復雜電磁環(huán)境下電子通信信號抗干擾方法

黃 宇,趙 杰,陳建國

(成都理工大學工程技術(shù)學院,四川 樂山 614000)

1 引言

以信息化為武器,交戰(zhàn)雙方利用多樣式、寬頻域以及多層次的電子干擾技術(shù),經(jīng)過激烈的戰(zhàn)爭,戰(zhàn)場內(nèi)產(chǎn)生高強度和高密度的電磁輻射信號,從而出現(xiàn)信號的時域復雜多變、頻域交互重疊的現(xiàn)象,使作戰(zhàn)武器的性能嚴重下降。在這種環(huán)境下,交戰(zhàn)雙方開啟了奪取制電磁權(quán)的無形戰(zhàn)爭,爭奪制電磁權(quán)就涉及抗干擾技術(shù)。由于電磁環(huán)境中存在各種類型的電子干擾信號,導致作戰(zhàn)信息獲取受阻,指揮變得格外困難,火力攔截難以達到理想的預期效果,使得最終的作戰(zhàn)效能整體下降。雖然目前的通信系統(tǒng)已經(jīng)向多元化、自動化和數(shù)字化方向邁進,但是對于復雜電磁環(huán)境下的通信抗干擾研究效果仍然不盡如人意。

對此,姚元飛[1]等人設(shè)計了一種自適應抗干擾系統(tǒng)。采集并分析通信信號中的載波頻率,憑借自適應濾波算法對異常頻率進行提取并濾除,重構(gòu)載波信號,降低包絡(luò)信號對濾除結(jié)果的影響,得到精準的干擾信號抑制效果;劉高輝[2]等人在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了抗干擾引擎模型。模型對輸入和輸出的數(shù)據(jù)做了相應的預處理和標準判定,根據(jù)決策的實現(xiàn)過程,設(shè)定合理的參數(shù),完成對干擾信號的抗干擾研究。但是上述算法都不具備對新干擾信號的泛化能力,無法實現(xiàn)對波道內(nèi)干擾信號的抑制,導致最終的抗干擾性能降低。

為此,本文在對復雜電磁環(huán)境下干擾信號進行類別和影響程度的劃分后,憑借空域自適應干擾抑制方法對期望信號進行加權(quán)處理,削弱干擾信號,實現(xiàn)抗干擾的目的。通過仿真對比,結(jié)果驗證了本文方法具有較低的誤碼率和較高的干擾抑制增益效果,為電子通信系統(tǒng)提供了一種可行的抗干擾方法。

2 復雜電磁環(huán)境下電子通信信號干擾分級量化

在復雜的電磁環(huán)境下,產(chǎn)生干擾信號的原因有很多,除了自然因素外,還有許多人為因素[3],軍事作業(yè)中的敵我雙方通信干擾是最主要的因素。通信干擾的目的是通過分析和偵收對方通信信號,達到竊取情報、破壞通信系統(tǒng)的目的。

干擾類型一般分為3種:寬/窄帶干擾和跟蹤式干擾。其中,寬帶干擾就是對大范圍的通信頻率發(fā)送干擾信號,當達到全段覆蓋時,只要加大干擾功率,就可以形成阻塞式的干擾,直接摧毀通信系統(tǒng);窄帶干擾則是對通信頻段進行局部大功率的干擾;跟蹤式干擾是影響程度最大的一種干擾方式,通過干擾機獲取通信信號后,直接對其進行毀滅性的破壞。

對復雜電磁環(huán)境中的干擾信號進行精細分級與量化[4],在指揮作戰(zhàn)中是十分有必要的。根據(jù)干擾信號的復雜程度,將其劃分為4個等級:簡單、輕度、中度和重度。本文以戰(zhàn)時標準進行分析。通過對干擾信號的影響程度進行分級量化,作出以下幾點假設(shè):

①時域假設(shè):假設(shè)電子通信信號與電磁干擾源之間存在部分時間重合;

②頻域假設(shè):假設(shè)電子通信設(shè)備與電磁干擾源[5]二者之間具有相近的頻率,部分干擾信號與通信信號可能會發(fā)生碰撞;

③能域假設(shè):假設(shè)電磁干擾源滿足電子通信信號的最低干擾功率,可對通信信號實現(xiàn)有效干擾;

④空域假設(shè):在電磁干擾源的有效干擾范圍內(nèi),假設(shè)干擾機仍存在較大的可選擇空間,干擾范圍的最大概率取值為發(fā)信機至收信機的3.162倍。

在上述4點假設(shè)均成立的情況下,可構(gòu)建電磁干擾影響等級劃分標準,具體內(nèi)容如表1所示。

表1 電磁干擾影響等級劃分標準

3 電子通信信號的空域自適應抗干擾算法

在復雜電磁環(huán)境下,本文主要對寬帶干擾和窄帶干擾進行分析。根據(jù)干擾信號影響程度分級量化標準,在通信系統(tǒng)監(jiān)測模塊中,對截獲的干擾信號劃分等級,并將結(jié)果傳送至估計模塊中,確定干擾信號的目標以及發(fā)送數(shù)量。

