戰術數據鏈相位干擾技術

楊保平 陳永光 李鐘敏 王永州

（1.裝備指揮技術學院，北京 101416；2.解放軍 63893部隊，河南 洛陽 471003；3.軍械工程學院，河北 石家莊 050003）

1.引 言

現代信息化戰爭已經從以平臺為中心轉向以網絡為中心，而數據鏈是全球信息柵格（GIG）的重要組成部分，也是實施網絡中心戰的重要信息手段［1－2］。通信對抗的發展也從信號戰走向比特戰，比特戰是未來信息戰的核心［3］。戰術數據鏈作為一種新型的戰場數據通信系統，具有實時或近實時通信能力，其高效的信息傳輸效率和自動化程度都是普通戰術無線電通信系統無法比擬的［1］。戰術數據鏈使信息化戰場對己方信息單向透明，大大增強己方信息優勢、決策優勢、打擊優勢和協同作戰能力［4］。近期的幾場現代局部戰爭中戰術數據鏈的作用更是發揮得淋漓盡致，更加充分說明了戰術數據鏈是取得信息化戰爭的勝利的關鍵之一［1，5－7］。

數據鏈對抗技術是信息化武器裝備建設的焦點之一，采用有效的戰技術措施對抗數據鏈一直是信息化裝備建設面臨的難題［7－9］。典型的數據鏈對抗技術有全時域壓制式干擾和欺騙式干擾。全時域壓制式干擾對偵察要求不高，一般戰術數據鏈信號具有明顯頻譜特征，通過相對簡單的偵察識別無需解調即可實施干擾，屬于信號層對抗。該干擾方式存在能量分散、輻射能量大、對于數據鏈網絡干擾效果弱、戰場生存能力不強等不足。欺騙式干擾則對偵察要求很高，不僅要截獲信號頻譜，而且需進一步解調數據并解密獲取數據鏈通信協議、信息等內容，相對來說實現起來難度很大，屬于信息層對抗。但是欺騙式干擾具有對數據鏈網絡干擾效果好、能量集中、隱蔽性好等優勢。而相位干擾方式屬于比特層對抗，具備上述二者的一些優點，同時一定程度上彌補二者的缺陷，因此具有深入研究的價值。

目前在通信對抗領域對于相位干擾鮮見文獻公開論述，文獻［10］針對數據通信的同步頭進行相應靈巧干擾方法以及干擾效果在頻域上的研究，但是對干擾效果的時域分析缺乏相關文獻的論述。本文針對這一現狀首次在時域上提出了比特對抗時間－干擾效果評估方法并進行了分析研究；建立了戰術數據鏈數據通信和相位干擾模型，對影響干擾效果的各種因素進行了研究；利用模型進行了仿真，基于時域對相位干擾仿真結果進行了定量分析，給出了相位干擾效果時域關系。對研究其他戰術通信基于時域的干擾效果具有借鑒意義。

2.相位干擾方法分析

本文討論的戰術數據鏈采用幀結構數據格式，調制方式采用相位調制［11］。主要由同步幀、相位信息幀和報文消息幀構成，報文消息幀從相位信息幀中提取初始參考相位進行解調。在實現解碼的基礎上，能對相位信息幀進行相位干擾。

2.1 數據鏈信號相位干擾

相位干擾是對戰術數據鏈幀結構中相位信息幀進行干擾，以使敵無法正確獲取初始參考相位，引發通信失敗，達到靈巧、隱蔽的目的。相位干擾所需干擾功率要求不高，干擾時間短，引發的干擾效果好。因此，采用數據鏈的相位干擾在信息對抗方面具有事半功倍的效果。

數據鏈中相位信息幀為后續消息幀的解調提供初始參考相位，其重要性不言而喻。壓制相位信息幀能使后續報文消息接收誤比特率急劇上升，接收端數據終端機（DTS）接收不到戰術消息，引發通信失敗［12］。

2.2 相位干擾效果影響因素分析

對于相位干擾影響干擾效果的有干擾樣式，干通比和對目標幀的有效干擾時長等因素。在確定干擾樣式，滿足有效干擾干通比的條件下，對目標幀的干擾效果就主要取決于有效干擾時長。

在已知對抗雙方位置信息的情況下，結合干擾反應時間可以很精確推算出相位干擾的干擾時機和時長，使相位干擾達到最佳干擾效果。但是實際作戰中及時準確獲得對抗雙方位置信息具有難度，如果雙方處于運動狀態則更加困難。尤其是在短波波段，電波天波傳播時延造成的時間模糊甚至接近于幀間距［2，13］，干擾在時間上的誤差會引起的相位干擾有可能大部分落在具有強抗干擾能力的同步幀內或具有一定抗干擾能力的后續報文消息幀內，即干擾信號和要干擾的通信信號時域重合度小，對干擾效果產生一定影響。

