跳擴頻衛星通信干擾效果分析*

薄 遠 朱衛綱 楊 君 邢 強

(裝備學院 北京 101416)

跳擴頻衛星通信干擾效果分析*

薄 遠 朱衛綱 楊 君 邢 強

(裝備學院 北京 101416)

論文介紹了跳擴頻衛星通信系統信號級工作流程,對衛星通信干擾方式和衛星通信干擾的入手點進行了敘述,選擇了具有代表性的干擾方式對其上行鏈路進行了通信干擾仿真;在進行了干擾效果評估等級的劃分后,依據誤碼率指標對通信干擾效果進行了定量計算,通過干擾效果分析,得出了梳狀譜干擾效果最理想的結論,可為衛星通信干擾方面的研究提供一定的參考。

跳擴頻衛星通信系統; 通信干擾; 誤碼率; 干擾效果分析

Class Number TN927

1 引言

在當今世界軍事領域中,信息情報傳輸的安全可靠性越來越重要,而作為通信領域的衛星通信具有很多優勢,被廣泛用于軍事領域的通信傳輸[1],尤其現階段世界各國發展使用的跳擴頻衛星通信系統,對于干擾具有很強的抑制性能,可為戰時取得信息致勝權起到決定性作用,因此,在未來戰場上,如何有效干擾敵方的衛星通信系統并定量分析、評估干擾效果成為了當前研究的熱點,一方面可為研究干擾、評估裝備提供科學有價值的參考,另一方面還可為研究衛星通信系統的抗干擾性能提供一個模擬仿真的平臺。

跳擴頻衛星通信系統與普通的衛星通信系統的區別在于發射端對信號進行了跳擴頻處理,使得信息傳輸的安全可靠性大大提高[2]。信號的跳擴頻處理是利用擴頻碼將通信信號擴展到一個很寬的頻帶上,并且通信信號的載頻按照擴頻碼控制的頻率合成器的輸出按照一定規律變化,效果是信號的能量被平均分在頻帶內,敵方偵察接收機會誤把通信信號當成噪聲,不進行干擾,同時載頻的不停變化使敵方無法準確跟蹤、干擾通信信號,即使遭到通信干擾,己方接收機也可利用擴頻碼的相關特性,通過解擴、解跳處理得到通信信號,因此達到了很好的抗干擾性能[3]。

2 跳擴頻衛星通信系統工作流程

圖1 跳擴頻衛星通信系統的工作流程

圖1為典型跳擴頻衛星通信系統的工作流程,基本分為三部分：信息發射端:經過調制的信息首先要進行擴頻處理,然后在擴頻碼發生器的作用下,經調制的信息碼序列與擴頻碼序列按照不同的組合碼字控制頻率合成器,其輸出的頻率根據碼字的改變而改變產生不同頻率的載頻,也就是說按照一定的規律產生了衛星通信的跳頻圖案,最后是信號的射頻調制,將信號頻率調到高頻率上,通過射頻調制器、發生器,由天線將攜帶信息的信號輻射出去;衛星轉發器：經上行鏈路傳輸過來的信號經過一系列的去噪聲、功率放大處理、解擴處理、解跳處理、信息解調得到原始信息,進入衛星轉發器部分,這里的解擴解跳處理是一個自相關的處理過程,此處的擴頻碼發生器要與發射端的擴頻碼發生器保持嚴格同步才能完成解擴解跳處理,也就是說與地面的信號發射端的跳頻圖案相一致,得到的原始信息經過衛星轉發器的處理、再經過重新的調制、擴頻處理和跳頻處理,得到下行鏈路信號,通過天線輻射出去。現階段大多數國家都使用星上處理轉發器,所以上行鏈路和下行鏈路的通信頻率可以不同,并且原始信息經轉發器處理后的調制、擴頻、跳頻處理方式可以和發送端處理方式不同,這也是星上處理轉發器的優點之一,能最大限度的優化信道資源;信息接收端：經下行鏈路,接收到來自衛星處理后的信號,同樣經過解擴、解跳、解調的過程,最終得到原始信息,這里的解跳解擴也是要保持擴頻碼、跳頻圖案的嚴格同步,此時的擴頻碼應與經過衛星轉發器處理后進行跳擴頻處理時的擴頻碼保持嚴格同步[4]。

