模擬通信時分干擾效果研究

杜廣超，劉 富，劉 靜，裴 毅

（1.中國人民解放軍63888部隊，河南濟源454650;2.中國人民解放軍61081部隊，北京100094）

0 引言

通信干擾是電子戰(zhàn)的重要組成部分，其目的在于削弱和破壞敵方通信系統(tǒng)的使用效能。作為一種重要的通信干擾體制，時分多目標干擾可以用一部干擾機同時干擾多個通信信號，緩解了現(xiàn)代電子戰(zhàn)中目標數(shù)眾多而干擾資源不足的矛盾，在電子戰(zhàn)中具有重大的現(xiàn)實意義。一般認為在目標數(shù)不是太多（小于4個）的場合，時分多目標干擾實現(xiàn)較為簡單，干擾效果良好，具有極大的比較優(yōu)勢。

時分多目標干擾中，多個干擾激勵器在時序電路的控制下，按一定的時間序列交替地輸出給功率放大器，對目標信號實施干擾。時分多目標干擾體制在任一時刻僅能對一個目標實施干擾，但由于它能快速地按時序分配輪番地輸出不同頻率的干擾信號，因而實現(xiàn)了對多個通信目標的干擾。

1 時分干擾信號

時分多目標干擾中，對每個通信目標的基本干擾信號形式即時分干擾信號。時分干擾信號的主要參數(shù)包括信號幅度、信號初始相位、干擾重復周期T、干擾脈沖寬度τ及占空比τ/T等，信號幅度和信號初始相位是一般信號都具有的參數(shù)。干擾重復周期T是指對每個通信信號干擾中斷的周期，其倒數(shù)為干擾重復頻率F=1/T，干擾重復頻率也稱為干擾中斷率。干擾占空比是指對某信道實施干擾時，一個干擾重復周期內(nèi)，實施干擾時間和干擾重復周期的比值。在時分多目標干擾應用中，對每個信道的理想干擾占空比是1/n，其中n為干擾目標數(shù)，但考慮到實際器件的響應和轉(zhuǎn)換時間，實際干擾占空比肯定小于該值。通過干擾重復周期和干擾占空比，時分干擾信號“時域時斷時續(xù)”的特點得到了刻畫。

2 時分干擾效果研究模型

為了對時分干擾信號的干擾效果進行研究，建立如圖1所示時分干擾效果研究模型。其中，干擾樣式發(fā)生器用于產(chǎn)生各種連續(xù)干擾信號和脈沖發(fā)生器相乘后形成時分干擾信號。調(diào)制方式采用SSB、AM和FM等模擬調(diào)制，發(fā)送話音調(diào)制到中頻后和時分干擾信號一起進入信道，信道會疊加上噪聲。之后進行信號的解調(diào)，得到受擾話音。

圖1 時分干擾效果研究模型

干擾效果的評估采用話音可懂度和頻譜失真測度2種方式，話音可懂度通過話報員對受擾話音包含的話報進行正確率統(tǒng)計得到。頻譜失真是基于語音信號的短時分幀處理定義的，設(shè)第n幀語音頻域譜失真為:

式中，S（ω）和S′（ω）分別輸入輸出語音的短時譜，ωd是信號帶寬，則整個話音的平均頻譜失真為從式（1）可以看出頻譜失真主要通過對原始語音幀和受擾語音幀的短時譜之間的差異統(tǒng)計求得，由于解調(diào)語音和原始語音的平均功率可能并不一樣，這會給頻譜失真的計算帶來一定的偏差，而這種偏差不會對干擾效果造成影響，所以在計算頻譜失真前需要對解調(diào)話音進行幅度調(diào)整，以消除這種影響，該文基于受擾語音和原始語音信號總能量變化進行調(diào)整。

3 時分干擾過程描述

基于圖1所示研究模型進行分析，采用SSB調(diào)制方式，原始話音信號為，SSB已調(diào)信號在時域可表示為:

圖1中采用噪聲調(diào)頻干擾樣式，最終生成的時分噪聲調(diào)頻干擾信號為:

式中，u（t）為噪聲調(diào)頻干擾的調(diào)制噪聲，是零均值、方差為的廣義平穩(wěn)隨機過程;Kf為調(diào)制斜率T為干擾重復周期;τ/T為干擾占空比。在噪聲調(diào)頻干擾信號帶寬較寬時，一般其有效調(diào)制指數(shù)mfe＞＞1，式（3）所示時分噪聲調(diào)頻干擾信號的單邊功率譜密度表達式為:

