直接序列扩频通信完整系统抗干扰性能分析

1、直接序列扩频通信系统抗干扰性能分析在现代战争中，通信对抗扮演着越来越重要的角色。随 着计算机技术、微电子技术等大量高新技术的应用，军事通 信获得了长足的发展，尤其是跳频、扩频等一些新的通信手 段应用之后，使得通信频谱越来越宽，通信的反侦察、抗干 扰能力越来越强，迫使各国加紧对通信对抗技术以及装备的 研制。直接序列扩频通信由于其优良的多址接入、低截获概 率、抗干扰和强保密等特性，使得它在军事通信、卫星通信 和民用领域得到了广泛应用。在电子对抗中，对扩频通信的 有效干扰成为制胜关键。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。第一章 研究背景介绍1.1 直扩通信研究背景 现代战争首先是电子战，在电子战中失去优势的一方

2、， 将导致通信中断，指挥失灵等，从而丧失战争主导权。两次 海湾战争，前南斯拉夫战争以及阿富汗战争都是很好的佐证。 因此，通信对抗作为 C4ISR 系统的核心，越来越受到各国的 重视。通信对抗属于电子对抗，它包括通信侦察、通信干扰 等主要对抗措施。通信对抗的目的在于：侦收和截获敌方信 息，测量有关技战术参数；采用各种干扰方式阻止敌方正常 通信并抑制敌方对我方的干扰，保证我方通信系统有效工作。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。1 扩频通信作为新型的通信方式，具有优良的抗干扰、抗衰落 和抗多径性能及频谱利用率高、多址通信等诸多优点，并被 广泛地应用于军事通信领域，极大地提高了通信系统的抗截 获和抗干扰能力。因此

3、，扩频通信系统成为干扰方的首要作 战目标，同时，扩频通信的抗干扰、抗截获、抗侦破特性给 干扰方带来了巨大的困难。为取得现代电子战的胜利，针对 扩频通信系统研究高效的干扰方式，如何有效的干扰成为取 得现代电子战胜利的重要一环，对战时通信对抗具有重要意 义。 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。1.2 直扩通信的军事应用情况1）直扩通信技术在舰艇卫星通信系统上应用广泛。国 外舰艇卫星通信系统和国内舰艇卫星通信系统均采用码分 多址通信方式，使用 C 波段。这样网络组织与撤收灵活，通 信质量高，频道使用少。从目前使用看，这种方式充分发挥 了直接序列扩频通信的特点，是扩频通信应用成功的范例。 另外，美军使用的联合战术

4、信息分发系统也使用直接扩频技 术，主要用于在战术作战环境中进行抗干扰、发布保密数字 信息，具有容纳用户数多和交互数据量大的特点，能快速保 密地交换指挥控制信息和敌方战术设备的状态参数。 酽锕极額閉镇 桧猪訣锥。2）直扩通信技术在军用战术移动通信电台、数据分发 系统中发挥重要作用。 1996 年美军演示了 SICOM公司研制的2 一种新型 HF直扩收发信机， 工作频率为 l-30MHz ，扩频带宽 1.5MHz，能抗多径效应和干扰， 能以 58kb s 速率传送数据、 话音、彩色电视信号。该电台适用于指挥、控制、远程通信 和情报，通信距离达到 1600km，信号谱密度低，几乎不能被 截获。 彈贸

5、摄尔霁毙攬砖卤庑。1.3 国内外对直扩系统干扰技术的研究现状 对于直扩信号的干扰大体可以分为两类，一种是压制式 干扰，包括窄带噪声干扰、单音和多音干扰、脉冲干扰、梳 状谱干扰等；二是欺骗式干扰，指发射或者转发在幅度、频 率或者相位上做了调制的脉冲波或连续波信号，以扰乱或欺 骗敌方的接收机，使其得到虚假信息，做出错误的判断。其 特点是干扰信号和目标信号具有某些相似的特性。欺骗型干 扰可以分为仿真欺骗和模拟欺骗。模拟欺骗包括，各种语音 调制（ AM， FM，SSB），数字调制（ 2ASK，2PSK， QPSK等）及 扩频的调制（ BPSK-DS） 。 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。欺骗式干扰在频域上是瞄准

