第9章特殊通信系統(tǒng)的偵察干擾原理9.1直接序列擴(kuò)頻通信偵察干擾原理9.2跳頻通信偵察干擾原理9.3對其他擴(kuò)頻通信的對抗9.4數(shù)據(jù)鏈通信偵察干擾原理9.5衛(wèi)星通信偵察干擾原理思考題

9.1直接序列擴(kuò)頻通信偵察干擾原理

9.1.1直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)工作原理

直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)一般用來傳輸數(shù)字信號,最常采用的調(diào)制方式是二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)。直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖9-1-1所示。圖9-1-1直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

在發(fā)送端,信碼m(t),采用雙極性碼,Tm是信息碼寬度;信息調(diào)制采用2PSK;擴(kuò)頻碼p(t),也稱為偽碼,由偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生,采用雙極性碼,Tp是擴(kuò)頻碼的寬度;載波頻率fc,直接序列擴(kuò)頻信號可表示為

直接序列擴(kuò)頻信號的波形與頻譜如圖9-1-2所示。一定能量的直接序列擴(kuò)頻信號,由于其射頻帶寬得到很大的擴(kuò)展,使它在單位頻帶上的平均能量很低,甚至淹沒在噪聲中,所以,在通信信道上的DS信號(直擴(kuò)信號)具有很強(qiáng)的隱蔽性,可以很好地“躲避”敵方偵察系統(tǒng)的搜索、檢測與截獲。圖9-1-2直接序列擴(kuò)頻信號的波形與頻譜

在接收端,考慮到干擾與噪聲,接收的DS信號為

第一項(xiàng)是信號項(xiàng):m(t)cos(2πfct+θ)窄帶的信息調(diào)制信號,經(jīng)窄帶濾波器得以保留;第二項(xiàng)是噪聲項(xiàng):n(t)p(t)是寬帶的,經(jīng)過窄帶濾波器大部分被濾出;第三項(xiàng)是干擾項(xiàng):j(t)p(t)是寬帶的,經(jīng)過窄帶濾波器大部分被濾出。所以,在接收端的DS信號具有很強(qiáng)的抗干擾性。

9.1.2直接序列擴(kuò)頻通信偵察

由于擴(kuò)頻通信良好的隱蔽性和抗干擾性,使得非協(xié)作情況下擴(kuò)頻通信信號的檢測、參數(shù)估計(jì)變得非常困難:

(1)DS信號一般占用的頻帶比較寬,普通的窄帶偵察接收機(jī)不能與之相適應(yīng),因此,對DS信號的偵察必須采用射頻寬開的偵察接收機(jī),保證信號落在接收機(jī)通帶內(nèi)。

(2)進(jìn)入射頻寬開的偵察接收機(jī)的信號很多,瞬時(shí)的抽樣電平無法判斷DS信號的有無。

(3)DS信號電平很低,常常都淹沒于噪聲之中,無法從頻譜上直接觀察出信號是否存在,也不能利用信號的包絡(luò)大小判斷信號的存在。

通信偵察無法得到擴(kuò)頻通信的偽碼速率、符號周期、信噪比、載頻等先驗(yàn)知識,因此DS信號偵察接收機(jī)采用的是非最優(yōu)的、非相關(guān)的檢測器。多年來,人們提出了很多檢測方法,如能量檢測算法、相關(guān)檢測算法、高階譜循環(huán)累積量分析法、周期譜密度(譜相關(guān))分析方法等,這里對其中的幾種方法進(jìn)行介紹。

1.能量檢測法

DS信號的能量檢測法如圖9-1-3所示。將輸入信號r(t)首先通過一個(gè)寬帶的帶通濾波器,取出感興趣的頻段,然后進(jìn)行平方運(yùn)算,通過積分器對一時(shí)間段T內(nèi)進(jìn)行能量積累。圖9-1-3DS信號的能量檢測法

有DS信號,則

無DS信號,則

能量檢測法的基本思想是信號加噪聲的能量大于噪聲的能量,即

通過估計(jì)環(huán)境噪聲的能量E{[n(t)]2}作為判決門限;當(dāng)E{[r(t)2]}大于門限時(shí),判為有信號;當(dāng)E{[r(t)]2}小于門限時(shí),判為無信號。

能量檢測是偵察中最早的非協(xié)作檢測方法,是一種不需要對信號做任何假設(shè)的盲檢測算法,但它只能給出信號的大致頻帶,并且在不知道是否存在DS信號時(shí),環(huán)境噪聲的能量E{[n(t)]2}估計(jì)及帶寬選取都是比較困難的。

2.平方倍頻檢測法

DS信號的平方倍頻檢測法如圖9-1-4所示。圖9-1-4DS信號的平方倍頻檢測法

1)信道上存在一個(gè)DS信號圖9-1-5y(t)=SA(t)SB(t)信號功率譜示意圖

從τA=τB的情況開始,調(diào)整A路信號與B路信號的延時(shí)差,檢測到帶通濾波器在頻率為2f0處輸出信號再次超過檢測門限的情況,如圖9-1-6所示。計(jì)算ΔT=|τA-τΒ|,可以估計(jì)出擴(kuò)頻碼周期Tc,在很多時(shí)候,擴(kuò)頻碼周期Tc與碼元寬度Tm是一致的。圖9-1-6不同延時(shí)條件下窄帶濾波器輸出信號強(qiáng)度示意圖

2)信道上存在多個(gè)DS信號

如果信道上存在多個(gè)DS信號,并且其中的m個(gè)進(jìn)入偵察接收機(jī)的通頻帶,則其中,n(t)表示接收機(jī)寬帶內(nèi)的加性噪聲,Si(t)表示接收機(jī)寬帶內(nèi)第i個(gè)DS信號,Si(t)=Aimi(t)pi(t)cos(2πfit+θi),mi(t)表示第i個(gè)DS信號的信息碼,pi(t)表示第i個(gè)DS信號的擴(kuò)頻碼,fi表示第i個(gè)DS信號的載波頻率。

為了簡化算法,假設(shè)兩路寬帶放大器的延時(shí)τA=τB=0,s(t)經(jīng)過分路、兩路寬帶放大器后可得

第三項(xiàng)是信號項(xiàng)的平方,即

在式(9-1-8)中,第二項(xiàng),當(dāng)i≠j時(shí),mi(t)mj(t)≠1。如果:

(1)fi≠fj,表示不同頻的DS信號,pi(t)和pj(t)的碼型可相同,也可不同,但一般不會(huì)同步;pi(t)·pj(t)≠1,在頻率為fi+fj和fi-fj處表現(xiàn)為低幅度的寬帶信號,經(jīng)窄帶的帶通濾波器輸出為窄帶噪聲。

(2)fi≠fj,表示同頻的碼分復(fù)用的DS信號,pi(t)≠pj(t)且正交;pi(t)·pj(t)≠1,在直流和頻率為2fi處表現(xiàn)為低幅度的寬帶信號,經(jīng)窄帶帶通濾波器輸出為窄帶噪聲。

3)常規(guī)信號與DS信號同時(shí)存在

假設(shè)信道上r(t)=Acos(2πf1t+θ)+Bm(t)p(t)cos(2πf0t+θ)+n(t),即常規(guī)信號和DS信號同時(shí)存在,其中,Bm(t)p(t)cos(2πf0t+θ)表示接收機(jī)寬帶內(nèi)的DS信號,Acos(2πf1t+θ)表示接收機(jī)寬帶內(nèi)的常規(guī)信號,n(t)表示接收機(jī)寬帶內(nèi)的加性噪聲。為了簡化算法,假設(shè)兩路寬帶放大器的延時(shí)τA=τB=0,S(t)經(jīng)過分路、兩路寬帶放大器后可得SA(t)和SB(t),將它們送入相乘器經(jīng)過相乘后,其輸出為

由此可見,當(dāng)常規(guī)信號和DS信號同時(shí)存在時(shí),不僅DS信號在其載波二倍頻處有輸出,常規(guī)信號在原信號頻率和載波二倍頻處均有輸出,因此這種方法很難將同時(shí)存在的常規(guī)信號和擴(kuò)頻信號分開。

3.用數(shù)字相關(guān)法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)

寬帶偵察接收機(jī)的接收信號r(t)=A·m(t)p(t)cos(2πf0t+θ)+n(t),對信號進(jìn)行解調(diào),噪聲經(jīng)過解調(diào)器仍然為噪聲,得到基帶的接收信號s(t)=A·m(t)p(t)+n(t)并進(jìn)行寬帶高速A/D轉(zhuǎn)換,得到數(shù)字序列{s(n)},截取其中較長的一段,即

其中,j是數(shù)字序列{s(n)}中的起始位置,可以從j=0開始。

1)擴(kuò)頻碼周期估計(jì)

3)擴(kuò)頻碼估計(jì)

9.1.3對直接序列擴(kuò)頻通信的干擾

直擴(kuò)通信信號的帶寬很寬,但載頻在通信過程中是固定不變的,因此,我們可以將直擴(kuò)通信看成是一種特殊的定頻通信,對直擴(kuò)通信可以采用常規(guī)的瞄準(zhǔn)式干擾;在直擴(kuò)通信系統(tǒng)中,偽碼同步是實(shí)現(xiàn)相關(guān)解擴(kuò)、進(jìn)行信息解調(diào)(即對信息碼解調(diào))的關(guān)鍵前提,因此,我們還可以采用對直擴(kuò)偽碼同步的靈巧式干擾。

在一定的條件下,對DS信號的瞄準(zhǔn)式干擾是有效的,DS信號的頻譜很寬,對DS信號的瞄準(zhǔn)式干擾又可以分為單頻干擾、干擾信號帶寬窄于DS信號帶寬的部分頻帶干擾、干擾信號帶寬大于等于DS信號帶寬的寬帶干擾、與DS信號的擴(kuò)頻碼序列相同或相近的相關(guān)干擾。

在直擴(kuò)通信系統(tǒng)中,衡量系統(tǒng)抗干擾性能的指標(biāo)是處理增益,因此,通常我們用DS系統(tǒng)對干擾的處理增益

來比較不同干擾樣式對DS通信的干擾效果。Pso/Pjo和Psi/Pji分別為相關(guān)解擴(kuò)器的輸出信干比與輸入信干比。Gj越高,表示DS系統(tǒng)的抗干擾能力越強(qiáng),干擾效果越差。

對DS信號干擾效果分析的模型框圖如圖9-1-7所示。疊加了干擾的DS信號,經(jīng)接收通道后送入相關(guān)解擴(kuò)器,DS信號被解擴(kuò)還原為僅受信碼調(diào)制的窄帶信號,而干擾信號和噪聲與本地相關(guān)偽碼p(t)相乘,其時(shí)域表達(dá)式見式(9-1-2)。由于干擾與偽碼p(t)不相關(guān),根據(jù)頻域卷積定理,相乘器輸出干擾的功率譜密度為

其中,Sji(f)、Sjo(f)分別為相乘器輸入、輸出干擾的功率譜密度;SP(f)為本地相關(guān)偽碼p(t)的功率譜密度,當(dāng)擴(kuò)頻碼為碼長很長的m序列時(shí),其功率譜密度近似為圖9-1-7對DS信號干擾效果分析的模型框圖

顯然,相乘器輸出干擾的頻譜寬度將大于或至少等于擴(kuò)頻碼的寬度,被展寬后的干擾再經(jīng)窄帶濾波后,大部分的干擾頻譜分量將被濾除,設(shè)窄帶濾波器的中心頻率為fc,帶寬Bm,則相關(guān)解擴(kuò)后的輸出干擾功率為

