第09讲-抗干扰技术.ppt

无线通信工程 姚彦教授厦门大学通信工程系2007年11 12月 第09讲 抗干扰技术 概述噪声及对抗技术干扰及对抗技术军用无线通信的抗干扰 概述 噪声及干扰的影响 除了衰落以外 噪声和干扰是无线通信信道的重要现象 也是传输恶化的重要来源 必须专门进行讨论 噪声及干扰影响的表达式说明 噪声 内部噪声 外部噪声 干扰 加性干扰 乘性干扰 噪声及干扰的分类 噪声 内部噪声指接收机内部的噪声 其噪声谱密度为NfkT0 Nf为噪声系数 k为玻尔兹曼常数 T0为绝对温度 如果噪声系数为1 绝对温度为2900K 接收机带宽为16KHz 则内部噪声的基准噪声功率为 132dBm 在一个实际的无线接收机系统中 还要考虑接收机前端电路引入的噪声 一般用噪声系数描述 噪声系数的引入 也可以等效成噪声温度的提高 即噪声温度从T0提高到Ta NfT0 噪声及干扰的分类 噪声 外部噪声指接收机外部引入的噪声 如 自然噪声 大气噪声 宇宙噪声 太阳噪声等 人为噪声 汽车噪声 电器噪声 放电噪声等 可以把外部噪声折合成接收机的内部噪声 并看成噪声系数的提高 如 在城市中的人为噪声要比基准噪声高15dB 相当于等效噪声系数为15dB 这时内部噪声的噪声功率提高到 117dBm 也可以把外部噪声等效成噪声温度Ta的提高 噪声及干扰的分类 干扰 乘性干扰和有用信号有关的干扰 其干扰强度随有用信号的增加而增加 称之为乘性干扰 即 信号及干扰可以表示为 s t 1 nI t 最典型的内部干扰是由于传播信道的频率选择性衰落而产生的码间干扰 其谱密度可以近似表示为 其中 为码间干扰系数 Eb为每比特的信号能量 噪声及干扰的分类 干扰 加性干扰和有用信号无关的各种干扰 统称为加性干扰 即 信号及干扰可以表示为 s t nI t 根据干扰的不同性质 又可以分为非敌意干扰和敌意干扰 凡是通信方及干扰方不是以对抗为目的 并且相互可以进行协调的 称为非敌意干扰 如 通信系统本身的寄生辐射 组合频率 非线性交调等 以及通信系统之间的邻道干扰 同频干扰 多址干扰等 凡是通信方及干扰方以对抗为目的 并且相互不能进行协调的 称为敌意干扰 敌意干扰属于电子对抗范畴 需要专门讨论 噪声及对抗技术 噪声及接收机灵敏度 噪声对无线传输的影响 表现在接收机灵敏度的恶化 接收机灵敏度有各种表示方法 用输入功率表示 用输入电压表示 用电场强度表示 噪声及接收机灵敏度 用接收机的输入功率表示接收机灵敏度其中fb为传输速率 Nf为噪声系数 Eb N0为归一化信噪比 噪声及接收机灵敏度 用接收机的输入电压表示接收机灵敏度按照无线通信的习惯 接收机输入电压 标称灵敏度 不是以实际的端电压e 2 而是以输出端开路电压e来定义的 若以1 v为基准 则接收机的输入电压为 式中 e以V计 噪声及接收机灵敏度 用接收机的输入电压表示接收机灵敏度 续 电压和功率的关系 实际输入功率 此时 接收机的实际输入功率为e2 4R 若以1W为基准 则实际输入功率为 Pr 10lge2 4R dBw 将式中e用A代入 得Pr A 10lgR 126 dBw 当输入阻抗R 50 时Pr A 143 dBw 或Pr A 113 dBm 噪声及接收机灵敏度 用接收机的输入电压表示接收机灵敏度 续 电压和功率的关系 标称输入功率 但是 根据接收机输入电压 标称灵敏度 的定义 当需要用功率 dBm 表示接收机灵敏度时 其标称输入功率为 噪声及接收机灵敏度 用接收天线的电场强度表示接收机灵敏度电场强度是指接收天线上无线电波的能量密度 通常 电场强度是以长度为1m的天线所感应的电压来衡量 表示为V m mV m或 V m 电场强度和电压的关系 对半波偶极天线而言 其有效长度为 故其感应的电压e应为 式中 E为电场强度 V m 为波长 m 噪声及接收机灵敏度 用接收天线的电场强度表示接收机灵敏度 