通信抗干扰工程与实践-研究生课程-第二章

1、唐万斌 教授 电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室 2015年年3月月 教学内容 通信抗干扰概述 跳频通信工程与实践 直扩通信工程与实践 - 2 - 通信网络抗干扰基础与应用 通信抗干扰技术的新进展 跳频通信工程与实践 跳频通信基本知识跳频通信基本知识 跳频图案的性能分析与检验跳频图案的性能分析与检验 跳频处理增益对系统能力的影响跳频处理增益对系统能力的影响 跳频信号损伤及其估算跳频信号损伤及其估算 - 3 - 实时频率自适应跳频实时频率自适应跳频 跳频通信抗干扰增效措施跳频通信抗干扰增效措施 跳频通信主要干扰威胁跳频通信主要干扰威胁 跳频体制的特点及适用范围跳频体制的特点及适用范围 4

2、 跳频通信基本知识 跳频通信：通信双方或多方在相同同步算法和伪随机跳频图 案的控制下，射频频率在约定的频率表（集）内以离散频率 的形式伪随机且同步地跳变。 跳频通信系统的抗干扰能力主要体现在抗阻塞干扰和抗跟踪 干扰两个方面 1 2cos ii Stpm tt 原始 信息 跳频 频率 5 跳频通信基本知识 跳频通信系统示意图 6 跳频通信的稳健性 在没有干扰的情况下，定频通信能力比跳频强。 换频时间内不能传输信息，通信效率比定频低； 由于跳频同步误差、各频点灵敏度误差等因素，跳频信号在处理中 收到的损伤更大，使得在无干扰和同等功率条件下跳频通信距离一 般比定频通信距离缩短1/5； 在战场人为有意

3、干扰环境下，跳频通信具有一定的稳健性。 跳频通信装备即使在遇到一定干扰情况下，也能维持相应的通信能 力； 即使跳频通信被有效干扰至通信中断，也迫使敌方付出比干扰定频 通信多得多的代价。 跳频通信以跳频扩展频谱、系统复杂度和信号损伤为跳频通信以跳频扩展频谱、系统复杂度和信号损伤为 代价，换来抗干扰能力的提高。代价，换来抗干扰能力的提高。 7 跳频信噪比与信干比 无线通信必须保证其解调端达到一定的信噪比，才能正确解 调。 对于跳频通信，各频率通道上的噪声、信道衰落、接收灵敏度等不 尽相同，因此各频点上的信噪比可能存在较大的差异； 跳频信噪比中值 DFHP i Di i0 N-1 信噪比 中值 第i

4、个频率被 使用的概率 第i个频点上的 信噪比 8 跳频可用频率 第一种和第二种模型中，各频点的瞬时频谱无交叠。 某个频点上的窄带干扰不会对其他频点产生影响； 组网时发生频率碰撞，只对相应的单个频点形成干扰； 频率利用率相对低。 第三种和第四种模型中，各频点的瞬时频谱出现交叠。 网间干扰更严重 频率利用率更高 9 跳频速率 跳频速率（跳速）：每秒钟射频频率跳变的次数。 低速、中速和高速跳频。 按照绝对跳速划分： 按照跳频速率与信息比特速率的关系划分： 低速跳频低速跳频 100 Hop/s 中速跳频中速跳频 1000 Hop/s 低速跳频低速跳频 中速跳频中速跳频 高速跳频高速跳频 /1 hc T

5、T /1 hc TT /1 hc TT 10 跳频速率 跳频速率的选择 理论上，跟踪干扰是跳频通信的最大克星 跟踪干扰与抗跟踪干扰是对抗双方在速度域上的较量 提高跳速的限制：信道机的反应时间，频率合成器的反应时间，装备成 本等 过高的跳速会引起频谱溅射污染， 降低网间电磁兼容性能；如果采 用敌我双方差异太大的过高跳速， 还容易暴露目标 实践表明，只要能做到正确地 跳频组网和跳频密钥分配，有 效阻止敌方对跳频目标网的侦察 分选，即使跟踪干扰机的反应 速度高于跳频通信的跳速， 也难以实现跟踪干扰 跳频速率是抗跟踪干扰的重要指标，但不是唯一指标！跳频速率是抗跟踪干扰的重要指标，但不是唯一指标！ 11

6、 跳频同步 12 跳频初始同步的需求 跳频初始同步被认为是跳频通信系统的脆弱点跳频初始同步被认为是跳频通信系统的脆弱点 跳频初始同步的抗干扰性能比通信的抗干扰性能更为重要跳频初始同步的抗干扰性能比通信的抗干扰性能更为重要 13 跳频初始同步 跳频初始同步实际上是通信双方或多方消除相互之间频率、时 间二位不确定性的过程。 在预先约定的固定初始频率上定频传输同步信息； 在若干个跳变频率上发送和扫描接收初始同步信息。 为了组网和使用的需要，还有一些勤务信息需要在同步过程中 一并传输。 跳频初始同步建立时间 与工作频段、跳频速率、所用同步频率数、数据速率和同步概率等有关 一般短波跳频初始同步建立时间为

