對短波并行體制符號同步的靈巧干擾

孫志宇,徐以濤,胡勇軍,劉曉琦

(1.解放軍理工大學通信工程學院,江蘇南京210007;2.中國人民解放軍65631部隊,遼寧錦州121000)

0 引言

同步是短波并行體制系統實現的重要環節,攻擊數據傳輸系統的同步系統,對破壞數據傳輸而言,在許多條件下會以小的代價,取得更好的效果[1]。文獻[2]指出針對同步系統的干擾就是實現靈巧干擾技術的一種方法。符號同步是短波并行體制系統實現的又一重要環節,對并行體制同步的攻擊,已有文獻[3,4]研究對現在正在廣泛應用于北約數據鏈link11和link16的同步過程攻擊,并取得了良好的干擾效果,本文研究對短波并行高速數據傳輸系統的符號同步的靈巧干擾技術。

1 39音并行調制解調器的信號波形結構

1.1 39音并行數據傳輸系統前導結構

在傳輸數據之前,將傳輸3個前導信息:

Preamble-1傳送持續14個符號周期(信號存在信息和多普勒估值信息),包含14個符號周期的等幅未調制的4音信號,頻率點分別為787.5 Hz、1 462.5 Hz、2 137.5 Hz和2 812.5 Hz,信號存在信息用來檢測信號是否到來,接收端檢測到此信號以確定信號出現,多普勒頻偏估值信號用來估計信號通過信道后所產生的頻率偏差。

Preamble-2將傳送持續8個符號周期(用于符號同步建立信息),包含3個調制后的數據音,頻率點分別為1 125 Hz、1 800 Hz和2 475 Hz,符號同步建立信息為接收端建立符號同步提供必要的信息;

第3部分為相位參考幀,由一個符號周期組成;

最后為塊同步及39音數據信息,每個碼元長度為Tsymb=22.5 ms,如圖1所示。

圖1 39音OFDM系統分組波形結構圖

1.2 Preamble-2符號同步算法

Preamble-2提供對符號同步捕獲的前導信息,在并行體制的HF MODEM中,符號同步的含義就是指要確定22.5 ms幀的起始位置,只有這個位置找到了,才能確保FFT變換的樣點取一幀內,以保證判決信號抽樣點在22.5 ms的中央。

發送端發送完用于信號存在檢測和載波同步的信號之后,在 3個正交頻率1 125 Hz、1 800Hz、2 475 Hz上,連續發送8幀2PSK信號用于符號同步的捕獲。對Preamble-2符號同步捕獲,采用的方法是基于內積算法的符號定時同步。采用滑動DFT算法來計算頻域內的內積值,此方法是建立在最大后驗概率(MAP)準則基礎上的內積同步法。具體做法是在時域離散序列內連續開設了2個長為N的觀測窗口,求得其頻譜上的頻譜值,通過滑動DFT可算出每滑動一點后對應的頻域信號的頻譜矢量,得到其頻譜線上前后窗口內的頻域值分別為:

設該頻譜線上的內積值為Z,則

式中,DOT運算就是內積運算,求得相鄰兩觀測窗口在某頻譜線上的內積值,滑動窗口滑動N點,必會有同步點出現。根據同步點兩窗口的內積值有特殊的統計特性,最后以兩窗口的內積值的統計特性,應用最大后驗概率(MAP)準則判決同步幀。判決同步幀的方法是:若在一個滑動周期(滑動DFT算法滑動N次)中,第i次變換對應的內積值DOT滿足:

式中,DOTi為第i次變換的內積值;P(Syn/DOTi)為當內積值為DOTi時第i點為同點的概率。通過對同步點的捕獲,可以判第i點為同步點。內積同步法在并行體制系統中,是根據并行體制信號發送的特點而提出的一種簡單、可靠的符號同步方案。