6、的，它的中心频率与通信信 号是重合的，在时域上分为应答式和转发式。模拟欺骗干扰 又称为相关欺骗干扰，模拟欺骗干扰的实现方法有两种，其 一是应答式欺骗干扰，其二是转发式欺骗干扰。应答式欺骗 根据侦察引导系统的引导参数，产生相应的欺骗干扰样式； 转发式欺骗干扰是将收到的目标信号进行适当的加工后，发 射出去。 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。3综上所述，对直接扩频通信干扰的效果分析和评价就显 得非常必要，并具有重要的意义，它将为新一代通信干扰机 的研制奠定理论基础。 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。第二章 直接序列扩频通信原理与抗干扰方法2.1 直接序列扩频通信基本原理直 接 序 列 扩 频 通 信 系 统 (Dire

7、ct Sequence Spread Systerm) ，DSSS简称直扩系统， 是目前应用较为广泛的扩频 通信系统。直接序列扩频通信系统是将要发送的信息用伪随 机序列扩展到一个很宽的频带上去。而在接收端，用与发射 端扩展使用的一样的伪随机序列来解扩接收到的扩频信号， 恢复出原始的信息。它的发射部分原理框图如图 2.1 所示。 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。 在收到发射信号后，接收机要用一个和发射机中的伪随机码 同步的本地码，对接收信号进行相关处理，这一处理过程常 常称为解扩，解扩后的信号送到解调器，解调后就可以恢复 出原始发射信息，接收部分原理框图如图2.2 所示 。 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。42.2

8、 直接序列扩频通信系统的基本调制方式 由直扩通信系统的基本原理可知，在扩频系统中，扩频 信号是通过载波调制后发送到信道中去的。在直接序列扩频 通信系统中，通常采用的调制方式，有如下几种： 預頌圣鉉儐歲龈讶 骅籴。(1) 二相相移键控 (Binary Phase Shift Keying ，BPSK)： 它是扩频系统中最常用的一种调制方式。 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。(2) 四相相移键控 (Quadrature Phase Shift Keying ， QPSK)：它是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。(3) 偏移四相相移键控 (Offset QPSK)，是 QPSK的改进

9、5型。2.3 直扩通信系统中的扩频码类型在直扩通信系统中 , 扩频码的选择至关重要。它关系到 系统的抗多径干扰、抗干扰的能力 , 关系到信息数据的保密 和隐蔽 , 关系到捕获和同步系统的实现。 伪随机(或伪噪声， Pseudorandom Noise ， PN)码序列是一种常见的扩频码。伪 随机序列具有类似于随机序列的基本特征，是一种貌似随机 但实际上是有规律的周期性二进制序列。如果发送序列经过 完全随机性的加扰，接收机就无法恢复出原始序列。伪随机 码序列的具体要求如下： 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。(1) 具有良好的伪随机性，即伪随机码是按照预先一定 的规律形成的，使通信对方能够按此预定的规律将信

10、号检测 出来，但是不知道预定规律的无关接收就难以把信息恢复出 来。 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。(2) 具有良好的自相关、互相关特性，即有着尖锐的自 相关峰值，互相关峰值近似为零，这样接收端容易准确的把 所需信号检测出来，并降低检测误差。 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。(3) 足够多的随机序列数目，在码分多址通信系统中， 保证有足够的地址码可以分配。(4) 工程上易于实现，设备简单，所需成本低。较多使 用的扩频序列的有： m序列、 Gold 序列、 Walsh 序列、 OVSF 序列、 GMW序列、互补序列、混沌序列等等。 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。62.4 直扩系统的抗干扰方法2.4.1 采用长伪码序列 由于

