抗干扰技术分析

李雪华

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

现代战争中电子装备生存在纷繁复杂的电磁环境中,面临的干扰威胁日益严重,干扰与抗干扰日趋激烈。随着无线通信的加速发展和通信对抗技术的不断进步,背景无线电频谱将非常复杂,与以往传统的电子系统相比呈现出智能化程度高、功能完善、数字与模拟信号结合的特点,对电子系统的干扰分析及抗干扰技术的研究愈来愈引起人们的关注,如何掌握战场中的“制信息权”,已成为信息领域的重要研究目标。

1 干扰技术

通信对抗中,甲乙双方都是依赖对空域、时域和频域等的占用或干扰破坏,对获取信息的无线电系统进行的搅扰和压制,来达到实施干扰的目的,主要干扰方式分为以下几种:

①摧毁式干扰:如采用电磁炸弹摧毁通信节点;

②软干扰:即对信道分析后,实施干扰,如跟踪式干扰;

③压制式干扰:如窄带瞄准式干扰,宽带阻塞式干扰;

④欺骗式干扰:如转发式干扰和再生式干扰。

对信息战而言,主要是针对后3种干扰形式对抗干扰,未来数字战场通信对抗则主要围绕抗干扰技术及抗截获技术展开,因此必须研究有效的抗干扰及抗截获体制和技术,为未来战争提供通信盾牌,取得战场的“制信息权”。

2 抗干扰技术

针对通信干扰技术的应用与发展,通信系统必须采用灵活多样的抗干扰措施,有针对性地提高通信系统的抗干扰能力,通信抗干扰的目的是尽可能地降低乙方干扰效能以保证正常通信,迫使乙方干扰信号与甲方信号在时域、空域或频域上保持一定差异,或者使乙方有效干扰功率达不到压制甲方通信的要求。

2.1 扩频技术

常用的扩频技术有直接序列(DS)扩频、跳频(FH)、跳时(TH)以及这些扩频方式的组合方式。

2.1.1 DS扩频技术

DS扩频技术是将发送的信息用伪随机(PN)序列扩展到一个很宽的频带上去,在接收端,用与发端相同的PN序列对接收到的扩频信号进行相关处理,恢复出原来的信息。干扰信号由于与伪随机序列不相关,在接收端被扩展,使落入信号频带内的干扰信号功率大大降低,从而提高了系统的输出信噪比,达到抗干扰的目的。

假设相关接收机输入信号的信噪比为Si/Ni,输出信号的信噪比为So/No,输入信号的带宽为Bi,输出信号的带宽为Bo。在解扩的过程中,信号从宽带信号被还原到了窄带的原始信号,信号的前后功率不变,即So=Si,而窄带干扰的过程恰恰相反,其功率也不变。由于Bo＜＜Bi,因此干扰信号落在带宽Bo内的功率为原来功率的Bo/Bi,因此DS系统的处理增益为:

即输入带宽与输出带宽的比值。

2.1.2 FH扩频技术

FH扩频技术是利用伪码控制频率合成器,使通信频率做随机跳变,即使乙方干扰的频谱带宽与通信信号的频谱带宽重合,但由于乙方的侦察和干扰跟不上通信载频变化的速度,从而无法有效地实施干扰。随着抗干扰技术的发展,FH技术正在向着高速宽带跳频、自适应坏点删除跳频和差分跳频等方向发展。

2.1.3 FT扩频技术

FT扩频技术是把时间轴分成许多时间片,由扩频码序列控制发射信号在时间轴上跳变,时间片很短,在时域上躲避敌方干扰,它与FH的差别在于一个控制的是频率,而另一个控制的是时间。

上面3种不同的扩频方式,虽然都具有较强的抗干扰性能,但也有各自的不足之处。在实际使用中,有时单一的扩频方式很难满足实际需要,若将2种或多种扩频方式结合起来,就能达到任何单一方式难以达到的效果。最常用的混合扩频方式有FH/DS、TH/DS 和FH/TH 等。

