復(fù)雜電磁環(huán)境下電子通信信號(hào)抗干擾方法

黃 宇,趙 杰,陳建國(guó)

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂(lè)山 614000)

1 引言

以信息化為武器,交戰(zhàn)雙方利用多樣式、寬頻域以及多層次的電子干擾技術(shù),經(jīng)過(guò)激烈的戰(zhàn)爭(zhēng),戰(zhàn)場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度和高密度的電磁輻射信號(hào),從而出現(xiàn)信號(hào)的時(shí)域復(fù)雜多變、頻域交互重疊的現(xiàn)象,使作戰(zhàn)武器的性能?chē)?yán)重下降。在這種環(huán)境下,交戰(zhàn)雙方開(kāi)啟了奪取制電磁權(quán)的無(wú)形戰(zhàn)爭(zhēng),爭(zhēng)奪制電磁權(quán)就涉及抗干擾技術(shù)。由于電磁環(huán)境中存在各種類(lèi)型的電子干擾信號(hào),導(dǎo)致作戰(zhàn)信息獲取受阻,指揮變得格外困難,火力攔截難以達(dá)到理想的預(yù)期效果,使得最終的作戰(zhàn)效能整體下降。雖然目前的通信系統(tǒng)已經(jīng)向多元化、自動(dòng)化和數(shù)字化方向邁進(jìn),但是對(duì)于復(fù)雜電磁環(huán)境下的通信抗干擾研究效果仍然不盡如人意。

對(duì)此,姚元飛[1]等人設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)抗干擾系統(tǒng)。采集并分析通信信號(hào)中的載波頻率,憑借自適應(yīng)濾波算法對(duì)異常頻率進(jìn)行提取并濾除,重構(gòu)載波信號(hào),降低包絡(luò)信號(hào)對(duì)濾除結(jié)果的影響,得到精準(zhǔn)的干擾信號(hào)抑制效果;劉高輝[2]等人在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了抗干擾引擎模型。模型對(duì)輸入和輸出的數(shù)據(jù)做了相應(yīng)的預(yù)處理和標(biāo)準(zhǔn)判定,根據(jù)決策的實(shí)現(xiàn)過(guò)程,設(shè)定合理的參數(shù),完成對(duì)干擾信號(hào)的抗干擾研究。但是上述算法都不具備對(duì)新干擾信號(hào)的泛化能力,無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)波道內(nèi)干擾信號(hào)的抑制,導(dǎo)致最終的抗干擾性能降低。

為此,本文在對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下干擾信號(hào)進(jìn)行類(lèi)別和影響程度的劃分后,憑借空域自適應(yīng)干擾抑制方法對(duì)期望信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理,削弱干擾信號(hào),實(shí)現(xiàn)抗干擾的目的。通過(guò)仿真對(duì)比,結(jié)果驗(yàn)證了本文方法具有較低的誤碼率和較高的干擾抑制增益效果,為電子通信系統(tǒng)提供了一種可行的抗干擾方法。

2 復(fù)雜電磁環(huán)境下電子通信信號(hào)干擾分級(jí)量化

在復(fù)雜的電磁環(huán)境下,產(chǎn)生干擾信號(hào)的原因有很多,除了自然因素外,還有許多人為因素[3],軍事作業(yè)中的敵我雙方通信干擾是最主要的因素。通信干擾的目的是通過(guò)分析和偵收對(duì)方通信信號(hào),達(dá)到竊取情報(bào)、破壞通信系統(tǒng)的目的。

干擾類(lèi)型一般分為3種:寬/窄帶干擾和跟蹤式干擾。其中,寬帶干擾就是對(duì)大范圍的通信頻率發(fā)送干擾信號(hào),當(dāng)達(dá)到全段覆蓋時(shí),只要加大干擾功率,就可以形成阻塞式的干擾,直接摧毀通信系統(tǒng);窄帶干擾則是對(duì)通信頻段進(jìn)行局部大功率的干擾;跟蹤式干擾是影響程度最大的一種干擾方式,通過(guò)干擾機(jī)獲取通信信號(hào)后,直接對(duì)其進(jìn)行毀滅性的破壞。