续 电场强度和电压的关系 由于半波偶极天线的阻抗是73 13 而无线通信接收机的输入阻抗通常为50 两者之间一般设计有阻抗转换用的匹配电路 因此 配以半波偶极天线的接收机的输入电压与场强的关系应为 噪声及接收机灵敏度 用接收天线的电场强度表示接收机灵敏度 续 电场强度和电压的关系 按此类推 对于其它天线 接收机的输入电压为 A E 20lg 11 6 Gr式中 E为电场强度 dB V m 为波长 m Gr为相对于半波偶极天线的增益 若以各向同性的点源天线为准 则 式中 gr为接收天线相对于点源天线的增益 噪声及接收机灵敏度 用接收天线的电场强度表示接收机灵敏度 续 电场强度和功率的关系 由电磁场理论可知 在收发天线均为各向同性辐射的点源天线时 在自由空间传播条件下 天线传递给接收机的输入端功率为 就可以直接求得 外部噪声的进一步讨论 外部噪声又可分为如下两类 自然噪声 包括天电噪声 宇宙噪声 大气噪声 太阳射电噪声和热噪声等 人为噪声 各种工业和非工业射电辐射引入的噪声 外部噪声的进一步讨论 续 人为噪声主要包括 汽车点火系统火花产生的噪声 电力机车或无轨电车等受电弓接触处火花产生的噪声 微波炉 高频焊接机 高频热合机等高频设备产生的噪声 电钻 电动 刮脸刀 霓虹灯广告等电动机 发电机和断续接点器械产生的噪声 高压输配电线及输电配电所的电晕放电产生的噪声 地下铁道运输车辆区域辐射而形成的自动点火噪声 外部噪声的进一步讨论 续 外部噪声的进一步讨论 续 前图表示各种外部噪声的频谱分布情况 图中将噪声分为6种 大气噪声 市区人为噪声 郊区人为噪声 银河噪声 太阳噪声 典型接收机固有噪声 从图可以看出 在超短波频段 特别在大城市中心 人为噪声电平已大大超过自然噪声的电平 成为主要制约实际灵敏度的因素 由于人为噪声电平随频率升高而呈对数线性下降 在微波频段 人为噪声不占主要地位 而自然噪声逐渐成为主要干扰源 对抗噪声的技术 减少接收机的内部噪声 如 降低噪声系数减少接收机的外部噪声 如 工作频段 工作环境 天线方位降低对归一化信噪比的要求 如 纠错 干扰及对抗技术 乘性干扰 由于码间干扰引起的乘性干扰 主要影响是出现误码平台 对抗方法 均衡技术分集技术纠错技术 加性干扰 非敌意干扰 同频干扰 如 蜂窝系统频率再用引起的同频干扰 邻道干扰 如 相邻或相近波道之间由于滤波器不理想引入的干扰 互调干扰 如 发射机 接收机及天馈线的非线性引入的干扰 杂散干扰 如 设备内部的杂散辐射引入的干扰 对抗方法 做好蜂窝系统频率规划 提高滤波器的防护性能 提高放大电路的线性 减少振荡电路的杂散 加性干扰 敌意干扰 举例 目前台湾装备了美军的二种机载电子干扰机EA6B型和EC130H型 干扰频段可以高达18GHz 干扰功率为几千瓦 干扰形式为 宽带及窄带的阻塞干扰 跟踪干扰 假设敌方干扰机距离我台为50公里 采用升空干扰方式 干扰频率为30 88MHz 干扰功率为5KW 干扰机天线增益为10dB 计算出 路由损耗为105dB 以及到达我台的干扰功率为 50dBm 比接收灵敏度要高出60dB左右 所以 必需要考虑对抗阻塞干扰的问题 敌方很容易探测出我方的工作频段 并进行快速跟踪 为此 还必需考对抗跟踪干扰的问题 军用无线通信的抗干扰 什么叫信息战 信息战就是为夺取和保持制信息权而进行的斗争 即是指敌对双方为争夺信息的获取权 控制权和使用权 通过利用 破坏敌方和利用 保护己方的信息 信息系统和信息化武器系统而展开的斗争 说明狭义信息战 军事领域 和广义信息战 经济 政治 科技等领域 以信息技术为核心 由不完善到完善 由初级向高级发展 综合运用信息 信息系统和信息化武器的全面信息对抗 必须有效地利用信息流控制物质流 能量流 实现软杀伤与硬摧毁的有机结合 信息战的内容电子对抗 如 电磁波的侦测与隐蔽 通信干扰与抗干扰 