通信對抗中的現代信號處理技術應用研究

王 哲，楊 忠

（中國電科網絡通信研究院，河北 石家莊 050000）

0 引 言

通信對抗是電子對抗的重要組成部分，在阻斷敵方通信、數據鏈、信號識別及測向等方面具有重要作用。因此，通信網絡在作戰體系中發揮著越來越重要的作用。現代信號處理技術作為解決通信對抗問題的重要手段，在通信對抗中的應用成為研究的熱點。文章基于通信對抗的背景，研究現代信號處理的關鍵技術，并以信號處理設備為案例進行測試，結果表明現代信號處理技術在通信對抗的應用中具有良好的實踐效果。

1 通信對抗的概述

1.1 通信對抗的基本概念

通信對抗指在通信領域開展的電子對抗，是削弱與破壞敵方通信系統的作戰效能和保護己方的通信系統正常發揮作用的使用效能所采取的戰術技術措施和行動的總稱[1]。通信對抗技術主要分為通信偵察、通信干擾及通信抗干擾3 類。

通信偵察旨在取得目標有效信息，是通信干擾與通信抗干擾的基礎。有效的偵察可使己方處于通信對抗的優勢地位。偵察設備能夠對目標信號進行接收、轉換、估計、識別及預測等處理，從而得出目標通信系統的關鍵指標和信號來源，為己方進行決策和反制提供幫助[2]。同時，目標所處信號環境的復雜程度會顯著影響偵察的效果。

通信干擾是擾亂或破壞敵方通信系統而采取的通信攻擊手段的概括[3]。利用單臺套干擾設備或多臺套干擾設備聯合對目標信號實施干擾，從而構建干擾效果好、威力強、代價小的干擾系統。對于不同的目標信號，干擾的樣式往往不同，常見的有瞄準式、擴譜信號式、攔阻式及分布式等。

通信抗干擾即對通信干擾進行多維度的反制，多維度包括時域、頻域、空域等。在頻域抗干擾技術手段中，自適應濾波技術是一種常用反制手段。時域抗干擾中使用擴頻通信技術，其中跳頻擴譜通信的抗干擾能力強，成為抗干擾通信領域應用廣泛的通信方式。空域抗干擾具有顯著優勢，可利用接收機的天線抑制干擾，目前使用的通信接收機很大限度地依賴空域抗干擾技術。

1.2 通信對抗的發展趨勢

隨著通信技術的發展、作戰方式和理念的轉變，現代通信對抗呈現出體系化、精確化、智能化及一體化的趨勢。體系化通信對抗，以奪取戰場制通信電磁權為目的，通過強大的偵察能力和嚴密的統籌安排，綜合評估目標信息和資源，以期在有限資源下實現最優化。精確化指在大功率通信等干擾下不影響己方通信的同時阻止敵方通信，主要體現在目標的空間、時間和頻率上的精確特征分析、精確攻擊、指揮控制及協調作戰。智能化解決了模式固定、時效低、自動化差的問題，具有自主感知、智能決策、自主學習及準確打擊的優勢。一體化結合網絡和電子技術，從物理層的干擾擴展到協議層、信息層，具有破壞性強、效費比高、威脅大的特點，極大地擴展現代通信對抗的作戰形式。

2 現代信號處理技術的關鍵方法研究

2.1 基于特定特征的信號識別法

對信號的識別是信號處理的基本工作，也是信號分析的前提。在信號處理過程中，需要從信號樣本中提取信號特征值，然后根據不同類型信號的特征范圍進行比對，判定信號類型歸屬。對于復雜的調制信號和衰落嚴重的信道，進行特征提取的難度較大。因此，只比對特定信號的最核心特征。例如，對于周期性的信號源發送已知數據，通過自相關處理可獲得信號的周期，再利用周期判別獲得信號的類型，降低信道對估計的影響。

基于特定特征的信號識別法的識別過程如下：將獲取的樣本信號作為輸入端，依次給到特征數據庫中的匹配濾波器，濾波器輸出一個表征匹配程度的值，當這個值超過判定門限時，匹配濾波器所在的特征數據庫對應的信號類型被認為是可能的信號類型，最終在所有可能的信號類型中選出最優的信號類型作為識別結果。識別原理如圖1 所示。

圖1 識別原理

基于特定特征的信號識別法提高識別的精準度，預警次數減少，同時降低漏警概率，增強信道環境差時的信號識別能力。對于數量有限的信號類型，特別是識別難度大的信號類型，該識別法有效，且實際應用效果良好。

2.2 基于多維搜索的空間譜測向技術

對于電磁頻譜信號的空間特征的處理，提取關鍵特征信息是有效引導干擾的前提。基于現實環境需求，研究空間測向技術，以波束形成技術和時域譜估計技術為基礎，通過不同空間位置的天線采樣空間中的信號源，并分析處理采樣數據，從而實現快速、高精度的測向定位[4]。