7、秒数量级，超短波及其以上频段跳频 初始同步时间为毫秒数量级或更短 跳频初始同步概率（跳频初始同步可靠性） 跳频初始同步概率是以一定的信道误码率为条件的，否则没有意义。 /() sssf PNNN 14 跳频同步维持 跳频同步维持（保持）时间。 从跳频初始同步建立完成到跳频失步所需时间； 跳频失步一般定义为收发跳之间相对漂移1个（或1/3）跳周期。 跳频同步维持时间与跳周期和时钟稳定度有关。 如跳周期为5ms，时钟稳定度为 ，则同步维持时间为41.66分钟 ，如果按1/3跳周期计算，为13.8分钟； 对于一直传输数据的通信设备，尤其是群路通信设备，需要额外的同步 过程（如若干跳插入一定的同步校正

8、信息），以实现一次同步，长期维 持。 跳频同步的维持性能还影响到跳频链路增益及通信距离。 /(2) kh TT 6 1 10- 15 跳频迟后入网同步 跳频电台工作状态有“在网”和“离网”。 如某电台与主台之间实时时间的误差在规定范围内，则该电台“在网” ，否则“离网”； 跳频电台从“离网”状态进入“在网”状态的同步过程，为迟后入网。 与跳频初始同步不同的是，“离网”电台的实时时间已超出了可以进行 正常跳频初始同步的范围，需要采取特殊的迟入网跳频同步设计。 迟入网跳频同步的三种类型。 点名式：主台采用电子点名的方式检查是否存在“离网”电台，如有， 则在预定的迟入网频率上发迟入网同步引导信息；

9、申请式：“离网”电台在预定的迟入网同步频率上向“在网”电台发迟 入网申请，网内主台收到申请后，则在预定的迟入网频率上发迟入网同 步引导信息 积累式：所有“在网”电台在进行正常的跳频通信过程中，每隔一定的 跳数，在预定的频率上发送一部分跳频同步信息，“离网”电台则在预 定的频率上逐步接收和积累同步信息，等收全所需的同步信息后，即实 现了迟入网。 16 跳频图案 跳频图案指在伪随机码的控制下，射频频率随时间伪随机跳 变的规律，形成时间-频率关系矩阵（时频矩阵）。 跳频图案是敌方侦察和破译的重点目标之一 一方面跳频图案需要呈随机性，一方面需可控。 跳频图案产生的一种原理过程： 17 跳频图案 TOD

10、（Time of Day）是实时时间，PK（Primary Key）是跳 频初始密钥（跳频密钥） TOD与PK运算后即形成一种流动密钥，即一跳一密； 实际中一般预设多组跳频密钥，供使用时选择，但同一跳频网内的 各电台必须使用相同的跳频密钥，跳频密钥的数量应与跳频组网的 数量相对应。 伪随机码序列可以是M序列、m序列、Gold序列、Bent序列 等，由系统要求予以选定。其状态受TOD和PK的控制。 复杂非线性变换 完成伪随机码到频率号一一对应的非线性运算，增加跳频图案的复 杂度； 完成由伪随机码码长到频率控制码码长的转换，一般伪随机码码长 要大于频率控制码码长。 (,) FCWL NNS TOD

11、 PK 18 跳频图案 控制跳频图案的核心是伪随机码 伪随机码一定会重复； 跳频码序列不出现重复的最大序列长度为跳频码序列周期； 跳频图案不出现重复的最长时间为跳频图案周期。 如伪随机码码长为n，跳周期为Th，则跳频图案周期为： 如跳速为200Hop/s，n=32，则跳频图案周期为248.5天；如n=40，则 跳频图案周期为176.7年； 在实际战术使用中，一次通信的时间远小于跳频图案周期，而每次 跳频同步后跳频图案又从新的起点开始重新计算。 2n PRGkhh TPTT 19 跳频图案：对跳频图案的战术技术要求 具有不可递推性 阻止敌方从跳频通信当前频率或若干频率推算出下一个频率； 跳频密钥

12、必须具有可预置性和运算后的流动性； 跳频图案周期必须足够长，一般要求大于数年，也不能在其周期中 有小周期重复； 跳频图案必须具有很好的随机性（功率谱平坦）、一维均匀性（每 个频率出现的概率趋于相等）和二位连续性（任意两个频率连续出 现的概率控制在一定的范围内）。 具有不可逆推性 阻止敌方从跳频通信当前频率或若干频率逆推出跳频图案算法和跳 频密钥。 跳频图案未必需要伪随机码的控制，如差分跳频，但要满足一定的 约束关系。 20 跳频信道 跳频信道 与定频通信中的信道即是频道不同，跳频通信的信道具有多维性， 在同种跳频通信设备和相同跳频体制（跳频控制、跳频同步、调制 方式、工作频段、工作方式等相同）

13、的前提下，要实现跳频通信， 至少频率表、跳频密钥、网号、跳频图案算法等参数要相同，实时 时间（TOD）在允许的误差范围内。 跳频信道至少包含频率表、跳频密钥、网号、跳频图案和实时时间 等参数，对应于一个跳频通信网； 因此可以定义跳频信道是指完成跳频通信所需的信道参数的集合； 在实际中，不同用途跳频通信设备的信道参数内容有所不同，由业 务部门利用专门管理设备规划，并由跳频参数注入器向跳频通信设 备注入，操作员不必知道其具体内容，直接选择跳频信道号即可， 使用方便。 21 跳频实时时间及时差校对 跳频实时时间 TOD是实现跳频同步和控制跳频起点频率的主要参数，其本质是指 各跳频通信设备实现跳频同步