1.瞄準(zhǔn)式干擾

1)單頻干擾

單頻干擾的一般表達(dá)式為jcw(t)=Acjcos(wjt+φj),其功率譜密度可表示為Sji(f)=與本地相關(guān)偽碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)的結(jié)果是將相關(guān)偽碼的頻譜在頻率上搬移一個(gè)fj,若相關(guān)偽碼為m序列,則相乘輸出干擾的功率譜密度為

相關(guān)解擴(kuò)后的輸出干擾功率為

當(dāng)單頻干擾的頻率fj與DS信號的頻譜中心相重合時(shí),Pjo最大,DS系統(tǒng)對單頻干擾的處理增益為

或

參照通信原理的分析結(jié)論,對于采用BPSK調(diào)制方式的DS系統(tǒng)的誤碼率可表示為

由此可見,在輸入干信功率比一定的條件下,對單頻干擾的處理增益越大,系統(tǒng)的誤碼率越小,干擾效果越差。

2)部分頻帶干擾部分頻帶干擾是指干擾信號帶寬比整個(gè)DS信號的頻譜要窄,設(shè)部分頻帶干擾的帶寬為Bj,到達(dá)接收機(jī)輸入端的干擾信號平均功率為Pj,由于部分頻帶干擾的帶寬通常遠(yuǎn)小于DS信號帶寬,因此,在干信載頻差不大的情況下,干擾信號功率不會(huì)被接收機(jī)通帶所抑制,即Pji=Pj。

為了分析方便,這里將輸入干擾信號的能量按帶內(nèi)均勻譜來近似處理,設(shè)均勻功率譜密度為j0,則

輸入干擾信號功率可表示為Pji=j0Bj。經(jīng)過接收機(jī)相關(guān)解擴(kuò)后,DS信號解擴(kuò)還原為僅受信碼調(diào)制的窄帶信號,而干擾信號與本地相關(guān)偽碼相乘后被展寬,帶寬近似等于偽碼序列帶寬與干擾帶寬之和,即B'j≈BDS+Bj。相乘器輸出干擾功率譜密度為

擴(kuò)展后的干擾信號再經(jīng)過窄帶濾波器,輸出的干擾功率與濾波器帶寬Bm有關(guān)。相關(guān)解擴(kuò)后的輸出干擾功率為

令K為干擾信號帶寬Bj與濾波器帶寬Bm之比,

則同樣,當(dāng)部分頻帶干擾的頻譜中心瞄準(zhǔn)DS信號頻譜中心時(shí),Pjo最大。由此可以求出直擴(kuò)系統(tǒng)對瞄準(zhǔn)DS載頻的部分頻帶干擾的處理增益為

單頻干擾是部分頻帶干擾的特例。從處理增益上看,DS系統(tǒng)對部分頻帶干擾的處理增益略大于單頻干擾,但在擴(kuò)頻增益k很大時(shí),K可以忽略,考慮到單頻干擾的規(guī)則性等不利因素,因此,采用部分頻帶干擾多于單頻干擾。

部分頻帶干擾的干擾樣式既可以是采用隨機(jī)噪聲調(diào)制或偽隨機(jī)碼鍵控的任一種通信體制的干擾信號,也可以是未調(diào)制的隨機(jī)噪聲干擾,還可以是多頻干擾,其干擾效果主要取決于干擾帶寬。

部分頻帶干擾無需掌握直擴(kuò)通信的偽隨機(jī)碼及其參數(shù),僅需通過信號檢測掌握直擴(kuò)通信中心頻率即可實(shí)施干擾,因此在技術(shù)上較易實(shí)現(xiàn),但所需干擾功率較大。此外,部分頻帶瞄準(zhǔn)式干擾不易長時(shí)間實(shí)施,因?yàn)橹睌U(kuò)通信系統(tǒng)接收機(jī)利用信號與干擾在頻域上的差異,可以采用自適應(yīng)窄帶干擾抵消技術(shù)、窄帶陷波技術(shù)等措施,在接收機(jī)輸入端有效地抑制這種干擾,而使直擴(kuò)通信仍能正常工作。

3)寬帶干擾

設(shè)寬帶干擾的帶寬為Bj,到達(dá)接收機(jī)輸入端的干擾信號平均功率為Pj,由于寬帶干擾的帶寬接近、甚至大于等于DS信號帶寬,必須考慮干擾信號功率受接收機(jī)通帶抑制的情況,即Pji=ξPj,ξ≤1。

同樣,寬帶干擾信號經(jīng)過接收機(jī)相關(guān)解擴(kuò)后頻譜被展寬,輸出干擾信號帶寬B'j≈BDS+Bj。擴(kuò)展后的干擾信號再經(jīng)過窄帶濾波器,輸出的干擾功率與濾波器帶寬Bm有關(guān),假設(shè)干擾信號的能量按帶內(nèi)均勻譜處理,則解擴(kuò)器輸出干擾功率為

由此可以求出直擴(kuò)系統(tǒng)對寬帶干擾的處理增益為

例1當(dāng)干擾帶寬Bj等于DS信號帶寬BDS,并且干信載頻差為0時(shí),ξ=1,經(jīng)相關(guān)器被展寬的輸出干擾信號帶寬B'j≈2BDS,

處理增益為

由此可見,采用帶寬等于DS信號帶寬的寬帶干擾,欲達(dá)到同樣的干擾效果,其干擾功率要比窄帶干擾大。當(dāng)干信載頻差不為0時(shí),ξ<1,處理增益變大,干擾效果變差。

例2當(dāng)干擾帶寬Bj大于DS信號帶寬時(shí),ξ<1,經(jīng)相關(guān)器被展寬的輸出干擾信號帶寬仍近似等于2BDS,處理增益為

處理增益變大,干擾效果變差。

例3采用頻率在一定范圍內(nèi)的多頻干擾對DS系統(tǒng)的干擾效果取決于多頻干擾的頻率范圍,當(dāng)多頻干擾的頻率范圍小于DS信號帶寬BDS,并且干信載頻差不大時(shí),使得ξ=1,則多頻干擾相關(guān)展寬的輸出干擾信號帶寬為BDS<B'j<2BDS,經(jīng)過窄帶濾波器輸出的干擾功率為

處理增益為

由此可見,從處理增益的角度看,對直擴(kuò)通信采用寬帶干擾的干擾效果不如窄帶干擾,尤其是帶寬大于DS信號帶寬B時(shí),干擾功率勢必受到接收機(jī)前端濾波系統(tǒng)抑制,干擾效果更差。

寬帶干擾與部分頻帶干擾相似,其干擾樣式既可以是采用隨機(jī)噪聲調(diào)制或偽隨機(jī)碼鍵控的任何一種通信體制的干擾信號,也可以是未調(diào)制的隨機(jī)噪聲干擾,還可以采用寬度較窄的周期脈沖干擾。

4)相關(guān)干擾

根據(jù)對擴(kuò)頻碼序列的瞄準(zhǔn)程度,相關(guān)干擾又分為完全相關(guān)偽碼干擾和相關(guān)偽碼干擾兩類。完全相關(guān)偽碼干擾是指干擾方掌握了欲干擾的某特定信道的直擴(kuò)通信偽碼序列圖案,并采用此偽碼序列調(diào)制的干擾信號對該直擴(kuò)通信實(shí)施的瞄準(zhǔn)式干擾。此時(shí),在頻域上,干擾瞄準(zhǔn)了信號的載頻和頻寬;在時(shí)域上,干擾和信號的偽碼速率相同,偽碼序列圖案相同,且兩者精確同步,即時(shí)域波形相同,故完全相關(guān)偽碼干擾又稱為波形瞄準(zhǔn)式干擾。

顯然,完全相關(guān)偽碼干擾進(jìn)入接收機(jī)后,將和有用信號一樣被解擴(kuò)和恢復(fù)。也就是說,干擾信號經(jīng)相關(guān)解擴(kuò)與濾波后,干擾與DS信號一樣不被衰減,有Pjo=Pji=Pj。在無損耗系統(tǒng)中和不考慮噪聲的情況下,直擴(kuò)通信系統(tǒng)接收機(jī)對完全相關(guān)偽碼干擾的處理增益為

由此可見,當(dāng)接收系統(tǒng)無處理增益時(shí),會(huì)出現(xiàn)一種最佳的干擾樣式。然而,采用此種干擾樣式需要完全掌握通信系統(tǒng)所使用的擴(kuò)頻碼,同時(shí)使進(jìn)入接收機(jī)的干擾和有用信號的擴(kuò)頻碼同步,這顯然是十分困難的。因?yàn)閿U(kuò)頻系統(tǒng)所使用的偽碼序列都有一定長度,破譯偽碼序列是十分困難的。退一步而言,即使掌握了偽碼序列,如何保證與接收機(jī)的偽碼保持同步仍然是不易做到的。這其中包括通信發(fā)射機(jī)和干擾發(fā)射機(jī)離接收機(jī)距離不同而帶來的相位差所形成的同步困難。

如果干擾方無法掌握敵方的偽碼序列,但能掌握該系列直擴(kuò)通信電臺所采用的偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器的類型,即偽碼序列的類型,則可采用一種與其有一定相關(guān)性的偽碼序列調(diào)制的干擾,在同步較好時(shí),也能達(dá)到令人滿意的干擾效果,這種干擾就稱為相關(guān)偽碼干擾。設(shè)干擾為擴(kuò)頻碼q(t)、碼寬Tq、載頻fj的DS干擾信號,首先,該干擾能夠進(jìn)入DS接收機(jī),即要求fj≈fc,Tq≈Tp,與本地相關(guān)偽碼p(t)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò),由式(9-1-2)得到相乘器輸出的干擾信號為

雖然p(t)q(t)≠1,但干擾方為實(shí)施最佳相關(guān)干擾,總是研究并選擇與信號偽碼序列能產(chǎn)生最大互相關(guān)值的干擾偽碼序列,即p(t)q(t)≠0。序列的互相關(guān)性越大,相關(guān)后干擾能量越集中于中心頻率處,則通過窄帶濾波器的干擾能量越多;并且當(dāng)干擾載頻接近DS信號中心頻率,相關(guān)解擴(kuò)后干擾的中心頻率不會(huì)偏離窄帶濾波器中心頻率太遠(yuǎn),這時(shí),通過窄帶濾波器的干擾能量就更多,干擾效果也隨著輸出干擾功率的增加而更好。當(dāng)然,直擴(kuò)通信系統(tǒng)接收機(jī)對相關(guān)偽碼干擾的處理增益通常會(huì)大于0dB,干擾效果要低于完全相關(guān)干擾,但對偽碼情報(bào)的要求低,實(shí)現(xiàn)的可行性更大。

2.對直擴(kuò)通信同步系統(tǒng)的靈巧式干擾

1)直擴(kuò)同步

直擴(kuò)同步是直擴(kuò)通信系統(tǒng)正常工作的前提,也是直擴(kuò)通信的致命弱點(diǎn)之一,因此,對直擴(kuò)同步的干擾屬于高效率的靈巧式干擾。

直擴(kuò)同步涉及的內(nèi)容主要包括網(wǎng)同步、偽碼同步、位同步、幀同步等。其中,偽碼同步指是收、發(fā)雙方的擴(kuò)頻碼序列的精確同步,是直擴(kuò)通信能否實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)的關(guān)鍵所在,因此,對直擴(kuò)偽碼同步的干擾能夠以較小代價(jià)獲取有效干擾,是對直擴(kuò)通信系統(tǒng)實(shí)施靈巧式干擾的主要目標(biāo)之一。