多維度搜索的空間譜測向技術的子空間擬合算法，其核心為采用分解陣列接收數據的協方差矩陣中的特征值手段來求取信號的子空間，利用陣列流矩陣形成的空間與信號子空間的相等或者正交關系實現對預計所接收信號的波達方向（Direction of Arriva，DOA）預計[5]。

在已知信號源的數量的情況下，信號子空間與陣列流矩陣形成的空間是同一空間。但當噪聲存在時，信號子空間與陣列流矩陣形成的空間不相等，因此需要構建一個擬合關系，使得二者在最小二乘意義下擬合效果最好，即

在進行預計過程時，A矩陣不變化，可得的最小二乘解為

結合式（1）和式（2），則有

式中：PA為陣列流矩陣與坐標原點的距離矢量；A+為陣列流矩陣的加號逆矩陣。

根據陣列接收的數據求出數據的協方差矩陣，進行特征值分解得到子空間，根據陣列流矩陣結合式（2）和式（3），可計算得出信號源的方位信息。基于多維度參數搜索的方法適用于相干信號源的情況，在低信噪比和快拍數少的條件下也可取得很好的應用。

2.3 通信干擾參數測算技術

在通信干擾的實施過程中，要實現對敵方的通信系統進行有效的壓制，必須使目標接收機的輸入端達到一定的電平，通常采用增大干擾功率或者縮短干擾距離的方法。其中，干擾距離由干擾機和目標的相對位置決定，而干擾機的定位已知，目標的定位通常可由目標的收發信機位置估測，其原因是敵方收發信機的之間距離遠小于干擾距離。知曉干擾機和目標通信鏈路的相互關系，還有目標接收機的干信比，可估算干擾功率和干擾距離。

目標接收機的信號功率為

式中：P為信號到達接收機的平均功率；PT為發射機的發射功率；GT為發射機的輻射增益；GR為接收機的接收功率增益；LTR為發射機到接收機的功率傳播損耗。

考慮濾波損耗和極化損耗2 個因素，目標接收機的干擾功率為

式中：Pj為干擾信號到達接收機的平均功率；PTj為干擾發射機的發射功率；GTj為干擾發射機的輻射增益；GRj為目標接收機的接收功率增益；LTRj為干擾信號功率傳播損耗；F為濾波損耗；p為極化損耗。設在最佳干擾條件下釋放瞄準式干擾，干擾信號的帶寬約等于目標接收機信號帶寬，F取1，極化損耗以適當的彌補功率余量，式（5）簡化為

由式（6）可知，要有效地利用干擾機對目標通信系統實施干擾，干擾機與目標系統的配置參數等多個因素是互相影響的。在配置固定的情況下，可測算出干擾機需要的發射功率。

3 現代信號處理技術應用案例

3.1 通信對抗中的信號處理設備

基于現代信號處理技術設計某型信號處理設備，由監控單元、數字單元、信號處理單元、控制單元、信號產生單元、時分單元存儲單元以及電源單元組成，集成偵察和干擾等信號處理功能模塊，具備監視、掃描、截獲、檢測、分析識別、解調、引導及控制等多種功能，能調制解調多路信號，并以瞄準、跟蹤、阻攔等方式進行干擾，適用于多種作戰環境，具有一體化多功能的優良特性。

3.2 樣式識別能力評價

在擁擠的電磁頻譜環境中，識別信號樣式是一項重要的任務，以AM、FM、CW 信號的識別率來考核所設計的信號處理設備的能力。基于識別正確率不小于90%的指標，搭建測試環境，測試方法如圖2所示。在30 ～200 MHz 頻段內選取若干個測試頻點，設置信號源幅度、頻率、調制樣式及符號速率，控制噪聲源的衰減值，調整信號源和噪聲源構建信噪比大于等于12 dB 的環境，進行50 次統計。

圖2 測試方法

對測試結果進行統計，樣式識別統計如表1所示。

表1 樣式識別統計

結果顯示所設計信號處理設備對于3 種信號樣式的準確率均大于90%，具有良好的識別能力，能夠滿足實際應用的需求。

3.3 干擾信號輸出幅度評價

在進行干擾活動時，干擾機輸出信號的幅度影響著干擾的有效性，因此有必要評價信號處理設備的干擾信號幅度。該信號處理設備所期望的干擾輸出幅度不小于-10 dBm。在30 ～600 MHz 選取兩端極值和若干中間值，即30 MHz、100 MHz、400 MHz 以及600 MHz 為測試點，展開測試并統計測試結果。信號輸出幅度統計如表2 所示。

表2 信號輸出幅度統計

經信號處理設備輸出的30 ～600 MHz 區間干擾信號幅度最小為-8.02 dBm，滿足期望輸出幅度。

4 結 論

隨著信息化技術的發展，通信對抗所面臨的形勢也愈加嚴峻。現代信號處理技術及其相關的應用在作戰體系的開展中起著重要作用。文章基于通信對抗技術手段的背景下，闡述現代信號處理技術中的3 種技術，并評價所設計的一體化信號處理設備案例，測試結果良好，說明現代信號處理技術在通信對抗中的應用具有重要的研究意義。