14、所需的机内相对定时。 TOD与物理时间（或作战时间）可以一致，也可以不一致。 只要各跳频通信设备的TOD值在跳频同步允许的相对时差范围内， 就应该能顺利实现跳频同步，同步概率一般可达到95%以上，在允 许的时差以外，也有可能实现跳频初始同步，同步概率较低，但应 可以能实现迟入网同步。 跳频同步允许的时差是描述跳频同步的重要指标之一。根据战术要 求，该时差一般在几分钟到10分钟范围内。 时差校正 作战之前，进行一次人工校正，按照北京时间预置设备的机内时间 跳频通信设备展开后，主要靠设备本身自动校正，如跳频初始同步 、迟入网同步等。 如果跳频同步不依靠TOD方式实现，可以采用卫星授时、战场统一 授

15、时等。 跳频通信工程与实践 跳频通信基本知识跳频通信基本知识 跳频图案的性能分析与检验跳频图案的性能分析与检验 跳频处理增益对系统能力的影响跳频处理增益对系统能力的影响 跳频信号损伤及其估算跳频信号损伤及其估算 - 22 - 实时频率自适应跳频实时频率自适应跳频 跳频通信抗干扰增效措施跳频通信抗干扰增效措施 跳频通信主要干扰威胁跳频通信主要干扰威胁 跳频体制的特点及适用范围跳频体制的特点及适用范围 23 跳频处理增益算法修正 跳频处理增益的原有定义 没有说明 的情况； 可用频率数 与实际频率数 的不同。 从理论上，可用频率数表明了系统潜在的抗阻塞干扰能力，而在实 际工程实践正提到的频率数往往是

16、实际频率数。 跳频处理增益算法修正 min /, FH GWBNfB /NWB min / a NWf GFHW/BNNak k fmin/B 1 , fminB 1 , fminB 1 , fminB 总之，跳频处理增益都应该等于可用频率数，如果用总之，跳频处理增益都应该等于可用频率数，如果用 实际频率数计算，需要乘以修正因子。实际频率数计算，需要乘以修正因子。 24 跳频处理增益对系统能力的影响 跳频处理增益对抗阻塞干扰能力的影响 在系统发射功率和组网能力一定的条件下，系统的抗阻塞概率主 要依赖于跳频处理增益； 理论上，需要有效阻塞跳频通信 频率表的N个频率才能达到与干扰 定频通信同样的效

17、果。 实际上， 和 时，抗阻塞干扰能力一般小于各自 跳频总带宽或总频率数的1/3， 时还要低。这就是跳频 干扰容限。 在实际工程中，由于跳频通信的频率集一般是固定不变的，在受 到阻塞干扰时，系统仍盲目地往干扰频点上跳，形成“盲跳频” 现象。需采用其他增效措施，如自适应跳频等。 跳频处理增益算法修正 25 跳频处理增益对系统能力的影响 跳频处理增益对抗跟踪干扰能力的影响 理论上，跳频处理增益与系统的抗跟踪干扰和组网能力没有直接 的关系；跳频通信的抗跟踪干扰能力主要与跳速、组网能力、跳 频图案和跳频密钥等因素有关； 实际上，较大的跳频处理增益有利于提高抗跟踪干扰能力：一方 面跳频频率数越多，敌方对

18、跳频信号的侦察分选越困难；另一方 面，跳频频率数越多，迫使干扰机有更大的干扰带宽和更大的频 率集。 跳频处理增益对组网能力的影响 无论采用何种跳频组网方式，都要求有足够的频率数量，这是实 现跳频组网的基本前提。 因此跳频频率数越多，越有利于跳频组网和跳频同步。 跳频处理增益算法修正 26 跳频处理增益对系统能力的影响 跳频处理增益对反侦察性能的影响 通信的反侦察性能主要体现在低检测概率性能、低截获概率性能 和低利用概率性能等方面； 低检测概率（LPD：Low Probability Detect）性能是指信号能否被 敌方侦察接收机发现的性能。一般而言，由于跳频信号射频跳变 特征明显，因此它基本

19、不具备低检测概率性能； 低截获概率（LPI：Low Probability of Intercept）性能是指信号在被 敌方侦察接收机发现的基础上，其信号特征和技术参数能否被分 析和识别的性能。跳频信号的LPI性能与跳频图案设计、同步信号 伪装设计、频率表设计、跳速设计、频率间隔设计、组网能力和 参数管理等诸多因素有关，增大跳频处理增益，提高跳频率点数 ，有利于提高LPI性能； 低利用概率（LPE：Low Probability of Exploit)性能是指信号被侦察 截获后，其携带的信息和情报能否被还原和获取的性能。从狭义 上讲，LPI性能是针对射频而言，LPE系能是针对基带信息而言， 因

20、此跳频信号对LPE没有贡献，但从广义上讲，跳频信号具有良好 的LPI性能，把住了射频关口，间接提高了LPE性能。 跳频处理增益算法修正 跳频通信工程与实践 跳频通信基本知识跳频通信基本知识 跳频图案的性能分析与检验跳频图案的性能分析与检验 跳频处理增益对系统能力的影响跳频处理增益对系统能力的影响 跳频信号损伤及其估算跳频信号损伤及其估算 - 27 - 实时频率自适应跳频实时频率自适应跳频 跳频通信抗干扰增效措施跳频通信抗干扰增效措施 跳频通信主要干扰威胁跳频通信主要干扰威胁 跳频体制的特点及适用范围跳频体制的特点及适用范围 28 跳频图案的性能分析与检验 跳频图案的性能主要涉及到跳频图案周期、

