對地域通信網跳頻通信干擾及仿真研究

張東屹，呂久明，李仙茂

(1.解放軍92403部隊，福州 350007；2.中國酒泉衛星發射中心，酒泉 732750；3.海軍工程大學，武漢 430033)

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對地域通信網跳頻通信干擾及仿真研究

張東屹1，呂久明2，李仙茂3

(1.解放軍92403部隊，福州 350007；2.中國酒泉衛星發射中心，酒泉 732750；3.海軍工程大學，武漢 430033)

由于跳頻通信的抗干擾性和保密性強，在地域通信網組網過程中得到了廣泛的應用。分析了跳頻通信的特點和抗干擾性，介紹了對其進行干擾的多種方法，提出了對跳頻通信進行跟蹤干擾時干擾機的有效配置區域，并對干擾機的配置區域進行了計算機仿真。

地域通信網；跳頻通信；跟蹤式干擾；有效配置區

0 引 言

地域通信網是在一定作戰地域內開設若干個干線節點，以多路傳輸鏈路(有線鏈路和無線鏈路)互連，形成柵格狀可移動的公用干線網，各級指揮所通過入口節點入網，達成作戰信息傳遞的通信網絡[1]。它可與上級網、友鄰網及民用網等互連，提供對作戰指揮的整體通信保障。

由于地域通信網中的通信要求絕對保密，故不易為對方所偵察、截獲、破譯、干擾。跳頻通信作為擴頻通信的一個分支，其突出優點是抗干擾性和保密性強，因而在軍事領域得到了廣泛的應用[2]。跳頻通信是對抗無線電干擾的有效手段，被稱之為無線電通信的“殺手锏”。采用跳頻技術，使其所采用的頻率不斷變化，使對方難以捕捉現時所采用的頻率，達到了通信保密和抗干擾的要求。因此，研究對跳頻通信網的干擾具有非常重要的意義。

1 跳頻通信特點分析

跳頻通信系統是指在發送信號的同時，周期性地改變其頻率或頻率組的通信系統，頻率或頻率組的跳變規則由偽碼序列構成跳頻指令的跳頻圖案決定。因此，跳頻信號可看成是載頻按隨機圖樣跳變的已調脈沖序列[3]。載頻的跳變是在一個包含許多頻道的頻帶上發生的。每個頻道都占有一定的頻譜區域，其帶寬大得足以容納相應載波脈沖的大部分功率。跳頻通信具有一般擴頻通信系統的高抗干擾性能及保密性能，還具有以下優點：

(1) 與現存調制方式的兼容性。跳頻通信系統與一般的調幅、調頻模擬調制以及慢速數字調制通信具有良好的兼容性，目前生產的慢跳頻系統都可以同時采用不跳頻的常規通信工作方式，且隨著通信設備的逐步更新，易于向更先進的系統過渡。

(2) 基于現有無線通信設備，跳頻技術的實現比較容易。由于跳頻技術與現有的通信系統具有良好的兼容性，因此跳頻技術的應用可以完全建立在現有通信設備的基礎上。

(3) 跳頻通信技術能有效克服“遠近效應”，便于移動通信及通信組網[4]。如果地域通信網中某區域的所有用戶均以相同的功率發射信號，則靠近基站的手機到達基站的信號就強，而遠離基站的手機到達基站的信號就弱，這樣將導致強信號掩蓋弱信號，也即移動通信中的“遠近效應”問題。因為所有用戶共同使用同一頻率(載波)，所以“遠近效應”問題更加突出。跳頻技術中功率控制的目的就是克服“遠近效應”，使系統既能維持高質量通信，又不對占用同一信道的其它用戶產生干擾。

由于跳頻通信技術具有這些優點，使其在軍事通信中獲得廣泛應用。鑒于跳頻通信應用的廣泛性和它特有的抗干擾特性，所以，很有必要加強對跳頻通信干擾的研究。

2 跳頻通信的干擾方法

跳頻通信實際上是通過頻率的跳變來躲避干擾，對其進行干擾比較有效的方式有2種：寬帶阻塞式干擾和跟蹤式干擾[5-7]。寬帶阻塞式干擾通過發射寬帶大功率信號占據整個跳頻頻段，使跳頻電臺無處可跳，系統不能正常工作。對跳頻通信系統實施干擾最有效的方式是跟蹤式干擾，其方式為把收到的跳頻信號經過轉發處理以最小的時延發射出去，形成轉發式干擾。轉發式干擾的關鍵在于轉發信號的時延，如果時延大于信號的駐留時間則無效。

