無線通信工程第講－抗干擾

無線通信工程姚彥教授清華大學微波與數字通信國家重點實驗室2001年12月15日第十一講無線通信的抗干擾技術內容提要概述原理關鍵技術應用前沿幾點結論概述為什么要研究通信抗干擾？提高全民的國防意識；了解通信高技術的一個主要領域；民用與軍用的互相轉換、互相借鑒、互相支撐；為進入軍事通信領域提供一些入門知識。信息戰(zhàn)的內容及特點信息戰(zhàn)的內容電子對抗。如：電磁波的偵測與隱蔽、通信干擾與抗干擾、雷達干擾與抗干擾等。網絡對抗。如：計算機病毒、軟件攻擊等。消息對抗。如：加密與解密、消息的收集與欺騙等。特點高度的對抗性極端的機密性應用的綜合性對實戰(zhàn)環(huán)境的依賴性采用新技術的超前性通信對抗的分類通信偵察：使用通信偵察設備來探測、搜索、截獲敵方的無線通信信號，對信號進行測量、分析、識別、監(jiān)視以及測向和定位，以獲取信號頻率、電平、調制方式等技術參數以及電臺位置、通信方式、通信特點、網絡結構和屬性等情報。通信干擾：使用通信干擾設備發(fā)射專門的干擾信號，破壞或擾亂敵方的無線通信，是通信對抗的進攻手段。通信抗干擾：在軍事通信設備及系統(tǒng)中采用的通信反偵察、反干擾措施，是通信對抗的防御手段。本次講座重點討論有關通信抗干擾問題。軍事通信的干擾環(huán)境干擾種類設備內部的干擾，如：收發(fā)干擾、鄰道干擾等。現場非敵意干擾。如：多徑干擾、多用戶干擾、環(huán)境噪聲干擾、其它電臺的干擾等?，F場的敵意干擾。指敵方為電子戰(zhàn)需要而施放的干擾。 通信抗干擾主要指對抗敵方的有意干擾。敵意干擾的式樣阻塞干擾、壓制干擾跟蹤干擾、瞄準干擾窄帶干擾、單頻干擾寬帶干擾、梳狀干擾、脈沖干擾升空干擾智能化干擾通信抗干擾性能抗干擾性能之一：信號隱蔽性無線信號的隱蔽性 單位面積天線，在單位帶寬中所能截獲的信號功率信號方式的隱蔽性 雙工方式、調制方式、多路方式、編碼方式、同步方式信號參數的隱蔽性 特別是與抗干擾有關的參數，如：擴頻序列、跳頻序列、同步參數、信令參數等。抗干擾性能之二：信號魯棒性用干擾容限定義 PJ/PS(條件：設備性能、工作環(huán)境、干擾性質）三個層次的條件，即：a、設備性能。如：比特差錯率、語音質量、同步及信令性能、網絡性能等，可以定一個門限，在此門限以下用戶不能接受。b、工作環(huán)境。如：單臺設備還是多臺設備、有無天線抗干擾措施、干擾源是否升空等。 c、干擾性質。如：干擾性質、干擾強度、干擾時間等。原理通信抗干擾分類 頻率域。 采用頻率域處理，如；直擴、跳頻、跳擴。時間域。 采用時間域處理，如：瞬時、跳時等?？臻g域。 采用空間域處理，如：自適應天線等。其它數字處理。 如：干擾抵銷、糾錯編碼等原理框圖

頻率域之一：直接序列擴頻頻譜圖擴頻調制信息比特發(fā)送擴頻序列載波解擴解調擴頻序列同步載波同步信息比特接收fbfcf0f0fcfb2fc窄帶干擾信號干擾擴頻調制接收解擴G＝fc/fb擴頻增益

原理框圖

頻率域之二：跳頻頻譜圖調制變頻信息比特發(fā)送中頻載波跳頻頻綜解跳解調載波同步信息比特接收fbfif01f02...f0Nf0fifb窄帶干擾信號干擾跳頻調制接收解跳G＝N跳頻增益跳頻圖案f01f02...f0N跳頻頻綜跳頻圖案同步fi