3 衛星通信干擾

· 衛星通信干擾方式

現階段,對衛星通信干擾主要有兩種體制：壓制式干擾和欺騙式干擾[5～6],如圖2所示。

圖2 衛星通信干擾方式

壓制式干擾是指進入接收機的干擾信號功率要比通信信號經過解調后功率大,使通信信號淹沒在干擾信號中,從而導致接收機無法正常接收通信信號,這種干擾方式主要包括瞄準式干擾、阻塞式干擾、掃頻式干擾。瞄準式干擾是指干擾信號頻率在通信信號載波頻率點上或者附近,也就是窄帶干擾,這種干擾的優點是干擾頻帶窄,能量比較集中,利用率高,對定頻通信干擾效果好;阻塞式干擾是指干擾信號的頻譜覆蓋一定的通信頻段,又可分為連續阻塞式干擾和分段阻塞式干擾,連續阻塞式干擾是指干擾信號的頻譜覆蓋敵方通信的整個頻段,也就是寬帶噪聲干擾,而分段阻塞式干擾是指在敵方通信頻帶內有間隔的產生梳狀譜干擾信號,落在其中的通信信號都將受到影響,通常阻塞式干擾多用于對擴頻通信的干擾,因為只要干擾信號的頻譜帶寬占據擴頻通信信號頻譜帶寬的一半就可達到有效的干擾,也就是說在干擾功率一定的情況下,將多個梳狀譜設置在敵方最有可能通信的多個頻段內,就可實現最佳的干擾。這種干擾的優點是干擾帶寬比較寬,容易覆蓋敵方通信頻段,缺點是干擾敵方通信的同時也會對己方通信造成干擾,并且較寬的干擾帶寬需要大功率作為支撐;掃頻式干擾是指在通信頻段內產生頻率按照一定方式由高到底不斷變化的干擾信號,使干擾信號的頻譜在通信頻帶內不停的移動。這種干擾方式的優點是在不知敵方通信頻率時對頻段內的頻率點隨機進行干擾,缺點是干擾信號能量利用率低。

欺騙式干擾是指發射與通信信號相似度很高的干擾信號,使接收機鎖定在干擾信號上,經處理后得到虛假的信息,達到欺騙的目的,這種干擾主要包括產生式干擾和轉發式干擾。產生式干擾是指通過偵察和處理敵方通信信號,對描述信號的重要參數進行特征提取,然后利用電子器件產生與通信信號頻率一致的干擾信號。這種干擾方式的優點對跳擴頻衛星通信系統的干擾非常有效,缺點是實現起來比較難,對硬件的要求特別高;轉發式干擾是指通過偵察敵方通信信號,對其進行一定時延的再發射,使得對碼同步要求嚴格的通信接收機不能正確判別真實信號,造成接收機對通信信號的識別在時間上的消耗,同時影響軟件程序的運算量和硬件的存儲量等。這種干擾方式的優點是干擾產生簡單,不需要知道通信信號的先驗知識,干擾效果好。

· 衛星通信干擾入手點

圖3為衛星通信干擾模型：從模型中可以看到對衛星通信進行干擾的入手點有上行鏈路、衛星轉發器、下行鏈路[7]。

對上行鏈路的干擾一般是指對上行通信信號的干擾,包括瞄準式干擾和轉發式干擾,達到壓制和欺騙的目的。對衛星轉發器的干擾一般指通過上行鏈路將大功率干擾信號發送到衛星轉發器上,使轉發器達到飽和狀態,不能接收正常通信信號,達到通信堵塞的目的,此時的干擾信號頻帶可與通信信號的頻帶不同,但是要在轉發器的頻帶范圍之內。對下行鏈路的干擾一般指對下行通信信號的轉發式干擾,達到欺騙的目的,此時干擾信號的頻帶須在下行通信信號頻帶的范圍之內。

圖3 衛星通信干擾模型

4 跳擴頻衛星通信系統的通信干擾仿真

本文的衛星通信干擾仿真在干擾信號上選擇窄帶干擾信號、寬帶噪聲干擾信號和梳狀譜干擾信號,干擾的入手點放在上行鏈路,即從上行鏈路加入干擾信號,信道選擇高斯信道。

· 上行鏈路衛星通信信號

主要通信參數：基帶數字信號調制方式為BPSK,擴頻碼選擇M序列,跳頻頻點選擇8個：[13.5 18.7 23.9 28.1 33.3 41.6 46.0 50.0(GHz)]。圖4為基于Matlab的基帶信號進行調制、擴頻、跳頻處理后加入高斯隨機噪聲的頻譜。

圖4 上行鏈路通信信號

· 窄帶干擾信號

窄帶干擾信號(相對通信信號頻段)是通過AR模型產生的[8],帶寬為5G(約占通信頻段的13.5%,中心頻率為23.9GHz)。

圖5 窄帶干擾信號頻譜

· 寬帶噪聲干擾信號

寬帶噪聲干擾信號的產生是由高斯噪聲經濾波器的處理后調制到相應的頻段上得到的[9],噪聲帶寬為36GHz(覆蓋通信信號頻段)。

圖6 寬帶噪聲干擾信號頻譜

· 梳狀譜干擾信號

梳狀譜干擾信號是由多個單音干擾信號疊加組成的[10],根據通信信號的跳頻頻點選擇由8個單音信號組成(與通信信號跳頻頻率相對應)。

圖7 梳狀譜干擾信號頻譜

5 干擾效果評估分析

· 干擾等級的劃分

從本文的干擾入手點考慮,評估干擾效果的指標選擇衛星轉發器處對信號進行解擴、解跳、解調處理后的誤碼率,并根據工程實踐的經驗定義干擾等級[11]：

當誤碼率范圍為大于等于0.2時,衛星上行鏈路通信受到強干擾,等級為三級;當誤碼率范圍處于0.12～0.2區間時,衛星上行鏈路通信受到中度干擾,等級為二級;當誤碼率處于0.05～0.12時,衛星上行鏈路通信受到輕度干擾,等級為一級;當誤碼率小于0.05時,衛星上行鏈路通信未受到干擾。

