抗干擾技術分析

李雪華

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

現代戰爭中電子裝備生存在紛繁復雜的電磁環境中,面臨的干擾威脅日益嚴重,干擾與抗干擾日趨激烈。隨著無線通信的加速發展和通信對抗技術的不斷進步,背景無線電頻譜將非常復雜,與以往傳統的電子系統相比呈現出智能化程度高、功能完善、數字與模擬信號結合的特點,對電子系統的干擾分析及抗干擾技術的研究愈來愈引起人們的關注,如何掌握戰場中的“制信息權”,已成為信息領域的重要研究目標。

1 干擾技術

通信對抗中,甲乙雙方都是依賴對空域、時域和頻域等的占用或干擾破壞,對獲取信息的無線電系統進行的攪擾和壓制,來達到實施干擾的目的,主要干擾方式分為以下幾種:

①摧毀式干擾:如采用電磁炸彈摧毀通信節點;

②軟干擾:即對信道分析后,實施干擾,如跟蹤式干擾;

③壓制式干擾:如窄帶瞄準式干擾,寬帶阻塞式干擾;

④欺騙式干擾:如轉發式干擾和再生式干擾。

對信息戰而言,主要是針對后3種干擾形式對抗干擾,未來數字戰場通信對抗則主要圍繞抗干擾技術及抗截獲技術展開,因此必須研究有效的抗干擾及抗截獲體制和技術,為未來戰爭提供通信盾牌,取得戰場的“制信息權”。

2 抗干擾技術

針對通信干擾技術的應用與發展,通信系統必須采用靈活多樣的抗干擾措施,有針對性地提高通信系統的抗干擾能力,通信抗干擾的目的是盡可能地降低乙方干擾效能以保證正常通信,迫使乙方干擾信號與甲方信號在時域、空域或頻域上保持一定差異,或者使乙方有效干擾功率達不到壓制甲方通信的要求。

2.1 擴頻技術

常用的擴頻技術有直接序列(DS)擴頻、跳頻(FH)、跳時(TH)以及這些擴頻方式的組合方式。

2.1.1 DS擴頻技術

DS擴頻技術是將發送的信息用偽隨機(PN)序列擴展到一個很寬的頻帶上去,在接收端,用與發端相同的PN序列對接收到的擴頻信號進行相關處理,恢復出原來的信息。干擾信號由于與偽隨機序列不相關,在接收端被擴展,使落入信號頻帶內的干擾信號功率大大降低,從而提高了系統的輸出信噪比,達到抗干擾的目的。

假設相關接收機輸入信號的信噪比為Si/Ni,輸出信號的信噪比為So/No,輸入信號的帶寬為Bi,輸出信號的帶寬為Bo。在解擴的過程中,信號從寬帶信號被還原到了窄帶的原始信號,信號的前后功率不變,即So=Si,而窄帶干擾的過程恰恰相反,其功率也不變。由于Bo＜＜Bi,因此干擾信號落在帶寬Bo內的功率為原來功率的Bo/Bi,因此DS系統的處理增益為:

即輸入帶寬與輸出帶寬的比值。

2.1.2 FH擴頻技術

FH擴頻技術是利用偽碼控制頻率合成器,使通信頻率做隨機跳變,即使乙方干擾的頻譜帶寬與通信信號的頻譜帶寬重合,但由于乙方的偵察和干擾跟不上通信載頻變化的速度,從而無法有效地實施干擾。隨著抗干擾技術的發展,FH技術正在向著高速寬帶跳頻、自適應壞點刪除跳頻和差分跳頻等方向發展。

2.1.3 FT擴頻技術

FT擴頻技術是把時間軸分成許多時間片,由擴頻碼序列控制發射信號在時間軸上跳變,時間片很短,在時域上躲避敵方干擾,它與FH的差別在于一個控制的是頻率,而另一個控制的是時間。

上面3種不同的擴頻方式,雖然都具有較強的抗干擾性能,但也有各自的不足之處。在實際使用中,有時單一的擴頻方式很難滿足實際需要,若將2種或多種擴頻方式結合起來,就能達到任何單一方式難以達到的效果。最常用的混合擴頻方式有FH/DS、TH/DS 和FH/TH 等。