2.2 自适应天线技术

自适应天线系统由天线阵和信息处理器组成,当天线工作时,信息处理器的输入和输出特性按一定的算法来调整其内部序数,从而自动地修正和优化天线的方向图、频率响应和极化特性,搜索和跟踪有用信号并消除干扰信号。它能在空间、频率和极化方面自动对干扰信号调零,对有用信号提供最大增益,主要有以下3种技术:

①数字波束形成技术:利用波束形成自适应阵,在引导信号达到天线阵时,便给信息处理器提供一个方向信息,并在此方向上形成主瓣;

②自适应调零天线技术:自适应调零天线利用敌我双方信号在幅度、频率和空间方位的不同,通过对天线各阵元进行自适应加权处理,自动控制和优化天线阵的方向图,在干扰源方向产生深度调零,使信号受到的干扰最少;

③极化调零自适应天线阵:此天线用在有用信号和干扰信号的极化方式不同的情况下,用最小均方误差算法对系统进行自适应加权控制,以便对干扰信号的极化调零,保证有用信号的最大输出。

2.3 自适应干扰抑制技术

自适应干扰抑制是一种针对性强的抗干扰手段,自动搜索带内的单频干扰并自动进行干扰抑制。DS扩频系统中,由于扩频带宽的限制,当扩频增益不能提供足够的干扰抑制时,对窄带干扰信号,在窄带干扰所占用的频带上形成陷波,虑除干扰信号,或直接对干扰信号进行估计,并从接收信号中减去对干扰信号估计,处理后的接收信号送解扩处理,以解调性能的略微降低,换取系统对窄带干扰信号的抑制。

2.4 纠错编码+交织技术

纠错编码技术是应用最广泛、也是历史最悠久的抗干扰措施,以往主要用于抗非人为干扰,如环境噪声干扰等。现将纠错编码技术应用于军事通信系统中,对抗有意的人为干扰。主要的纠错编码技术包括自动请求重发技术和前向纠错编码(FEC)技术。为了防止突发干扰引起的误码,同时加入交织技术,将信道突发错误随机化,提高系统的抗干扰能力。

2.5 自适应功率控制技术

根据乙方干扰电平的高低自动调节发射机输出功率的大小,当乙方干扰信号强时,发射机输出功率随之增大;当乙方干扰信号弱时,发射机输出功率随之减少。这样,可始终保持足够的信噪比,对乙方干扰能有效地予以抑制。

为强调《罕哈冉惠传》的主题是“反天崇佛”，学者又拿出了如下细节证据：哈冉惠出征求婚时，口诵佛经，祈祷一路平安，并燃“煨桑”向佛祖叩首；送行的人祝福他，一切会按佛祖旨意实现；阿克布拉尔汗在雪山上修建了八十八佛塔，寺院里供奉着释迦摩尼佛像；姑娘出嫁时带着金字大藏经，勇士们结义时头上顶着佛像；天上打雷时口诵佛经可脱离危险；用金壳里的神水和金丸能使人起死回生等等。

2.6 自适应选频技术

当通信受到严重干扰时,更改受干扰工作频率,避开乙方干扰或选择干扰最小的频段进行通信。

既能实现改频,又能实现最佳接收,就要最大限度地滤除干扰信号,这就要求窄带滤波器的通带频率随着工作频率的改变而相应改变,此项关键技术就是电调滤波器,下面重点对电调滤波器的原理及作用加以介绍。

3 电调滤波器

3.1 双工器工作原理

以微波设备为例,微波通信设备组成框图如图1所示。

图1 微波通信设备组成原理

图1中双工器的作用是将发射功率通过发滤波,经过环形器发射到天线;同时天线接收信号通过环形器到收滤波器,接收有用信号,滤除干扰信号。

发滤波器为带通滤波器,通带宽度根据发射信号带宽进行设计,其作用是让发射有用信号顺利通过,同时对发射信号的谐波、杂散等无用信号滤除。

收滤波器为带通滤波器,通带宽度根据发射信号带宽进行设计,其作用是让天线接收的有用信号顺利通过,对通带外的其他干扰信号滤除,保证接收机接收有用信号的同时,最大限度地滤除干扰信号。最佳双工器发射、接收带通滤波示意图如图2所示。