21、跳频图案复杂 度和跳频图案的随机性等指标。 跳频图案复杂度分析 工程上常采用基于移位寄存器的二进制伪随机码序列来产生跳频 码序列。为了克服线性序列容易被破译的弱点，应考虑采用非线 性反馈循环移位伪随机序列作为基础序列。 第一类非线性变换复杂度：产生伪随机码序列的复杂度。 第二类非线性变换复杂度：复杂非线性变换的复杂度。 跳频处理增益算法修正 29 第一类非线性变换复杂度分析 12 ,2 () n N A AANn为移位寄存器的长度 12 , i iiiN aaa i N 30 第一类非线性变换复杂度分析 以n=7,m=3,包含8个频点的跳频码序列为例。 序列种类序列种类计算复杂度的伪随机序列计

22、算复杂度的伪随机序列序列长序列长复杂度复杂度 伪随机序列m序列44007 M序列4085127 跳频 码序 列 m序列不考虑“TOD+1”44007 考虑“TOD+1”30081506 M序列不考虑“TOD+1”4085127 考虑“TOD+1”30081502 非线性伪随机码序列的复杂度远远大于线性序列；非线性伪随机码序列的复杂度远远大于线性序列； 考虑考虑TOD的因素，复杂度进一步提高。的因素，复杂度进一步提高。 31 第二类非线性变换复杂度分析 第二类非线性变换是一个n-bit到m-bit频率控制字的变换。 有一定的非线性复杂度； 对跳频码序列的随机性、均匀性等性能不造成太大的影响。 工

23、程上常采用两种方法： 直接位变换法：对伪随机码序列进行一系列按位进行的线性、非 线性复合运算；（变换复杂度为按位进行变换的步数的累加） 非线性转移矩阵法： （变换复杂度为转移矩阵行数与列数之积，单位：步） N 1m L1nTn m 非线性 转移矩 阵 32 跳频码序列综合复杂度分析 定义表征跳频码序列综合复杂度的量纲为“级步”，数 值等于第一类变换复杂度与第二类复杂度的数值之积。 序列序列 种类种类 序列产生方法序列产生方法 复杂度复杂度 一类变换 （级） 二类变换 （步） 综合 （级步） 跳频 码序 列 m序列+ 直接位变换7150627284634 非线性转移矩阵73=21221382 M

24、序列+ 直接位变换1271502275150358 非线性转移矩阵73=214005834 基于线性伪随机序列产生的跳频码序列经第二类非线性变换后，其综基于线性伪随机序列产生的跳频码序列经第二类非线性变换后，其综 合复杂度有一定的提高，对于两种第二类非线性变化，复杂度没有数合复杂度有一定的提高，对于两种第二类非线性变化，复杂度没有数 量级的变化；量级的变化； 虽然第二类非线性变换的转移矩阵法的复杂度比直接位变换法的复杂虽然第二类非线性变换的转移矩阵法的复杂度比直接位变换法的复杂 度小，但它有利于数学分析，且易于扩展；度小，但它有利于数学分析，且易于扩展； 非线性移位寄存器序列非线性移位寄存器序

25、列+复杂非线性变换产生的跳频码序列的线性复复杂非线性变换产生的跳频码序列的线性复 杂度较大，模拟表明，杂度较大，模拟表明，n=32时，其综合复杂度可达到时，其综合复杂度可达到100亿数量级。亿数量级。 33 跳频码序列的均匀性检验 ()1/ 2m i P X 2 1 (,)1/ (2 ) m ii P XX 2 2 1 () k ii i i fmp mp - 分布概率 统计次数事件出现频率 34 跳频码序列的随机性检验 为了保证跳频图案具有不可递推性，希望跳频图案具有较 好的随机性。 理想随机码序列的功率谱是平坦的（白色的），而伪随机 码序列的功率谱有波动，跳频码序列的功率谱越平坦，随 机性

26、越好。 功率谱估计的方法很多，包括： 相关函数法 最大熵估计法 最大似然法 周期图法 (/ 2)(/ 2)KNLL- 分段 xi(n) x(i(L/ 2)n)W d(n) 1 2/ 0 ( )( ) M jkn M ii n X kx n e - - 21 ( )( ) xxi SkX k K 加窗 离散傅里叶 变换 求平均功率 跳频通信工程与实践 跳频通信基本知识跳频通信基本知识 跳频图案的性能分析与检验跳频图案的性能分析与检验 跳频处理增益对系统能力的影响跳频处理增益对系统能力的影响 跳频信号损伤及其估算跳频信号损伤及其估算 - 35 - 实时频率自适应跳频实时频率自适应跳频 跳频通信抗干