11、长伪码序列比短伪码序列具有更强的抗干扰能力， 更难从侦收中破解，对长伪码序列实施波形重合干扰也几乎 不可能。所以，采用长的伪码序列可以提高直扩系统的抗干 扰能强。 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2 4.2 采用自适应滤波器 自适应滤波器是一个空间域的数字滤波器，可以根据干 扰的来波方向自动改变加权系数，从而抑制干扰，得到期望 信号。由于扩频信号有很宽的频带，强的窄带干扰是容易识 别和估计的，所以窄带干扰和其他单频干扰所引起的系统性 能下降，可以由自适应滤波法来改善。窄带干扰的估计及抑 制是在扩频信号解扩前进行的。 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。2.4.3 采用智能天线技术 智能天线的基本思想就是利用各用户信号

12、空间特征的 差异，采用阵列天线技术，根据某个接受准则自动调节各天 线阵元的加权向量，达到最佳接牧和发射，使得在同一信道 上接受和发射多个用户信号而又不互相干扰。智能天线通过 数字波束形成技术能够通过自适应调零实现信号的空同滤 波，使不同方向的用户共享同一频谱资源，所以应用智能天 线的直扩通信系统能够实现大大高于其处理增益的抗干扰7能力。 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。2.4.4 用多进制高效直扩技术多进制高效直扩是利用一组扩频序列对含多个比特信 息的信息码组进行扩频，其具有在扩频序列长度一定、速率 一定时，可传输更多信息；在信息量一定、伪码序列速率一 定时，扩频处理增益更高、抗干扰能力愈强的优点。美军

13、的 JTIDS 系统，采用了多进制直扩、跳频、跳时相结合通信体 制，直扩码长 32 位，每 32 伪码代表 5 bit 信息，处理增益 15dB。要实现高效多进制直扩，关键是寻求足够长、足够多 的符合扩频要求的伪随机码序列。 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。2.4.5 采用变码直扩技术实现伪码码型自动变换，能增加干扰方识别码型的难度， 增强直扩信号的反侦察、抗干扰能力，解决变码直扩的关键 是解决变码同步、 高速变码器件的实现等技术。 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。2.4.6 用直扩 / 跳频混合扩频技术直扩 / 跳频混合扩频是目前应用较多的一种综合扩频技 术，其能获得较大的处理增益，大大提高通信抗干扰能力， 既

14、发挥直扩信号低截获、高隐蔽性优点，又发挥了跳频的全 部优点，使得远近效应、多径效应、同台干扰、同步问题都 较好地得到解决。 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。第三章 直扩信号的检测与干扰 在扩频通信中通常采用数字调制，对扩频系统实施干扰，8 就是要造成扩频通信有较高的误码率，使通信不能正常进行。 根据最佳干扰理论，最佳的干扰信号是在目标的接收机处， 与通信信号具有相同或相近的频域、时域、电平域特征的信 号。因此，最佳干扰必须有先验知识，即了解对方接收机的 信号特征。对直扩通信体制，主要是了解系统的中心频率， 伪码长度等参数。这些知识了解越多，干扰就越有效。 輒峄陽檉 簖疖網儂號泶。3.1 直扩信号检测与参

15、数估计方法 由于直扩信号带宽较宽，其功率谱密度低于噪声电平， 因此，这种信号很难被检测出来。 DS-SS 信号能够在低于噪 声水平情况下传播的原因是接收机知道伪随机序列，因此可 以使用相关器增加信噪比。能量检测法是 H.Urkowitz 在上 世纪 60 年代中期提出的直扩信号的检测方法。它的检测原 理是依据信号加噪声的能量会大于噪声能量的理论，利用通 信信号要长时间侦收的特点，只要选择适当的门限就可以检 测出信号。但此检测方法的缺点是不能给出信号的特征，如 信号的载波频率。并且检测性能依赖于背景噪声。如背景噪 声不满足平稳条件，检测门限很难选择，检测性能会急剧下 降并且实用性变差。 1990

16、 年，J. F. Kuehls 和 E. Geraniotis 在对 BPSK 基带信号分析的基础上，提出了时域延时相关的 方法来检测直扩信号的伪码速率，用于检测扩频信号，并提9 出了若干预滤波延时相乘检测结构。在信号与其自己的延迟 相乘后会在码元速率处产生一条谱线，即率线。该谱线产生 的实质是由于扩频码序列的很强自相关特性引起的，此方法 通过检测率线的存在与否就可以判定信号是否存在。这种检 测方法和通信中码元同步中使用的方法类似，不同的是我们 在侦察过程中并不知道码元速率的先验知识，通常只能在一 定的范围内进行搜索，而且只能通过较长时间的积累获得更 好的检测性能。 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。3.

