魏 瑋 張海勇 王 睿

摘 要:隨著通信技術(shù)的發(fā)展,跳頻技術(shù)特別是高速跳頻技術(shù)已經(jīng)成為軍事通信抗干擾的重要方式。介紹了跳頻通信的基本原理,建立了Simulink環(huán)境下的高速跳頻通信系統(tǒng)模型,針對不同干擾樣式進(jìn)行了仿真,并分析其抗干擾性能,得到了有效干擾的樣式,提出了增強干擾效果的結(jié)論,為高速跳頻通信系統(tǒng)的應(yīng)用及其對抗研究提供有力支持。

關(guān)鍵詞:跳頻;抗干擾性能;Simulink;通信系統(tǒng)

中圖分類號:TN914.42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-025-04

Anti-jamming Performance Analysis of High Speed Frequency-hopping

Communication System Based on Simulink

WEI Wei,ZHANG Haiyong,WANG Rui

(Dalian Naval Academy,Dalian,116018,China)

Abstract:With the development of communication technology,frequency-hopping technology especially high speed frequency-hopping technology has become an important part of military anti-jamming communication.By describing the basic principle of frequency-hopping communication system,model of high speed frequency-hopping communication system built by Simulink is provided.According to the anti-jamming capability after simulating with the present of different jamming types,the article makes the conclusion of useful jamming pattern and the way of strengthening the jamming preformence,which provides convincing support to the application and anti-jamming research of high speed frequency-hopping communication system.

Keywords:frequency-hopping;anti-jamming capability;Simulink;communication system

0 引 言

跳頻通信以其強抗干擾能力和高安全性在軍事通信領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著C4ISR系統(tǒng)要求的不斷提高,跳頻通信系統(tǒng)正向著跳速不斷提高,跳頻帶寬越來越大,跳頻圖案越來越復(fù)雜的方向發(fā)展[1]。目前每秒鐘萬跳以上的高速跳頻已成為跳頻技術(shù)的發(fā)展方向。以美軍的JTIDS為例,其跳速能夠達(dá)到76 923跳/s,跳頻帶寬也達(dá)到了153 MHz。

本文將利用Matlab仿真軟件中的Simulink對采用MSK調(diào)制的高速跳頻通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真,并針對各種干擾樣式對其進(jìn)行分析,并得出結(jié)論。

1 跳頻通信原理

跳頻就是用偽碼序列構(gòu)成跳頻指令來控制頻率合成器,并在多個頻率中進(jìn)行選擇的移頻鍵控。所傳遞的信息碼與偽隨機(jī)序列模二相加(或波形相乘)構(gòu)成跳頻指令(即跳頻圖案),并由它隨機(jī)選擇發(fā)送頻率[2]。跳頻通信系統(tǒng)的簡化框圖如圖1所示[3]。

圖1 跳頻通信系統(tǒng)模型

發(fā)送端的信息碼序列與偽隨機(jī)序列經(jīng)過調(diào)制后,按不同的跳頻圖案控制頻率的合成。在接收端,接收到的信號與干擾經(jīng)高放濾波后送至混頻器。接收機(jī)的本振信號也是一頻率跳變信號,跳變規(guī)律是相同的,兩個合成器產(chǎn)生的頻率相對應(yīng),但對應(yīng)的頻率有一頻差,正好為接收機(jī)的中頻。只要收發(fā)方的偽隨機(jī)碼同步,就可使收發(fā)雙方的跳頻源-頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率同步,經(jīng)混頻后,就可得到一個不變的中頻信號,然后對此信號進(jìn)行解調(diào),就可恢復(fù)出發(fā)送的信息。而對干擾信號而言,由于不知道跳頻頻率的變化規(guī)律,與本地的頻率合成器產(chǎn)生的頻率不相關(guān),因此,不能進(jìn)入混頻器后面的中頻通道,不能對跳頻系統(tǒng)形成干擾,這樣就達(dá)到了抗干擾的目的。在本文的實際仿真過程中,不考慮跳頻時鐘的不能同步的情況,即認(rèn)為發(fā)送端和接收端的跳頻時鐘是完全同步的[1]。