直擴(kuò)通信系統(tǒng)的相關(guān)解擴(kuò),不僅要求信碼比特間的碼元同步,還要求收、發(fā)雙方的擴(kuò)頻碼序列的“起點(diǎn)”對齊,即相位同步,相位同步要求收發(fā)雙方的偽碼相位差必須在1比特的范圍內(nèi),這樣相關(guān)檢測器才有解擴(kuò)信號輸出。實(shí)現(xiàn)了相關(guān)解擴(kuò),即完成了偽碼同步后,就可以像常規(guī)的數(shù)字通信系統(tǒng)一樣,通過可靠的位同步、幀同步,實(shí)現(xiàn)有效的信息解調(diào)和解幀。

一旦對直擴(kuò)偽碼同步的干擾有效,接收機(jī)的本地?cái)U(kuò)頻碼序列同步被破壞,接收機(jī)不能有效地對擴(kuò)頻信號進(jìn)行解擴(kuò),也不可能實(shí)現(xiàn)解調(diào)、解幀,輸出端無有用信息輸出,此時(shí)的DS接收系統(tǒng)對該干擾無處理增益而言,因此,我們可以認(rèn)為對直擴(kuò)偽碼同步的靈巧式干擾是一種絕對最佳干擾樣式。

2)對直擴(kuò)偽碼同步的靈巧式干擾

直擴(kuò)通信系統(tǒng)的偽碼同步分為兩個(gè)基本過程:同步捕獲和同步跟蹤。其中,同步捕獲又稱起始同步,是實(shí)現(xiàn)偽碼同步的關(guān)鍵環(huán)節(jié),只有達(dá)到起始同步,系統(tǒng)才能進(jìn)入跟蹤狀態(tài),因此對同步捕獲的干擾是很有意義的。

在同步捕獲階段,接收端沒有發(fā)送端擴(kuò)頻碼的相位先驗(yàn)信息,必須通過不斷改變本地偽碼信號的相位來對碼相位的不確定區(qū)域進(jìn)行掃描搜索,這就給對同步捕獲的干擾提供了可能。當(dāng)本地偽碼信號的相位與接收到的DS信號擴(kuò)頻碼序列的相位基本一致時(shí),即相位誤差落入了跟蹤范圍內(nèi)(一般該誤差小于碼片寬度的一半),說明捕獲成功,同步系統(tǒng)停止搜索進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。

DS通信系統(tǒng)采用的偽隨機(jī)碼序列的最基本的特征就是具有尖銳的自相關(guān)特性和盡可能小的互相關(guān)特性,擴(kuò)頻碼捕獲就是利用其尖銳的自相關(guān)特性來完成的。通常,將接收到的DS信號與本地?cái)U(kuò)頻碼序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,由同步判決電路不斷地檢測相關(guān)器的輸出,如果相關(guān)器輸出相關(guān)峰信號超過判決門限,說明本地參考信號可能已經(jīng)與接收到的擴(kuò)頻信號同步。如果干擾方施加的干擾信號能夠進(jìn)入接收機(jī)的相關(guān)器,使得相關(guān)峰的檢測出現(xiàn)“漏檢”(當(dāng)相位對齊時(shí),判決為不同步)和“虛警”(當(dāng)相位未對齊時(shí),判決為同步)的概率增加,或者捕獲時(shí)間延長,都可以認(rèn)為對直擴(kuò)偽碼同步的干擾有效。對同步捕獲的干擾方式也分為壓制性干擾和欺騙性干擾兩大類。

(1)對同步捕獲的壓制性干擾?；瑒?dòng)相關(guān)器搜索法是直擴(kuò)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步捕獲的基本方法,其原理框圖如圖9-1-8所示。圖9-1-8滑動(dòng)相關(guān)器搜索法的原理框圖

接收機(jī)在同步搜索的過程中,通過調(diào)整本地偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器的時(shí)鐘速率,使之以不同于發(fā)射端的偽碼速率工作,這就使得收、發(fā)偽碼之間產(chǎn)生相對“滑動(dòng)”。若接收端碼速率大于發(fā)射端碼速率,則接收端偽碼相對于發(fā)射端偽碼滑動(dòng)超前;反之,若接收端碼速率小于發(fā)射端碼速率,則接收端偽碼滑動(dòng)滯后。一旦達(dá)到同步,即兩個(gè)偽碼序列重合時(shí),相關(guān)器就會(huì)產(chǎn)生較大的相關(guān)峰信號輸出。同步判決電路不斷將相關(guān)器輸出與判決門限相比較,如果相關(guān)峰值超過判決門限,控制電路便停止偽碼滑動(dòng),啟動(dòng)同步跟蹤電路。

正因?yàn)檫@種滑動(dòng)搜索的方式,給對同步捕獲的壓制性干擾提供了可能。如果干擾方施加一個(gè)瞄準(zhǔn)程度較高的壓制性干擾信號,進(jìn)入接收機(jī)的相關(guān)器,這時(shí)只要干擾功率達(dá)到一定要求,必然使得相關(guān)峰的檢測電路工作異常,出現(xiàn)“漏檢”和“虛警”的概率明顯增大,或者捕獲時(shí)間明顯增加,干擾有效。

滑動(dòng)相關(guān)器搜索法的最大優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、技術(shù)成熟。缺點(diǎn)是同步時(shí)間長,因?yàn)樗且粋€(gè)碼元一個(gè)碼元地滑動(dòng)過去的,當(dāng)碼相位的不確定性大時(shí),相當(dāng)費(fèi)時(shí)間,很難滿足快速同步的要求。

(2)對同步捕獲的欺騙性干擾?；瑒?dòng)相關(guān)器搜索法的搜索時(shí)間如果過長,就失去了實(shí)用價(jià)值。目前,在滑動(dòng)相關(guān)器的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了一些改進(jìn)的同步捕獲方法,以縮短序列的不確定性,降低滑動(dòng)相關(guān)的時(shí)間。例如,目前普遍采用同步頭法(同步引導(dǎo)法)來完成起始同步,這種方法使用了一種特殊的碼序列,稱為“同步頭”,由于這種同步頭很短,使得完成起始同步的搜索時(shí)間縮短。發(fā)射機(jī)在發(fā)出數(shù)據(jù)信息之前先發(fā)同步頭,供每一個(gè)用戶接收,建立起同步,并且一直保持住,然后再發(fā)信息數(shù)據(jù)。

干擾方根據(jù)破獲的同步頭及其速率,引入一定偏差后重新調(diào)制到估計(jì)的載波頻率上再生出欺騙式干擾信號發(fā)射出去。為了保證欺騙干擾有效,可以采用相位微掃技術(shù)或步進(jìn)相位技術(shù),使得干擾信號的初相周期性地滑動(dòng),如每周期移動(dòng)半個(gè)碼元寬度,從而保證干擾信號碼與擴(kuò)頻接收機(jī)本地碼的相位差小于一個(gè)碼元,擴(kuò)頻接收機(jī)在進(jìn)行同步捕獲、跟蹤調(diào)整的過程中,原本不同步的兩路偽碼經(jīng)過一定時(shí)間后,可能在某一時(shí)刻干擾碼會(huì)與本地碼相位同步。

這時(shí)只要干擾功率達(dá)到一定要求,擴(kuò)頻接收機(jī)將會(huì)出現(xiàn)與信號本地碼同步、與欺騙干擾信號同步(“虛警”)、或者直接將欺騙干擾信號解擴(kuò)等多種隨機(jī)情況,從而周期性地破壞接收機(jī)的同步環(huán)路,延長捕獲時(shí)間,其結(jié)果是一方面可能造成接收機(jī)同步被破壞(“漏檢”或“虛警”的概率增大);另一方面可能使接收機(jī)接收到的信息因加上干擾噪聲而被破壞(“誤碼率”增大),甚至迫使其與欺騙干擾信號同步(“虛警”),從而達(dá)到以低功率實(shí)現(xiàn)對DS系統(tǒng)靈巧式干擾的目的。

9.2跳頻通信偵察干擾原理9.2.1跳頻通信系統(tǒng)工作原理通信系統(tǒng)如果在一個(gè)頻率點(diǎn)上工作時(shí)間較長,很可能被敵人偵察或干擾,為了防止通信信號被對方截獲,保證信號的安全傳遞,跳頻通信系統(tǒng)在發(fā)送信號的同時(shí),不斷改變發(fā)射機(jī)和接收機(jī)工作頻率,而且頻率跳變的規(guī)律是隨機(jī)的,這樣使得通信對抗方進(jìn)行偵察、截獲和干擾的難度大大增加了。由于信號頻率的不斷跳變,必然要占據(jù)很大的頻帶寬度,所以跳頻通信屬于擴(kuò)頻范疇。

跳頻通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖9-2-1所示。在發(fā)送端,信碼m(t)可以是模擬信號,也可以是數(shù)字信號,經(jīng)調(diào)制后成為中頻信號,中頻頻率fi;將信碼m(t)的通信時(shí)間分成N個(gè)時(shí)間段(時(shí)隙),在每個(gè)時(shí)間段內(nèi),變頻器根據(jù)偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽碼p(t)選定不同的本振頻率fL1,fL2,…,fLN,混頻器輸出射頻信號的載頻fc1=fL1-fi,fc2=fL2-fi,…,fcN=fLN-fi。圖9-2-1跳頻通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

跳頻信號的調(diào)制方式可以采用模擬調(diào)制或者數(shù)字調(diào)制。跳頻系統(tǒng)除了可以采用模擬信息調(diào)制外,更多地采用數(shù)字信息調(diào)制方式。

(1)模擬調(diào)制通常采用調(diào)幅/跳頻(AM/FH),調(diào)頻/跳頻(FM/FH)和調(diào)相/跳頻(PM/FH)等方法。在接收端,首先要“解跳”,即把跳變信號變成固定的中頻信號,然后再對固定中頻信號按常規(guī)的方式解調(diào)。AM/FH信號的波形“包絡(luò)”起伏大,一般使用較少;PM/FH信號的“包絡(luò)”恒定,隱蔽性和保密性較好,但PM/FH信號通過載波的相位變化來傳輸信息,

由于接收端產(chǎn)生的跳頻本振信號的每一載頻的初相是隨機(jī)的,一般很難達(dá)到和發(fā)射機(jī)“理想”同步,實(shí)現(xiàn)PM/FH信號的解調(diào)是比較困難的,應(yīng)用較少;FM/FH信號的“包絡(luò)”恒定,隱蔽性和保密性較好,只要跳頻信號的發(fā)送與接收高度相干(理想同步),就能保證信號在“解跳”后的中頻信號不發(fā)生相位跳變,實(shí)現(xiàn)信號的解調(diào)。

(2)數(shù)字調(diào)制通常采用振幅鍵控/跳頻(ASK/FH),頻率鍵控/跳頻(FSK/FH)和相位鍵控/跳頻(PSK/FH)等。ASK/FH信號由于包絡(luò)幅度不恒定,使用不多;PSK/FH信號的解調(diào),由于接收機(jī)的載波跳變時(shí)參考相位的不確定性,難以實(shí)現(xiàn)信息碼的解調(diào)判決;FSK/FH信號由于具有包絡(luò)恒定,隱蔽性、保密性較好的特點(diǎn)而成為跳頻系統(tǒng)最普遍采用的調(diào)制方式。