這一問題可以通過延長有效干擾時間解決，使干擾信號在時域上確保完全覆蓋目標幀幀間距。適當的延長相位干擾時間在應用中具有實際意義，但若延長的時間超過限度就會使相位干擾降低隱蔽性從而降低戰場生存能力。

3.時間－干擾效果評估建模

為了進行基于時域分析的相位干擾時間－干擾效果評估研究，首先建立戰術數據鏈的相位干擾模型。

相位干擾的建模首先需要建立相位信息幀的模型，戰術數據鏈相位信息幀信號的多載波頻率空間為f（i），i＝1，…，k，幀間距為T，時域表達可由式（1）表示。

式中：A（i）為各載波振幅；f（i）為各載頻率；P0（i）為各載波初始相位。

相位信息幀信號的仿真時域波形和頻譜如圖1所示。頻譜由快速傅里葉變換（FFT）計算得到，在仿真過程中加入了強度為－76dBm的背景噪聲，更為逼真地模擬實際信號［14］。仿真過程中發射、接收信號電平均以50Ω標準阻抗計算。

圖1 相位信息幀信號波形和頻譜

圖1中多普勒頻率f0強度比其他頻率高＋6dB。仿真時各載波初始相位P0均為π／2，消息幀中的起始幀差分四相相移鍵控（π／4－DQPSK）的調制、解調根據各載波P0來進行。為了消除相位模糊，接收端各載波P0的提取采用接收信號正交化處理，將接收的信號經正交化處理后分為I、Q兩路。為了減少相位移動，接收端經過正、反向濾波，抵消掉濾波器對相位的影響從而實現0相移，同時將濾波器的階數等效提高一倍。接收端I、Q兩路信號加硬限幅后進行判決輸出，得到各載波初始相位P0.其中I路信號為

Q路信號為

式中：A′（i）是接收端濾波器輸出信號振幅。I、Q兩路信號經過低通濾波，將式（2）、（3）中的4倍頻成分濾除。濾波器輸出I路信號為

濾波器輸出Q路信號為

式中：Aj（k）干擾信號振幅；Pj0（k）為干擾信號相位值。

相位干擾建模其次需要建立第一幀消息幀的通信模型。發送端起始幀的差分四相相移鍵控（π／4－DQPSK）的調制根據P0（i）來進行，仿真時各載波初始相位P0（i）均設為π／2。首先進行差分碼變換，變換后對差分碼進行調制。

進行調制前首先將要調制的基帶數字碼流串并轉換并分成I、Q兩路，然后進行正交調制。其數學表達式為

式中：G為濾波器增益。將sI（t）和sQ（t）信號空間取均值，即可得到sI（t）和sQ（t）的統計值，根據得到的統計值進行相位的判決得到相位信息幀各載波相位P0（i）.對各載波進行相位干擾的多音干擾公式為

在接收端收到的信號可以表示為

式中sj（t）為干擾信號。接收端對接收到的信號經過一組帶通濾波器消除帶外噪聲后進行正交解調得到每個單音載波信號。正交兩路解調信號如下：

式中：i＝1，2，…，k.

srI（i）（t）和srQ（i）（t）是取其所有抽樣點的平均值并加硬限幅，從而消除瞬時噪聲的影響。然后根據srI（i）（t）和srQ（i）（t）的值及其符號可以由式（11）計算出每個單音載波相位值。

解調時根據每個單音載波相位與初始相位差進行判決，從而解調出來π／4－DQPSK調制的報文消息幀第一幀的數據。

4.時間－干擾效果評估仿真

相位干擾仿真的目的是研究在時域上干擾時間對干擾效果的影響，采用不同干擾樣式的干擾效果，找出最佳干擾樣式。無干擾情況下，該模型能夠仿真數據鏈相位信息幀與報文消息幀第一幀信號的發送與接收。

當相位信息幀全時域加入白噪聲信號時，信噪比不大于－17dB，運行仿真接收的第一幀消息幀誤比特率能夠達到不小于30%。若報文消息幀第一幀誤比特率大于約16%，接收方就不能夠正確識別出，從而引發通信失敗［11］。相位干擾主要關注時間因素，因此仿真過程中要求干擾在能夠完全壓制通信的情況下，體現時間因素對干擾效果的影響。所以仿真過程中信噪比取為－17dB，保證在能域上并留有一定裕量為有效干擾。同時仿真過程中在相同信噪比條件下采用兩種干擾樣式進行仿真，對比兩種干擾樣式的干擾效果。評判的準則遵循達到有效干擾的時間越短越好，有效干擾引發的誤比特率越高越好兩個原則。

相位信息幀信號的平均功率表達式為

式中：R為標準電阻50Ω；T為幀間距。

干擾信號的平均功率表達式為

根據式（13）可以計算出各種干擾信號的平均功率，根據仿真條件產生所需的強度干擾信號進行仿真。表1將無干擾時接收提取的P0（i）相位與存在兩種干擾情況下提取的P0（i）相位值進行了比較。其中白噪聲干擾由MATLAB仿真產生。