調(diào)制中采用的是MSK(最小頻移鍵控),就是h=0.5的CPFSK,由于具有連續(xù)的相位從而能夠獲得良好的頻譜特性,是擴(kuò)頻技術(shù)中經(jīng)常運用的調(diào)制技術(shù)[4]。其表達(dá)式為:

s㎝SK=cos(ωct+παk2Tst+φk), (k-1)Ts≤t≤kTs

式中:Е豤為載波角頻率;Ts為碼元寬度;αk為第k個碼元中的信息,取值為1或-1;φk為第k個碼元的相位常數(shù),在時間(k-1)Ts≤t≤kTs內(nèi)保持不變[1]。

2 高速跳頻通信系統(tǒng)仿真模型

利用Matlab中的Simulink對跳頻系統(tǒng)進(jìn)行仿真,建立仿真模塊如圖2所示。

系統(tǒng)的主要性能參數(shù)有:系統(tǒng)的跳頻點64個,頻率間隔3 MHz,跳速為40 000跳/s,信道為高斯白噪聲信道(AWGN)。Bernoulli Binary Generator是信號源,用來產(chǎn)生一個10 Mb/s的二進(jìn)制信號。該信號經(jīng)過調(diào)制以后與由偽隨機(jī)序列產(chǎn)生的跳頻載波相乘完成跳頻。跳頻擴(kuò)頻后的信號在經(jīng)過AWGN信道之后,受到來自Subsystem noise模塊產(chǎn)生的人為干擾。在解調(diào)模塊里,包含人為干擾分量的信號與來自跳頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的跳頻信號的共軛(由Math Function完成)相乘,完成解跳,然后經(jīng)過解調(diào),恢復(fù)原信號[2,5]。

Subsystem PN Sequence是為隨機(jī)序列產(chǎn)生子模塊,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。 偽隨機(jī)碼采用m序列,每6 b產(chǎn)生一個0~63的十進(jìn)制整數(shù),用來隨機(jī)控制跳頻輸出頻率。這個模塊輸出的序列經(jīng)過2FSK調(diào)制后成為跳頻載波。

圖2 跳頻系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 偽隨機(jī)序列產(chǎn)生子模塊結(jié)構(gòu)圖

跳頻載波、信源的調(diào)制輸出和跳頻后的信號分別如圖4~圖6所示。

圖4 跳頻載波頻譜圖

圖5 信源的調(diào)制輸出信號頻譜圖

圖6 跳頻擴(kuò)頻后的信號頻譜圖

Subsystem noise子模塊用來產(chǎn)生干擾。本文主要采用寬帶噪聲干擾和梳狀干擾兩種形式。

3 高速跳頻通信系統(tǒng)抗干擾性能分析

3.1 抗寬帶噪聲干擾能力分析

寬帶噪聲干擾是指干擾信號能量加到目標(biāo)電臺所適用的整個頻譜帶寬上,也被稱為全頻段干擾或攔阻式干擾。寬帶噪聲干擾是多信道干擾,主要不足在于它所產(chǎn)生的干擾功率密度很低,因為有限的干擾功率被擴(kuò)展得很寬,因此不能像部分頻段干擾那么有效。

寬帶噪聲干擾的仿真模型如圖7所示。

用一個調(diào)制頻率f=200 MHz的正弦波將高斯白噪聲信號調(diào)制到200 MHz頻段上,這個寬帶干擾的頻譜圖如圖8所示。為了更好地進(jìn)行分析,分別在f=200 MHz,50 MHz,5 MHz,0.5 MHz┧母銎德實閔轄行仿真。經(jīng)過仿真,并將不同信干比下的誤碼率曲線繪制在同一幅圖像上,得到的結(jié)果如圖9所示。

圖7 寬帶噪聲干擾模塊圖

圖8 寬帶噪聲干擾頻譜圖

圖9 寬帶噪聲干擾信噪比誤碼率關(guān)系曲線

戰(zhàn)場上電磁環(huán)境非常復(fù)雜,10-2這一數(shù)量級的誤碼率被認(rèn)為是可以接受的,許多用于戰(zhàn)術(shù)層次的裝備誤碼率設(shè)計值為10-2。因此,較之為低的誤碼率被認(rèn)為是成功的抗干擾。從圖上可以看出,高速跳頻通信系的抗干擾性能與被干擾的頻段有關(guān),越接近跳頻頻帶的中心抗干擾性能越強[6,7]。對于干擾機(jī)而言,在接收端信號的能量只有達(dá)到相當(dāng)?shù)膹姸?數(shù)倍乃至數(shù)十倍于信號)才能有效達(dá)成干擾,必須采取增大發(fā)射功率和縮短干擾距離的方式。對于高速跳頻而言,寬帶噪聲干擾雖然功耗大,干擾效率較低,但只要頻段覆蓋準(zhǔn)確,干擾距離和功率達(dá)到要求,仍然不失為一種有效的干擾手段。

