號(hào))。本文選擇以常規(guī)雷達(dá)信號(hào)為載體的連續(xù)相位調(diào)制(CPM)-LFM一體化信號(hào)，考慮利用雷達(dá)干擾信號(hào)進(jìn)行干擾效果分析。

文獻(xiàn)[1]通過噪聲卷積干擾信號(hào)對LFM信號(hào)進(jìn)行干擾分析，發(fā)現(xiàn)其能實(shí)現(xiàn)欺騙與壓制2種干擾效果，相比傳統(tǒng)射頻噪聲干擾更節(jié)省功率。文獻(xiàn)[2]對比分析了射頻噪聲干擾與噪聲卷積干擾信號(hào)脈壓結(jié)果，說明了與目標(biāo)信號(hào)具有相干性的噪聲卷積干擾信號(hào)干擾性能更優(yōu)越，但是發(fā)現(xiàn)干擾信號(hào)脈壓輸出后總是出現(xiàn)在目標(biāo)信號(hào)之后，很容易被有經(jīng)驗(yàn)的雷達(dá)操作員識(shí)破。文獻(xiàn)[3]結(jié)合移頻干擾與卷積干擾，干擾信號(hào)脈壓輸出分布于目標(biāo)信號(hào)兩側(cè)，具有顯著干擾效果。文獻(xiàn)[4]利用移頻后的噪聲卷積干擾信號(hào)分析LFM信號(hào)干擾效果，驗(yàn)證了其可行性。文獻(xiàn)[5]將噪聲卷積式干擾信號(hào)應(yīng)用于直接序列擴(kuò)頻-線性擴(kuò)頻雷達(dá)通信一體化信號(hào)，取得了較好的干擾效果。

本文采用噪聲卷積干擾進(jìn)行雷達(dá)通信一體化干擾效果分析，建立連續(xù)相位調(diào)制(CPM)-LFM及干擾信號(hào)模型，通過對噪聲卷積干擾移頻的方式，獲取對目標(biāo)信號(hào)雷達(dá)更好的干擾效果，仿真驗(yàn)證其對一體化信號(hào)的干擾性能。

1 CPM-LFM信號(hào)模型

CPM-LFM[6]信號(hào)是利用連續(xù)相位調(diào)制得到的相位與LFM信號(hào)相位相加實(shí)現(xiàn)的，CPM相位信息作為通信數(shù)據(jù)，LFM信號(hào)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測功能。

1.1 LFM信號(hào)

傳統(tǒng)雷達(dá)LFM信號(hào)表達(dá)式如下：

SLFM(t)=Arect(t/TP)exp[jπμt2]

(1)

1.2 CPM調(diào)制

與傳統(tǒng)調(diào)制方式幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)相比，CPM具有包絡(luò)恒定、頻譜利用率高以及調(diào)制參數(shù)靈活等特點(diǎn)，在軍事通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

CPM調(diào)制信號(hào)表達(dá)式如下：

SCPM(t)=Arect(t/Tp)exp[j(φ(t,I)+φ0)]

(2)

1.3 CPM-LFM信號(hào)

CPM-LFM雷達(dá)通信一體化信號(hào)原理采用連續(xù)相位對線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，其實(shí)質(zhì)就是將CPM調(diào)制的相位變化加入到線性調(diào)頻信號(hào)中，將式(1)與式(2)直接相乘就可以得到一體化信號(hào)，表達(dá)式如下：

SCPM-LFM(t)=Arect(t/Tp)·exp[(jπμt2+

jφ(t,I)+jφ0)]

(3)

研究發(fā)現(xiàn)，CPM-LFM信號(hào)雷達(dá)探測能力不輸于LFM信號(hào)，且可以實(shí)現(xiàn)通信功能。從CPM-LFM一體化信號(hào)時(shí)域波形及頻譜圖[6-7]能夠看出其與LFM信號(hào)沒有很大區(qū)別。因此考慮通過LFM信號(hào)常用的噪聲卷積式干擾進(jìn)行干擾效果分析。

