跳扩频卫星通信干扰效果分析*

薄 远 朱卫纲 杨 君 邢 强

(装备学院 北京 101416)

跳扩频卫星通信干扰效果分析*

薄 远 朱卫纲 杨 君 邢 强

(装备学院 北京 101416)

论文介绍了跳扩频卫星通信系统信号级工作流程,对卫星通信干扰方式和卫星通信干扰的入手点进行了叙述,选择了具有代表性的干扰方式对其上行链路进行了通信干扰仿真;在进行了干扰效果评估等级的划分后,依据误码率指标对通信干扰效果进行了定量计算,通过干扰效果分析,得出了梳状谱干扰效果最理想的结论,可为卫星通信干扰方面的研究提供一定的参考。

跳扩频卫星通信系统; 通信干扰; 误码率; 干扰效果分析

Class Number TN927

1 引言

在当今世界军事领域中,信息情报传输的安全可靠性越来越重要,而作为通信领域的卫星通信具有很多优势,被广泛用于军事领域的通信传输[1],尤其现阶段世界各国发展使用的跳扩频卫星通信系统,对于干扰具有很强的抑制性能,可为战时取得信息致胜权起到决定性作用,因此,在未来战场上,如何有效干扰敌方的卫星通信系统并定量分析、评估干扰效果成为了当前研究的热点,一方面可为研究干扰、评估装备提供科学有价值的参考,另一方面还可为研究卫星通信系统的抗干扰性能提供一个模拟仿真的平台。

跳扩频卫星通信系统与普通的卫星通信系统的区别在于发射端对信号进行了跳扩频处理,使得信息传输的安全可靠性大大提高[2]。信号的跳扩频处理是利用扩频码将通信信号扩展到一个很宽的频带上,并且通信信号的载频按照扩频码控制的频率合成器的输出按照一定规律变化,效果是信号的能量被平均分在频带内,敌方侦察接收机会误把通信信号当成噪声,不进行干扰,同时载频的不停变化使敌方无法准确跟踪、干扰通信信号,即使遭到通信干扰,己方接收机也可利用扩频码的相关特性,通过解扩、解跳处理得到通信信号,因此达到了很好的抗干扰性能[3]。

2 跳扩频卫星通信系统工作流程

图1 跳扩频卫星通信系统的工作流程

图1为典型跳扩频卫星通信系统的工作流程,基本分为三部分：信息发射端:经过调制的信息首先要进行扩频处理,然后在扩频码发生器的作用下,经调制的信息码序列与扩频码序列按照不同的组合码字控制频率合成器,其输出的频率根据码字的改变而改变产生不同频率的载频,也就是说按照一定的规律产生了卫星通信的跳频图案,最后是信号的射频调制,将信号频率调到高频率上,通过射频调制器、发生器,由天线将携带信息的信号辐射出去;卫星转发器：经上行链路传输过来的信号经过一系列的去噪声、功率放大处理、解扩处理、解跳处理、信息解调得到原始信息,进入卫星转发器部分,这里的解扩解跳处理是一个自相关的处理过程,此处的扩频码发生器要与发射端的扩频码发生器保持严格同步才能完成解扩解跳处理,也就是说与地面的信号发射端的跳频图案相一致,得到的原始信息经过卫星转发器的处理、再经过重新的调制、扩频处理和跳频处理,得到下行链路信号,通过天线辐射出去。现阶段大多数国家都使用星上处理转发器,所以上行链路和下行链路的通信频率可以不同,并且原始信息经转发器处理后的调制、扩频、跳频处理方式可以和发送端处理方式不同,这也是星上处理转发器的优点之一,能最大限度的优化信道资源;信息接收端：经下行链路,接收到来自卫星处理后的信号,同样经过解扩、解跳、解调的过程,最终得到原始信息,这里的解跳解扩也是要保持扩频码、跳频图案的严格同步,此时的扩频码应与经过卫星转发器处理后进行跳扩频处理时的扩频码保持严格同步[4]。

3 卫星通信干扰

· 卫星通信干扰方式

现阶段,对卫星通信干扰主要有两种体制：压制式干扰和欺骗式干扰[5～6],如图2所示。

图2 卫星通信干扰方式

压制式干扰是指进入接收机的干扰信号功率要比通信信号经过解调后功率大,使通信信号淹没在干扰信号中,从而导致接收机无法正常接收通信信号,这种干扰方式主要包括瞄准式干扰、阻塞式干扰、扫频式干扰。瞄准式干扰是指干扰信号频率在通信信号载波频率点上或者附近,也就是窄带干扰,这种干扰的优点是干扰频带窄,能量比较集中,利用率高,对定频通信干扰效果好;阻塞式干扰是指干扰信号的频谱覆盖一定的通信频段,又可分为连续阻塞式干扰和分段阻塞式干扰,连续阻塞式干扰是指干扰信号的频谱覆盖敌方通信的整个频段,也就是宽带噪声干扰,而分段阻塞式干扰是指在敌方通信频带内有间隔的产生梳状谱干扰信号,落在其中的通信信号都将受到影响,通常阻塞式干扰多用于对扩频通信的干扰,因为只要干扰信号的频谱带宽占据扩频通信信号频谱带宽的一半就可达到有效的干扰,也就是说在干扰功率一定的情况下,将多个梳状谱设置在敌方最有可能通信的多个频段内,就可实现最佳的干扰。这种干扰的优点是干扰带宽比较宽,容易覆盖敌方通信频段,缺点是干扰敌方通信的同时也会对己方通信造成干扰,并且较宽的干扰带宽需要大功率作为支撑;扫频式干扰是指在通信频段内产生频率按照一定方式由高到底不断变化的干扰信号,使干扰信号的频谱在通信频带内不停的移动。这种干扰方式的优点是在不知敌方通信频率时对频段内的频率点随机进行干扰,缺点是干扰信号能量利用率低。