2 符號同步對系統性能的影響

Speth和Fechtel等人對符號同步的影響進行了研究[5]:在循環前綴內,受延遲擴展和不受延遲擴展的2個區域,若時間同步點在延遲擴展影響的區域內會產生ISI,反之則不會受到影響。在受到延遲擴展影響的區域,由于nθ的存在,造成的影響是[6]:

式中,l為第l個ofdm符號;k為OFDM符號所在的載波;zl,k為第l個符號第k個子載波的輸出;al,k為發射端第l個符號第k個子載波的數據;nl,k為發射端第l個符號第k個子載波上的噪聲。由于符號同步誤差,對系統產生的影響主要為ICI和ISI,ICI和ISI為近似為高斯噪聲,其方差為[6]:

式中,Tg為循環前綴的時間長度;τi為第i條徑的時延;T1=T/N,表示接收端時間抽樣間隔;hi為第i條徑的信道抽頭系數。時間同步誤差必須非常準確,因為時間同步常常對信道估計性能有影響,而信道估計誤差將會對系統帶來嚴重的影響,由于時間同步誤差導致的信道估計誤差的方差為[6]:

式中,εT1為時間偏移;W(τ)為信道估計中窗函數,可見時間偏差不僅造成相位旋轉,而且同時產生了ISI和ICI,使解調段信噪比降低。假設前后碼元是非相關的,此時可以近似得到接收端信噪比損失為:

3 對符號同步靈巧干擾策略

靈巧干擾的設計方案:首先靈巧干擾要借助于偵察手段,對目標信號進行參數識別并準確獲取目標信號的參數特征,作為引導施放干擾的依據;然后在干擾引導技術的引導下,提取不同的信號特征,根據先驗知識和自學習功能,選擇或設計干擾樣式,生成針對性很強的干擾信號;最后再通過干擾引導技術從時間域、空間域、頻率域、樣式域和過程域等多維空間形成最佳匹配的干擾信號。

對Preamble-2的符號同步捕獲的靈巧干擾策略正是基于這種干擾設計方案,首先對信號進行偵收,對采集到的信號進行分析后,干擾樣式設計出一種相關性強的干擾信號,最后由發射端發出干擾信號。

相關性強的干擾信號是利用干擾引導技術,通過對通信信號的截獲,設計出參數與其相同或接近的相關干擾信號,表達式為:

式中,Pjam為干擾信號的幅度;ajam(t)為與信號參數相關的函數;fjam為與通信信號相同或這接近的干擾信號的載頻;θjam為與信號相同或接近的干擾信號的相位。因為干擾信號與發送端的信號由很強的相關性,使得接收端對接收到的符號同步頭產生錯誤判決,導致符號同步出錯。干擾后對OFDM解調的影響,直接給出加入干擾后接收信號的表達式。

接收端接收到的第q個子載波上的第n個OFDM符號的表達式為:

式中,njam的定義為干擾信號對其產生的符號同步偏差。由式分析干擾對符號定時的影響有以下3點:

①相位旋轉2πqnjam/NFFT,旋轉隨子載波索引q變化但不隨n增加;

②定時干擾使得同步點落在CP后,接收端對信號作FFT變換之后,將包含了下一個OFDM符號的采樣,由此將造成符號間干擾ISI和ICI;

4 對符號同步的靈巧干擾仿真

對符號同步靈巧干擾有了2種干擾效果:①使得系統的誤碼率升高,使得接收端理解信息難度加大,達到不能理解的程度,理論表明當誤碼率達到50%時,接收方將不能理解其信息內容;②使得信息傳輸滯后,戰場上時間就是生命的保障,干擾同步系統,將會導致信息的延誤或者信息的滯后,為我方贏得時間。

仿真采用 Matlab軟件,在典型短波信道Watterson信道下仿真。采樣速率為7 200,FFT點數為128,單音間隔56.25 Hz,符號同步音1 125 Hz、1 800 Hz、2 475 Hz,CP長度為 34*(1/7 200)=4.732 ms,調制方式采用DQPSK,碼元長度22.5 ms,碼元速率44.444。