2 噪聲卷積干擾信號(hào)模型

噪聲卷積干擾主要是通過干擾機(jī)中數(shù)字射頻存儲(chǔ)器(DRFM)截獲的目標(biāo)信號(hào)與噪聲信號(hào)進(jìn)行卷積來實(shí)現(xiàn)，這種干擾方法與目標(biāo)信號(hào)具有相干性，比傳統(tǒng)的噪聲壓制式干擾具有更好的干擾效果。

設(shè)目標(biāo)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為SCPM-LFM(t)，噪聲信號(hào)為n(t)，探測目標(biāo)距離雷達(dá)R處，散射面積為σ，在時(shí)延為τ=2R/c時(shí)，目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)為：

p(t)=σ·δ(t-τ)

(4)

目標(biāo)信號(hào)回波為：

Sr(t)=p(t)*SCPM-LFM(t)

(5)

干擾信號(hào)表示如下：

Jr(t)=SCPM-LFM(t)*n(t)

(6)

假設(shè)在接收端雷達(dá)信號(hào)與干擾信號(hào)同時(shí)到達(dá)目標(biāo)雷達(dá)接收機(jī)，經(jīng)過匹配濾波、脈沖壓縮后輸出為：

[n(t)+p(t)]*SCPM-LFM(t)*

(7)

經(jīng)過傅里葉變換可得到接收信號(hào)與干擾信號(hào)頻譜關(guān)系如下：

N(f)·|SCPM-LFM(f)|2+

P(f)·|SCPM-LFM(f)|2

(8)

對應(yīng)時(shí)域形式為：

s′(t)=n(t)*F-1[|SCPM-LFM(f)|2]+p(t)*

F-1[|SCPM-LFM(f)|2]

(9)

式中：F-1[|SCPM-LFM(f)|2]為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)。

目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)p(t)決定回波信號(hào)，噪聲n(t)決定干擾效果。由于噪聲卷積干擾信號(hào)經(jīng)過雷達(dá)脈沖壓縮處理后會(huì)獲得一定收益，因此能夠節(jié)省干擾功率。

3 仿真分析

仿真參數(shù)設(shè)置如下：LFM采樣頻率為300 MHz，帶寬30 MHz，調(diào)頻斜率μ為3×1012，脈寬為10 μs。CPM：進(jìn)制數(shù)為2，調(diào)制指數(shù)h=1/2,關(guān)聯(lián)長度L=2，每個(gè)符號(hào)采樣點(diǎn)為600，采用矩形脈沖，隨機(jī)生成5位數(shù)據(jù)。噪聲卷積干擾：噪聲時(shí)寬4 μs。

圖1為CPM-LFM雷達(dá)通信一體化信號(hào)脈壓結(jié)果，能夠看出呈單峰狀態(tài)，具有很好的目標(biāo)探測能力。圖2為噪聲卷積干擾狀態(tài)下的CPM-LFM雷達(dá)通信一體化信號(hào)脈壓結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在目標(biāo)信號(hào)脈壓結(jié)果后面，持續(xù)有峰值出現(xiàn)，這給雷達(dá)探測帶來了一定程度的干擾，無法準(zhǔn)確分辨出目標(biāo)所在位置。但是有經(jīng)驗(yàn)的雷達(dá)操作員能夠發(fā)現(xiàn)這是干擾狀態(tài)下雷達(dá)脈壓情況，認(rèn)為“零點(diǎn)”處是雷達(dá)探測目標(biāo)位置。因此要想更好地實(shí)現(xiàn)對CPM-LFM雷達(dá)通信一體化信號(hào)的干擾，需要對噪聲卷積干擾信號(hào)進(jìn)行改善，如移頻。