9.2.2跳頻通信偵察

軍用跳頻電臺的頻率范圍很寬,偵察接收機(jī)與通信發(fā)射機(jī)的頻率合成器之間難以保持相位相干,跳頻通信的內(nèi)調(diào)制方式通常采取MFSK、DPSK,工作時(shí)最高頻率與最低頻率之間所占的頻帶寬度(跳頻帶寬)一般都非常寬,即可以全頻段跳頻,也可以分頻段跳頻;同時(shí)工作的跳頻網(wǎng)臺一般有多個(gè),在復(fù)雜多變的通信信號環(huán)境中,還有大量的定頻電臺同時(shí)工作,由于FH信號的瞬時(shí)工作頻率不斷地跳變,具體頻率不確定,因此,對跳頻通信偵察應(yīng)該包括:對FH信號的截獲、分選、拼接,然后進(jìn)行信號參數(shù)估計(jì)、調(diào)制方式分析、解調(diào)等處理。

1.跳頻信號的截獲

跳頻信號區(qū)分于其他信號的最大特點(diǎn)就是它的頻率隨時(shí)間做偽隨機(jī)跳變,一方面,常規(guī)通信體制的搜索接收機(jī)中選頻電路帶寬窄,信號在選頻電路中的建立和消失的過渡時(shí)間大;另一方面,FH信號的偵察接收要求接收機(jī)有很高的掃頻速率。因此常規(guī)通信體制的搜索接收機(jī)不適于對FH信號的搜索與截獲。

只有敵方電臺進(jìn)行跳頻通信時(shí),跳頻偵察設(shè)備才進(jìn)行跳頻信號的接收與處理,但敵方電臺何時(shí)開始工作事先未知,因此,跳頻信號的截獲實(shí)質(zhì)上是跳頻信號的盲檢測問題。

跳頻信號偵察設(shè)備不僅要截獲跳頻信號,還要進(jìn)行參數(shù)估計(jì)、信號分選,因此,需要采用偵察系統(tǒng)截獲跳頻信號。

按照各個(gè)部分的功能,跳頻信號偵察系統(tǒng)一般包括信號截獲席位、信號分析席位、測向席位等,如圖9-2-2所示。圖9-2-2跳頻信號偵察系統(tǒng)的配置示意圖

1)信號截獲席位

信號截獲席位的任務(wù)主要是利用頻率偵察設(shè)備,對信號進(jìn)行頻率測量,將測量到的信號頻率送入通信對抗情報(bào)數(shù)據(jù)庫、分析席位和測向席位。信號截獲席位常用的接收機(jī)主要有搜索接收機(jī)、壓縮接收機(jī)、信道化接收機(jī)、射頻寬帶數(shù)字化接收機(jī)等。其中,搜索接收機(jī)主要用于定頻信號的搜索截獲;壓縮接收機(jī)完成跳頻信號的快速截獲,壓縮接收機(jī)以串行形式輸出信號,采用高速邏輯器件和電路處理接收機(jī)的輸出,配以分析接收機(jī)實(shí)現(xiàn)跳頻網(wǎng)臺的分選與識別;信道化接收機(jī)可以在快速截獲信號的同時(shí)進(jìn)行信號的分析;目前在信號頻率測量處理中主要采用數(shù)字的方法進(jìn)行處理,融進(jìn)了數(shù)字化接收機(jī)的內(nèi)容。

2)信號分析席位

信號分析席位的任務(wù)主要是根據(jù)信號截獲席位分配的頻率,對目標(biāo)信號進(jìn)行分選、拼接、參數(shù)估計(jì)、調(diào)制方式分析、解調(diào)等處理,并將結(jié)果送入通信對抗情報(bào)數(shù)據(jù)庫和搜索席位。信號分析席位主要采用數(shù)字化的分析接收機(jī)。信號分析席位的工作分為兩個(gè)方面:一方面,協(xié)助截獲席位完成信號的檢測,將定頻信號與跳頻信號分離;另一方面,完成截獲信號的分選、跳頻信號的拼接、參數(shù)估計(jì)、調(diào)制方式分析、解調(diào)等。

3)測向席位

測向席位的任務(wù)主要是根據(jù)信號截獲席位或者分析席位分配的目標(biāo)信號及其對應(yīng)頻率,對目標(biāo)信號進(jìn)行測向和定位。對于跳頻信號的測向一般選用多接收通道的相位干涉儀測向體制,保證測向的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性。

通信對抗情報(bào)數(shù)據(jù)庫的任務(wù)主要是分析、融合、保存、更新各席位送來的偵察結(jié)果,可為各偵察席位提供數(shù)據(jù)源,也可為通信干擾提供必要的引導(dǎo)參數(shù)。通信對抗情報(bào)數(shù)據(jù)庫可以配置在信號分析席位上,也可以配置成專門的情報(bào)分析席位。

2.跳頻信號的分選與參數(shù)估計(jì)

隨著戰(zhàn)場綜合管理手段的使用,通信資源利用率得到提高,網(wǎng)絡(luò)配置靈活、合理,跳頻信號的復(fù)雜性越來越突出,增強(qiáng)了跳頻通信的抗干擾和反偵察能力,進(jìn)而加大了跳頻信號識別和分選的難度。如何從同時(shí)存在的大量跳頻網(wǎng)臺信號中分選出各個(gè)跳頻網(wǎng)臺的信號,為實(shí)施干擾或恢復(fù)信息提供支援,是跳頻通信偵察的一個(gè)難題。

對跳頻信號分析的方法、算法很多,如基于到達(dá)時(shí)間的算法、基于聚類循環(huán)的算法、基于最大時(shí)間相關(guān)處理的算法、基于時(shí)頻分析的頻譜瀑布圖方法、基于周期譜和子波變換的特征提取算法等。跳頻信號是一種頻率隨時(shí)間做偽隨機(jī)跳變的非平穩(wěn)信號,時(shí)頻聯(lián)合分析可以描述信號頻率隨時(shí)間變化的規(guī)律,使我們掌握在某一特定時(shí)間、頻率范圍內(nèi)信號能量的多少,并能夠計(jì)算在某一特定時(shí)間的頻率分布,實(shí)現(xiàn)定頻、跳頻信號的檢測、特征參數(shù)的提取。

1)定頻信號與跳頻信號的分離

在通信信號實(shí)際空間傳輸?shù)倪^程中存在各種干擾和噪聲,接收信號發(fā)生失真和畸變,觀測信號呈現(xiàn)隨機(jī)特性,需要對信號的有無及存在時(shí)間進(jìn)行檢測,達(dá)到區(qū)分跳頻信號與定頻信號的目的。

偵察系統(tǒng)在工作頻率范圍內(nèi)進(jìn)行全方位的搜索、截獲,根據(jù)偵察接收的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間截?cái)?按照幀的時(shí)頻分析結(jié)果,可得到不同時(shí)間段內(nèi)接收信號的幅度—頻率關(guān)系。提取一定時(shí)間段內(nèi)接收信號的時(shí)間—頻率關(guān)系(如圖9-2-3所示)。提取一定時(shí)間段內(nèi)接收信號的幅度—頻率關(guān)系(如圖9-2-4所示)。圖9-2-3一定時(shí)間段內(nèi)接收信號的時(shí)間—頻率關(guān)系示意圖圖9-2-4一定時(shí)間段內(nèi)接收信號的幅度—頻率關(guān)系示意圖

對一定時(shí)間段內(nèi)接收信號的頻率進(jìn)行量化,等級序號為i(i=1,2,3,…,N)共N個(gè)等級,統(tǒng)計(jì)不同頻率出現(xiàn)的次數(shù)xi以得到頻率直方圖(如圖9-2-5所示)。

區(qū)分定頻信號與跳頻信號的方法是:持續(xù)定頻信號的頻率時(shí)間關(guān)系穩(wěn)定;在截獲信號的頻率直方圖中,該頻點(diǎn)對應(yīng)次數(shù)較多;在接收信號的幅度—頻率關(guān)系圖中,該頻點(diǎn)上信號幅度比較獨(dú)立(如圖9-2-3~圖9-2-5中的①、②、③所示)。

猝發(fā)定頻信號的頻率出現(xiàn)時(shí)間較短:在截獲信號的頻率直方圖中,該頻點(diǎn)對應(yīng)次數(shù)相對較少;在接收信號的幅度—頻率關(guān)系圖中,該頻點(diǎn)上信號幅度比較獨(dú)立(如圖9-2-3~圖9-2-5中的④所示)。圖9-2-5截獲信號的頻率直方圖

2)跳頻網(wǎng)臺的分選

跳頻通信具有很強(qiáng)的抗干擾能力、較好的低檢測特性和很強(qiáng)的組網(wǎng)能力。對跳頻信號偵察分選后還需要從截獲的多個(gè)跳頻信號中篩選出特定的跳頻信號,完成跳頻網(wǎng)臺的分選(簡稱網(wǎng)臺分選),進(jìn)而將特定跳頻信號進(jìn)行拼接,恢復(fù)完整的信號。所以網(wǎng)臺分選是跳頻通信偵察的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

跳頻信號的起止時(shí)間、駐留時(shí)間、方位、幅度等是跳頻信號分選的基本特征參數(shù)。簡單的信號頻率一般不能作為跳頻信號分選的依據(jù),但如果將偵察信號的頻率與時(shí)間關(guān)系對應(yīng),跳頻信號的頻率—時(shí)間關(guān)系表現(xiàn)為時(shí)間上連續(xù),頻率上按一定間隔(或一定間隔的整數(shù)倍)變化。跳頻信號在每個(gè)頻率上的持續(xù)時(shí)間,即頻率駐留時(shí)間是分選不同速率跳頻信號的重要依據(jù)。在跳頻信號頻率—時(shí)間關(guān)系圖中,跳頻信號的起止時(shí)間是網(wǎng)臺分選的重要參數(shù)。

通過無線電測向來得到的信號來波方位角是網(wǎng)臺分選的一個(gè)重要參數(shù),特別是在正交跳頻網(wǎng)中,各電臺使用相同的跳頻頻率集,并且同步跳變,各電臺在信號到達(dá)時(shí)間、信號駐留時(shí)間等參數(shù)具有一致性,考慮到正交跳頻網(wǎng)中各跳頻電臺所處的地理位置不同,信號到達(dá)方位角是網(wǎng)臺分選的有效辦法。只要目標(biāo)電臺不移動(dòng),方位角參數(shù)非常穩(wěn)定,即使目標(biāo)電臺移動(dòng)或者測向不準(zhǔn)確,在大多數(shù)情況下,方位角在后續(xù)頻率跳變中也不會(huì)發(fā)生很大的突變。

跳頻信號幅度就是偵察接收機(jī)處信號的幅度,由于不同跳頻電臺的發(fā)射功率、與接收機(jī)的距離、經(jīng)過的信道不同,到達(dá)接收機(jī)處信號的幅度、穩(wěn)定性不一樣,跳頻信號幅度可以作為信號分選的一個(gè)參數(shù),但電波傳播過程中產(chǎn)生的變化以及天線增益可能會(huì)使有些頻段的信號幅度變化相當(dāng)大,利用幅度分選信號更為復(fù)雜,反而不利于信號分選。

通信對抗偵察系統(tǒng)進(jìn)行跳頻網(wǎng)臺分選的基本方法是:

(1)根據(jù)一定時(shí)間段內(nèi)接收信號的時(shí)間—頻率關(guān)系,統(tǒng)計(jì)各個(gè)瞬時(shí)頻率的到達(dá)時(shí)間,按照找相同駐留時(shí)間的原則,可以將跳速(跳頻速率)不同的恒速跳頻網(wǎng)臺區(qū)分開來。