原理框圖

頻率域之三：跳擴頻跳擴頻增益G＝N×fc/fb調制變頻信息比特發(fā)送中頻載波跳頻頻綜解跳解擴載波同步信息比特接收fbfif01f02...f0N跳頻圖案f01f02...f0N跳頻頻綜跳頻圖案同步fi擴頻擴頻序列解調fc擴頻序列同步時間域

瞬時通信這是潛艇通信常用的方法。先進行信息壓縮，然后以很短的時間發(fā)送出去。特點：（1）隱蔽性好；（2）抗干擾能力強；（3）信息速率低；（4）延時大，非實時業(yè)務。跳時通信基本是一個TDM或TDMA系統(tǒng)；時隙不用滿，按某種跳時圖案在各個時隙上進行跳時；有一定的隱蔽性和抗干擾性；目前使用不多。空間域

定向天線天線波束越窄，電波隱蔽性好，抗干擾性也強。從抗干擾角度，全向天線不如定向天線。采用毫米波頻段，天線方向性很好，有利于通信抗干擾。自適應調零天線利用相控陣天線原理，在干擾源方向形成波束的零點；利用數字信號處理技術對干擾信號進行識別和檢測；利用自適應技術自動調整天線波束的零點指向，使干擾信號最??；不足：在零點方向形成盲區(qū)，影響這個區(qū)域內用戶的正常通信。直擴系統(tǒng)的干擾容限模型公式推導 Eb=Ps*Tb N0=FkT+Pj/W+(N-1)Ps/W得到： N+Pj/Ps=1+W/fb*N0/Eb -FkTW/Ps接收機PiPjFEb/N0條件：信息比特率fb，周期Tb

擴頻用戶數N各用戶的功率相等Pi(i=1,2,…N)=Ps

擴頻帶寬W干擾功率Pj，帶寬W接收機噪聲系數F直擴系統(tǒng)的干擾容限（續(xù)）單用戶，考慮熱噪聲結論：無論是多用戶干擾還是熱噪聲干擾都會“吃掉”一些干擾容限，只有在單用戶及忽略熱噪聲的情況下，才可能達到干擾容限的最大值。對下列公式進行討論：討論單用戶，忽略熱噪聲多用戶，忽略熱噪聲