從跳頻通信的特性上看，采用全頻段寬帶阻塞式干擾是對跳頻通信有效的干擾方式，這時跳頻系統所有可能的工作頻道都被干擾，系統的正常通信無法進行。但采用全頻段寬帶阻塞式干擾,隨之而來的是干擾功率的劇增，可能會使干擾功率大到難以接受的程度。除了采用各種降低干擾功率的措施外，采用部分頻段攔阻式干擾是一種行之有效的干擾方法。

當跳頻系統的全部頻道數中被干擾的頻道數目大到一定程度時，跳頻系統的通信就不能正常工作了。實際戰術應用中一般不需要對某一跳頻系統進行全頻段阻塞式干擾，只需對其全部頻道數中的大部分頻道進行有效干擾，就可獲得良好的干擾效果。

窄帶干擾能夠針對某個頻率(信道)集中較大的功率實施有效的干擾，但由于跳頻系統是一種躲避式的抗人為干擾的通信體制，故定頻瞄準的窄帶干擾很難有效地干擾跳頻通信系統。

對跳頻通信系統采用頻率跟蹤式干擾，可充分發揮窄帶干擾的優勢[8]。要求干擾能夠跟蹤跳頻信號頻率的變化，以保證大部分干擾功率能夠進入目標信道。通常需使用壓縮接收機、聲光接收機、信道化接收機或多路超外差接收機等來截獲所有可能的目標跳頻信號，利用高速數字信號處理器(DSP)來識別目標信號。為了對跳頻信號實施有效的跟蹤干擾，一般要求在一個載頻上的干擾時間不小于信號駐留時間的一半，這就對干擾系統的反應速度提出了很高的要求。這種干擾對付慢跳頻系統比較有效，而對快速跳頻通信系統干擾的效果不理想，因為干擾系統的反應時間很難達到對快速跳頻通信干擾的要求。

實施跟蹤干擾需要的反應時間主要包括信號截獲時間、信號分選識別時間和干擾引導時間，在作用距離較遠時還要考慮電波傳播時延時間。信號截獲時間取決于截獲跳頻信號的接收機，采用截獲速度較高的壓縮接收機或數字接收機，其截獲時間為tr。如要在上百個信號中分選出某一跳頻信號，則分選識別的處理時間為tp。干擾引導時間主要取決于頻率合成器的轉換時間和信號建立時間，以目前頻率合成器最快的轉換速度計算，干擾引導所需的時間為tg。電波傳播的時延時間取決于干擾機到跳頻收、發信機距離之和減去收、發信機之間的距離之差。假設該距離差為Δd，對應也有電波傳播引起的時延，設光速c=3×108m/s,將以上四部分數據加起來，總的時間為：

td=tr+tp+tg+Δd/c

(1)

取典型值tr=100 μs，tp=100 μs，tg=10 μs，Δd=5 km，則有td=226 μs。

按有效干擾時間不小于信號駐留時間的一半計算，根據以上數據估算，跟蹤式干擾至多可以有效干擾跳頻跳速不超過2千跳/s的跳頻通信系統。而實際上，目前遠未達到這樣的跟蹤干擾速度。對寬跳頻范圍、大頻率集、高速跳頻通信系統，跟蹤式干擾很難對其構成威脅。此時可采用快速頻率預測跟蹤瞄準式干擾來減小干擾系統的反應時間，以增加有效干擾時間。實現正確快速頻率預測難度很大，因此對信號處理水平提出了更高的要求。

如果通過偵察等手段獲知了跳頻通信的跳頻圖案，并且所發的干擾信號能與接收設備同步，那么就可以對跳頻通信實施相關干擾[9]。如果跟蹤式干擾機能及時跟蹤跳頻圖案，便可以形成相關干擾，做到在跳頻的每個頻率駐留時間內使信號在部分時間受到干擾，這是完全可能的。只要保證在通信的每個頻率駐留時間內有相當一部分時間受到有效干擾，則無論對模擬通信還是數字通信都是有效的。頻率跟蹤式干擾實質上是在偵聽到跳頻信號后立即實施瞄準式窄帶干擾的一種方式，發送的干擾信號可以是本干擾機產生的，也可以是接收敵發射方信號后轉發的，這種干擾方式對付慢速跳頻通信是有效的，用來對付中、高速跳頻通信效果欠佳，甚至無效。