依據式(13),當符號同步錯誤時,接收端對數據解調會產生相位旋轉與幅度衰減,對系統實施針對符號同步的靈巧干擾參數njam=54時,其星座點的變化如圖2所示。

圖2 干擾前后星座點變化

圖2為采用相干擾波形的靈巧方式干擾方式,其接收端解調前后星座圖的變化。從對比圖中可以明顯看出,星座圖相位旋轉,幅度衰減,接收端已經不能很好地對接收到的信號進行正確的解調。

概率準則有時也被稱為戰術運用準則或效能準則,是從被干擾對象在電子干擾條件下,完成給定任務的概率出發來評估干擾效果。有些時候僅僅基于誤碼率準則,并不能很好地評估干擾效果。

如當系統本身在復雜的環境下性能就很差,使得誤碼率偏高,這時若使用誤碼率準則,就不一定說明干擾效果有效。因此在對符號同步干擾效果評估時,使用概率準則,以接收端捕獲符號同步的錯誤概率來評定干擾效果就顯得更加直觀。對靈巧干擾與多種干擾方式對符號同步捕獲概率的影響進行仿真,如圖3所示。

圖3 靈巧干擾與常規干擾誤同步概率比較圖

從圖3中可見,當采用相關波形進行干擾,其頻率完全對準符號同步音時,靈巧干擾效果明顯好于瞄準多音干擾、隨機多音干擾、隨機單音干擾、掃頻干擾和噪聲干擾,當干擾功率JSR增大,符號同步錯誤概率將增大。可見,相關性強的靈巧干擾JSR在0 dB時,對通信系統產生極大的影響,其錯誤同步概率達到90%以上,隨機多音干擾等常規干擾,對系統影響比較小,都達不到壓制通信的目的,其中若要實現隨機多音干擾,全頻段噪聲干擾,其總功率都將非常高,且達不到更好的干擾效果。靈巧式的相關信號的干擾使得接收端對符號同步的估計產生錯誤,而符號同步的錯誤導致接收端不能正確解調數據,并且符號同步錯誤將造成通信雙方的數據傳遞的延誤。

5 結束語

首先分析符號同步偏差對系統的影響,而后剖析了39音并行數據傳輸系統中符號同步捕獲算法。對符號同步頭的干擾采用靈活的方式,既可以實現對數據解調的影響,又能影響通信的建立,致使通信滯后。具體實施是利用Matlab軟件搭建仿真環境,采用滑動相關法實現了對符號同步的建立,之后基于對符號同步的靈巧干擾思想,在短波信道下對高速短波并行體制的符號同步實施靈巧干擾,并與多種干擾方式進行比較分析。通過理論上的分析與仿真結果驗證,證明了靈巧干擾符號同步的實用性、可行性。

[1]朱慶厚.通信同步的干擾(Ⅱ)[J].航天電子對抗,2005,21(6):46-48.

[2]RICHARD A P.現代通信干擾原理與技術[M].陳鼎鼎,譯.北京:電子工業出版社,2005.

[3]郭建蓬,王可人,蔡小霞.Link16數據鏈消息同步段有效干擾策略研究[J].電子對抗技術,2005,20(1):3-7.

[4]韓冬平,王 敏,余國文.Link11數據鏈建模與多普勒校正的干擾效果分析[J].電子信息對抗技術,2008,23(6):41-46.

[5]SPETH M,CLASSEN R,MEYR H.Frame Synchronization of OFDM Systems in Frequency Selective Fading Channels[J].Vehicular Technology Conference,1997(3):1807-1811.

[6]SPETH M,FECHTEL S,FOCK G,et al.Optimum Receiver Design for Wireless Broad-band Systems Using OFDM:Part I[J].IEEE Transactions on Communications,1999,47(11):1668-1677.