抗干擾阿體制的顆比較阻塞干乒擾可以是窄遵帶、部分奮帶、梳狀討干擾等。一般跳票頻優(yōu)于榨一般直們擴這是因為員直擴增益獨一般都小閉于濾波器眾的防護度乖。跳頻最眉好再加遙上糾錯響編碼措益施某些跳頻烏點碰上干陶擾，可以鮮通過糾錯糊消除誤碼遣。跳頻最好慚再加上自草適應調零漸天線增加對芬抗特強秤干擾的殃能力。跟蹤干擾過程：對鏈信號進行昌偵測、分煉析，引導評干擾機跟陷上信號。快跳頻是哪對付跟蹤臣干擾的最掙好方法。臨界跳速＝15輸0KH央z/雜d(乳km)如果跳牌速做不碗快，可呢以采用哭跳擴結臘合的方閉法。因仿為擴頻錯增加了悉信號的友隱蔽性贈，不容待易被跟扶蹤。從抗干牢擾的角喊度，很屢少采用昨直擴。對直擴懷/跳頻督抗阻塞詞干擾的迫說明PJPSPJPJPSPSPJ’PJ’=PJ/GPJPSPJPSPJPSPJ’PJ’=PJ/L濾波器對跟蹤干篇擾和臨界窄跳速的說騾明電臺1電臺2偵察、分刑析、引導鼻時間接收時間發(fā)送時間干擾機T總=T接收+T發(fā)送+T偵察、養(yǎng)分析、流引導對跟蹤干冰擾和臨界猶跳速的說昨明（續(xù)）fifjT總T跳頻T總T跳頻干擾干擾有效干眾擾時間T跳頻關鍵技術天線及射狗頻射頻技術寬頻帶射緩頻收發(fā)技裕術大功率線牛性功放大動態(tài)呼范圍接接收機前藍端低損耗閱跳頻濾遞波器快速捷軌變頻綜天線技具術寬頻帶膝或多頻塔段天線貝技術窄波束天捎線自適應糖調零天齊線智能天石線天線陣瀉技術擴頻的某翼些技術要慰點有效性貓問題擴頻是犬以頻帶抖換取抗限干擾能塵力，因溫而降低墻了傳輸遞的有效幼性。解決方法章：采用多敗進制直語擴技術績。基本曾原理是鳥利用直煮擴碼的殃正交性甲，形成拐并行傳竿輸的通揮道，從浸而降低鼓所需的宗帶寬?？煽啃詥柫㈩}擴頻抗妨干擾的脅基本機鹽理是降淹低干擾禽的功率恐密度或務碰撞概王率，但躁不能完竄全消除私誤碼。解決方法杜：采用糾錯饅，并把信泥道編碼和使擴頻處理掀結合起來立。跳頻同喜步為了實現下跳頻電臺壟的正常通景信，必須故要求網內武電臺有相五同的跳頻粗圖案，準拖確的時鐘濃信息。這雪就需要跳損頻同步。方法：軍用電籌臺目前兼流行的霞是同步誤字頭法喂，即通旬過移動剪臺對中糕心臺發(fā)玻出的時燭變跳頻拖圖案進方行搜索將，實現推移動臺懇對中心等臺的跳伙頻同步取。要求：同步信息制的隱蔽性蠟、傳輸的速可靠性、檢同步建立驚的快速性層。即具有抱抗干擾能鋤力強、同皂步時間短帝、傳輸可卸靠等優(yōu)點洗?？焖偬l這是針對竊中、低速念跳頻通信刺系統(tǒng)易受首跟蹤式干諸擾而采用悟的一項最斑新技術，罷目前國際宋上還停留損在理論研芳究階段，炎尚未實用恒。其主要盞原理是：卸移動通信螞系統(tǒng)以高拾于信息速談率的跳速州在很寬的彈頻帶上進激行頻率跳蠶變，即每鏟個信息比陡特跳幾跳窩以上，相菌當于跳速鍋高達10糟0KHz屠～1MH拐z，比目掏前的跳速株提高10泄0～10貞00倍。唐與中、低妹速跳頻方待式相比，渡這種體制魄的顯著特絹點是：能有效謎地對抗銀敵方的肉跟蹤式瞎干擾和裝轉發(fā)式安干擾；能消除黨寬帶移鋸動通信卡中多徑橡效應造竿成的不福利因素鳳；大大改善摘數據傳輸餓時的誤碼市性能，從芝而提高可院通率。以上這些設優(yōu)點特別袍適用于新熱一代的軍脫用無線通線信。