27、扰增效措施跳频通信抗干扰增效措施 跳频通信主要干扰威胁跳频通信主要干扰威胁 跳频体制的特点及适用范围跳频体制的特点及适用范围 36 跳频信号损伤产生原因分析 在获得同样通信性能的情况下，定频通信距离比跳频通信 距离远，即“跳频损伤”。 在理想情况下，当跳频通信系统以相同的信号功率和信息 速率工作于跳频或定频工作方式时，对相同的误码率指标 要求，二者的通信距离相同，不存在跳频损伤。 以BFSK调制为例，如果理想同步，无换频时间，跳频带宽内各频 点的发射功率和衰落相同，则 0 0 ( )2sin(), ( )2sin() nn n s tpttdt s tptdt 跳频 ，定频 FH( ) FH

28、-1( ) 1 解跳传输函数跳频传输函数 37 跳频信号损伤产生原因分析 但存在如下的实际约束，使得跳频损伤不可避免： 频率切换时间（包括频率合成器和信道机的频率跳变） 非理想同步 在整个跳频带宽内，各跳频点上的信号功率波动 各个频率点上的接收灵敏度不同 . 换频时间主要由频率合 成器、滤波器、功放等 器件的响应速度所决定。 过于陡峭的上升和下降沿 难以工程实现； 如果切换时间过短，造成 频谱溅射，对其他网台将 形成干扰 hdwswdwderf TTTTTTT 38 跳频信号损伤产生原因分析 由于换频时间的存在，跳频通信系统必须在驻留时间内把 整个跳周期的信息传输完毕。根据数据平衡原理，一个实

29、 际的跳频通信系统必须满足： 定义跳频数据平衡比： 由于如下的原因，平衡比将更小： 需要加入一些关于管理和控制的勤务信息； 为了提高可靠性，有时再驻留期的两端留有一定的保护时隙。 R b ThR c Tdw 跳频信息比特速率原始信息比特速率 1 bdw ch RT RT 当以相同的功率、通信距离分别工作于定频或跳频工作方式时，跳频当以相同的功率、通信距离分别工作于定频或跳频工作方式时，跳频 中每比特的信号能量必然小于定频信号的每比特信号能量；中每比特的信号能量必然小于定频信号的每比特信号能量； 39 跳频信号损伤比的理论估算 111 222 / / rbrb rcrc p TpR p TpR

30、定频 跳频 1 2 br rc Rp pR 22 2 222 10lg()10lg10lg10lg (4 )(4 ) ttrtr f r pGGGG Ld pd - - 2 1 1/ b c Rd dR 40 跳频信号损伤比的理论估算和工程测量 如计算跳频通信系统的损耗： 上式计算仅仅考虑频率切换的非理想性造成的系统损耗，没有考 虑同步误差，功率波动，接收灵敏度等因素，因此可称为跳频通 信系统损耗的下界。 在实际工程测量中，可以通过如下两种方法进行跳频信号 损伤的测量： 室外测量 室内测量 20 10 /1 (dB)10lg()10lg()10lg( ) / rc s rb pNR L pNR

31、 跳频通信工程与实践 跳频通信基本知识跳频通信基本知识 跳频图案的性能分析与检验跳频图案的性能分析与检验 跳频处理增益对系统能力的影响跳频处理增益对系统能力的影响 跳频信号损伤及其估算跳频信号损伤及其估算 - 41 - 实时频率自适应跳频实时频率自适应跳频 跳频通信抗干扰增效措施跳频通信抗干扰增效措施 跳频通信主要干扰威胁跳频通信主要干扰威胁 跳频体制的特点及适用范围跳频体制的特点及适用范围 42 实时频率自适应跳频 如何进一步提高跳频的干扰容限和抗阻塞干扰能力？ 由于可用频率资源和系统带宽的限制，难以做到更高的跳频处理 增益； 盲跳频问题。 自适应跳频技术（AFH） 跳频频率表自动扫描建立

32、跳速AFH 数据速率AFH 频率AFH 功率AFH 实时频率AFH：通过相应的自适应算法，在跳频通信过程 中自动探测和删除受干扰频点，使系统在无干扰或若干扰 频点上跳频，从而提高系统的抗阻塞干扰能力。 43 实时频率自适应跳频 实时频率AFH基本处理过程 干扰频率检测与估计； 受干扰频点删除与替代； 通知与应答。 44 实时频率自适应跳频 受干扰频率检测与估计 典型的基于二元假设的检测与估计问题； 已知发射信号S(t)有M个状态（M个假设），对接收的信号（样本 值）进行处理（在时间范围0，T）,根据某个准则，作出判决哪 个为真，且可得到此判决为正确的概率。 45 假设检验的一个简单例子 Sou

33、rceSource H H1 1 H H0 0 +1+1 -1-1 + + n n TransitionTransition MechanismMechanism ObservationObservation SpaceSpace 46 假设检验的一个简单例子 信源 当假设H1为真时，产生信号+1； 当假设H0为真时，产生信号-1。 概率转移机制 一个独立随机变量n加在源输出上，该随机变量的概率密度为： 1/2 1/41/4 +1-10 N pn(N) 47 假设检验的一个简单例子 1/2 1/41/4 +1+20 N pr|H1(R|H1) 1/2 1/41/4 -1-2 0 N pr|H0