對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境中的干擾信號(hào)進(jìn)行精細(xì)分級(jí)與量化[4],在指揮作戰(zhàn)中是十分有必要的。根據(jù)干擾信號(hào)的復(fù)雜程度,將其劃分為4個(gè)等級(jí):簡(jiǎn)單、輕度、中度和重度。本文以戰(zhàn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)干擾信號(hào)的影響程度進(jìn)行分級(jí)量化,作出以下幾點(diǎn)假設(shè):

①時(shí)域假設(shè):假設(shè)電子通信信號(hào)與電磁干擾源之間存在部分時(shí)間重合;

②頻域假設(shè):假設(shè)電子通信設(shè)備與電磁干擾源[5]二者之間具有相近的頻率,部分干擾信號(hào)與通信信號(hào)可能會(huì)發(fā)生碰撞;

③能域假設(shè):假設(shè)電磁干擾源滿足電子通信信號(hào)的最低干擾功率,可對(duì)通信信號(hào)實(shí)現(xiàn)有效干擾;

④空域假設(shè):在電磁干擾源的有效干擾范圍內(nèi),假設(shè)干擾機(jī)仍存在較大的可選擇空間,干擾范圍的最大概率取值為發(fā)信機(jī)至收信機(jī)的3.162倍。

在上述4點(diǎn)假設(shè)均成立的情況下,可構(gòu)建電磁干擾影響等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),具體內(nèi)容如表1所示。

表1 電磁干擾影響等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 電子通信信號(hào)的空域自適應(yīng)抗干擾算法

在復(fù)雜電磁環(huán)境下,本文主要對(duì)寬帶干擾和窄帶干擾進(jìn)行分析。根據(jù)干擾信號(hào)影響程度分級(jí)量化標(biāo)準(zhǔn),在通信系統(tǒng)監(jiān)測(cè)模塊中,對(duì)截獲的干擾信號(hào)劃分等級(jí),并將結(jié)果傳送至估計(jì)模塊中,確定干擾信號(hào)的目標(biāo)以及發(fā)送數(shù)量。

將G定義為干擾信號(hào),K(G)為干擾信號(hào)的熵,定義公式為

(1)

式中,Po表示G出現(xiàn)的頻率,n表示陣元數(shù)量。將連續(xù)分布的干擾信號(hào)的熵[6]用函數(shù)形式進(jìn)行表達(dá)

(2)

式中,L表示權(quán)值。

通常情況下,電子通信系統(tǒng)中的期望信號(hào)和干擾信號(hào)會(huì)來(lái)自?xún)蓚€(gè)相反的方向,具體如圖1所示。

圖1 電子通信系統(tǒng)模型圖

本文利用空域自適應(yīng)干擾抑制方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)電子通信系統(tǒng)的干擾抑制。以數(shù)據(jù)鏈和波束形成基本法,計(jì)算得到最優(yōu)天線陣權(quán)向量[7]為期望信號(hào)加權(quán),可削弱干擾信號(hào)的強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)的有效抑制。在空域自適應(yīng)干擾抑制方法中,目標(biāo)系統(tǒng)由發(fā)射端、干擾源和接收端3部分組成。

(3)

將式(3)與輸入信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)、權(quán)向量結(jié)合在一起,可以得到函數(shù)關(guān)系式

(4)

其中,Rmm表示包含干擾信號(hào)、期望信號(hào)以及噪聲信號(hào)在內(nèi)的輸入信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)[8]。

在陣元數(shù)量為n的天線陣中,輸入q個(gè)窄帶信號(hào),入射方向分別為θ1,θ2,…,θn。對(duì)陣列接收端內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,數(shù)字域的第k次采樣數(shù)據(jù)為

(5)

式中,Si(k)表示第i個(gè)信號(hào)的復(fù)包絡(luò)。將S1(k)看作是通信系統(tǒng)中的期望信號(hào),S2(k),S3(k),…,Sn(k)是干擾信號(hào);H(k)表示天線陣列中包含的噪聲;α(θi)表示信號(hào)在入射方向θi上的導(dǎo)向矢量[9]。

當(dāng)干擾信號(hào)、期望信號(hào)與噪聲信號(hào)三者之間沒(méi)有關(guān)聯(lián)時(shí),定義接收數(shù)據(jù)的相關(guān)矩陣為

=RSS+Rii+RGG

(6)