2.2 自適應天線技術

自適應天線系統由天線陣和信息處理器組成,當天線工作時,信息處理器的輸入和輸出特性按一定的算法來調整其內部序數,從而自動地修正和優化天線的方向圖、頻率響應和極化特性,搜索和跟蹤有用信號并消除干擾信號。它能在空間、頻率和極化方面自動對干擾信號調零,對有用信號提供最大增益,主要有以下3種技術:

①數字波束形成技術:利用波束形成自適應陣,在引導信號達到天線陣時,便給信息處理器提供一個方向信息,并在此方向上形成主瓣;

②自適應調零天線技術:自適應調零天線利用敵我雙方信號在幅度、頻率和空間方位的不同,通過對天線各陣元進行自適應加權處理,自動控制和優化天線陣的方向圖,在干擾源方向產生深度調零,使信號受到的干擾最少;

③極化調零自適應天線陣:此天線用在有用信號和干擾信號的極化方式不同的情況下,用最小均方誤差算法對系統進行自適應加權控制,以便對干擾信號的極化調零,保證有用信號的最大輸出。

2.3 自適應干擾抑制技術

自適應干擾抑制是一種針對性強的抗干擾手段,自動搜索帶內的單頻干擾并自動進行干擾抑制。DS擴頻系統中,由于擴頻帶寬的限制,當擴頻增益不能提供足夠的干擾抑制時,對窄帶干擾信號,在窄帶干擾所占用的頻帶上形成陷波,慮除干擾信號,或直接對干擾信號進行估計,并從接收信號中減去對干擾信號估計,處理后的接收信號送解擴處理,以解調性能的略微降低,換取系統對窄帶干擾信號的抑制。

2.4 糾錯編碼+交織技術

糾錯編碼技術是應用最廣泛、也是歷史最悠久的抗干擾措施,以往主要用于抗非人為干擾,如環境噪聲干擾等。現將糾錯編碼技術應用于軍事通信系統中,對抗有意的人為干擾。主要的糾錯編碼技術包括自動請求重發技術和前向糾錯編碼(FEC)技術。為了防止突發干擾引起的誤碼,同時加入交織技術,將信道突發錯誤隨機化,提高系統的抗干擾能力。

2.5 自適應功率控制技術

根據乙方干擾電平的高低自動調節發射機輸出功率的大小,當乙方干擾信號強時,發射機輸出功率隨之增大;當乙方干擾信號弱時,發射機輸出功率隨之減少。這樣,可始終保持足夠的信噪比,對乙方干擾能有效地予以抑制。

為強調《罕哈冉惠傳》的主題是“反天崇佛”，學者又拿出了如下細節證據：哈冉惠出征求婚時，口誦佛經，祈禱一路平安，并燃“煨桑”向佛祖叩首；送行的人祝福他，一切會按佛祖旨意實現；阿克布拉爾汗在雪山上修建了八十八佛塔，寺院里供奉著釋迦摩尼佛像；姑娘出嫁時帶著金字大藏經，勇士們結義時頭上頂著佛像；天上打雷時口誦佛經可脫離危險；用金殼里的神水和金丸能使人起死回生等等。

2.6 自適應選頻技術

當通信受到嚴重干擾時,更改受干擾工作頻率,避開乙方干擾或選擇干擾最小的頻段進行通信。

既能實現改頻,又能實現最佳接收,就要最大限度地濾除干擾信號,這就要求窄帶濾波器的通帶頻率隨著工作頻率的改變而相應改變,此項關鍵技術就是電調濾波器,下面重點對電調濾波器的原理及作用加以介紹。

3 電調濾波器

3.1 雙工器工作原理

以微波設備為例,微波通信設備組成框圖如圖1所示。

圖1 微波通信設備組成原理

圖1中雙工器的作用是將發射功率通過發濾波,經過環形器發射到天線;同時天線接收信號通過環形器到收濾波器,接收有用信號,濾除干擾信號。

發濾波器為帶通濾波器,通帶寬度根據發射信號帶寬進行設計,其作用是讓發射有用信號順利通過,同時對發射信號的諧波、雜散等無用信號濾除。

收濾波器為帶通濾波器,通帶寬度根據發射信號帶寬進行設計,其作用是讓天線接收的有用信號順利通過,對通帶外的其他干擾信號濾除,保證接收機接收有用信號的同時,最大限度地濾除干擾信號。最佳雙工器發射、接收帶通濾波示意圖如圖2所示。