图2 最佳双工器发射、接收带通滤波示意图

由此可知,通信系统最佳发射、接收的带宽应该与发射、接收信号的频谱宽度匹配,只有这样,才能够保证发射信号纯正,同时接收信号不受外界干扰,因此,双工器是微波通信设备与外界电磁频谱交互的窗口。

对于民品微波设备,一般采用ITU规定的频段,由无线电规划管理部门指定频率和带宽,据此配备的双工器的频率、带宽是固定不变的,由于其他用户不允许在同一地区重复使用同一频率,一般不会产生干扰。

对于军事通信系统,由于战场电磁环境非常复杂,存在甲方多种通信手段的自干扰和乙方的强干扰,要求通信设备必须具备现场改频能力,以便应付瞬息变换的战场电磁环境,保证通信畅通。

为了既满足通信系统最佳发射、接收的滤波器带宽要求,又能够随时改变工作频率避开干扰,在军事通信设备中,一致采用电调滤波器作为最有效的抗干扰手段。如北约装备的AN/GRC-226、GRC-245、GRC-512A、法国的TFH701、德国的 CTM301T、美国AN/TRC-190、土耳其GRC-5211、瑞典RL432和意大利MH313等系列军用微波机,均采用电调滤波器抗干扰措施,大量应用于北约战术军事通信。

3.2 电调滤波器的实现及抗干扰中的优点

通过以上论述可知,为了实现频率抗干扰,又满足最佳接收滤波器要求,要求滤波器的通带频率随着工作频率的改变而相应改变,这就是电调滤波器。

电调滤波器是通过改变滤波器腔体谐振单元长度来改变滤波器通带频率,改变谐振单元长度的方法是通过微型步进电机驱动实现的;微型步进电机由监控控制,因此,在改变工作频率的同时,监控给微型步进电机发指令,微型电机驱动谐振单元到指定频率,实现通带频率电调改变。

电调滤波器通带频率改变示意图如图3所示,图3中分别代表中心频率为f1、f2和f3的3种滤波器的幅频特性,由图3可以看出,电调滤波器只改变中心频率而带宽不变。

图3 电调滤波器通带频率改变示意图

电调滤波器是军事通信最重要的抗干扰措施之一,由于电调接收滤波器通带只允许甲方对端有用信号通过,而其余无用信号,无论是本站自干扰信号,还是乙方有意干扰信号,均被有效滤除,对于通信设备的良好接收起到非常重要的作用,是对付电磁干扰的最有效手段,也是军用微波通信设备的最关键部件。通过采用电调滤波器,即可实现图2所示的最佳收、发滤波系统。

如果不采用电调滤波器,又希望改变工作频率,只能够采用宽带带通滤波器,通信设备工作频率在宽带带通滤波器带宽内可变,由于固定滤波器带宽远远大于实际工作信号带宽,因此该滤波器滤除不了发射的杂散,也滤除不了接收信号旁边的干扰信号,经过宽带固定滤波器后的收发频谱示意图如图4所示。这样实际的双工器系统不是最佳系统,将导致干扰信号通过双工器进入接收机,对接收机产生干扰,尤其是乙方干扰,干扰功率强度远远大于正常接收电平,对接收机将是致命干扰,而滤波器通带无法相应改变,因此将导致通信中断,这就是为什么军事通信普遍采用电调滤波器作为抗干扰手段的根本原因。

图4 经过宽带固定滤波器后的收发频谱示意图

4 结束语

随着通信对抗技术的不断进步,军事通信抗干扰问题也日益突出,使得军事通信面临诸多问题,干扰与抗干扰技术已作为信息化战争的一部分进入战场,不仅要求局部的通信系统具有抗干扰能力,更重要的是整个通信系统和网络要具有综合抗干扰能力,能在系统、网络的综合对抗中,在任何复杂的电磁环境下完成信息传输。因此,研究和发展各种抗干扰技术,并大力发展多体制相结合的综合抗干扰技术,已成为世界各国发展的目标。

[1]荀彦新.无线电抗干扰通信原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2005.

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[4]赵彦惠,刘 莹.一种新型的扩频通信自适应窄带干扰抑制技术[J].无线电通信技术,2006,32(3):61-63.