對通用數(shù)據(jù)鏈干擾效能評估及仿真

朱 林，方勝良，楊 正

（1.解放軍電子工程學(xué)院，合肥 230037；2.電子制約技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230037）

對通用數(shù)據(jù)鏈干擾效能評估及仿真

朱 林1，2，方勝良1，楊 正1

（1.解放軍電子工程學(xué)院，合肥 230037；2.電子制約技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230037）

首先介紹了通用數(shù)據(jù)鏈（CDL）的技術(shù)特點(diǎn)，對CDL的干擾策略進(jìn)行了討論，分析了幾種干擾樣式的可行性。研究了脈沖干擾對CDL前向鏈路的BPSK擴(kuò)頻調(diào)制的干擾效能，對脈沖干擾下BPSK擴(kuò)頻調(diào)制的誤碼率及同步字差錯率進(jìn)行了計算。研究了寬帶噪聲干擾對CDL返向鏈路的OQPSK調(diào)制的干擾效能，對寬帶噪聲干擾下OQPSK調(diào)制的誤碼率進(jìn)行了計算，最后分別進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果顯示，所研究的干擾樣式在一定條件下對CDL通信鏈路能產(chǎn)生有效的干擾。

通用數(shù)據(jù)鏈，效能評估，干擾

引言

數(shù)據(jù)鏈作為C4ISR系統(tǒng)框架的重要組成部分，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭由“平臺中心戰(zhàn)”向“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”轉(zhuǎn)變的重要技術(shù)手段，而通用數(shù)據(jù)鏈（Common Data Link，CDL）擁有其他數(shù)據(jù)鏈無法比擬的通信帶寬和遠(yuǎn)程通信能力，能夠很好地解決網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中圖像、視頻等大容量偵察情報高速傳輸?shù)碾y題［1］。CDL作為美軍支持信號和圖像情報分發(fā)的數(shù)據(jù)鏈標(biāo)準(zhǔn)，已成為北約偵察情報傳輸?shù)闹饕獢?shù)據(jù)鏈之一。因此，研究CDL干擾效能對于未來戰(zhàn)爭中有效對抗CDL系統(tǒng)具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對數(shù)據(jù)鏈相關(guān)技術(shù)也展開了廣泛的研究。文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［3］針對CDL在低信噪比窄帶干擾條件下信息傳輸性能較差的情況，提出了一種結(jié)合QC-LDPC和混沌DSSS的協(xié)同窄帶干擾抑制方案，以提高CDL的抗干擾性能；文獻(xiàn)［4］對機(jī)載吊艙通用數(shù)據(jù)鏈的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并完成對其調(diào)制解調(diào)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)［5］對Link4A數(shù)據(jù)鏈在各種干擾樣式下的干擾效能進(jìn)行了仿真分析。上述文獻(xiàn)對CDL的干擾效能缺乏針對性的研究，多是對其技術(shù)特點(diǎn)研究，或者對其他類型數(shù)據(jù)鏈的干擾效能進(jìn)行討論。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)之上，通過分析CDL技術(shù)特點(diǎn)來分析其干擾效能。

1 通用數(shù)據(jù)鏈技術(shù)特點(diǎn)及對策分析

1.1 通用數(shù)據(jù)鏈技術(shù)特點(diǎn)

通用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)機(jī)載平臺與地面站之間的情報、監(jiān)視、偵察數(shù)據(jù)的交換，因而CDL提供了具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和高傳輸速率的前向鏈路和返向鏈路，其中前向鏈路采用了BPSK擴(kuò)頻調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸速率為200 kbit/s，主要用于完成對無人機(jī)平臺的遙控數(shù)據(jù)傳輸，本文的干擾仿真分析是基于BPSK相干解調(diào)，其解調(diào)原理如圖1所示。CDL返向鏈路采用了 OQPSK調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸速率為10.7Mbit/s、137 Mbit/s、274 Mbit/s，返向鏈路主要用于分發(fā)機(jī)載傳感器數(shù)據(jù)及平臺導(dǎo)航數(shù)據(jù)等，其解調(diào)原理如圖2所示。CDL在前向鏈路以及寬帶模式的返向鏈路采用了差分編碼，而窄帶模式的返向鏈路則沒有采用，同時，CDL一般采用碼率為1/2、約束長度為7的卷積編碼。

圖1 BPSK擴(kuò)頻信號解調(diào)原理圖

圖2 OQPSK信號解調(diào)原理圖

CDL前向鏈路所采用的BPSK調(diào)制方式中加入PN碼以擴(kuò)展其信號帶寬，降低了信號被檢測和截獲的概率，由于目前對高速數(shù)傳采用擴(kuò)頻技術(shù)尚有困難以及指揮控制優(yōu)先級問題，故CDL對任何模式的返向鏈路都不進(jìn)行擴(kuò)頻［1］，僅采用了OQPSK調(diào)制技術(shù)，相當(dāng)于將兩路正交的BPSK信號錯開半個碼元然后相疊加，其特點(diǎn)在于功率譜的旁瓣較低，由此引起的帶外輻射較小，同樣降低了信號被檢測和截獲的概率。