式中,RSS、Rii、RGG分別表示干擾信號(hào)矩陣、期望信號(hào)矩陣以及噪聲信號(hào)矩陣,σ表示相關(guān)矩陣系數(shù)。

空域自適應(yīng)干擾抑制方法與自適應(yīng)波束成型系統(tǒng)近似,后者通過(guò)調(diào)整適當(dāng)?shù)臋?quán)重值,將期望信號(hào)的貢獻(xiàn)[10]發(fā)揮到最大。因此,可將波束成型系統(tǒng)的最優(yōu)權(quán)重向量e近似地看作為約束優(yōu)化問(wèn)題,計(jì)算公式為

《20世紀(jì)中國(guó)文學(xué)大師·詩(shī)歌卷》中評(píng)論北島的詩(shī)歌藝術(shù)是這樣說(shuō)的：“北島堅(jiān)持了詩(shī)的獨(dú)立品格，以現(xiàn)代詩(shī)學(xué)意識(shí)改造被腐化的中國(guó)詩(shī)學(xué)，將西方現(xiàn)代藝術(shù)的蒙太奇、變形等手法納入詩(shī)學(xué)范疇，推進(jìn)了中國(guó)現(xiàn)代詩(shī)在沉睡30年后的復(fù)活與繁榮，豐富了現(xiàn)代詩(shī)的表現(xiàn)手法，為中國(guó)現(xiàn)代詩(shī)重返世界文學(xué)格局提供了積極的努力，北島是20世紀(jì)中國(guó)現(xiàn)代詩(shī)承上啟下，走向未來(lái)的有力的一環(huán)，一座不可忽略的里程碑”（張同道等：《獨(dú)自航行的島》，載《20世紀(jì)中國(guó)文學(xué)大師·詩(shī)歌卷》）。

(7)

式中,Pout為目標(biāo)函數(shù),表示波束成型系統(tǒng)的輸出功率;α(θ1)Me為約束函數(shù),代表期望信號(hào)的增益;f為式(7)的約束條件。

利用線性約束最小方差準(zhǔn)則[11]對(duì)電子通信系統(tǒng)中的多波束天線賦形。設(shè)置f=1,即期望信號(hào)不受噪聲的影響,在通過(guò)天線陣時(shí)是無(wú)失真[12]的狀態(tài)。通過(guò)拉格朗日乘子計(jì)算最優(yōu)解為

eout=-R-1αλ

(8)

式中,λ=-[αMR-1α]-1f。利用最小方差在無(wú)失真響應(yīng)約束條件下優(yōu)化式(8),可得

(9)

對(duì)eout的計(jì)算過(guò)程離不開(kāi)天線陣中多路信號(hào)的自相關(guān)矩陣。由于數(shù)據(jù)接收矩陣Rmm是正定Hennitian矩陣,每個(gè)階層的主、子矩陣均是非奇異[13]的Hennitian矩陣。本文利用Hennitian矩陣進(jìn)行求逆引理,得到逆陣遞推求解方法,步驟如下所示:

步驟一:在矩陣中輸入信號(hào)初始值Rm+1;

步驟二:定義i=0,1,2,…,m,迭代計(jì)算Ri+1子矩陣的逆陣,實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:

(10)

(11)

綜上所述,空域自適應(yīng)干擾抑制方法流程如圖2所示。

圖2 空域自適應(yīng)干擾抑制方法實(shí)現(xiàn)流程圖

利用接收端中的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)得到通信雙方的位置信息,進(jìn)一步計(jì)算可得到有用信號(hào)的入射方向向量α(θ);天線陣元對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行采樣,構(gòu)建相關(guān)矩陣Rmm,通過(guò)遞推求逆構(gòu)建相關(guān)矩陣Pout得到方向圖[15]。

最后電子通信信號(hào)抗干擾算法的實(shí)現(xiàn)需要在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)不斷的周期循環(huán),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有用信號(hào)和干擾信號(hào),從而提高通信質(zhì)量和效率。

4 仿真研究

4.1 仿真設(shè)置

為了驗(yàn)證本文提出的電子通信信號(hào)抗干擾算法在實(shí)際中是否合理有效,利用仿真平臺(tái)搭建了虛擬的敵方數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),將電磁信號(hào)干擾源與對(duì)通平臺(tái)組合在一起,形成一個(gè)信息化對(duì)戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境由發(fā)射端、干擾源和接收端3個(gè)部分搭建,發(fā)射端為全向單天線,接收端為四元天線陣列(如圖3所示),其中所有的陣元都可根據(jù)需求任意調(diào)節(jié)。電子通信信號(hào)由發(fā)射端發(fā)出后,通過(guò)接收端的天線陣面陣元接收,隨后被傳送至信道中。