(2)通過分選恒速跳頻網(wǎng)臺,篩選出變速跳頻網(wǎng)臺。

(3)根據(jù)各個(gè)瞬時(shí)頻率的到達(dá)時(shí)間間隔,計(jì)算出各恒速跳頻網(wǎng)臺的跳頻速率。

(4)根據(jù)測向定位得到的方位數(shù)據(jù),可以將正交跳頻網(wǎng)臺分離,也可以將變速跳頻網(wǎng)臺分離。

(5)根據(jù)信號幅度—頻率關(guān)系,可以對位置差距較大、或者強(qiáng)度差距較大的跳頻信號進(jìn)行分離確認(rèn)。

3)跳頻信號特征參數(shù)估計(jì)

經(jīng)過分選后的跳頻信號,需要進(jìn)一步估計(jì)其相關(guān)參數(shù)。跳頻頻率集、跳頻頻率數(shù)目、跳頻速率、跳頻序列周期、跳頻圖案是反映跳頻信號特點(diǎn)的主要參數(shù)。

跳頻頻率集是跳頻電臺工作時(shí)跳變載波頻率點(diǎn)的集合,跳頻頻率集中頻率的個(gè)數(shù)即為跳頻頻率數(shù)目;跳頻速率是指跳頻電臺載波頻率跳變的速率;跳頻序列周期是指跳頻序列不出現(xiàn)重復(fù)的最大長度;跳頻通信中載波頻率改變的規(guī)律叫做跳頻圖案。在一次跳頻通信中,跳頻頻率集、跳頻速率、跳頻序列周期、跳頻圖案是預(yù)先設(shè)置好的。

在跳頻信號工作的時(shí)間段內(nèi),信號跳變占用的跳頻頻率集及個(gè)數(shù)一定,并呈現(xiàn)一定的周期性。當(dāng)通信對抗偵察系統(tǒng)檢測到某指定頻段存在跳頻信號時(shí),該頻段可能并不包含跳頻信號的所有跳頻頻率點(diǎn),要實(shí)現(xiàn)對跳頻信號的完全捕獲,必須搜索到跳頻信號所有的頻率點(diǎn)(這點(diǎn)是很難達(dá)到的),確定其中心頻率和跳頻帶寬等參數(shù)。

9.2.3對跳頻通信的干擾

跳頻通信具有碼元駐留時(shí)間短、頻帶寬以及跳頻圖案隨機(jī)變化等特點(diǎn),對跳頻通信的干擾效果不僅與跳頻寬度、跳頻信道總數(shù)、跳頻速率、跳頻圖案等因素有關(guān),還受到可被阻斷的信道數(shù)、阻斷時(shí)間與通信時(shí)間比等因素的制約。對跳頻通信的干擾試驗(yàn)表明:

(1)跳頻通信的每個(gè)頻率駐留時(shí)間內(nèi),當(dāng)受干擾時(shí)間與跳頻駐留時(shí)間的比值大于某比例時(shí),通信就無法進(jìn)行,并且跳速不同,這個(gè)比例也不同。

(2)在跳頻通信的頻率集中(即跳頻頻率集),并不要求全部頻率被阻斷,只要有部分頻率(信道)受到有效干擾,通信就可能無法進(jìn)行,這個(gè)比例的大小也與跳速有關(guān)。

(3)受干擾時(shí)間的比例與受干擾部分頻道數(shù)之間有一定依賴關(guān)系,對話音跳頻通信的一些實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)受干擾信道數(shù)只有總信道數(shù)的一半(50%)時(shí),受干擾時(shí)間必須大于90%的通信時(shí)間,當(dāng)受干擾信道數(shù)為總信道數(shù)的75%時(shí),受干擾時(shí)間必須大于50%的通信時(shí)間,當(dāng)受干擾信道數(shù)達(dá)到總信道數(shù)的100%時(shí),受干擾時(shí)間大于30%的通信時(shí)間即可。

對跳頻通信的干擾大致可分為常規(guī)的瞄準(zhǔn)式干擾、攔阻式干擾以及對跳頻通信同步系統(tǒng)的靈巧式干擾。顯然,跳頻通信的參數(shù)不同,尤其是跳頻速率的快慢,采用各種干擾方式的可行性以及干擾效果都不同。

1.瞄準(zhǔn)式干擾

對跳頻通信的瞄準(zhǔn)式干擾是指干擾能夠瞄準(zhǔn)所有跳頻點(diǎn)或大部分跳頻點(diǎn)有效實(shí)施干擾的干擾方式。根據(jù)相關(guān)知識和實(shí)現(xiàn)途徑的不同,瞄準(zhǔn)式干擾又分為相關(guān)瞄準(zhǔn)式干擾、頻率跟蹤瞄準(zhǔn)式干擾和頻率預(yù)測瞄準(zhǔn)式干擾。

如果干擾方能夠偵察獲取跳頻頻率的跳變特征(即時(shí)頻特性),可以采取相關(guān)瞄準(zhǔn)式干擾;如果不能獲取頻率的跳變特征,但跳頻速率不高,干擾機(jī)的反應(yīng)時(shí)間能夠跟上跳頻信號的跳變時(shí)間,可以采取頻率跟蹤式干擾;如果跳頻速率很高,又不能獲取頻率的跳變特征,但能夠預(yù)測頻率的跳變特征,可以采取頻率預(yù)測瞄準(zhǔn)式干擾

1)相關(guān)瞄準(zhǔn)式干擾

如果能夠偵察獲知敵方跳頻通信的頻率集和跳頻圖案,干擾方按照其跳變規(guī)律在每個(gè)跳頻頻率駐留時(shí)間Th內(nèi)實(shí)施窄帶瞄準(zhǔn)式干擾,并且所發(fā)的干擾信號能與接收信號同頻、同步跳變,這種干擾就是相關(guān)瞄準(zhǔn)式干擾,也稱為波形瞄準(zhǔn)式干擾,如圖9-2-6所示。圖9-2-6對FH信號的相關(guān)瞄準(zhǔn)式干擾示意圖

由此可見,在此種情況下,跳頻系統(tǒng)的接收設(shè)備對干擾信號無處理增益而言,它是對跳頻系統(tǒng)的最佳干擾樣式。在實(shí)際中,即使是部分頻率點(diǎn)的波形瞄準(zhǔn)式干擾,只要受干擾的頻率點(diǎn)數(shù)超過總跳頻點(diǎn)數(shù)的一半,也是很有意義的。

應(yīng)該指出的是,在已知敵方跳頻通信的頻率集和跳頻圖案時(shí),做到在跳頻的每個(gè)頻率駐留時(shí)間內(nèi),使跳頻信號駐留時(shí)間內(nèi)受到有效干擾是完全可能的,可考慮提前一個(gè)電波傳播延遲時(shí)間發(fā)射干擾信號,盡可能保證干擾的每個(gè)頻率與通信的每個(gè)頻率駐留時(shí)間相重合,或絕大部分時(shí)間重合。

2)頻率跟蹤瞄準(zhǔn)式干擾

頻率跟蹤瞄準(zhǔn)式干擾也稱為頻率引導(dǎo)瞄準(zhǔn)式干擾,是干擾信號在時(shí)域、空域和頻域上跟隨目標(biāo)信號變化的一種干擾方式。其基本思路是由引導(dǎo)偵察接收機(jī)快速截獲跳頻信號,一旦偵收到一個(gè)跳頻頻率立即引導(dǎo)干擾機(jī)在該頻率點(diǎn)上實(shí)施干擾,這就要求偵察和引導(dǎo)干擾均在跳頻通信的一個(gè)跳頻駐留時(shí)間內(nèi)完成,如圖9-2-7所示。通常,當(dāng)干擾方不能掌握敵方跳頻通信的頻率集和跳頻圖案時(shí),通過對跳頻信號及時(shí)地偵收、快速分選識別,并跟隨跳頻頻率的變化實(shí)施瞄準(zhǔn)式干擾。圖9-2-7對FH信號的頻率跟蹤瞄準(zhǔn)式干擾示意圖

在實(shí)際運(yùn)用中,頻率跟蹤瞄準(zhǔn)式干擾的干擾效果不能只看處理增益,其實(shí),決定這種干擾是否有效的主要因素是干擾的實(shí)時(shí)性,或者實(shí)際受干擾的時(shí)間。因?yàn)檫@種干擾是以快速偵察和引導(dǎo)干擾為前提的,為了使干擾有效,一般要求引導(dǎo)接收機(jī)必須在信號的一半駐留時(shí)間內(nèi)完成對信號的搜索、截獲、分選與識別,并將干擾機(jī)的頻率引導(dǎo)到目標(biāo)信號的頻率上,這樣才能做到至少保證駐留時(shí)間的一半用于干擾目標(biāo)信號。

由于頻率跳變的特點(diǎn),在采用跟蹤式干擾方式干擾跳頻通信時(shí),對跟蹤干擾的反應(yīng)時(shí)間提出了更高的要求,如果不能在每個(gè)頻率駐留時(shí)間的一半時(shí)間內(nèi)完成跟蹤,則跟蹤式干擾不能達(dá)到理想的干擾效果。因此,影響跟蹤干擾效果的因素包括:信號和干擾電波傳播路徑差帶來的時(shí)間差、信號的截獲時(shí)間、信號的分選識別時(shí)間、干擾引導(dǎo)時(shí)間以及跳頻碼持續(xù)時(shí)間等。

(1)從時(shí)間方面看。對于跳速為1/Th的跳頻通信,要保證干擾奏效,應(yīng)使干擾的持續(xù)時(shí)間大于0.5Th。目前,即使采用截獲速度較高的壓縮接收機(jī),其截獲時(shí)間最少也在100μs左右;若要在上百個(gè)信號中分選出某一跳頻信號,分選識別時(shí)間不小于100μs;干擾引導(dǎo)時(shí)間主要取決于頻率合成器的轉(zhuǎn)換時(shí)間和信號建立時(shí)間,以目前頻率合成器最快的轉(zhuǎn)換速度計(jì)算,干擾引導(dǎo)所需時(shí)間約10μs,則跟蹤式干擾的反應(yīng)時(shí)間Tr≈210μs,約在百微秒數(shù)量級。

設(shè)信號與干擾電波傳播路徑差帶來的時(shí)間差為τ,相當(dāng)于傳播路徑差小于12km,不考慮信號建立時(shí)間時(shí),要保證干擾奏效,應(yīng)使所以它只能跟蹤干擾跳速不超過2000跳/秒的跳頻通信。若考慮信號的建立時(shí)間、信號與干擾電波傳播路徑差增大以及干擾反應(yīng)時(shí)間增大等條件的改變,還會(huì)要求跳頻速率更低些。

(2)從誤碼率方面看。對每一個(gè)跳頻點(diǎn)而言,只能在每一跳的頻率駐留后部分時(shí)間內(nèi)受到干擾,因此,即使干擾有效,也只是部分時(shí)間的干擾有效,或者說在時(shí)域上只能實(shí)現(xiàn)部分波形相關(guān),從而降低了干擾時(shí)間的重合度,總干擾誤碼率降低。

設(shè)跳頻駐留時(shí)間為Th,每個(gè)碼元受干擾的持續(xù)時(shí)間為Tj,那么,干擾時(shí)間的重合度ηr=Tj/Th,ηr<1。

這種干擾方式的優(yōu)點(diǎn)是不需預(yù)先獲取跳頻圖案、技術(shù)實(shí)現(xiàn)比較簡單,干擾功率比較集中,并且不影響己方通信;缺點(diǎn)是偵察、引導(dǎo)需要占用時(shí)間資源。此外,對跳頻通信實(shí)施頻率跟蹤式干擾,還需考慮以下因素:

①避免己方通信受到干擾的問題。

②誤警或分選錯(cuò)誤帶來的問題。

③跳頻多網(wǎng)臺工作的問題。

3)頻率預(yù)測瞄準(zhǔn)式干擾

當(dāng)干擾方已知敵方跳頻通信的頻率集和跳頻圖案時(shí),可采用相關(guān)干擾;當(dāng)不能掌握敵方跳頻通信的頻率集和跳頻圖案時(shí),可采用頻率跟蹤式干擾。然而,當(dāng)跳頻速率太快來不及跟蹤跳頻頻率的變化時(shí),只有借助頻率預(yù)測技術(shù)來預(yù)測下個(gè)跳頻點(diǎn)的可能位置,并估計(jì)傳播路徑差可能帶來的時(shí)間差τ,提前發(fā)射干擾,盡可能保證干擾時(shí)間的重合度達(dá)到1,這就是頻率預(yù)測瞄準(zhǔn)式干擾。

在一定的前提條件下,瞄準(zhǔn)式干擾對跳頻通信可能造成很大的干擾威脅,但其有效實(shí)施所需要的前提條件比較多、甚至苛刻。例如,頻率跟蹤式干擾受到FH跳速、FH截獲分選識別時(shí)間、干擾反應(yīng)時(shí)間、干擾信號電波傳輸與信號電波傳播的延時(shí)差等多種因素的約束,使得對跳頻通信的瞄準(zhǔn)式干擾在跳速較慢時(shí)有較好的干擾效果,但在高跳速的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用中難以實(shí)施、或者難以獲得預(yù)想的干擾效果。

2.攔阻式干擾

如果跳頻速率很高,又不能預(yù)先獲取頻率的跳變特征,就只能采取攔阻式干擾方式。對跳頻通信的攔阻式干擾可以采用全頻段攔阻式干擾,也可以采用部分頻段攔阻式干擾。

1)全頻段攔阻式干擾

全頻段攔阻式干擾是指對一個(gè)跳頻通信系統(tǒng)所占用的全部頻段內(nèi)所有信道的同時(shí)干擾,又可分為全頻段連續(xù)攔阻式干擾和全頻段梳狀攔阻式干擾。

如果干擾方不知道敵方跳頻通信的頻率集和跳頻圖案等情報(bào),只知道攔阻帶寬,那么只能采用全頻段連續(xù)攔阻式干擾,如圖9-2-8所示。其最大問題就是隨著跳頻帶寬的加寬功率成正比的增加,最后使干擾功率大到難以接受的程度。通常跳頻通信系統(tǒng)占用的頻帶寬度遠(yuǎn)大于信息頻帶寬度,處理增益常達(dá)幾十分貝。例如,Gp-30dB,即要求干擾機(jī)功率比信號功率大1000倍,也就是說,在相同距離與相同天線增益時(shí),信號功率為10W,干擾功率則要增至10kW。這在技術(shù)上雖然尚可實(shí)現(xiàn),但在戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用上,因體積過大和需要能量過多而感到困難。當(dāng)信號功率再大,干擾距離也遠(yuǎn)于通信距離時(shí),無論在技術(shù)上還是戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用上都是困難的。圖9-2-8對FH信號的全頻段連續(xù)攔阻式干擾示意圖

若能偵察獲知敵方跳頻通信的頻率集和最小頻率間隔,全頻段攔阻式干擾應(yīng)采取梳狀攔阻式干擾以降低干擾功率,如圖9-2-9所示。我們知道,梳狀攔阻式干擾最適宜用于對頻率間隔一定,并且信道固定的通信系統(tǒng)的全頻段阻塞干擾,干擾功率在攔阻頻率范圍內(nèi)以規(guī)定頻率間隔、強(qiáng)度相等的方式集中在各個(gè)信道內(nèi),通常,干擾的頻率間隔與跳頻的最小頻率間隔相匹配,當(dāng)跳頻通信的最小頻率間隔大于單個(gè)信道的帶寬時(shí),采用梳狀攔阻式干擾的功率利用率將明顯優(yōu)于連續(xù)攔阻式干擾。圖9-2-9對FH信號的全頻段梳狀攔阻式干擾示意圖

當(dāng)采用全頻段梳狀攔阻式干擾時(shí),跳頻通信系統(tǒng)對干擾的處理增益為

當(dāng)采用全頻段連續(xù)攔阻式干擾時(shí),跳頻通信系統(tǒng)對干擾的處理增益為

式中,N為跳頻帶寬內(nèi)的跳頻信道數(shù)目。

2)部分頻段攔阻式干擾

如果跳頻通信的帶寬很寬,采用全頻段攔阻式干擾是不可能、不切實(shí)際的。對跳頻通信的干擾試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)表明,采用部分頻段攔阻式干擾是可行的,當(dāng)被壓制的部分信道數(shù)目占跳頻通信系統(tǒng)全部信道數(shù)的比例大到一定程度時(shí),完全能夠達(dá)到對跳頻通信有效干擾的目的。另外,有些跳頻通信的整個(gè)頻段也不是連續(xù)的,其中某些頻率區(qū)間有其他作用,如Link16數(shù)據(jù)鏈的跳頻頻率變化范圍為960MHz~1215MHz,但其中的1030MHz和1090MHz是用于敵我識別(IFF)的,不應(yīng)該受到干擾。

仍假設(shè)干擾功率在攔阻頻率范圍內(nèi)均勻分布,則當(dāng)采用部分頻段梳狀攔阻式干擾時(shí),跳頻通信系統(tǒng)對干擾的處理增益為

式中,N1為部分?jǐn)r阻頻段內(nèi)的跳頻信道數(shù)目。

從干擾處理增益上看,因?yàn)镹1<N,采用部分頻段攔阻式干擾的干擾效果更好,但這僅僅表示對該部分頻段的攔阻效果更好,而對于整個(gè)跳頻通信系統(tǒng)的干擾效果還與其他因素有關(guān)。

設(shè)部分頻段攔阻式干擾的攔阻帶寬為Bj,則頻帶占有系數(shù)η可定義為受攔阻部分信道的數(shù)目占跳頻通信系統(tǒng)全部信道數(shù)的比值,即

部分頻段攔阻式干擾對于整個(gè)跳頻通信系統(tǒng)的干擾效果除了與該部分頻段的干擾效果有關(guān)外,還取決于頻帶占有系數(shù)、受攔阻部分頻段及頻率點(diǎn)的分布情況(或稱為權(quán)重系數(shù)ω)。設(shè)解跳后信息解調(diào)所產(chǎn)生的誤碼率為Pe,總誤碼率為

顯然,頻帶占有系數(shù)η越大,干擾效果越好,但干擾總功率必然增加,在實(shí)際中應(yīng)該折中考慮,選擇最佳頻帶占有系數(shù);受攔阻部分頻段及信道頻率的權(quán)重系數(shù)越大,干擾效果越好。有資料表明,某些跳頻通信系統(tǒng)在整個(gè)跳頻帶寬內(nèi),所有跳頻頻率點(diǎn)的出現(xiàn)概率并不是相等的,在某些頻段或信道上的出現(xiàn)概率大,因此該頻段或信道的權(quán)重系數(shù)大,在選擇攔阻頻段時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮。

由此可見,在進(jìn)行部分頻段攔阻式干擾之前,必須通過偵察、監(jiān)視跳頻通信的跳頻規(guī)律,并合理地選擇受攔阻的頻段參數(shù)、信道參數(shù)等,從而以較小的干擾功率來實(shí)現(xiàn)對跳頻通信系統(tǒng)全頻段內(nèi)部分信道的同時(shí)干擾,達(dá)到阻斷跳頻通信的目的。

在實(shí)際中,選擇受攔阻的部分頻段時(shí),可以根據(jù)需要靈活設(shè)置,因此,部分頻段攔阻式干擾可分為連續(xù)的部分頻段攔阻式干擾和不連續(xù)的部分頻段攔阻式干擾。前者受攔阻的部分頻段是連續(xù)的,后者受攔阻的部分頻段是不連續(xù)的,如圖9-2-10所示。圖9-2-10對FH信號的部分頻段攔阻式干擾示意圖

3.對跳頻通信同步系統(tǒng)的靈巧式干擾

1)跳頻同步跳頻同步是建立跳頻通信和跳頻組網(wǎng)的前提,也是跳頻通信的致命弱點(diǎn)之一,因此,對跳頻同步的干擾屬于高效率的靈巧式干擾。

跳頻同步涉及的內(nèi)容很多,包括跳頻網(wǎng)間同步、跳頻碼同步、幀同步、位同步等,其中,跳頻碼同步是指本地參考跳頻序列和接收FH信號的跳頻序列在時(shí)間和相位上的嚴(yán)格一致,是同一跳頻網(wǎng)內(nèi)的各用戶從未同步狀態(tài)進(jìn)入到跳頻通信狀態(tài)的過程。對跳頻碼同步的干擾能夠以較小代價(jià)獲取有效干擾,是對FH通信系統(tǒng)實(shí)施靈巧式干擾的主要目標(biāo)之一。

2)對跳頻碼同步的靈巧式干擾

通常,跳頻信號的頻率按偽隨機(jī)碼序列變化,即跳頻圖案受控于偽隨機(jī)碼序列,存在著頻率和時(shí)間兩方面的不確定性,跳頻碼同步的關(guān)鍵是要解決收發(fā)雙方偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器的同步,不僅要求收發(fā)兩端跳頻發(fā)生器的偽隨機(jī)碼相同,并且碼元速率一樣,碼元的起止時(shí)刻匹配。在實(shí)際的FH通信系統(tǒng)中,跳頻圖案隨著偽隨機(jī)碼序列隨機(jī)產(chǎn)生,但是,無論跳頻收、發(fā)信機(jī)具有多少種跳頻圖案,某一次跳頻通信的跳頻圖案是確定的,將控制并產(chǎn)生跳頻圖案的信號稱為跳頻初始同步信息。

因此,跳頻碼同步就是在獲取跳頻初始同步信息后,使通信雙方在某一時(shí)刻、某一個(gè)頻率上同時(shí)起跳,并按同一個(gè)跳頻圖案同步跳變的過程,即收發(fā)兩端的跳頻頻率集、跳頻圖案、跳頻速率和每個(gè)跳頻點(diǎn)的相位都相同。

在跳頻碼同步的過程中,接收端必須完成跳頻初始同步信息的正確接收與檢測,這給干擾方對跳頻碼同步實(shí)施干擾提供可能。通常,實(shí)現(xiàn)跳頻碼同步的方法有同步字頭法、通用定時(shí)法和自同步法等,同步字頭法是指由發(fā)信機(jī)使用一組特殊的碼字?jǐn)y帶跳頻初始同步信息,收信機(jī)根據(jù)跳頻初始同步信息的特點(diǎn)從跳頻信號中識別并提取出來,從而實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方的同步跳頻:通用定時(shí)法是指采用高精度的時(shí)鐘源或精確的時(shí)間分配和保持系統(tǒng)作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),將跳頻序列時(shí)序與準(zhǔn)確時(shí)間對應(yīng)起來,實(shí)時(shí)地控制收、發(fā)信機(jī)的頻率同步跳變,又稱為跳頻序列的TOD產(chǎn)生方法;自同步法是指由收、發(fā)信機(jī)從跳頻信號中直接提取跳頻初始同步信息,發(fā)信機(jī)不必傳送專門用于跳頻碼同步的跳頻初始同步信息。

目前,傳輸跳頻初始同步信息通常采用兩種方法:第一種方法是在預(yù)先約定的固定初始同步信道上傳輸跳頻初始同步信息;第二種方法是在m個(gè)跳變的頻率上發(fā)送跳頻初始同步信息。由此,對跳頻碼同步的干擾策略如下:

(1)對跳頻初始同步信息的瞄準(zhǔn)式干擾。

(2)對跳頻初始同步信息的攔阻式干擾。

(3)對跳頻初始同步信息的欺騙性干擾。無論采取何種跳頻碼同步方案,初始同步信息一般都與通信信號不同,以便于對方識別和提取,初始同步信息通常具有以下特點(diǎn):

①為了提高正確同步概率,同步碼一般比較固定,并且定時(shí)發(fā)送。

②發(fā)送時(shí)間可能會(huì)比通信信號駐留時(shí)間長。

③信號格式也有所不同。

以上這些特點(diǎn)給針對跳頻初始同步信息的偵察和欺騙性干擾提供了可能,如果通過偵察能夠獲取同步碼的特征信息,則干擾方可以通過發(fā)送欺騙性的同步碼干擾信號,使跳頻通信的碼同步不能實(shí)現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)錯(cuò)誤同步(即與欺騙性干擾信號同步)。

9.3對其他擴(kuò)頻通信的對抗9.3.1跳時(shí)(TH)系統(tǒng)跳時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是將通信信號的一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間(即碼元寬度)分成若干個(gè)小的時(shí)隙,然后對這些時(shí)隙進(jìn)行編碼,由偽隨機(jī)碼序列控制在哪個(gè)時(shí)隙中發(fā)送信碼,形成發(fā)射時(shí)間隨機(jī)跳變的通信信號。跳時(shí)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖9-3-1所示。由于跳時(shí)系統(tǒng)的通信時(shí)隙很窄,TH信號在一個(gè)短時(shí)隙中以很高的峰值功率迸發(fā)式傳輸,具有很寬的頻帶。圖9-3-1跳時(shí)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

與普通時(shí)分系統(tǒng)不同的是TH系統(tǒng)按偽隨機(jī)碼序列的規(guī)律控制每幀中的時(shí)隙位置,而普通時(shí)分系統(tǒng)在每幀中一般固定時(shí)隙位置。圖9-3-2為跳時(shí)系統(tǒng)時(shí)隙分配示意圖。圖9-3-2跳時(shí)系統(tǒng)時(shí)隙分配示意圖

9.3.2跳頻/直擴(kuò)(FH/DS)系統(tǒng)

直接擴(kuò)頻信號占有很寬的頻譜,信號功率很低,幾乎“淹沒”在噪聲里,跳頻信號的瞬時(shí)頻譜很窄,功率峰值較高,以不斷跳變的頻率來躲避敵方的偵察,將兩者結(jié)合,使直接擴(kuò)頻信號的中心頻率周期性地跳變,可以從兩個(gè)方面提高信號的安全性,這就是跳頻/直擴(kuò)系統(tǒng)的工作思想,跳頻/直擴(kuò)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖9-3-3所示。

跳頻/直擴(kuò)信號由一系列不同時(shí)間位于不同頻率上的直擴(kuò)信號組成,每個(gè)直擴(kuò)信號在其發(fā)送瞬間只占有整個(gè)系統(tǒng)頻段的一部分,所以系統(tǒng)占用的總頻譜更寬。由于跳頻/直擴(kuò)系統(tǒng)利用FH信號頻率跳變的特點(diǎn)“躲避”跟蹤,利用DS信號“隱藏”在噪聲里的特點(diǎn)偽裝自己,反偵察抗干擾能力很強(qiáng)。這種混合通信系統(tǒng)在技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)并且應(yīng)用很多。

圖9-3-3跳頻/直擴(kuò)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

在跳頻/直擴(kuò)系統(tǒng)中,信號截獲席位與信號分析席位應(yīng)該結(jié)合,由于很難從簡單的時(shí)間—頻率特性上提取出DS信號,最好采取多臺寬帶的DS信號分析接收機(jī)構(gòu)成信道化的跳頻/直擴(kuò)信號偵察系統(tǒng),每個(gè)DS信號分析接收機(jī)對應(yīng)一個(gè)頻率點(diǎn),檢測該頻率點(diǎn)是否存在DS信號;對于截獲的跳頻/直擴(kuò)信號進(jìn)行分選、拼接、參數(shù)估計(jì)、調(diào)制方式識別以及解調(diào)。

通信對抗面臨的實(shí)際問題是:通信對抗方幾乎不可能同時(shí)掌握擴(kuò)頻碼和跳頻規(guī)律,DS信號很難檢測,即使檢測出來FH信號也很難跟蹤。因此,對跳頻/直擴(kuò)信號的偵察很困難,戰(zhàn)時(shí)的實(shí)時(shí)分選識別還有待研究大功率的寬帶攔阻式干擾是目前應(yīng)對跳頻/直擴(kuò)系統(tǒng)的有效手段。

9.3.3直接序列/跳頻/跳時(shí)(DS/FH/TH)系統(tǒng)

在通信系統(tǒng)中,如果將信源編/解碼、信道編/解碼、直接序列(DS)、跳頻(FH)、跳時(shí)(TH)三種擴(kuò)頻方式組合運(yùn)用構(gòu)成直接序列/跳頻/跳時(shí)系統(tǒng),可大大提高通信信號在戰(zhàn)場環(huán)境中的生存能力,保證信息的可靠、有效傳輸。直接序列/跳頻/跳時(shí)系統(tǒng)發(fā)射端和接收端的基本結(jié)構(gòu)分別如圖9-3-4和圖9-3-5所示。圖9-3-5直接序列/跳頻/跳時(shí)系統(tǒng)接收端的基本結(jié)構(gòu)

在直接序列/跳頻/跳時(shí)系統(tǒng)一般采用組網(wǎng)工作,多個(gè)通信終端在網(wǎng)中按照一定的通信協(xié)議進(jìn)行工作,因此對直接序列/跳頻/跳時(shí)系統(tǒng)的對抗已經(jīng)上升為通信網(wǎng)絡(luò)的對抗,對這類系統(tǒng)的偵察、干擾仍然是通信對抗的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)(JTIDS)就是其在戰(zhàn)術(shù)通信中的典型應(yīng)用之一。JTIDS信號的平均能量很低,頻率跳變很快,信號出現(xiàn)時(shí)間很短,是一種集跳頻、擴(kuò)頻及跳時(shí)于一體的強(qiáng)抗干擾綜合通信系統(tǒng),主要用于戰(zhàn)場條件下的通信和信息分發(fā)。JTIDS的載波頻率工作范圍為969MHz~1008MHz、1053MHz~1065MHz、1113MHz~1206MHz三個(gè)頻段,包含多個(gè)通信網(wǎng)。在規(guī)定的通信信道上,通信網(wǎng)之間的工作信號是采用了不同擴(kuò)頻碼的DS信號(碼分多址),不同通信網(wǎng)采用不同的擴(kuò)頻碼,可以區(qū)分不同的通信網(wǎng),避免相互影響;在每個(gè)通信網(wǎng)內(nèi)部,所有成員采用相同的擴(kuò)頻碼,可以實(shí)現(xiàn)互相間的通信。通信網(wǎng)內(nèi)成員以時(shí)分方式進(jìn)行區(qū)分,將12.8min定為一個(gè)時(shí)元,每個(gè)時(shí)元分為64個(gè)時(shí)間幀,每個(gè)時(shí)間幀分為1536個(gè)時(shí)隙,不同網(wǎng)絡(luò)的成員按照預(yù)選的設(shè)定(可由偽隨機(jī)碼序列確定)占用一個(gè)時(shí)元中的一個(gè)或多個(gè)時(shí)隙發(fā)射自己的信號,從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的時(shí)分復(fù)用,為了避免混亂、節(jié)省系統(tǒng)資源,發(fā)送的每條消息一般都有精確的格式和定義。每條消息在時(shí)隙內(nèi)多采用直接序列擴(kuò)頻/最小頻移鍵控(DS/MSK),并具有51個(gè)跳變頻率。

JTIDS信號的帶寬很寬,跳頻速率很高,所以對JTIDS信號的檢測只能采用寬帶檢測,一般的跟蹤檢測速度難以滿足要求。由于直接序列擴(kuò)頻的使用,使信號的功率很小,這就要求JTIDS信號檢測系統(tǒng)具有很高的檢測微弱信號的能力;否則,信號“漏偵”在所難免。

由于JTIDS信號采用了加密技術(shù),密鑰量很大,難以破譯。又由于JTIDS信號中采用了多種電子反對抗措施,對它有效的干擾方式一般也比較復(fù)雜。

9.4數(shù)據(jù)鏈通信偵察干擾原理

數(shù)據(jù)鏈通信偵察原理是指探測、搜索、截獲敵方數(shù)據(jù)鏈通信信號,對數(shù)據(jù)鏈信號進(jìn)行分析、識別、監(jiān)視并獲取其技術(shù)參數(shù)、工作特征等情報(bào)的活動(dòng)。它是實(shí)施數(shù)據(jù)鏈對抗的前提和基礎(chǔ),也是通信偵察的重要內(nèi)容。數(shù)據(jù)鏈通信偵察的主要任務(wù)包括:

(1)對敵方無線電數(shù)據(jù)鏈信號特征、通聯(lián)特征及組網(wǎng)特征的偵察。它包括偵察敵方數(shù)據(jù)鏈通信的工作頻率集、通信體制、調(diào)制方式、信號技術(shù)參數(shù)、工作特征(如聯(lián)絡(luò)時(shí)間、聯(lián)絡(luò)代號)等內(nèi)容。

(2)分析判斷。通過對敵方數(shù)據(jù)鏈信號特征、工作特征和平臺位置等參數(shù)的分析,并通過綜合其他來源的情報(bào),查明敵方數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的組成、主從關(guān)系和通聯(lián)特征。從而可進(jìn)一步判斷敵方兵力編成、行動(dòng)企圖等。

9.4.1數(shù)據(jù)鏈通信偵察原理

數(shù)據(jù)鏈通信偵察(簡稱數(shù)據(jù)鏈偵察)的目的主要有:第一是電子對抗支援。這也包括兩方面,一是使用偵察設(shè)備對敵數(shù)據(jù)鏈信號進(jìn)行搜索、截獲、測量、分析、識別,以獲取敵方數(shù)據(jù)鏈設(shè)備或系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)、功能類型、位置、用途以及相關(guān)用戶等情報(bào)信息,用以直接支援?dāng)?shù)據(jù)鏈干擾。二是將上述所獲信息進(jìn)行分析處理,進(jìn)而形成戰(zhàn)場電子序列,作為電子進(jìn)攻的相關(guān)情報(bào)提供給相關(guān)作戰(zhàn)部門。所謂戰(zhàn)場電子序列,是指敵方數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的部署和變化情況以及它們的隸屬關(guān)系。

偵察設(shè)備對敵數(shù)據(jù)鏈電臺足夠的定位精度和發(fā)射機(jī)識別能力,可保證據(jù)此制作的電子目標(biāo)地圖的實(shí)用價(jià)值。在某些情況下,數(shù)據(jù)鏈偵察和其他通信偵察與光電、紅外、雷達(dá)和人工獲取的情報(bào)配合,可以使獲取的情報(bào)更完善且更有價(jià)值。第二是在上述基礎(chǔ)上,通過對目標(biāo)信號的解調(diào)獲取戰(zhàn)術(shù)情報(bào),進(jìn)而形成信息情報(bào)。這是需要投入更長時(shí)間才能獲得的信息情報(bào)。