17、2 干扰样式的效能评估准则 在评估性能之前，首先介绍评价方法及参数。 误码率：误码率是衡量干扰效果最重要的参数，通过干 扰使接收方解调器的误码率足够大，以至于无法正常通信， 则达到了干扰目的。例如：在话音传输中，只要被干扰数据 达到 30%或以上，就会大大降低话音的理解度，这样就足以 有效阻止消息的传输。 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。时域和频域准则：从时域来说，为了获得有效干扰就必 须保证干扰与信号在时域上的重合，即时域上的瞄准（这里 我们指的是压制式干扰，欺骗式干扰则另当别论） 。从频域 来讲，干扰信号必须与信号一样通过接收机选择系统进入接 收机，通信干扰才有效。所以通信干扰必须要有与信号相近 似

18、的频域特性，或在频域上重叠。 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。压制系数： 随着干扰功率的增加， 信道的传输速率降低，10信息损失增加。当信息损失增加到规定的量值 （ 这个量值通 常是根据战术运用准则预先确定的 ） 时，就认为这时通信系 统已无法正常工作了（如之前提到的话音通信中30%损失）。在确保干扰对无线通信接收机系统完全压制的情况下，接收 系统输入端的干扰功率与信号功率之比称为压制系数K。 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。有效干扰距离：通信干扰系统的有效作用距离是衡量通信干 扰能力的另一个重要指标， 实际上， 它是一个多变量的函数， 不但与干扰机有关，而且与通信接收机的体制、性能、相互 之间的空间配置关系以及

19、通信机使用者的水平有关。分析表 明，在其他条件相同的情况下，有效干扰距离与压制系数有 一定的反比关系，要求的压制系数越高，则有效干扰距离越 大。 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。稳定性：一个好的干扰机，不但干扰能力强，而且性能 也需要足够稳定。3.3 对直扩系统的干扰样式干扰样式即干扰信号的形成方式，或用于调制干扰载频 的调制信号样式。按干扰样式通信干扰可以分为压制式干扰 和欺骗式干扰两类。压制式干扰是使敌方通信设备收到的有 用信息模糊不清或被完全掩盖，以致通信中断。根据对目标 信号的破坏程度分为全压制干扰、部分压制干扰和扫频干扰。 其中部分压制干扰又称破坏性干扰，即利用噪声、语言、脉11 冲等干扰样式

20、使用敌接收终端的人，机对信息判决制造困难 或引起混乱，通信虽未完全中断，但造成通信时间迟滞，接 收信息的差错率或误码率提高等。欺骗式干扰是在敌方使用 的通信信道上，模仿敌方的通信方式，语音等信号特征，从 而造成其接收方判断失误或产生错误行动。本文将对当前重 点的压制干扰和欺骗干扰方式进行仿真分析。 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。3.3.1 单频干扰单频干扰是指使用单个正弦波或者多个正弦波的干扰 信号。当只使用单个正弦波时，称为单音干扰，当使用多个 正弦信号时，称为多音干扰。单音干扰也叫点频干扰。 阌擻輳嬪 諫迁择楨秘騖。3.3.2 窄带干扰 窄带干扰相对于单音干扰具有多频率成分，有一定的带宽，是一种人