將G定義為干擾信號,K(G)為干擾信號的熵,定義公式為

(1)

式中,Po表示G出現(xiàn)的頻率,n表示陣元數(shù)量。將連續(xù)分布的干擾信號的熵[6]用函數(shù)形式進行表達

(2)

式中,L表示權(quán)值。

通常情況下,電子通信系統(tǒng)中的期望信號和干擾信號會來自兩個相反的方向,具體如圖1所示。

圖1 電子通信系統(tǒng)模型圖

本文利用空域自適應干擾抑制方法,實現(xiàn)對電子通信系統(tǒng)的干擾抑制。以數(shù)據(jù)鏈和波束形成基本法,計算得到最優(yōu)天線陣權(quán)向量[7]為期望信號加權(quán),可削弱干擾信號的強度,實現(xiàn)干擾信號的有效抑制。在空域自適應干擾抑制方法中,目標系統(tǒng)由發(fā)射端、干擾源和接收端3部分組成。

(3)

將式(3)與輸入信號的自相關(guān)函數(shù)、權(quán)向量結(jié)合在一起,可以得到函數(shù)關(guān)系式

(4)

其中,Rmm表示包含干擾信號、期望信號以及噪聲信號在內(nèi)的輸入信號的自相關(guān)函數(shù)[8]。

在陣元數(shù)量為n的天線陣中,輸入q個窄帶信號,入射方向分別為θ1,θ2,…,θn。對陣列接收端內(nèi)的數(shù)據(jù)進行采樣,數(shù)字域的第k次采樣數(shù)據(jù)為

(5)

式中,Si(k)表示第i個信號的復包絡(luò)。將S1(k)看作是通信系統(tǒng)中的期望信號,S2(k),S3(k),…,Sn(k)是干擾信號;H(k)表示天線陣列中包含的噪聲;α(θi)表示信號在入射方向θi上的導向矢量[9]。

當干擾信號、期望信號與噪聲信號三者之間沒有關(guān)聯(lián)時,定義接收數(shù)據(jù)的相關(guān)矩陣為

=RSS+Rii+RGG

(6)

式中,RSS、Rii、RGG分別表示干擾信號矩陣、期望信號矩陣以及噪聲信號矩陣,σ表示相關(guān)矩陣系數(shù)。

空域自適應干擾抑制方法與自適應波束成型系統(tǒng)近似,后者通過調(diào)整適當?shù)臋?quán)重值,將期望信號的貢獻[10]發(fā)揮到最大。因此,可將波束成型系統(tǒng)的最優(yōu)權(quán)重向量e近似地看作為約束優(yōu)化問題,計算公式為

《20世紀中國文學大師·詩歌卷》中評論北島的詩歌藝術(shù)是這樣說的：“北島堅持了詩的獨立品格，以現(xiàn)代詩學意識改造被腐化的中國詩學，將西方現(xiàn)代藝術(shù)的蒙太奇、變形等手法納入詩學范疇，推進了中國現(xiàn)代詩在沉睡30年后的復活與繁榮，豐富了現(xiàn)代詩的表現(xiàn)手法，為中國現(xiàn)代詩重返世界文學格局提供了積極的努力，北島是20世紀中國現(xiàn)代詩承上啟下，走向未來的有力的一環(huán)，一座不可忽略的里程碑”（張同道等：《獨自航行的島》，載《20世紀中國文學大師·詩歌卷》）。

(7)

式中,Pout為目標函數(shù),表示波束成型系統(tǒng)的輸出功率;α(θ1)Me為約束函數(shù),代表期望信號的增益;f為式(7)的約束條件。

利用線性約束最小方差準則[11]對電子通信系統(tǒng)中的多波束天線賦形。設(shè)置f=1,即期望信號不受噪聲的影響,在通過天線陣時是無失真[12]的狀態(tài)。通過拉格朗日乘子計算最優(yōu)解為

eout=-R-1αλ

(8)

式中,λ=-[αMR-1α]-1f。利用最小方差在無失真響應約束條件下優(yōu)化式(8),可得

(9)

對eout的計算過程離不開天線陣中多路信號的自相關(guān)矩陣。由于數(shù)據(jù)接收矩陣Rmm是正定Hennitian矩陣,每個階層的主、子矩陣均是非奇異[13]的Hennitian矩陣。本文利用Hennitian矩陣進行求逆引理,得到逆陣遞推求解方法,步驟如下所示:

步驟一:在矩陣中輸入信號初始值Rm+1;

步驟二:定義i=0,1,2,…,m,迭代計算Ri+1子矩陣的逆陣,實現(xiàn)過程為:

(10)

(11)