3.2 梳狀干擾

梳狀干擾就是在預(yù)干擾的頻帶內(nèi)施放多個窄帶干擾信號,特點是不需要復(fù)雜的偵察檢測系統(tǒng),適用于干擾各種通信系統(tǒng),其模型如圖10所示[1,6,8]。

圖10 梳狀干擾信號產(chǎn)生模型

采用7個不同頻率的正弦信號將7個高斯噪聲調(diào)制后相加來模擬梳狀干擾。模塊圖如圖11所示。

圖11 梳狀干擾產(chǎn)生模塊結(jié)構(gòu)圖

載波的頻點分別是200 MHz,175 MHz,150 MHz,125 MHz,100 MHz,50 MHz,40 MHz,其頻譜圖如圖12所示。

圖12 梳狀干擾頻譜圖(7個頻點)

先后對在7個頻點(200 MHz,175 MHz,150 MHz,125 MHz,100 MHz,50 MHz,40 MHz)調(diào)制的高斯噪聲和10個頻點(250 MHz,200 MHz,175 MHz,150 MHz,125 MHz,100 MHz,75 MHz,50 MHz,40 MHz,20 MHz)調(diào)制的高斯噪聲進(jìn)行仿真,得到兩條信干比和誤碼率的對應(yīng)曲線,如圖13所示。

圖13 梳狀干擾信噪比誤碼率關(guān)系曲線

從圖13上可以看出,對高速跳頻通信系統(tǒng)而言,梳狀干擾的影響遠(yuǎn)大于寬帶干擾。梳狀干擾的頻點越多,所占的帶寬就越大,跳頻通信誤碼率越高,干擾效果越明顯。

3.3 其他干擾

瞄準(zhǔn)式干擾難以捕獲跳頻信號的瞬時載頻,所以很難達(dá)到干擾效果,其他干擾手段也存在類似問題。對跳頻通信系統(tǒng)能夠產(chǎn)生良好干擾效果的是跟蹤式干擾。跟蹤式干擾是建立在對敵方跳頻通信信號的偵察、處理的基礎(chǔ)之上的。只有通過提取跳頻信號的瞬時頻率、信號功率等參數(shù),發(fā)射一個具有相同信號特征的干擾信號,才能達(dá)到干擾目的[9,10]。

通常,接收機(jī)、干擾機(jī)、發(fā)射機(jī)滿足圖14所示的位置關(guān)系。

圖14 跟蹤式干擾干擾機(jī)幾何配置圖

為了使干擾有效,必須滿足:

d2+d3c+T﹑r≤d1c+ηTd

式中:c是電波的傳播速度;T﹑r是偵察處理時間;Td是信號駐留時間;η為小于1的常數(shù)。

由圖13可知,實際有效的干擾時間是:

Ts=Td-T﹑r+d2+d3-d1c

所以,在敵方跳速和干擾機(jī)與通信機(jī)幾何分布都不變的條件下,只有將信號處理時間縮短到敵方信號駐留時間以內(nèi),才能達(dá)到有效干擾,這個時間越短,有效干擾時間就越長,干擾效果越好。

對于高速跳頻通信系統(tǒng)而言,信號駐留的時間非常短。美軍JTIDS信號駐留時間只有13 μs,本文采用的模型信號駐留時間為1/40 000 s(25 μs),對于目前的技術(shù)狀況來看,通信偵察機(jī)和干擾機(jī)的處理時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個時間(毫秒量級),不能達(dá)到有效干擾的目的,一旦跳頻速率達(dá)到每秒一萬跳以上,跟蹤式干擾就只能在理論上成立,故本文只做理論分析。

4 結(jié) 語

通過Simulink對高速跳頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真,達(dá)到了預(yù)期的效果。本文分析結(jié)果可以為今后的高速跳頻通信的仿真和應(yīng)用研究提供良好的借鑒。

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作者簡介

魏 瑋 男,1982年出生,山東青島人,研究生。研究方向為通信指揮自動化。

張海勇 男,1966年出生,教授,博士后,碩士生導(dǎo)師。

王 睿 男,1982年出生,助教。