1.2 干擾策略分析

由于CDL所采用的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)具有較強(qiáng)的抗截獲和抗干擾能力，近年來有關(guān)其對抗方面的研究也比較多，目前對抗直接序列擴(kuò)頻通信的常用手段主要有噪聲干擾、靈巧干擾和脈沖干擾等。噪聲干擾又可分為窄帶噪聲干擾和寬帶噪聲干擾，其區(qū)別在于進(jìn)入到信號頻譜范圍內(nèi)的干擾信號帶寬不同，根據(jù)文獻(xiàn)［6］所給出的結(jié)論，在干擾信號功率一定的條件下，寬帶噪聲干擾和窄帶噪聲干擾對DSSS體制的干擾效果無顯著差異，這是從噪聲干擾對DSSS的信噪比的干擾效能來分析，如果考慮偽隨機(jī)序列同步的干擾問題，則寬帶干擾比窄帶干擾具有更好的干擾效果。

靈巧干擾［7］是將所偵察到的PN碼序列和干擾信息進(jìn)行調(diào)制得到干擾信號，從而產(chǎn)生強(qiáng)相關(guān)干擾信號，可嚴(yán)重削弱直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步性能。然而，該方法的實(shí)現(xiàn)是以干擾方已偵察到被干擾方的PN碼、碼速率和載波頻率等信息為前提的，就目前的信號截獲及檢測技術(shù)不易實(shí)現(xiàn)上述條件。

脈沖干擾同樣屬于一種相關(guān)干擾，其干擾策略類似于部分頻帶噪聲干擾，只不過脈沖干擾是時間上的一部分，而部分頻帶噪聲干擾是頻譜上的一部分［8］。脈沖干擾是由一連串周期重復(fù)的窄脈沖組成的干擾信號，因此，具有較低的占空比，而占空比決定了平均功率和峰值功率之間的關(guān)系，干擾效果取決于峰值功率，以及該信號返回到接收機(jī)的頻度。所以脈沖干擾的平均功率比其他干擾技術(shù)的平均功率低，但能夠達(dá)到同樣的干擾效果，甚至更有效。

根據(jù)CDL系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)以及對干擾技術(shù)的分析，從實(shí)現(xiàn)干擾技術(shù)的難易程度、干擾技術(shù)的特點(diǎn)以及所能達(dá)成的干擾效果等角度綜合權(quán)衡，考慮對采用BPSK擴(kuò)頻調(diào)制的前向鏈路采用脈沖干擾，對采用OQPSK調(diào)制的返向鏈路采用寬帶噪聲干擾。

2 通用數(shù)據(jù)鏈干擾效能建模

2.1 BPSK擴(kuò)頻調(diào)制干擾效能模型

2.1.1 脈沖干擾下誤碼率分析

脈沖干擾是由一連串周期重復(fù)的窄脈沖組成，設(shè)每個窄脈沖的時間段為γ，其余時間用1-γ表示。這里可以將脈沖干擾看作是部分頻段噪聲干擾，只不過脈沖干擾是將干擾信號覆蓋到整個信號頻譜上。根據(jù)數(shù)字通信原理，BPSK在相干解調(diào)下由噪聲和干擾所引起的誤碼率為：

其中，Pe1是脈沖干擾在窄脈沖信號發(fā)送間隔的誤碼率，Pe2是脈沖干擾在窄脈沖信號發(fā)送期間的誤碼率。N1表示系統(tǒng)熱噪聲密度，N2表示由干擾信號和系統(tǒng)共同的噪聲密度。假設(shè)干擾信號發(fā)送期間，干擾信號功率遠(yuǎn)大于系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪聲功率，忽略系統(tǒng)噪聲，那么Pe可表示為［7］：

其中，Gp為處理增益，SNR為信噪比，JSP為干信比。同時，這里假設(shè)干擾信號窄脈沖持續(xù)時間至少為比特時間Tb。此時存在一個γ值可使Pe達(dá)到最大值，該值可表示為：

相應(yīng)的誤碼率為：

2.1.2 脈沖干擾對信號同步的影響分析

BPSK擴(kuò)頻調(diào)制具有較強(qiáng)的抗干擾性能的關(guān)鍵在于系統(tǒng)的高處理增益，而高處理增益依賴于接收機(jī)本地碼與PN碼的精確同步。采用一種變頻的脈沖干擾信號使其同步字發(fā)生誤碼，從而失去幀同步信息，來擾亂接收機(jī)的本地PN碼序列同步，進(jìn)而影響接收機(jī)對擴(kuò)頻信號的解擴(kuò)。