綜上所述,空域自適應干擾抑制方法流程如圖2所示。

圖2 空域自適應干擾抑制方法實現(xiàn)流程圖

利用接收端中的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)得到通信雙方的位置信息,進一步計算可得到有用信號的入射方向向量α(θ);天線陣元對通信信號進行采樣,構(gòu)建相關(guān)矩陣Rmm,通過遞推求逆構(gòu)建相關(guān)矩陣Pout得到方向圖[15]。

最后電子通信信號抗干擾算法的實現(xiàn)需要在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中經(jīng)過不斷的周期循環(huán),實時監(jiān)測有用信號和干擾信號,從而提高通信質(zhì)量和效率。

4 仿真研究

4.1 仿真設(shè)置

為了驗證本文提出的電子通信信號抗干擾算法在實際中是否合理有效,利用仿真平臺搭建了虛擬的敵方數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),將電磁信號干擾源與對通平臺組合在一起,形成一個信息化對戰(zhàn)戰(zhàn)場。實驗環(huán)境由發(fā)射端、干擾源和接收端3個部分搭建,發(fā)射端為全向單天線,接收端為四元天線陣列(如圖3所示),其中所有的陣元都可根據(jù)需求任意調(diào)節(jié)。電子通信信號由發(fā)射端發(fā)出后,通過接收端的天線陣面陣元接收,隨后被傳送至信道中。

圖3 四元天線陣圖示

在搭建的四元天線陣列中,第一個陣元位于坐標原點的位置上,另外三個陣元的位置分別在方位角φ為0°、120°、和240°的半徑為χ的半圓上。

圖3所示的四元天線陣具有占用空間面積小、對信號的波束方向和零陷方向可全方位操控的特點,即使是同一方向上的相同天線口徑,都可以有效避免出現(xiàn)測向模糊的情況。在仿真中,將四元天線陣建立四個不同的信道,期望信號和干擾信號分別處于不同的信道中。

將有用信號的載波頻率設(shè)置為46.52MHz,帶寬為2M,方位角和俯仰角為(0°,0°);噪聲信號選取的是高斯白噪聲,信噪比設(shè)置為-30dB;將干擾信號的寬帶信號設(shè)置與有用信號帶寬一致,窄帶信號為單脈沖信號,信干比設(shè)置為100dB。實驗中的干擾信號為寬帶干擾與窄帶干擾相結(jié)合的模式,方位角和俯仰角分別為(120°,30°)和(250°,30°)。

4.2 算法性能分析

1)誤碼率對比

在構(gòu)建的虛擬敵方數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中,利用本文方法與引言中提到的自適應濾波算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,在相同的信噪比(SNR)環(huán)境下進行誤碼率的測試。通過調(diào)制獲取通信系統(tǒng)的通信波形,設(shè)置為二進制相移鍵控,信干比SJR=-20dB。實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種算法誤碼率對比

從圖4中可以看出,本文方法隨著SNR值的增加,誤碼率曲線出現(xiàn)了大幅度的下降趨勢,自適應濾波算法僅出現(xiàn)了小幅度的下降,而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法幾乎呈現(xiàn)出一條直線。對比之下,可以看出本文方法的抗干擾抑制能力最優(yōu),這是由于本文方法通過計算最優(yōu)天線陣列權(quán)向量,在增強了期望信號的同時,有效削弱了干擾信號。

2)干擾抑制增益對比

接下來在不同的信干比環(huán)境下,對三種算法的干擾抑制增益效果進行對比實驗。將信噪比設(shè)置為SNR=10dB,其它條件與上述實驗相同,實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種算法干擾抑制增益效果對比

從圖5中可以看出,自適應濾波算法的抗干擾增益始終在30dB范圍內(nèi)波動,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的抗干擾增益始終在20dB范圍內(nèi)波動。隨著通信信號信干比的增加,本文方法的抗干擾增益則出現(xiàn)了上升的趨勢。這是由于本文方法利用天線陣列圖分析期望信號和干擾信號的來波方向,當干擾信號增強后,SJR的值減少,加深干擾信號零陷點,從而達到削弱信號強度的目的。由此可以說明,本文方法較其它兩種方法相比,抗干擾效果最優(yōu)。

5 結(jié)論

針對復雜電磁環(huán)境下的電子通信信號,本文選擇空域自適應干擾抑制方法對干擾信號進行抑制。該方法可在不改變原始數(shù)據(jù)鏈波形的前提下,得到有用信號的波束入射方向,對天線陣列的方向圖實現(xiàn)自適應調(diào)整,完成干擾信號的有效抑制。通過與其它方法進行對比仿真,結(jié)果表明在相同的信噪比環(huán)境下,本文方法具有最低的誤碼率,當信干比相同時,本文方法具有最理想的干擾抑制增益效果。為后續(xù)無線電通信的研究,提供了一種可供參考的抗干擾算法。