表1 接收端相位信息幀初始相位與受擾后相位對比表

通過仿真結果對比可以看出受到干擾后接收信號在某些頻點上已經不能正確提取各載波初始相位P0（i），這也是引發后續報文消息幀誤碼的主要原因。

相位信息幀的幀間隔時為T，仿真對于干擾信號時間長度進行控制，可以對時間從0到T時長的通信信號進行時域上的壓制。圖2為加入時間長度為t1的白噪聲相位干擾信號與相位信息幀信號的時域波形圖?？梢院苤庇^地顯示出干擾信號受控時間長度和通信信號的波形在時域和能域上的關系。正如在能域上干擾信號必須達到一定功率閾值才能達到有效干擾，在能域上滿足有效干擾條件下，在時域上干擾信號持續時間必須達到一定時間閾值，才能達到有效干擾。

圖2 白噪聲相位干擾時域波形

圖3為加入時間長度同樣為t1的多音相位干擾信號與相位信息幀信號的時域波形圖。與白噪聲干擾樣式類似，圖3顯示出多音相位干擾信號受控時間長度和數據鏈通信信號的波形在時域和能域上的關系。

圖3 多音相位干擾時域波形

根據建立的模型，采用白噪聲相位干擾基于時域進行了仿真和干擾效果評估。仿真結果見圖4，通信信號的誤比特率基本上隨干擾時間增長而增加。即在幀間隔內，施加干擾的時間越長，干擾效果越好。干擾時間達到t2時，干擾開始產生效果，此時數據鏈通信的誤比特率開始上升。當干擾時間至少達到t3，在后續報文消息幀引發的誤比特率才能大于16%，此時數據鏈通信已被壓制。如果對相位信息幀實施的干擾強度上滿足有效干擾要求但是干擾持續時間小于t3時，干擾也是無效的。仿真結果表明白噪聲壓制干擾條件下，達到有效干擾所需時間ΔT約占總時間長度T的53%。

圖4 白噪聲相位干擾效果時域關系

圖5 多音相位干擾效果時域關系

采用多音相位干擾基于時域進行了仿真和干擾效果評估。仿真結果見圖5，多音相位干擾在t4時刻開始，數據鏈后續消息幀誤比特率開始上升，產生干擾效果。當干擾持續時間大于t5時，誤比特率就能達到16%，干擾到達有效干擾，小于t5時干擾無效。對比圖4和圖5，多音相位干擾達到有效干擾所需時間ΔT較短，約占總時間長度T的13%。達到有效干擾后誤比特率比白噪聲干擾樣式要高，總體來說干擾效果好。針對基于多音并行體制的戰術數據鏈多音相位干擾信號和數據鏈通信信號相關性更強，能量更為集中。而噪聲干擾信號頻率成分豐富，功率分散，因此多音干擾的干擾效果優于噪聲干擾。

本文基于差分四相相移鍵控調制的數據鏈通信信號在受干擾時存在誤碼抖動現象，四相調制時一個相位對應一個符號，映射兩個比特的信息。多音干擾信號相位在0～2π隨機產生，當壓制掉一個通信符號時接收端誤判為另一個符號，此時誤比特率會因符號編碼的碼間距離不同而不同。碼間距離為1時，誤比特數是1，碼間距離為2時誤比特數是2。因此不同的信號星座圖產生的誤比特率也會不同，從而產生抖動現象。

5.結 論

本文通過對戰術數據鏈相位干擾技術的分析，構造了戰術數據鏈數字通信相位干擾仿真模型?；跁r域進行了仿真并分析了干擾效果。

在滿足一定信噪比條件下，干擾時間長度是影響干擾效果的一個重要因素。仿真結果表明白噪聲壓制干擾條件下，達到有效干擾所需時間相對多音干擾長。因此，多音干擾相對于白噪聲干擾樣式來說，對偵察、干擾設備要求低、能量相對集中、時間閾值低、干擾效果好，故作戰效能最優。對于載波相位調制方式戰術數據鏈信號來說，對抗白噪聲干擾能力相對強，基于載波相位干擾的多音干擾是主要威脅，設計時應該注重相位信息抗干擾能力。對于兩種干擾在計算由于各種因素造成的時間模糊度時應該包含幀間隔內達到有效干擾所需時間ΔT，從而確保達到最佳干擾效果。

對于數據鏈相位干擾，達到最佳干擾效果要保證時域重合度，因此準確地選擇干擾時機從而最大程度消除時間模糊并在時域上留出最佳裕量是關鍵。影響干擾效果的因素還有很多，如干擾功率和頻率重合度的影響等等。如何選擇干擾時機并在時域上留出最佳裕量，基于時域、能域、頻域、空域四維聯合分析對干擾效果的影響，需要今后展開進一步的研究。

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