一般前向糾錯編碼（FEC）都是在信息后加上校驗(yàn)信息，其編碼后的碼字長度比之前較大，但同步字的位置沒有發(fā)生改變，仍以一定周期出現(xiàn)，只不過加上校驗(yàn)信息后其周期增大；交織是將碼字的b個比特分散到n個幀中，來改變比特間的鄰近關(guān)系，所以交織對于位于每個子幀的同步字延遲為零，其周期性并未改變，只是在交織結(jié)束后其周期降低了8倍。

由于CDL系統(tǒng)前向鏈路采用碼率為1/2、約束長度為7的卷積編碼，其對8 bit編碼后輸出為16 bit，再經(jīng)過3/4的穿孔后，同步字為12 bit，相對于子幀的位置未發(fā)生變化，但同步字周期降低了2/3。通過以上簡要分析，得出同步字在子幀中的相對位置未發(fā)生變化的結(jié)論。這里設(shè)信源產(chǎn)生字節(jié)速率為fB，在整個編碼完成后，比特流中的同步字頻率為：

因此，欲達(dá)到有效干擾PN碼序列的同步，只需發(fā)送以脈沖重復(fù)頻率為fsyn或N/M×fsyn的脈沖干擾信號，其中N，M為正整數(shù)。當(dāng)脈沖對準(zhǔn)同步字時，就可以以較小功率達(dá)到干擾CDL系統(tǒng)前向鏈路的目的。

2.2 OQPSK調(diào)制干擾效能模型

OQPSK調(diào)制是在QPSK調(diào)制基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的一種恒包絡(luò)數(shù)字調(diào)制技術(shù)，QPSK調(diào)制可以看成兩個BPSK調(diào)制構(gòu)成，輸入信號經(jīng)過串并變換后分成極性轉(zhuǎn)換時間相同的I、Q兩路信號，其相位相差90°。而OQPSK信號則是把Q路信號和I路信號錯開了半個碼元周期Ts/2，其調(diào)制信號可以表示為：

由于OQPSK和QPSK一樣可以看作是載波正交的兩路相移鍵控信號的矢量和，不同的是對同相和正交載波進(jìn)行調(diào)制的兩路二進(jìn)制序列在時間上錯開半個碼長。其誤碼性能與BPSK應(yīng)是一致的：

其中，NT=N0+J0。

這是在寬帶噪聲干擾下OQPSK調(diào)制的結(jié)果，熱噪聲電平通過寬帶噪聲電平得到了增強(qiáng)。將式（7）代入包含功率比值的等式，得到：

其中Wss=1/Tc，PN=WssN0。因而有：

而處理增益Gp=Ts/Tc，故

3 仿真分析

根據(jù)上述分析，利用MATLAB軟件對CDL系統(tǒng)通信鏈路進(jìn)行仿真，主要從脈沖干擾對前向鏈路誤碼率和同步字差錯率的影響，以及寬帶噪聲干擾對返向鏈路誤碼率的影響，給出誤碼率和同步字差錯率與其他指標(biāo)參數(shù)的關(guān)系的仿真過程。

3.1 脈沖干擾對CDL前向鏈路誤碼率仿真分析

當(dāng)信噪比SNR=10 dB，處理增益Gp=100，干信比JSP=10 dB時，脈沖干擾下的前向鏈路誤碼率與γ的關(guān)系如圖3所示。在該仿真參數(shù)下，γ須超過25%才能達(dá)到有效干擾，同時存在一個γ值使得誤碼率達(dá)到最大，當(dāng)干信比繼續(xù)增加時，干擾效果沒有明顯變化。

圖3 γ對系統(tǒng)誤碼率的影響

圖4 脈沖干擾和寬帶噪聲干擾在不同信噪比下對誤碼率的影響

當(dāng)處理增益Gp=100，脈沖干擾信號干信比JSR1=5 dB，寬帶噪聲干擾信號干信比JSR2=10 dB，在γ取到使脈沖干擾達(dá)到最佳的值γ'時，其誤碼率與信噪比關(guān)系如圖4所示。從圖4中可以看出，當(dāng)脈沖干擾的干擾功率小于寬帶噪聲干擾功率的情況下，仍能保持較好的干擾效果，當(dāng)誤碼率為10-1時，脈沖干擾比寬帶噪聲干擾仍多出4 dB的優(yōu)勢。當(dāng)信噪比增大到一定程度時，兩種干擾樣式的干擾效果近似相同。