34、(R|H0) 在本课程中都假在本课程中都假 设观察空间是有设观察空间是有 限维的，这也是限维的，这也是 经典检测理论研经典检测理论研 究的范畴。究的范畴。 这里观察空间为：这里观察空间为： -2,-1,0,1,2 48 假设检验的一个简单例子 建立一个判决规则，使得观察空间中的任意点都 对应一个特定的假设。 Z0 Z1 观察空间 判决H0 判决H1 49 二元假设的贝叶斯检测算法 1 1 01000 0 010111 0 ()() () ( ) ()() () D p x HP HCC x p x HP HCC D - - 寻求一种对样本空间的划分，使得判决的风险最小，这个 判决准则即成为贝叶

35、斯准则。(Bayes criteria) 如先验概率 未知，代价 ，则为最大后验概 率准则： 0 ()P H 00110110 ,CC CC P(H0 x) P(H1 x) 50 实时频率自适应跳频 受干扰频率的替代算法 从当前频率表中选取无干扰频率或若干扰频率替代； 从备用频率表中选取理想的频率。 都要求保持跳频图案算法的随机性和均匀性。 受干扰频率报告与应答 条件：在频率表中至少有一个或几个以上频率没有干扰 保证可靠信令传输，采用高冗余编码等 其他工程问题 单工和双工的实时频率AFH处理 实时频率AFH处理的准确性 同步过程对严重干扰的处理 受干扰频率数量超过AFH抗阻塞能力的处理 实时频

36、率AFH抗截获技术 51 实时频率自适应跳频性能分析 干扰容限 在实时频率AFH中，能处理的受干扰频率数为： 此时的跳频干扰容限与跳频处理增益不构成直接的关系，也突破 了常规跳频“三分之一频率数”干扰容限的范围。 受干扰频率的处理时间 指从检测某个频率收到有效干扰到该频率受干扰信令正确传输完 毕所需要的时间。 该时间为一个随机变量，与频率检测算法、跳频频率数、受干扰 频率数等因素有关。 该时间包括三个部分： 1 j NN- 123j TTTT 检测时 间 应答时 间 信令传 输时间 52 实时频率自适应跳频性能分析 受干扰频率的处理时间 最大的检测时间： 最大的信令传输时间（假设只要一跳收到即

37、可，最多有N-1跳受干 扰） 最大应答时间： 在受干扰频点数为J时， 123j TTTT T 1max N L Th T2m ax N Th T 3max N Th Tj max N L Th2(J1)Th Tj min N L Th2Th 53 实时频率自适应跳频性能分析 P(-1)k-1Ck i (1- J N )P j i1 k i 未受干扰频率正确传 输的概率 (1) jj J PP N - 54 实时频率自适应跳频性能分析 自适应收敛时间 仿真条件：跳数为250Hop/s，无干扰信道传输概率为1。 0.811.21.41.61.822.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

38、0.6 0.7 0.8 0.9 1 log(T) P N=16,J=10 N=16,J=15 N=32,J=10 N=32,J=15 N=64,J=10 N=64,J=15 收敛时间受频率总数和受干扰频率数有较大的影响。收敛时间受频率总数和受干扰频率数有较大的影响。 55 实时频率自适应跳频性能分析 抗阻塞干扰能力 不考虑噪声等对跳频系统误码率的影响，AFH系统的近似误码率 为： 相对于常规跳频，AFH的干扰容限增益为： AFH抗阻塞干扰能力的提高是以增大频域和时域资源抗阻塞干扰能力的提高是以增大频域和时域资源 开销为代价。开销为代价。 0.5 j ea JN P N - 0.5 ec J P

39、 N (10/3) (/) Mj GNN 010203040506070 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Nj （N=64, J=63） 误码率 AFH FH 跳频通信工程与实践 跳频通信基本知识跳频通信基本知识 跳频图案的性能分析与检验跳频图案的性能分析与检验 跳频处理增益对系统能力的影响跳频处理增益对系统能力的影响 跳频信号损伤及其估算跳频信号损伤及其估算 - 56 - 实时频率自适应跳频实时频率自适应跳频 跳频通信抗干扰增效措施跳频通信抗干扰增效措施 跳频通信主要干扰威胁跳频通信主要干扰威胁 跳频体制的特点及适用范围跳频体制的

40、特点及适用范围 57 跳频通信主要干扰威胁 干扰的分类 人为干扰与自然干扰，有意干扰与无意干扰； 从技术上分为跟踪干扰、阻塞干扰和多径等其他干扰。 跟踪干扰 是一种相关干扰，干扰信号特征与跳频通信信号特征吻合或部分吻合 ，只是干扰的调制信号可以是热噪声、脉冲等。 根据实现途径的不同，分为波形跟踪干扰、引导跟踪干扰和转发跟踪 干扰。 波形跟踪干扰 原理：先在众多跳频网台信号中分选出欲干扰的跳频网，然后破译其 跳频图案，得到跳频通信频率的跳变规律以及跳频信息，最后按其规 律在每个跳频频率驻留时间内，同步地施放窄带瞄准干扰。从时间和 频谱上都与跳频通信每一跳的信号相重合，实现对波形的准确跟踪。 优点