圖2 最佳雙工器發射、接收帶通濾波示意圖

由此可知,通信系統最佳發射、接收的帶寬應該與發射、接收信號的頻譜寬度匹配,只有這樣,才能夠保證發射信號純正,同時接收信號不受外界干擾,因此,雙工器是微波通信設備與外界電磁頻譜交互的窗口。

對于民品微波設備,一般采用ITU規定的頻段,由無線電規劃管理部門指定頻率和帶寬,據此配備的雙工器的頻率、帶寬是固定不變的,由于其他用戶不允許在同一地區重復使用同一頻率,一般不會產生干擾。

對于軍事通信系統,由于戰場電磁環境非常復雜,存在甲方多種通信手段的自干擾和乙方的強干擾,要求通信設備必須具備現場改頻能力,以便應付瞬息變換的戰場電磁環境,保證通信暢通。

為了既滿足通信系統最佳發射、接收的濾波器帶寬要求,又能夠隨時改變工作頻率避開干擾,在軍事通信設備中,一致采用電調濾波器作為最有效的抗干擾手段。如北約裝備的AN/GRC-226、GRC-245、GRC-512A、法國的TFH701、德國的 CTM301T、美國AN/TRC-190、土耳其GRC-5211、瑞典RL432和意大利MH313等系列軍用微波機,均采用電調濾波器抗干擾措施,大量應用于北約戰術軍事通信。

3.2 電調濾波器的實現及抗干擾中的優點

通過以上論述可知,為了實現頻率抗干擾,又滿足最佳接收濾波器要求,要求濾波器的通帶頻率隨著工作頻率的改變而相應改變,這就是電調濾波器。

電調濾波器是通過改變濾波器腔體諧振單元長度來改變濾波器通帶頻率,改變諧振單元長度的方法是通過微型步進電機驅動實現的;微型步進電機由監控控制,因此,在改變工作頻率的同時,監控給微型步進電機發指令,微型電機驅動諧振單元到指定頻率,實現通帶頻率電調改變。

電調濾波器通帶頻率改變示意圖如圖3所示,圖3中分別代表中心頻率為f1、f2和f3的3種濾波器的幅頻特性,由圖3可以看出,電調濾波器只改變中心頻率而帶寬不變。

圖3 電調濾波器通帶頻率改變示意圖

電調濾波器是軍事通信最重要的抗干擾措施之一,由于電調接收濾波器通帶只允許甲方對端有用信號通過,而其余無用信號,無論是本站自干擾信號,還是乙方有意干擾信號,均被有效濾除,對于通信設備的良好接收起到非常重要的作用,是對付電磁干擾的最有效手段,也是軍用微波通信設備的最關鍵部件。通過采用電調濾波器,即可實現圖2所示的最佳收、發濾波系統。

如果不采用電調濾波器,又希望改變工作頻率,只能夠采用寬帶帶通濾波器,通信設備工作頻率在寬帶帶通濾波器帶寬內可變,由于固定濾波器帶寬遠遠大于實際工作信號帶寬,因此該濾波器濾除不了發射的雜散,也濾除不了接收信號旁邊的干擾信號,經過寬帶固定濾波器后的收發頻譜示意圖如圖4所示。這樣實際的雙工器系統不是最佳系統,將導致干擾信號通過雙工器進入接收機,對接收機產生干擾,尤其是乙方干擾,干擾功率強度遠遠大于正常接收電平,對接收機將是致命干擾,而濾波器通帶無法相應改變,因此將導致通信中斷,這就是為什么軍事通信普遍采用電調濾波器作為抗干擾手段的根本原因。

圖4 經過寬帶固定濾波器后的收發頻譜示意圖

4 結束語

隨著通信對抗技術的不斷進步,軍事通信抗干擾問題也日益突出,使得軍事通信面臨諸多問題,干擾與抗干擾技術已作為信息化戰爭的一部分進入戰場,不僅要求局部的通信系統具有抗干擾能力,更重要的是整個通信系統和網絡要具有綜合抗干擾能力,能在系統、網絡的綜合對抗中,在任何復雜的電磁環境下完成信息傳輸。因此,研究和發展各種抗干擾技術,并大力發展多體制相結合的綜合抗干擾技術,已成為世界各國發展的目標。

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