式中，fde=Kfσn為噪聲調(diào)頻的有效調(diào)制帶寬。

采用如圖2所示，SSB相干解調(diào)框圖進行解調(diào)，解調(diào)器輸入信號由已調(diào)話音、噪聲和干擾信號3部分組成。帶通濾波后，解調(diào)器輸入端窄帶噪聲信號為n（t）=nc（t）cosωct-ns（t）sinωct，其中nc（t）和ns（t）均是均值為0、方差為σ2的高斯隨機過程。令φ0=φ=0、ω0=ωc，分析可得最終輸出信號由話音信號和噪聲（噪聲包括系統(tǒng)噪聲和干擾信號轉(zhuǎn)換而成的噪聲）2部分組成，信號部分為噪聲的單邊功率譜密度為:

圖2 SSB相干解調(diào)框圖

采用AM和FM調(diào)制時，干擾過程的描述是類似的，此處不再贅述。

4 時分干擾效果仿真與結(jié)果分析

按照圖1所示研究模型構(gòu)建仿真實現(xiàn)框圖，報務員讀一段話報并把話音保存起來，作為原始話音。改變脈沖發(fā)生器的周期和占空比來得到不同干擾重復周期和干擾占空比的時分干擾信號，對話音信號實施干擾，受干擾語音保存起來進行話音可懂度的統(tǒng)計，計算得到其相對于原始語音的頻譜失真測度。限于篇幅所限，這里僅示出SSB調(diào)制的干擾效果，圖3是干擾重復周期分別為0.001s和0.01s時對單邊帶話實施時分噪聲調(diào)頻干擾的干擾效果。

圖3 不同干擾重復周期下對單邊帶話的時分噪聲調(diào)頻干擾效果

圖4是干擾占空比為20%和30%時的干擾效果，縱軸左邊為頻譜失真測度，右邊為話音可懂度，橫軸為干信比。需要注意干擾功率的計算要考慮干擾占空比對功率的影響，同時一般由于已調(diào)話音信號帶寬相對于干擾信號帶寬較窄，只有帶通濾波器通頻帶之內(nèi)的干擾信號功率才會對話音信號造成干擾，才是有效干擾功率，干信比是有效干擾功率和信號功率之比。

從圖3和圖4可以看出如下幾點:

①在干擾重復周期和干擾占空比一定的前提下，隨著干信比的增大，頻譜失真測度緩慢增大，話音可懂度總體趨勢減小，表明增大干擾信號功率是提高干擾效果的有效途徑。

圖4 不干擾占空比下對單邊帶話的時分噪聲調(diào)頻干擾效果

可以明顯看出，頻譜失真測度作為對解調(diào)信號內(nèi)部頻譜構(gòu)成改變程度的度量，受干擾占空比和干擾重復周期的影響比較大，由于進行了增益調(diào)整而隨干信比變化的范圍比較小。隨著干擾參數(shù)的變化，頻譜失真測度和話音可懂度在數(shù)值上沒有大致統(tǒng)一的對應關(guān)系，這就導致不能從數(shù)值上給出一個基于頻譜失真測度的干擾效果評估標準，所以該分析中以話音可懂度為主，頻譜失真測度輔助分析。

此外需要說明的是，由于該仿真模型和實際接收機結(jié)構(gòu)的不同，干擾效果和干擾參數(shù)的絕對值對應關(guān)系未必一致，但是干擾效果隨干擾參數(shù)變化的規(guī)律應該是一致的;

②在干擾重復周期一定和干信比一定且介于一定范圍之內(nèi)（保證此范圍內(nèi)可以看出話音可懂度的變化，而不是全部為100%或者0）的前提下，隨著干擾占空比的增大，頻譜失真測度增大，話音可懂度減小。當干擾占空比增大時需要減小干擾信號的幅度以保證干擾功率一定，這表明了在接收端干擾信號干擾功率一定的前提下，增加干擾占空比而改變干擾信號的內(nèi)部頻譜構(gòu)成可以明顯提高干擾效果;這進一步證實了對模擬通信信號實施連續(xù)干擾效果好于間斷式干擾;同時由于干擾占空比的倒數(shù)反應了時分多目標能夠干擾的目標數(shù)，干擾目標越多，干擾占空比越小，即使增大干擾信號的幅度以保證對每個通信信號的有效干擾功率相同，干擾效果也會明顯下降，可以得出對模擬通信的時分多目標干擾體制的性能下降不僅僅在于干擾目標的增加使得對每個目標可用干擾功率的下降，也是這種干擾體制本身特點造成的;