41、：干扰功率集中，干扰的时间效率高，可达100%; 缺点：需要侦察的先验知识多，不易实现。目前未见使用波形干扰机 的报导。 58 跳频通信主要干扰威胁 引导跟踪干扰 原理：只要出现一个跳频通信频率，立即引导干扰机在该频率上实施 干扰，侦察和引导干扰均在跳频通信的一个驻留时间内完成，或先侦 察和存储需要干扰的跳频通信频率，然后只要这些频率出现，则引导 干扰机实施干扰。 优点：不需破译跳频图案和进行网台分选，技术简单； 缺点：由于侦察和引导需要占用时间资源，只能在驻留时间的后一部 分进行干扰，效率可达7080%。 在跳频技术实现时，尽量将有效信息安排在驻留时间的前一部分，后 一部分尽量留出保护时隙；

42、提高跳速。 转发跟踪干扰 原理：将接收的跳频信号进行放大，并增加额外的噪声调制信号，再 发送出去。 优点：不需破译跳频图案和进行网台分选，技术简单； 缺点：接收、处理、转发全部过程时间需小于驻留时间，实际中由于 通信频段信号复杂，大部分功率将被无用信号消耗，效果不佳。 59 跳频通信主要干扰威胁 阻塞干扰 同时覆盖全部跳频通信频率或部分通信频率的干扰方式，为一种非相 关干扰。 分为宽带或部分频段阻塞干扰、梳状阻塞干扰、跳变碰撞阻塞干扰和 扫频碰撞阻塞干扰等类型； 宽带或部分频段阻塞干扰 原理：先侦察欲干扰的跳频通信的最低、最高频率，再对跳频通信的 全频段或部分频段进行无缝隙的固定或轮流功率压制

43、干扰。 优点：不需太多的先验知识，实现简单，能获得较好的干扰效果； 缺点：容易干扰己方通信，干扰功率不够集中，一般要采用功率合成 甚至空间功率合成技术。 60 跳频通信主要干扰威胁 梳状阻塞干扰 原理：在获得跳频通信频段信息的基础上，还需知晓跳频通信频率表 的频率间隔，然后按照频率间隔，针对全部或部分通信频率同时进行 固定或轮流的多频点窄带瞄准干扰，而非无缝隙的频谱覆盖。 优点：落在各通信频率上的干扰功率更为集中，实现简单； 缺点：需要的先验知识更多。 跳变频率阻塞干扰（频率捷变干扰） 原理：在获得跳频通信频段信息的基础上，采用比跳频通信高得多的 跳速，在跳频通信的全频段或部分频段进行高速、均

44、匀的伪随机跳变 ，以实现对各跳频频率的碰撞干扰。 优点：干扰功率的利用率高； 缺点：不能形成时间连续的阻塞干扰，突发错误长度为碰撞干扰时间 扫频阻塞干扰 原理：在获得跳频通信频段信息和频率间隔的基础上，在跳频通信的 全频段或部分频段，按照跳频通信的频率间隔，由频率低端到高端进 行扫描式干扰。 61 跳频通信主要干扰威胁 多径干扰 同一信源经过多条路径或多次反射、散射后形成的多径信号到达同一 接收点的时间（相位）不同而造成的干扰。 多径信号对跳频通信的干扰主要体现在本跳信号经多径传输后先后落 入接收端的本跳或后继相同频率的驻留时间内，形成干扰。 对于常规的中低速跳频通信，多数多径信号的时延远小于

45、跳频周期， 多径信号会落入本跳的驻留时间内。 其他干扰 民用无线电信号 工业干扰 自然干扰 跳频通信设备与其他军用通信、雷达、导航等设备之间的干扰 实践表明，除了人为有意干扰，在常用短波、超短波和微波频段，背 景噪声（干扰温度）逐步增大，电磁环境呈现出一种非合作的不断恶 化的趋势。 跳频通信工程与实践 跳频通信基本知识跳频通信基本知识 跳频图案的性能分析与检验跳频图案的性能分析与检验 跳频处理增益对系统能力的影响跳频处理增益对系统能力的影响 跳频信号损伤及其估算跳频信号损伤及其估算 - 62 - 实时频率自适应跳频实时频率自适应跳频 跳频通信抗干扰增效措施跳频通信抗干扰增效措施 跳频通信主要干

46、扰威胁跳频通信主要干扰威胁 跳频体制的特点及适用范围跳频体制的特点及适用范围 63 跳频通信抗干扰增效措施-抗跟踪干扰 提高跳频组网及战术使用能力 提高跳频通信的反侦察能力； 提高跳频网系应用能力； 跳频佯动、跳频表优化设置等战术应用手段。 适当提高跳速或采用变速跳频策略 在单网使用或点对点使用时，跳频速率必须高于敌方跟踪干扰机的最 高跳速，称为安全跳速； 在网系工作条件下，跳速低于安全跳速，同样可以抵抗跟踪干扰，但 跳速高于安全跳速最好； 跳速或驻留期伪随机变化，有利于破会敌方的侦察和跟踪，但也涉及 一系列的技术问题，如同步、变化率等。 提高跳频图案的技术性能和使用水平 跳频图案的设计应该使

47、敌方难以从当前一段时间的频率跳变预测未来 频率跳变规律； 使用中，要正确设置、运用和区分训练跳频图案和作战跳频图案，并 且作战跳频图案应采用多种算法。 64 跳频通信抗干扰增效措施-抗阻塞干扰 采用空闲信道搜索技术（Free Channel Search） 在通信之前，收端扫描约定的频率探测信号，分析各频率质量，删除 被干扰频率，组成无干扰或弱干扰频率构成的跳频频率表； 信道扫描时间较长；系统在FCS和跳频通信两个状态转换，可能造成 通信中断； FCS与通信方式的适应性设计（如双工或半双工）；FCS的快速性设 计，保证快速键链；FCS的隐蔽性设计；FCS探测结果的均匀性设计 ，保证较为均匀的跳