1.數(shù)據(jù)鏈偵察流程

數(shù)據(jù)鏈偵察始于通信偵察,然后綜合運(yùn)用各種技術(shù)手段對通信偵察采集到的數(shù)據(jù)鏈信號進(jìn)行深入細(xì)致分析,以獲取網(wǎng)絡(luò)信息和信息參數(shù)。數(shù)據(jù)鏈偵察流程如圖9-4-1所示。圖9-4-1數(shù)據(jù)鏈偵察流程

1)Link16數(shù)據(jù)鏈偵察方法

Link16數(shù)據(jù)鏈采用跳頻調(diào)制的方式來提高信號的抗干擾能力,因此對Link16數(shù)據(jù)鏈信號的檢測識別,就要對其跳頻特性進(jìn)行分析和檢測,并估計(jì)其跳頻參數(shù)。現(xiàn)在對跳頻信號的參數(shù)估計(jì)的研究已經(jīng)趨于成熟,分析總結(jié)現(xiàn)有的跳頻信號的參數(shù)估計(jì)方法,其大體分為時(shí)頻分析方法和非時(shí)頻分析方法兩大類。

目前采用的非時(shí)頻分析方法有:一種基于多跳自相關(guān)的跳速估計(jì)方法;一種基于最大似然的跳頻信號頻率和跳時(shí)估計(jì)的檢測;另一種基于粗略信道化接收的跳頻信號跳時(shí)估計(jì)方法。以上三種方法只能對跳頻信號的部分參數(shù)做出估計(jì),這也是非時(shí)頻分析方法的一個(gè)弊端,即不能從一個(gè)方法就把所有的參數(shù)都估計(jì)出來。而且非時(shí)頻分析方法,其使用也是有限制的,需要一定的先驗(yàn)知識,而跳頻信號的軍事應(yīng)用背景決定了對跳頻信號獲取先驗(yàn)知識是非常困難的,因此我們采用時(shí)頻分析方法對Link16數(shù)據(jù)鏈信號的跳頻特性進(jìn)行參數(shù)盲估計(jì)。

常見的時(shí)頻分析方法:短時(shí)傅里葉變換的方法、短時(shí)哈特萊變換、小波變換的方法、S變換、Cohen類時(shí)頻分析方法、重排時(shí)頻分析方法、Gabor譜方法以及基于匹配追蹤或原子分解的跳頻信號參數(shù)盲估計(jì)方法。本節(jié)在沒有任何先驗(yàn)知識的條件下,選擇時(shí)頻分析方法對Link16數(shù)據(jù)鏈信號的跳頻特性進(jìn)行識別。

(1)Link16數(shù)據(jù)鏈信號跳頻特性分析與識別算法確定。Link16數(shù)據(jù)鏈信號采用固定51點(diǎn)寬間隔跳頻,其最大跳頻載頻為1206MHz,根據(jù)奈奎斯特采樣定理,采樣頻率要大于或等于信號最高頻率的2倍,因此Link16數(shù)據(jù)鏈信號的采樣頻率應(yīng)該大于2412MHz。由于本書選擇對Link16信號一個(gè)時(shí)隙(7.8125μs)的長度進(jìn)行識別和參數(shù)估計(jì),因此信號的總采樣點(diǎn)是一個(gè)很大的數(shù)據(jù)量?；跁r(shí)頻分析的跳頻信號參數(shù)估計(jì)算法中,首先要得到信號的時(shí)頻圖窗口。

在時(shí)頻分析方法中,每個(gè)時(shí)頻窗口數(shù)據(jù)以矩陣的形式存放,對于一般的計(jì)算機(jī),矩陣最大容量的數(shù)量級為104×104。通過以上分析得出,Link16數(shù)據(jù)鏈信號一個(gè)時(shí)隙長度的時(shí)頻特性不能在一個(gè)時(shí)頻圖窗口上顯示,因此在對其進(jìn)行時(shí)頻特性分析前要對信號進(jìn)行分段處理操作,然后再進(jìn)行跳頻特性分析和參數(shù)盲估計(jì)。

(2)Link16數(shù)據(jù)鏈信號的預(yù)處理操作。對Link16數(shù)據(jù)鏈信號預(yù)處理的方法如下所示:

①對Link16數(shù)據(jù)鏈信號進(jìn)行采樣,采樣率為fs,fs>2fH,fH=1206MHz。

②計(jì)算信號的長度,記為len。

③構(gòu)造一個(gè)長度為len的數(shù)組Sc。

④將信號中不為0的采樣點(diǎn)依次保存在數(shù)組Sc中。

⑤計(jì)算Sc中非零點(diǎn)的個(gè)數(shù)n,令Sp=Sc(1∶n),則Sp即為預(yù)處理算法的輸出信號,在后續(xù)工作中,Sp將代替Link16信號接受跳頻特性檢測。

預(yù)處理算法分析如下:

①對于一個(gè)完整的時(shí)隙,Link16信號經(jīng)過預(yù)處理操作后,其跳時(shí)段和時(shí)間保護(hù)間隔段都會(huì)消失。本文不進(jìn)行跳時(shí)檢測,僅僅針對信號的一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行分析,因此該處理操作不會(huì)對信號的跳頻特性檢測產(chǎn)生影響。

②預(yù)處理算法對Link16信號的跳時(shí)段、時(shí)間保護(hù)間隔段、每個(gè)脈沖中6.6μs的空白段進(jìn)行了刪除操作,同時(shí)將每個(gè)脈沖中6.4μs信息段中的零值采樣點(diǎn)都刪除了。但是這些零值采樣點(diǎn)的存在對于跳頻性能檢測和參數(shù)估計(jì)并沒有影響。

③Link16信號的脈沖周期和跳頻序列周期相等是該預(yù)處理算法的理論基礎(chǔ)。

④Link16數(shù)據(jù)鏈信號經(jīng)過預(yù)處理后得到處理后信號Sp,對信號Sp進(jìn)行跳頻檢測和參數(shù)盲估計(jì),將估計(jì)后的參數(shù)與Link16信號標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行匹配,此時(shí)要匹配的跳頻序列周期不再是13μs,而是6.4μs。

(3)Link16數(shù)據(jù)鏈信號的分段識別算法。分析Link16信號的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其共有129個(gè)雙脈沖,即258個(gè)單脈沖,實(shí)現(xiàn)了258次跳頻。綜合考慮時(shí)頻分析方法的特性和Link16數(shù)據(jù)鏈信號的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。步驟(2)中對Link16信號進(jìn)行了預(yù)處理操作,將信號的跳時(shí)段、時(shí)間保護(hù)間隔段、每個(gè)脈沖的6.6μs的空白時(shí)間段都刪除,只保留每跳中6.4μs的信息段。預(yù)處理后的信號Sp仍保持258跳的特性,跳頻序列周期變?yōu)?.4μs。但是此時(shí)的信號Sp仍然不能在一個(gè)時(shí)頻圖窗口上顯示,要對Link16信號的跳頻特性進(jìn)行分析,就要對處理后的Link16信號Sp進(jìn)行分段處理。

采用的分段處理算法是:我們分析長度為一個(gè)時(shí)隙的Link16信號,預(yù)處理后得到信號Sp,Sp是具有258跳跳頻特性的連續(xù)時(shí)間信號。對于Sp的258跳跳頻時(shí)間,我們進(jìn)行分段處理。將信號Sp分成52段,前51段每段均包含5個(gè)跳頻序列周期,最后一段包含3個(gè)跳頻序列周期。從52個(gè)分段信號中隨機(jī)抽取10份,對抽取到的每一份進(jìn)行時(shí)頻分析,并進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。對于隨機(jī)抽取到的每一段分段信號,如果其跳頻參數(shù)均與Link16信號標(biāo)準(zhǔn)相匹配,則認(rèn)為該信號具有Link16信號的跳頻特征。

下面介紹該分段處理算法的詳細(xì)處理步驟:

①將信號Sp分為52段,編號S1~S52。

②采用6級m序列控制跳段序列的生成。

③將跳段序列中的每個(gè)序列號對應(yīng)S1~S52信號段。

④采用時(shí)頻分析方法,對跳段序列中的前10個(gè)分段信號進(jìn)行時(shí)頻分析。

⑤對步驟④中生成的10個(gè)時(shí)頻圖窗口進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。

⑥對10個(gè)時(shí)頻圖窗口估計(jì)的跳頻序列周期求取平均值,并與Link16信號標(biāo)準(zhǔn)(6.4μs)進(jìn)行匹配。

⑦將10個(gè)時(shí)頻圖窗口中估計(jì)的跳頻頻率點(diǎn)與Link16信號51點(diǎn)跳頻頻率集中的頻率進(jìn)行匹配。

⑧對每個(gè)時(shí)頻圖進(jìn)行跳頻頻率間隔檢測并與Link16信號標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行匹配。

該方法的算法流程圖如圖9-4-2所示。

圖9-4-2Link16信號跳頻識別算法流程圖

2)Link4A數(shù)據(jù)鏈的偵察方法

完成Link4A數(shù)據(jù)鏈的偵收,首先采用搜索接收機(jī)進(jìn)行搜索,發(fā)現(xiàn)信號及其頻率,然后再對該信號進(jìn)行分析、特征提取和識別以及解調(diào)處理等。

Link4A信號的主要特征有:工作頻率范圍為225MHz~399.975MHz,采用2FSK調(diào)制,調(diào)制頻偏較大(±20kHz);信號帶寬為50kHz,占用兩個(gè)25kHz的標(biāo)準(zhǔn)信道;信號的持續(xù)時(shí)間為14ms(控制報(bào)文)和11.2ms(應(yīng)答報(bào)文),并有明顯的信號斷續(xù)特征;數(shù)據(jù)速率為5kb/s;同步的速率為10kb/s。根據(jù)Link4A的這些特征,并通過信號分析接收機(jī)加以提取分析后,就很容易加以識別判斷。

3)Link11數(shù)據(jù)鏈的偵察方法

Link11數(shù)據(jù)鏈所發(fā)射的信號或者是短波調(diào)幅信號,或者是超短波調(diào)頻信號,信號中包含15個(gè)π/4-DQPSK調(diào)制的音頻信號和1個(gè)未調(diào)制的音頻信號。根據(jù)Link11信號的這種獨(dú)特頻譜結(jié)構(gòu),可以在頻域利用模板匹配算法對其進(jìn)行識別。

用理想Link11信號的頻譜作為模板,對接收到的信號頻譜進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,當(dāng)在得到的相關(guān)值超過門限值時(shí),就認(rèn)為接收的是Link11信號。算法的具體步驟如下:

(1)構(gòu)造一幀理想的16話音基帶Link11信號,對這幀數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換,得到其頻譜。

(2)對理想信號的頻譜取相對均值的中心化幅度譜,記為temp(f)。

(3)對temp(f)進(jìn)行單位化處理,記為temp'(f),作為模板。

(4)對接收到的一幀信號進(jìn)行FFT變換,得到其頻譜,取相對均值的中心化幅度譜,記為spec(f)。

(5)對spec(f)進(jìn)行單位化處理,記為spec'(f)。

(6)采用模板temp'(f)對spec'(f)進(jìn)行匹配,計(jì)算相關(guān)系數(shù)ρ,其定義式為

其中,|<·>|表示求內(nèi)積。

(7)門限判決,如果得到的相關(guān)值超過了預(yù)先設(shè)定的門限值,則認(rèn)為接收到的是Link11信號。

2.數(shù)據(jù)鏈通信信號分選

在對數(shù)據(jù)鏈信號的偵察中,對數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)分選是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。在電磁環(huán)境復(fù)雜的戰(zhàn)場上,同時(shí)工作的不僅可能有正交的多個(gè)