雷达干扰与抗干扰等 网络对抗 如 计算机病毒 软件攻击等 消息对抗 如 加密与解密 消息的收集与欺骗等 特点高度的对抗性极端的机密性应用的综合性对实战环境的依赖性采用新技术的超前性 通信对抗的分类 通信侦察 使用通信侦察设备来探测 搜索 截获敌方的无线通信信号 对信号进行测量 分析 识别 监视以及测向和定位 以获取信号频率 电平 调制方式等技术参数以及电台位置 通信方式 通信特点 网络结构和属性等情报 通信干扰 使用通信干扰设备发射专门的干扰信号 破坏或扰乱敌方的无线通信 是通信对抗的进攻手段 通信抗干扰 在军事通信设备及系统中采用的通信反侦察 反干扰措施 是通信对抗的防御手段 本次讲座重点讨论有关通信抗干扰问题 军事通信的干扰环境 干扰种类设备内部的干扰 如 收发干扰 邻道干扰等 现场非敌意干扰 如 多径干扰 多用户干扰 环境噪声干扰 其它电台的干扰等 现场的敌意干扰 指敌方为电子战需要而施放的干扰 通信抗干扰主要指对抗敌方的有意干扰 敌意干扰的式样阻塞干扰跟踪干扰 通信抗干扰性能 抗干扰性能之一 信号隐蔽性无线信号的隐蔽性单位面积天线 在单位带宽中所能截获的信号功率信号方式的隐蔽性双工方式 调制方式 多路方式 编码方式 同步方式信号参数的隐蔽性特别是与抗干扰有关的参数 如 扩频序列 跳频序列 同步参数 信令参数等 抗干扰性能之二 信号鲁棒性用干扰容限定义PJ PS 条件 设备性能 工作环境 干扰性质 三个层次的条件 即 a 设备性能 如 比特差错率 语音质量 同步及信令性能 网络性能等 可以定一个门限 在此门限以下用户不能接受 b 工作环境 如 单台设备还是多台设备 有无天线抗干扰措施 干扰源是否升空等 c 干扰性质 如 干扰性质 干扰强度 干扰时间等 通信抗干扰方法 频率域采用频率域处理 如 直扩 跳频 跳扩 时间域采用时间域处理 如 瞬时 跳时等 空间域采用空间域处理 如 自适应天线等 其它数字处理如 干扰抵销 纠错编码等 原理框图 频率域之一 直接序列扩频 频率域之二 跳频 原理框图 原理框图 频率域之三 跳扩频 跳扩频增益G N fc fb 时间域 瞬时通信这是潜艇通信常用的方法 先进行信息压缩 然后以很短的时间发送出去 特点 1 隐蔽性好 2 抗干扰能力强 3 信息速率低 4 延时大 非实时业务 跳时通信基本是一个TDM或TDMA系统 时隙不用满 按某种跳时图案在各个时隙上进行跳时 有一定的隐蔽性和抗干扰性 目前使用不多 空间域 定向天线天线波束越窄 电波隐蔽性好 抗干扰性也强 从抗干扰角度 全向天线不如定向天线 采用毫米波频段 天线方向性很好 有利于通信抗干扰 自适应调零天线利用相控阵天线原理 在干扰源方向形成波束的零点 利用数字信号处理技术对干扰信号进行识别和检测 利用自适应技术自动调整天线波束的零点指向 使干扰信号最小 不足 在零点方向形成盲区 影响这个区域内用户的正常通信 直扩系统的干扰容限 模型 公式推导Eb Ps TbN0 FkT Pj W N 1 Ps W得到 N Pj Ps 1 W fb N0 Eb FkTW Ps 条件 信息比特率fb 周期Tb扩频用户数N各用户的功率相等Pi i 1 2 N Ps扩频带宽W干扰功率Pj 带宽W接收机噪声系数F 直扩系统的干扰容限 续 单用户 考虑热噪声结论 无论是多用户干扰还是热噪声干扰都会 吃掉 一些干扰容限 只有在单用户及忽略热噪声的情况下 才可能达到干扰容限的最大值 对下列公式进行讨论 讨论单用户 忽略热噪声多用户 忽略热噪声 抗干扰体制的比较 阻塞干扰可以是窄带 部分带 梳状干扰等 一般跳频优于一般直扩这是因为直扩增益一般都小于滤波器的防护度 跳频最好再加上纠错编码措施某些跳频点碰上干扰 可以通过纠错消除误码 跳频最好再加上自适应调零天线增加对抗特强干扰的能力 跟踪干扰过程 对信号进行侦测 分析 引导干扰机跟上信号 快跳频是对付跟踪干扰