48、频频率表。 应用实例：法国的PR4G超短波跳频电台、瑞典的RL-400系列跳频接 力机 采用实时频率/功率自适应跳频技术 制约常规跳频抗阻塞干扰的瓶颈：“盲跳频”和“三分之一”干扰策 略； 实时检测和删除干扰频率； 实时频率AFH与功率AFH相结合。 65 跳频通信抗干扰增效措施-抗阻塞干扰 采用频域、时域二维处理技术 在时域上固定频域上不固定，或频域固定时域不固定，以及时频域都 不固定的阻塞式干扰为动态阻塞干扰； 如在时、频二维域上检测干扰存在的信息，在接收端进行二维联合检 测和处理，提高系统性能。 自动更换频率表技术 当跳频通信系统在当前频率表上工作达到极限状态，系统自动产生并 更换另一张

49、新的工作频率表，以摆脱当前的阻塞干扰； 可认为是实时频率AFH的一种扩展； 需要考虑：对新频率表自动生成，不能占用太多的系统资源，注意频 点分布的均匀性；新频率表自动更换的判决和更换的时机。 利用频率冗余设计技术 用多个频率（多跳）传输相同的信息； 受数据速率和跳速的限制，以牺牲数据速率或提高跳速为代价； 66 跳频通信抗干扰增效措施-抗多径干扰 抗多径干扰 理论上，提高跳速，使驻留时间小于多径时延；或者采用频率冗余设 计； 但多径时延在陆地移动通信系统中为微秒量级，在短波天波为毫秒量 级，进一步提高跳速非常困难； 其他措施：如直扩/跳频混合体制，时频域均衡技术，交织纠错技术以 及多种分集技术

50、。 提高功率对抗多径干扰无作用。 67 跳频通信抗干扰增效措施-共用增效措施 选择合适的调制方式 调制方式的选择：信道特性、适应频率跳变、瞬时带宽窄、频率利用 利用率高； 接收机AGC作用有限，宜采用恒包络调制，如FSK； 由于不易提取相干载波，宜采用对频差、相差不太敏感的非相干解调 方式； 常见调制方式：FSK、GMSK、 -QPSK、MCPM等。 宽间隔跳频技术 任一对时间相邻的两个跳频频率之间的频率间隔必须大于某个固定值 ，以避免连续出现的频率同受干扰，便于纠错处理，提高系统误码率 性能； 核心问题是宽间隔跳频码序列的生成，由于有了宽间隔的约束条件， 下一跳频率只能从整个跳频频率集的子集

51、中选取，所以随机性能会受 到影响，跳频图案的周期性也会受到影响。 /4 68 跳频通信抗干扰增效措施-共用增效措施 增加可用跳频频率数 针对抗阻塞干扰，提高抗跟踪干扰能力； 理论上，在干扰频率数和跳频可用频率数一定的情况下，增加干扰功 率将不再增加干扰效果； 增加跳频带宽； 在频率资源一定的情况下，采用高效调制或降低数据速率，压缩瞬时 带宽，增加可用频率数。 采用变间隔跳频技术 目前大多数跳频通信设备都采用等间隔跳频方式，给敌方的侦察和干 扰带来了方便； 把频率间隔设计为不相等，或不成整数倍关系，有望打破敌方的侦察 和干扰体制。 69 跳频通信抗干扰增效措施-共用增效措施 采用交织与纠错技术

52、属于信道编码的范畴，可有效解决随机错误和突发错误，达到时间（ 频率）分集的效果； 交织深度越大，编码速率越低，纠错能力越强，误码率越低，处理时 延越大。 采用功率对抗策略 在功率自适应跳频的基础上，进一步加大功率，以提高抗认为有意干 扰的性能，即硬抗能力； 如干扰方突破了跳频通信网的多重防线，最终对抗双方体现为功率域 上的较量，“狭路相逢勇者胜”； 在使用中，无论是自适应调整功率或者是人工调整功率，都应遵循一 个原则：在可以通信的条件下，发射功率越小越好，以提高己方的网 间电磁兼容性能和对敌形成低截获概率信号。 70 跳频通信抗干扰增效措施-共用增效措施 采用低数据速率传输手段 在相同的信道容量、发射功率、通信体制及抗干扰体制、电磁干扰环 境下，传输的数据速率越低，每比特的信号能量越大，接收信噪比越 高，抗干扰能力越强； 有利于抗多径干扰； 有利于增加跳频频率数； 但以提供维持战场各作战单元基本运转所需的信息量为原则。 采用直扩/跳频混合体制 在反侦察和抗干扰方面，由于采用了直扩，跳频瞬时频率的功率谱明 显降低，增加了敌方侦察的难度； 但在频率资源一定的情况下，直扩/跳频体制的处理增益没有提高； 由于可采用多径分集，抗多径干扰能力明显提高。 其他增效措施 盲源分离、自适应干扰抵消技术、多波束智能天线、跳频参数战场管 控技术等。 71 跳频通信抗干扰增效措施-小结 电子反电