欺骗式干扰是指发射与通信信号相似度很高的干扰信号,使接收机锁定在干扰信号上,经处理后得到虚假的信息,达到欺骗的目的,这种干扰主要包括产生式干扰和转发式干扰。产生式干扰是指通过侦察和处理敌方通信信号,对描述信号的重要参数进行特征提取,然后利用电子器件产生与通信信号频率一致的干扰信号。这种干扰方式的优点对跳扩频卫星通信系统的干扰非常有效,缺点是实现起来比较难,对硬件的要求特别高;转发式干扰是指通过侦察敌方通信信号,对其进行一定时延的再发射,使得对码同步要求严格的通信接收机不能正确判别真实信号,造成接收机对通信信号的识别在时间上的消耗,同时影响软件程序的运算量和硬件的存储量等。这种干扰方式的优点是干扰产生简单,不需要知道通信信号的先验知识,干扰效果好。

· 卫星通信干扰入手点

图3为卫星通信干扰模型：从模型中可以看到对卫星通信进行干扰的入手点有上行链路、卫星转发器、下行链路[7]。

对上行链路的干扰一般是指对上行通信信号的干扰,包括瞄准式干扰和转发式干扰,达到压制和欺骗的目的。对卫星转发器的干扰一般指通过上行链路将大功率干扰信号发送到卫星转发器上,使转发器达到饱和状态,不能接收正常通信信号,达到通信堵塞的目的,此时的干扰信号频带可与通信信号的频带不同,但是要在转发器的频带范围之内。对下行链路的干扰一般指对下行通信信号的转发式干扰,达到欺骗的目的,此时干扰信号的频带须在下行通信信号频带的范围之内。

图3 卫星通信干扰模型

4 跳扩频卫星通信系统的通信干扰仿真

本文的卫星通信干扰仿真在干扰信号上选择窄带干扰信号、宽带噪声干扰信号和梳状谱干扰信号,干扰的入手点放在上行链路,即从上行链路加入干扰信号,信道选择高斯信道。

· 上行链路卫星通信信号

主要通信参数：基带数字信号调制方式为BPSK,扩频码选择M序列,跳频频点选择8个：[13.5 18.7 23.9 28.1 33.3 41.6 46.0 50.0(GHz)]。图4为基于Matlab的基带信号进行调制、扩频、跳频处理后加入高斯随机噪声的频谱。

图4 上行链路通信信号

· 窄带干扰信号

窄带干扰信号(相对通信信号频段)是通过AR模型产生的[8],带宽为5G(约占通信频段的13.5%,中心频率为23.9GHz)。

图5 窄带干扰信号频谱

· 宽带噪声干扰信号

宽带噪声干扰信号的产生是由高斯噪声经滤波器的处理后调制到相应的频段上得到的[9],噪声带宽为36GHz(覆盖通信信号频段)。

图6 宽带噪声干扰信号频谱

· 梳状谱干扰信号

梳状谱干扰信号是由多个单音干扰信号叠加组成的[10],根据通信信号的跳频频点选择由8个单音信号组成(与通信信号跳频频率相对应)。

图7 梳状谱干扰信号频谱

5 干扰效果评估分析

· 干扰等级的划分

从本文的干扰入手点考虑,评估干扰效果的指标选择卫星转发器处对信号进行解扩、解跳、解调处理后的误码率,并根据工程实践的经验定义干扰等级[11]：

当误码率范围为大于等于0.2时,卫星上行链路通信受到强干扰,等级为三级;当误码率范围处于0.12～0.2区间时,卫星上行链路通信受到中度干扰,等级为二级;当误码率处于0.05～0.12时,卫星上行链路通信受到轻度干扰,等级为一级;当误码率小于0.05时,卫星上行链路通信未受到干扰。