3.2 脈沖干擾對CDL前向鏈路同步字差錯率仿真分析

圖5 同步字差錯率與占空比的關(guān)系

圖6 無擴(kuò)頻條件下干信比與誤碼率關(guān)系圖

當(dāng)系統(tǒng)信道信噪比SNR=15 dB，脈沖干擾干信比JSR=0 dB時，脈沖重復(fù)頻率與子幀重復(fù)頻率相同，脈沖位置與同步字位置相同的條件下，同步字差錯率與占空比的關(guān)系如圖5所示。由于占空比與干擾信號平均功率有關(guān)，從圖中可以看出，當(dāng)占空比比較小的時候，干擾信號對通信的影響很小，隨著占空比的增大，同步字差錯率也隨之增大，這是由于脈沖重頻及同步字位置對準(zhǔn)的情況下，隨著干擾功率的增大，干擾效果也越加明顯。當(dāng)占空比達(dá)到9%的時候出現(xiàn)門限效應(yīng)，同步字差錯率趨于一個固定值，此時增加干擾信號干信比可使同步字差錯率繼續(xù)增加。

3.3 寬帶噪聲干擾對CDL返向鏈路誤碼率仿真分析

在處理增益Gp=100時，寬帶噪聲干擾分別在信噪比SNR1=-20 dB，SNR2=-15 dB，SNR3=-10 dB時，

干信比與系統(tǒng)誤碼率關(guān)系變化如圖6所示。寬帶噪聲干擾在克服了處理增益之后可提高其干擾效果，此時誤碼率隨著干信比的增加而增大。

當(dāng)信噪比SNR=-20 dB，處理增益Gp在［10，1 000］區(qū)間變化時，寬帶噪聲對CDL返向鏈路干擾效果如圖7所示。通過對比圖中兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，提高干信比可以改善干擾效果，如果以處理增益進(jìn)行衡量，那么當(dāng)干信比提高10 dB時，在Pe=10-1處的干擾效果大約提高了3 dB。

圖7 處理增益與誤碼率變化關(guān)系圖

4 結(jié)束語

本文在對CDL技術(shù)特點(diǎn)研究的基礎(chǔ)之上分析了CDL對抗策略，提出采用脈沖干擾對抗CDL前向鏈路，采用寬帶噪聲干擾對抗CDL返向鏈路，并分別給出了干擾效能模型，分析了干擾信號占空比、脈沖重頻和干信比等因素對通信鏈路誤碼率和同步字差錯率的影響程度，最后通過仿真實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果顯示，合理選擇干擾信號占空比、脈沖重頻和干信比可有效改善干擾效果，在一定條件下能夠達(dá)成有效干擾CDL通信鏈路的目的。本研究為對抗CDL系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］駱光明，楊 斌，邱致和.數(shù)據(jù)鏈——信息系統(tǒng)連接武器系統(tǒng)的捷徑［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［2］李思佳，毛玉泉，李 波，等.NBJ的QC-LDPC系統(tǒng)混沌DSSS方案［J］.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（31）:125-130.

［3］李思佳，毛玉泉，李 波，等.基于QC-LDPC-Chebyshev混沌序列優(yōu)選的CDL抗干擾研究［J］.計算機(jī)測量與控制，2012，20（4）:1046-1050.

［4］王黎明.機(jī)載吊艙通用數(shù)據(jù)鏈調(diào)制解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2011.

［5］彭世蕤，朱賓剛，蘇元偉.Link4A數(shù)據(jù)鏈壓制干擾效果分析［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2009，37（6）：73-76.

［6］郝建民.寬帶噪聲干擾源對直接序列擴(kuò)頻通信的干擾效果分析［J］.遙測遙控，2005（3）：19-21.

［7］Poisel R A.Modern Communications Jamming Principles and Techniques［M］.New York:Artech House，Inc，2011.

［8］覃振江，王昌寶，畢大慶.脈沖干擾對超寬帶通信干擾效果 分 析 ［J］.艦 船 電 子 工 程 ，2011，31（10）：69-72，555-558.

Evaluation and Simulation for Efficiency of Common Data Link in the Presence of Jamming

ZHU Lin1，2，F(xiàn)ANG Sheng-liang1，YANG Zheng1
（1.Electronic Engineering Institute of PLA，Hefei 230037，China；
2.Anhui Province Key Laboratory of Electronic Restriction，Hefei 230037，China）

Originated from the technical characteristics of CDL（Common Data Link），the jamming strategy for CDL is analyzed，the feasibility of various jamming forms is researched.The jamming effectiveness of pulse jamming to BPSK spread spectrum systems and BBN jamming to OQPSK are analyzed and simulated.The BER and synchronization word error rate of pulse jamming to BPSK spread spectrum systems are calculated，and the BER of BBN jamming to OQPSK is calculated.The simulation results show that the jamming mode researched have the ability to interfere CDL communication link in some situation.

Common Data Link，effectiveness evaluation，interfere

TN972；TP391.9

A

1002-0640（2014）09-0072-04

2013-06-03

2013-09-01

朱 林（1989- ），男，河南周口人，碩士研究生。研究方向：電子對抗效能分析。