圖1 CPM-LFM時(shí)頻特性及脈壓結(jié)果

圖2 噪聲卷積干擾下CPM-LFM信號(hào)時(shí)域及脈壓圖

圖3為噪聲卷積干擾信號(hào)對CPM-LFM雷達(dá)通信一體化信號(hào)通信性能影響，仿真過程中信噪比變化為-5～10 dB。在信噪比10 dB時(shí)，誤碼率接近0.2，說明了噪聲卷積干擾對CPM-LFM一體化信號(hào)通信性能的有效性。

圖3 噪聲卷積干擾下誤碼率曲線

圖4為移頻干擾信號(hào)時(shí)域波形及脈壓輸出，本文所采用的移頻干擾為目標(biāo)信號(hào)CPM-LFM基礎(chǔ)上進(jìn)行3 MHz移頻得到。從其脈壓輸出可以發(fā)現(xiàn)：假目標(biāo)位于目標(biāo)信號(hào)之前，若采用多個(gè)移頻干擾信號(hào)，則呈現(xiàn)出不同假目標(biāo)。依據(jù)移頻量取值正負(fù)，其可以分布于目標(biāo)信號(hào)脈壓輸出兩側(cè)，讓雷達(dá)操作員無法準(zhǔn)確獲取探測目標(biāo)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)干擾。

圖4 移頻干擾下CPM-LFM信號(hào)時(shí)域及脈壓圖

圖5為移頻干擾下CPM-LFM信號(hào)誤碼率情況，在干噪比為2 dB時(shí)，一體化信號(hào)誤碼率在信噪比-5～10 dB范圍內(nèi)達(dá)到10-1以上。與圖3對比發(fā)現(xiàn)，在干信比0 dB時(shí)，其通信性能影響相差不多，表現(xiàn)出不錯(cuò)的干擾效果。

圖5 移頻干擾下誤碼率曲線

圖6為噪聲卷積移頻干擾下CPM-LFM信號(hào)脈壓輸出，其移頻量為3 MHz，相比于圖2噪聲卷積干擾下CPM-LFM脈壓輸出，左移3 MHz。受到噪聲卷積移頻干擾的目標(biāo)雷達(dá)已無法準(zhǔn)確區(qū)分目標(biāo)具體位置。圖7為噪聲卷積移頻干擾下CPM-LFM信號(hào)誤碼率情況。與圖3、圖5對比發(fā)現(xiàn)，相同干信比條件下，誤碼率更高，噪聲卷積移頻干擾的干擾效果更好。

圖6 噪聲卷積移頻干擾下CPM-LFM信號(hào)時(shí)域及脈壓圖

圖7 噪聲卷積移頻干擾下誤碼率曲線

通過對干擾狀態(tài)下CPM-LFM雷達(dá)通信一體化信號(hào)雷達(dá)脈壓結(jié)果和通信誤碼率仿真發(fā)現(xiàn)，噪聲卷積干擾能夠一定程度影響一體化信號(hào)雷達(dá)探測能力，但是脈壓輸出效果不好，通信干擾能力較好。移頻后的噪聲卷積干擾對CPM-LFM一體化信號(hào)雷達(dá)探測能力具有較強(qiáng)的干擾，且具有相比噪聲卷積式干擾更高的誤碼率，是一種具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的干擾方式。

4 結(jié)束語

本文在構(gòu)建一體化信號(hào)模型基礎(chǔ)上，利用噪聲卷積式干擾作為干擾信號(hào)，理論推導(dǎo)干擾狀態(tài)下目標(biāo)回波脈沖壓縮表達(dá)式，分析其脈壓結(jié)果，對比分析噪聲卷積干擾、移頻干擾、噪聲卷積移頻干擾3種干擾方式下CPM-LFM脈壓輸出。仿真結(jié)果表明，移頻后的噪聲卷積干擾表現(xiàn)出更優(yōu)越的效果，能夠有效抑制CPM-LFM雷達(dá)通信一體化信號(hào)的雷達(dá)探測能力與通信性能，具有實(shí)際應(yīng)用意義。