21、为加入信道的干扰。窄带干扰信号的带宽远远 窄于信号带宽，所以干扰信号在时域和频域能量都很集中， 功率利用率高。 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。3.3.3 跟踪转发式干扰 转发式干扰是属于欺骗式干扰的一种，指转发式干扰机收到目标信号后，按照一定的规则进行调制后再转发出去的 干扰方式。干扰信号一般具有与被干扰扩频信号类似的特点， 与被干扰信号具有较强相关性。 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。3.3.4 脉冲干扰12脉冲干扰是指干扰信号以高瞬时功率脉冲的方式发射， 是间歇性发射大功率干扰的技术。利用脉冲的高功率、宽频 谱的特性，对直扩系统进行全域覆盖，达到掩蔽有用信号的 目的。 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。3.3.5 均匀

22、分布随机二元码调相噪声干扰 均匀分布的随机二元码调相噪声具有方波式的相位特 点，与 BPSK（或多相）调制的直扩信号具有相同或相似的频 域、时域、电平域特征，能够对 BPSK（或多相）调制的直扩 信号进行高效干扰。当干扰信号进入接收机后，可以使接收 码元产生错误判决， 从而导致误码率上升， 实现干扰的目的。 谚辞調担鈧谄动禪泻類。第四章 直接序列扩频通信系统抗干扰性能分析4.1 仿真软件介绍Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具 , 是一 种基于 MATLAB的框图设计环境 , 是实现动态系统建模、 仿 真和分析的一个软件包 , 被广泛应用于线性系统、 非线性 系统、数字控

23、制及数字信号处理的建模和仿真中。 Simulink 可以用连续采样时间、 离散采样时间或两种混合的采样时 间进行建模 , 它也支持多速率系统 , 也就是系统中的不同 部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模 型 ,Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口 （ GUI ） , 这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成 ,13它提供了一种更快捷、 直接明了的方式 , 而且用户可以立 即看到系统的仿真结果。 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。4.2 直扩通信对抗系统建模4.2.1 仿真方法介绍直接序列扩频通信系统主要组成分为 7 个部分，分别为 信源部分、 扩频部分、 调制部分、 信道传输部

24、分、 解调部分、 解扩部分和信宿部分。其系统组成框图如下图所示。 熒绐譏钲鏌觶 鷹緇機库。直扩系统框图 衡量通信系统性能的指标是误比特率( BER)，软件仿真 主要的估值方法包括：蒙特卡罗、重点抽样等方法，本文主 要采用蒙特卡罗的方法。蒙特卡罗是对错差计数并求平均的 直接方法，为保证 90%的置信度，并使 BER估值的置信区间 足够小 (0.1DB), 要求仿真中的差错个数至少为10，因此当BER10-2 时，需要的仿真样本数应大于 1000 。 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。144.2.2 直扩系统仿真参数设置纣忧由于通信干扰系统通常包括侦察部分和干扰部分，为简 化仿真，本文假定目标参数被侦测系统所

25、侦获，即获得了一 定的先验知识。同时，由于通信信号通常会在中频进行信号 处理，因此本文仿真亦以中频仿真为主，其仿真图如下： 蔣氳頑莶驅藥悯骛。直扩系统仿真框图 参数设置：仿真时间设定为 10 秒，其中随机二进制信 源产生 100bit/s 的随机码元，码元宽度为 0.01s ； gold 序 列发生器产生扩频倍数为 10 倍的扩频码，即码元宽度为 0.001s ；采样频率为 10kHz，每个扩频码元被采样 10 个点， 即采样间隔为 0.0001s ；载频设定为 10MHz，即 10000Hz；高 斯信道信噪比设定为 20DB，即信号功率与信道均方根噪声功 率相同，信号基本被噪声掩盖。 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。4.2.3 干扰系统仿真参数设置 由最佳干扰理论可知，要对信号产生有效干扰，必须模 拟有用信号的信号形式，干扰信号应该具有有用信号的时频15特性。在直扩通信系统中，我们使用的是经过扩频二次调制的数字信号，具有扩频码随机特性。最为干扰方，很难获得扩频码的具体形式，所以无法产生一个与被干扰扩频通信系 统使用的扩频码一致的随机信号。因此，我们使用伯努利二 进制码发生器产生一定速率的均匀分布的随机二元码调制 到干扰