③在干擾占空比一定和干信比一定且介于一定范圍之內(nèi)的前提下，隨著干擾重復周期的增大，頻譜失真測度略微（和干擾占空比相比較而言變化幅度較小）單調(diào)增加，話音可懂度不是單調(diào)變化，該仿真中T=0.002s和T=0.005s的干擾效果優(yōu)于T=0.01s和T=0.001s，表明隨著干擾重復周期的增大，干擾效果先提高后減少，可以得出在模擬通信時分多目標干擾中設(shè)置合適的干擾重復周期可以有效提高干擾效果，該干擾重復周期不是越大越好，也不是越小越好，而是設(shè)置在一定范圍之內(nèi)時干擾效果最好;

④實際應用時分多目標干擾時，必須考慮到接收機信號建立時間對干擾效果帶來的差異，必須保證干擾脈沖寬度大于信號建立時間，否則干擾是無效的，這也說明了干擾重復周期不能無限制的增加。

一般而言，接收機體系結(jié)構(gòu)不同、發(fā)射功率不同、濾波器帶寬不同以及元器件延遲不同等都會帶來信號建立時間的差異，難以給出統(tǒng)一的標準，只能概算。而現(xiàn)行通信接收機一般采用超外差式體系結(jié)構(gòu)，通過多次混頻把射頻信號變換到一定的中頻，然后進行DSP處理。DSP主頻一般在幾百兆赫茲，所以DSP處理對信號建立時間的影響在ns級，前幾級混頻處理時頻段較高，濾波器帶寬較寬，其對信號建立時間的影響也都在ns級，影響最大的是末級中頻濾波處理。按照信號建立時間t和信號帶寬B的關(guān)系t=0.35/B，取末級中頻濾波器帶寬為20kHz，可以得出信號建立時間約17.5μs。

該仿真模型中最終的低通濾波器帶寬約8kHz，對應信號建立時間約43.75 μs，取占空比為0.1～0.4，當干擾重復周期為0.002s和0.005s時，干擾脈沖寬度介于200 μs和2000 μs之間，所以為了取得較好的干擾效果，干擾脈沖寬度必須至少約大于信號建立時間的5倍。

按照比例關(guān)系，對于末級中頻濾波帶寬為20kHz的接收機，當干擾重復周期介于0.0008s和0.002s之間時干擾效果較好。對于接收機，其結(jié)構(gòu)和器件存在差異，該取值范圍也會有差異。不同的干擾目標數(shù)，為達到較好的干擾效果，干擾重復周期的取值范圍變化不大，但是相同干信比（注意此時為達到相同的干信比，只能通過改變干擾信號的幅度，也即改變干擾機的發(fā)射功率）下，干擾目標數(shù)越多，干擾效果越差。

需要注意的是，上述結(jié)論是基于話音可懂度和頻譜失真測度2方面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出的。在數(shù)據(jù)處理過程中，發(fā)現(xiàn)話音可懂度的主觀性太大，對同樣一段數(shù)字報，有經(jīng)驗、有記憶的報務員和沒經(jīng)驗、沒記憶人員聽取的結(jié)果差異相當大，對真實結(jié)果的獲取造成了很大的困難;頻譜失真測度作為客觀評價標準，卻不能在數(shù)值上和話音可懂度建立一致的對應關(guān)系。這2點大大增加了統(tǒng)計結(jié)果的誤差可能性，會對干擾效果的評估造成不良的影響，但對干擾效果隨干擾參數(shù)的變化趨勢的影響會小很多，這保證了結(jié)論的可信度。

5 結(jié)束語

對時分干擾信號對模擬通信的干擾效果進行了分析，仿真總結(jié)出了干擾重復周期、干擾占空比和干信比對干擾效果的影響，進一步指出在接收端干擾信號干擾功率一定前提下，增加干擾占空比而改變干擾信號的內(nèi)部頻譜構(gòu)成可以明顯提高干擾效果，表明對模擬通信實施連續(xù)干擾效果好于間斷式的時分干擾，對模擬通信采用時分多目標干擾體制會帶來干擾機干擾能力的下降，這是時分多目標干擾體制本身特點造成的。在某試驗中，時分多目標干擾方式對模擬話音通信的干擾效果很不理想，遠劣于頻分多目標干擾的干擾效果，該結(jié)論對試驗結(jié)果的分析帶來了新的思路。

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