圖3 四元天線陣圖示

在搭建的四元天線陣列中,第一個(gè)陣元位于坐標(biāo)原點(diǎn)的位置上,另外三個(gè)陣元的位置分別在方位角φ為0°、120°、和240°的半徑為χ的半圓上。

圖3所示的四元天線陣具有占用空間面積小、對(duì)信號(hào)的波束方向和零陷方向可全方位操控的特點(diǎn),即使是同一方向上的相同天線口徑,都可以有效避免出現(xiàn)測(cè)向模糊的情況。在仿真中,將四元天線陣建立四個(gè)不同的信道,期望信號(hào)和干擾信號(hào)分別處于不同的信道中。

將有用信號(hào)的載波頻率設(shè)置為46.52MHz,帶寬為2M,方位角和俯仰角為(0°,0°);噪聲信號(hào)選取的是高斯白噪聲,信噪比設(shè)置為-30dB;將干擾信號(hào)的寬帶信號(hào)設(shè)置與有用信號(hào)帶寬一致,窄帶信號(hào)為單脈沖信號(hào),信干比設(shè)置為100dB。實(shí)驗(yàn)中的干擾信號(hào)為寬帶干擾與窄帶干擾相結(jié)合的模式,方位角和俯仰角分別為(120°,30°)和(250°,30°)。

4.2 算法性能分析

1)誤碼率對(duì)比

在構(gòu)建的虛擬敵方數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中,利用本文方法與引言中提到的自適應(yīng)濾波算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,在相同的信噪比(SNR)環(huán)境下進(jìn)行誤碼率的測(cè)試。通過(guò)調(diào)制獲取通信系統(tǒng)的通信波形,設(shè)置為二進(jìn)制相移鍵控,信干比SJR=-20dB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種算法誤碼率對(duì)比

從圖4中可以看出,本文方法隨著SNR值的增加,誤碼率曲線出現(xiàn)了大幅度的下降趨勢(shì),自適應(yīng)濾波算法僅出現(xiàn)了小幅度的下降,而B(niǎo)P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法幾乎呈現(xiàn)出一條直線。對(duì)比之下,可以看出本文方法的抗干擾抑制能力最優(yōu),這是由于本文方法通過(guò)計(jì)算最優(yōu)天線陣列權(quán)向量,在增強(qiáng)了期望信號(hào)的同時(shí),有效削弱了干擾信號(hào)。

2)干擾抑制增益對(duì)比

接下來(lái)在不同的信干比環(huán)境下,對(duì)三種算法的干擾抑制增益效果進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。將信噪比設(shè)置為SNR=10dB,其它條件與上述實(shí)驗(yàn)相同,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種算法干擾抑制增益效果對(duì)比

從圖5中可以看出,自適應(yīng)濾波算法的抗干擾增益始終在30dB范圍內(nèi)波動(dòng),BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的抗干擾增益始終在20dB范圍內(nèi)波動(dòng)。隨著通信信號(hào)信干比的增加,本文方法的抗干擾增益則出現(xiàn)了上升的趨勢(shì)。這是由于本文方法利用天線陣列圖分析期望信號(hào)和干擾信號(hào)的來(lái)波方向,當(dāng)干擾信號(hào)增強(qiáng)后,SJR的值減少,加深干擾信號(hào)零陷點(diǎn),從而達(dá)到削弱信號(hào)強(qiáng)度的目的。由此可以說(shuō)明,本文方法較其它兩種方法相比,抗干擾效果最優(yōu)。

5 結(jié)論

針對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下的電子通信信號(hào),本文選擇空域自適應(yīng)干擾抑制方法對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。該方法可在不改變?cè)紨?shù)據(jù)鏈波形的前提下,得到有用信號(hào)的波束入射方向,對(duì)天線陣列的方向圖實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整,完成干擾信號(hào)的有效抑制。通過(guò)與其它方法進(jìn)行對(duì)比仿真,結(jié)果表明在相同的信噪比環(huán)境下,本文方法具有最低的誤碼率,當(dāng)信干比相同時(shí),本文方法具有最理想的干擾抑制增益效果。為后續(xù)無(wú)線電通信的研究,提供了一種可供參考的抗干擾算法。