3 對跳頻通信跟蹤式干擾的仿真

通信發射機T，通信接收機R，干擾機J的配置如圖1所示。圖中drt為通信距離，dtj為通信發射機到干擾機的距離，djr是干擾機到通信接收機的距離。

設TP是跟蹤式干擾機的反應時間；τ是電臺在各個頻率上的駐留時間，它略小于跳頻周期，一般設τ為跳頻周期；設η∈(0,1)為一常數，它代表每個跳頻周期中未被干擾時間(即轉發時延)所占的比例，η越小，受干擾時間越多，干擾效果越好。無論對模擬通信還是數字通信，受干擾的時間大于50%就認為是有效干擾[10]，故通常取η≥0.5。數字話音是跳頻網的主要通信業務。實驗表明，如跳頻電臺在駐留時間的20%中受到干擾，便會使數字話音的可懂度惡劣到無法忍受的程度。故對數字話音跳頻通信，假設η=0.8。由上述有關分析，欲實施有效干擾，以上各量應滿足關系式：

dtj+djr≤c(ητ-Tp)+dtr

(2)

圖1 跟蹤式干擾時干擾機有效配置區域

由于受到Tp(跟蹤干擾機的反應時間，現在的設備主要與DSP的處理時間有關)的限制，從dtj+djr-dtr≤c(ητ-Tp)(τ為跳頻周期，等于跳速的倒數)可知，(ητ-Tp)>0時對敵方接收機進行跟蹤式干擾才能起到應有的效果，通過仿真可驗證這一結論。

下面分別給出跳速為100跳/s，η=0.5，0.8，Tp=2ms(其中Tp是跟蹤式干擾機的反應時間)，以及跳速為50跳/s，η=0.8，Tp=14ms時的干擾機有效配置區域的立體圖形(圖2～圖4)，其3個軸的坐標都表示空間位置，單位為m，其中縱軸表示高度。

圖2 跳速為100跳/s，η=0.5時干擾機有效配置區域

圖3 跳速為100跳/s，η=0.8時干擾機有效配置區域

圖4 跳速為50跳/s，η=0.8時干擾機有效配置區域

通過上述圖形的比較、分析，可知跳速越快，對其實施跟蹤式干擾的難度越大，而且對干擾機的反應處理時間要求比較敏感，故跟蹤式干擾往往只能對慢速跳頻電臺有效，而且要求干擾機反應特別迅速。結合圖形，要使對跳頻通信系統采用跟蹤式干擾湊效，干擾機必須設置在以跳頻通信發送、接收點為焦點的一個橢圓之內，由于路徑差的影響，這個橢圓是較狹窄的。一般對慢速跳頻通信跟蹤干擾是比較有效的，但對快速跳頻跟蹤干擾很難獲得好的效果。此外，采用跟蹤干擾時除了時延影響外，通常還需要進行信號分選，以去除定頻信號及非目標信號?？紤]實際問題，為了保證最佳干擾效果，干擾機往往需配置在通信發射機與接收機的直線附近比較狹窄的半橢球區域。

4 結束語

跳頻通信技術是一種具有高抗干擾性、高抗截獲能力的擴頻技術。隨著微電子與數字信號處理技術的飛速發展，調頻通信在軍事通信中大展身手，較好地滿足了現代戰爭提出的電子對抗與反對抗要求，因此，很有必要對跳頻通信技術的對抗做進一步的研究。本文主要研究解決了跟蹤式干擾的干擾機配置區域的計算問題，在干擾樣式、干擾效果等方面還需要進一步的研究。

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[10]王勛,郝中軍.跳頻通信干擾問題研究[J].數字技術與應用,2010(5)：169-170.

Frequency Hopping Communication Jamming and Simulation Study to Area Communication Network

ZHANG Dong-yi1,LV Jiu-ming2,LI Xian-mao3

(1.Unit 92403 of PLA,Fuzhou 350007,China; 2.Jiuquan Satellite Launch Center in China,Jiuquan 732750,China;3.Naval Engineering University,Wuhan 430033,China)

Because of strong anti-jamming performance and confidentiality of frequency hopping communication,it has been widely used in networking process of area communication network.This paper analyzes the characteristics and anti-jamming performance of frequency hopping communication,introduces several jamming methods to it,puts forward effective configuration zone of the jammer when the tracking jamming is performed to frequency hopping communication,and carries through the computer simulation to configuration zone of the jammer.

area communication network；frequency hopping communication；tracking jamming；effective configuration zone

2016-05-11

TN975；TP391.9

A

CN32-1413(2016)05-0056-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.014