Turb嘆oCo惜de提出：Tur淡bo擇cod享e碼又設稱并行災級聯(lián)碼聞，是1殖993站年法國貸學者提炮出的一僅種性能息接近極木限的信蹦道編碼貞結構及阻相應的渡譯碼算湖法。特點：仙農的樣信息論舌給出了分信道傳鴨輸能力顏的上限平，即信暢道容量滲，然而幸這個極趁限始終國未能達星到。傳企統(tǒng)的信統(tǒng)道編碼們都有不唐同程度衰的糾錯繞能力，毯但離信斜道的容名量極限旬還相距債甚遠，礦使得信鞏道資源翼一直得徹不到充穴分的利鈴用。T今urb欲oc斤ode斯則突聰破了傳光統(tǒng)的編床碼結構半與思路河，它采潮用了并閱行級聯(lián)箱碼的結盛構和利首用軟輸鉆出譯碼括算法的啦迭代譯預碼方法與，在理諷論上可秋提供接銳近極限菊的能力絲式。應用：由于Tu枕rbo五code斤的這種川優(yōu)異性能股，其應用賣價值十分爺廣闊，尤蘿其是軍用丙移動通信至領域，在遲實戰(zhàn)場合監(jiān)的電磁環(huán)苦境和電子烏對抗情況摧下，射頻凈強干擾無拾處不在，超在這樣惡泊劣的環(huán)境搬中進行可陪靠的通信洞對編碼提延出了更高浸的要求，鮮傳統(tǒng)編碼顛是很難達聾到的，而射Turb鎮(zhèn)oco批de則逐可充分利感用這種信蘋道所能提溝供的通信版能力。軟件無栗線電提出：199屬2年在辰美國首晉先提出算這個概死念，并慶在美軍收的多頻凡段多模摧式電臺否（Sp乎eak框eas閥y)中勺得到應遞用，美巧國麻省墾理工學持院的一劣些計算猜機科學糠家開始護進行軟剪件無線翁電體系奶結構的略研究，迫近年美沿國還組梳成軟件悠無線電猴For傾um，加快實要用化的詞步伐。特點：什么是軟紹件無線電園？軟件無差線電是將緊模塊化、烏標準化的量硬件單元殿以總線或梅網絡的方筒式連接構虜成基本平冠臺，并通乘過軟件加劣載實現各杏種無線通討信功能的暗一種開放謙式體系結多構。軟件無線綢電體現三響個開放性匹：對研制嗽的開放性寺，對生產流的開放性壞，對使用筋的開放性恭。是無線厚通信的第醋三次革命概。應用：a、可實現各妥種電臺互息聯(lián)互通的愁無線網關b、可好接入各頑種軍用胳移動通黃信網的物多功能訓車載電紛臺c、可避實現空失中轉信攪的多功畢能空中蓬平臺d、可進廚行智能化單通信偵察棉與抗干擾國的電子對服抗系統(tǒng)智能化拍對抗智能化電犯子對抗是永新一代軍短用通信系昏統(tǒng)發(fā)展的它必然趨勢累。通信抗干羅擾的智能贈化：（1）電對戰(zhàn)場績電磁環(huán)褲境的智鍛能化偵扒測和分致析；（2）智格能化天線女技術，把虛空間信號擊處理引入磚電子對抗步；（3）頌智能化院跳擴頻象技術，全根據戰(zhàn)作場情況野實現電沈子對抗辜體制及雖參數的佛最優(yōu)化傻；（4）網躍絡的智能每化抗干擾烘技術，根彈據戰(zhàn)場情案況實現網那絡結構、抽信令及控仗制的最優(yōu)滾化。應用前鎮(zhèn)沿抗跟蹤干燙擾現有的對蘆抗跟蹤干倦擾或單頻澆干擾手段女，主要靠島慢跳頻或豆中速跳頻穿。跳頻對愛躲避固定呼干擾有很申好的作用督，然而，謀目前的信煎號檢測手菜段也日新叫月異，檢湖測能力日蛋益加強，則目前任一覽種DSP譯芯片的F講FT速度陪能夠很容基易地達到瘡1ms以節(jié)下，即現落有的跳頻疏系統(tǒng)很容桌量受到跟詳蹤干擾的歡攻擊。解決這腫個問題物的根本題辦法就溝是采用品快速跳棉頻。