· 誤碼率仿真分析

圖8 信干比與誤碼率的關系

圖8為三種干擾方式在不同信干比情況下的誤碼率曲線,從圖中可以得出以下結論：

1) 當信干比小于-5dB時,三種干擾對上行鏈路造成的誤碼率大致一樣,均達到了很好的干擾效果,隨著信干比的增大(干擾變小),三種干擾對上行鏈路的干擾效果逐漸減小,誤碼率逐漸減小;對于梳狀譜干擾,當信干比小于1.3dB時,上行鏈路受到強度為三級的強干擾,當信干比處于1.3dB到5dB時,上行鏈路受到強度為二級的中度干擾,當信干比處于5dB～7dB時,上行鏈路受到強度為一級的輕度干擾,當信干比大于7dB時,上行鏈路通信沒有受到影響;對于寬帶噪聲干擾,當信干比小于-1.2dB時,上行鏈路受到強度為三級的強干擾,當信干比處于-1.2dB～1.5dB時,上行鏈路受到強度為二級的中度干擾,當信干比處于1.5dB～3.8dB時,上行鏈路受到強度為一級的輕度干擾,當信干比大于3.8dB時,上行鏈路通信沒有受到影響;對于窄帶干擾,當信干比小于-2.5dB時,上行鏈路受到強度為三級的強干擾,當信干比處于-2.5dB～0.7dB時,上行鏈路受到強度為二級的中度干擾,當信干比處于0.7dB～3.9dB時,上行鏈路受到強度為一級的輕度干擾,當信干比大于3.9dB時,上行鏈路通信沒有受到影響。

2) 對于本文的衛星通信上行鏈路干擾情況來說,在相同信干比的時候,梳狀譜干擾造成的誤碼率最大,干擾效果最好,其次為寬帶噪聲干擾,最后為窄帶干擾,這是因為,梳狀譜干擾信號的頻率與通信信號的跳頻頻率相同,干擾信號的能量利用率高,而寬帶干擾信號的能量分布在了整個通信頻段,只有部分能量分布在了通信頻率上,相對而言,能量的利用率較低,對于窄帶干擾,由于覆蓋的通信頻段有限,僅在一個通信跳頻頻率點上,所以當通信信號頻率不在干擾范圍內時,對通信沒有造成影響,干擾信號的能量造成了很大的損失。

6 結語

跳擴頻技術廣泛應用在軍事衛星通信中,起到了很好的抗干擾性能,但是不能完全抵消干擾信號的干擾,依據不同的干擾策略,合理利用梳狀譜、寬帶噪聲、窄帶干擾對于跳擴頻衛星通信系統上行鏈路的干擾都有一定的效果;相對而言,三種干擾中梳狀譜干擾的效果最好,這對于今后研究衛星通信干擾提供了一定的理論支持。

隨著技術的發展,軍事衛星通信中應用了很多先進的抗干擾措施,如自適應天線調零、自適應編碼技術等[12],跳擴頻技術只是其中一種,如何對軍事衛星通信進行有效的干擾并進行合理的干擾效果評估是下一步需要繼續深入研究的工作。

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[2] 暴宇,李新民.擴頻通信技術及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2011:42-45.

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[10] 石熠.直接序列擴頻通信信號的檢測與干擾研究[D].西安:西安電子科技大學,2012.

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[12] 柴焱杰,孫繼銀,李琳琳,等.衛星通信抗干擾技術綜述[J].現代防御技術,2011,39(3):113-117.

Jamming Effectiveness Analysis of DS/FH Satellite Communication

BO Yuan ZHU Weigang YANG Jun XING Qiang

(Academy of Equipment, Beijing 101416)

Based on introducing the signal flow of work of DS/FH satellite communication system, the paper presents the method of satellite communication jamming and breakthrough point of satellite communication jamming, and then makes the simulation of up chain communication by choosing representative methods of jamming. After dividing the jamming effect evaluation grade, the jamming effectiveness is calculated based on the bit error rate and the jamming effectiveness is calculated to get some meaningful conclusions: comb spectrum jamming is good at jamming theDS/FH satellite communication which can provide some reference for satellite communication jamming.

DS/FH satellite communication system, communicationjamming, biterror rate, jamming effectiveness analysis

2014年5月13日,

2014年6月23日 作者簡介:薄遠,男,碩士研究生,研究方向:現代信號處理。朱衛綱,女,博士研究生,碩士生導師,研究方向:現代信號處理、空間信息對抗、多傳感器信息融合。楊君,男,博士研究生,講師,研究方向:陣列信號處理及空間譜估計。邢強,男,碩士研究生,研究方向:現代信號處理。

TN927

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.016