· 误码率仿真分析

图8 信干比与误码率的关系

图8为三种干扰方式在不同信干比情况下的误码率曲线,从图中可以得出以下结论：

1) 当信干比小于-5dB时,三种干扰对上行链路造成的误码率大致一样,均达到了很好的干扰效果,随着信干比的增大(干扰变小),三种干扰对上行链路的干扰效果逐渐减小,误码率逐渐减小;对于梳状谱干扰,当信干比小于1.3dB时,上行链路受到强度为三级的强干扰,当信干比处于1.3dB到5dB时,上行链路受到强度为二级的中度干扰,当信干比处于5dB～7dB时,上行链路受到强度为一级的轻度干扰,当信干比大于7dB时,上行链路通信没有受到影响;对于宽带噪声干扰,当信干比小于-1.2dB时,上行链路受到强度为三级的强干扰,当信干比处于-1.2dB～1.5dB时,上行链路受到强度为二级的中度干扰,当信干比处于1.5dB～3.8dB时,上行链路受到强度为一级的轻度干扰,当信干比大于3.8dB时,上行链路通信没有受到影响;对于窄带干扰,当信干比小于-2.5dB时,上行链路受到强度为三级的强干扰,当信干比处于-2.5dB～0.7dB时,上行链路受到强度为二级的中度干扰,当信干比处于0.7dB～3.9dB时,上行链路受到强度为一级的轻度干扰,当信干比大于3.9dB时,上行链路通信没有受到影响。

2) 对于本文的卫星通信上行链路干扰情况来说,在相同信干比的时候,梳状谱干扰造成的误码率最大,干扰效果最好,其次为宽带噪声干扰,最后为窄带干扰,这是因为,梳状谱干扰信号的频率与通信信号的跳频频率相同,干扰信号的能量利用率高,而宽带干扰信号的能量分布在了整个通信频段,只有部分能量分布在了通信频率上,相对而言,能量的利用率较低,对于窄带干扰,由于覆盖的通信频段有限,仅在一个通信跳频频率点上,所以当通信信号频率不在干扰范围内时,对通信没有造成影响,干扰信号的能量造成了很大的损失。

6 结语

跳扩频技术广泛应用在军事卫星通信中,起到了很好的抗干扰性能,但是不能完全抵消干扰信号的干扰,依据不同的干扰策略,合理利用梳状谱、宽带噪声、窄带干扰对于跳扩频卫星通信系统上行链路的干扰都有一定的效果;相对而言,三种干扰中梳状谱干扰的效果最好,这对于今后研究卫星通信干扰提供了一定的理论支持。

随着技术的发展,军事卫星通信中应用了很多先进的抗干扰措施,如自适应天线调零、自适应编码技术等[12],跳扩频技术只是其中一种,如何对军事卫星通信进行有效的干扰并进行合理的干扰效果评估是下一步需要继续深入研究的工作。

[1] 赵志勇,毛忠阳,等.军事卫星通信与侦察[M].北京:电子工业出版社,2013:16-17.

[2] 暴宇,李新民.扩频通信技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2011:42-45.

[3] 马文勇.杨曦,尹斌.跳频通信系统抗跟踪式干扰性能研究[J].舰船电子工程,2009,29(2):75-76.

[4] 高铟璐,高梓贺.跳扩频通信系统干扰性能仿真研究[J].现代防御技术,2009,37(5):78-82.

[5] 宁国强,张卫东,等.通信中干扰及抗干扰技术综述[J].四川兵工学报,2011,32(5):115-119.

[6] 黄晓飞,徐池.卫星通信干扰样式研究[J].航天电子对抗,2011,27(6):17-19.

[7] 李晶,王猛,郑家样.卫星通信系统干扰技术研究[J].舰船电子工程,2007,27(3):77-79.

[8] 熊小兰.通信干扰生成原理及技术[D].武汉:华中科技大学,2006.

[9] 郝东方.卫星通信干扰技术的研究[D].西安:西安电子科技大学,2012.

[10] 石熠.直接序列扩频通信信号的检测与干扰研究[D].西安:西安电子科技大学,2012.

[11] 王法栋,高鑫伟,郑文斌.DSSS调制系统的干扰及效能评估[J].西安通信学院学报,2012,3(11):23-25.

[12] 柴焱杰,孙继银,李琳琳,等.卫星通信抗干扰技术综述[J].现代防御技术,2011,39(3):113-117.

Jamming Effectiveness Analysis of DS/FH Satellite Communication

BO Yuan ZHU Weigang YANG Jun XING Qiang

(Academy of Equipment, Beijing 101416)

Based on introducing the signal flow of work of DS/FH satellite communication system, the paper presents the method of satellite communication jamming and breakthrough point of satellite communication jamming, and then makes the simulation of up chain communication by choosing representative methods of jamming. After dividing the jamming effect evaluation grade, the jamming effectiveness is calculated based on the bit error rate and the jamming effectiveness is calculated to get some meaningful conclusions: comb spectrum jamming is good at jamming theDS/FH satellite communication which can provide some reference for satellite communication jamming.

DS/FH satellite communication system, communicationjamming, biterror rate, jamming effectiveness analysis

2014年5月13日,

2014年6月23日 作者简介:薄远,男,硕士研究生,研究方向:现代信号处理。朱卫纲,女,博士研究生,硕士生导师,研究方向:现代信号处理、空间信息对抗、多传感器信息融合。杨君,男,博士研究生,讲师,研究方向:阵列信号处理及空间谱估计。邢强,男,硕士研究生,研究方向:现代信号处理。

TN927

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.016