也別就是說顧要將跳陰頻速率透提高到推每個頻紛點的停晌留時間湊不超過涂從通信央發(fā)射機榆到干擾伍機再到訓通信接纖收機的籌傳播延沿遲，從握而使最閉理想的緩跟蹤干弱擾或轉貝發(fā)干擾綁到達接示收機的鋸時間超盜過有效靈的通信麥時隙而徑失去干閘擾作用公。例如粗，當干梅擾機在囑10k前m以外淡時，只腰要跳頻蛾速率達躁到15北KHz里即可徹苗底解決這跟蹤干證擾和轉瀉發(fā)干擾閥問題?？棺枞砂陻_傳統(tǒng)的縫通信系分統(tǒng)，特帽別是寬炒帶系統(tǒng)戀（跳頻僻和擴頻悅）對干宗擾的抑背制主要極靠中頻鎖濾波，恥然而由索于前端小高頻放咐大器和絹混頻器逮都是非臉線性器醒件，在唐有強干尿擾時會線產生不接可恢復朝的交調拿干擾和咳噪聲惡乘化，即守產生射追頻前端沉的阻塞挑。解決辦法韻：（1）給盡量提高箏前端器件稼的線性動窄態(tài)范圍，洗（2）將缸增益盡量貼分配在中乏放，（3甘）更重要藥的和更直烈接的方法散是在天線尋和高放間朗引入可快倚速編程的鐮高Q無源盡跳頻濾波食器，從而主大幅度降元低進入有笑源器件的膝干擾電平羊，提高抗萍阻塞能力坦。研究背皺景超短波擴籌頻電臺在凡城市的電色磁環(huán)境下薪由于受到跌民用無線庫電設備的想干擾產生掙阻塞，無維法正常工汁作；清華大學皮研制的I殖I型無線考雙工、廣療州7所研失制的TC境L-17仙8在野聲外試驗中者都遇到此送問題；希望了云解：防爐止阻塞聚干擾對薪接收機沈線性的掘要求，嫂和采用姑跳頻前池置濾波掠器解決卸阻塞干剪擾的方全法。仿真成果婆：擴頻電替臺的阻塞島干擾擴頻電愉臺的阻盼塞干擾弊（續(xù)）仿真結薪果討論顫（1）超短波全股頻段（如帝：60－楊110M許Hz）跳喪頻電臺在闖城市環(huán)境南（如：北相京市）使尼用時，民逐用無線電座設備產生細的阻塞干蹦擾將使接況收機靈敏急度下降3警0dB以上，這艇時的通信留距離只能稀達到1系－2K習m，和野搜外試驗結恒果完全一懸致。仿真結撲果討論價（2）解決全頻嘉段跳頻阻份塞干擾的輕一種有效丑手段是采之用跳頻前疤置濾波器桂，仿真結繳果表明：裕當跳頻濾阿波器帶寬甜為2MH待z時，除瘦個別干擾爭點外，其付它最壞情喝況的阻塞浴干擾將不案會影響接薪收機靈敏坡度?？共糠质翈Ц蓴_現有的遼無線通盆信系統(tǒng)質（特別砍是模擬叮系統(tǒng)）扔即使采浮用跳頻經技術，互在部分劑帶干擾脈環(huán)境下仙，一般洗只要干秘擾比例孤達到總輔帶寬的故1/3丘，就無懶法正常擊通信了滴。在這樣軋的惡劣冷環(huán)境下寺，要想輩仍能正栗常通信念，唯一奏的辦法扣就是采漂用有強惱大糾錯累能力編光碼，即光Tur康bo扯cod岡e編碼粉。曾對儉Tur丑bo匹cod侍e在快碗跳頻環(huán)頓境下的竊性能進暈行過仿寶真，發(fā)傲現1/遲2速率潔Tur污bo共cod敏e可在作1/3現頻點被兵干擾的仰情況下應仍能以烈低于1紗0-3的誤幀率示進行通信勻。而1/蝦3速率T雀urbo炊cod夸e的抗部俘分帶干擾適比例則可荒達到1/為2。Tur譯bo-憂Cod充e用于膚抗部分經帶干擾仿真目的驗證T病urb去o-C妄ode經在抗部員分帶干津擾中的勇作用研究碼同長及跳男速對抗牢干擾性爺能的影漆響Tur遍bo-克Cod議e用于淡抗部分列帶干擾意（續(xù)）1/3黑部分帶鵲干擾，蒙碼長2決400轟，每跳煤40b助itTur章bo-捏Cod慰e用于執(zhí)抗部分暑帶干擾吵（續(xù)）1/3部系