无线通信工程第讲－抗干扰

无线通信工程姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室2001年12月15日第十一讲无线通信的抗干扰技术内容提要概述原理关键技术应用前沿几点结论概述为什么要研究通信抗干扰？提高全民的国防意识；了解通信高技术的一个主要领域；民用与军用的互相转换、互相借鉴、互相支撑；为进入军事通信领域提供一些入门知识。信息战的内容及特点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、压制干扰跟踪干扰、瞄准干扰窄带干扰、单频干扰宽带干扰、梳状干扰、脉冲干扰升空干扰智能化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。原理通信抗干扰分类 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：直接序列扩频频谱图扩频调制信息比特发送扩频序列载波解扩解调扩频序列同步载波同步信息比特接收fbfcf0f0fcfb2fc窄带干扰信号干扰扩频调制接收解扩G＝fc/fb扩频增益

原理框图

频率域之二：跳频频谱图调制变频信息比特发送中频载波跳频频综解跳解调载波同步信息比特接收fbfif01f02...f0Nf0fifb窄带干扰信号干扰跳频调制接收解跳G＝N跳频增益跳频图案f01f02...f0N跳频频综跳频图案同步fi

原理框图

频率域之三：跳扩频跳扩频增益G＝N×fc/fb调制变频信息比特发送中频载波跳频频综解跳解扩载波同步信息比特接收fbfif01f02...f0N跳频图案f01f02...f0N跳频频综跳频图案同步fi扩频扩频序列解调fc扩频序列同步时间域

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*Tb N0=FkT+Pj/W+(N-1)Ps/W得到： N+Pj/Ps=1+W/fb*N0/Eb -FkTW/Ps接收机PiPjFEb/N0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

抗干扰阿体制的颗比较阻塞干乒扰可以是窄遵带、部分奋带、梳状讨干扰等。一般跳票频优于榨一般直们扩这是因为员直扩增益独一般都小闭于滤波器众的防护度乖。跳频最眉好再加遥上纠错响编码措益施某些跳频乌点碰上干陶扰，可以鲜通过纠错糊消除误码遣。跳频最好惭再加上自草适应调零渐天线增加对芬抗特强秤干扰的殃能力。跟踪干扰过程：对链信号进行昌侦测、分炼析，引导评干扰机跟陷上信号。快跳频是哪对付跟踪臣干扰的最挣好方法。临界跳速＝15输0KH央z/杂d(乳km)如果跳牌速做不碗快，可呢以采用哭跳扩结腊合的方闭法。因仿为扩频错增加了悉信号的友隐蔽性赠，不容待易被跟扶踪。从抗干牢扰的角喊度，很屡少采用昨直扩。对直扩怀/跳频督抗阻塞词干扰的迫说明PJPSPJPJPSPSPJ’PJ’=PJ/GPJPSPJPSPJPSPJ’PJ’=PJ/L滤波器对跟踪干篇扰和临界窄跳速的说骡明电台1电台2侦察、分刑析、引导鼻时间接收时间发送时间干扰机T总=T接收+T发送+T侦察、养分析、流引导对跟踪干冰扰和临界犹跳速的说昨明（续）fifjT总T跳频T总T跳频干扰干扰有效干众扰时间T跳频关键技术天线及射狗频射频技术宽频带射缓频收发技裕术大功率线牛性功放大动态呼范围接接收机前蓝端低损耗阅跳频滤递波器快速捷轨变频综天线技具术宽频带膝或多频塔段天线贝技术窄波束天捎线自适应糖调零天齐线智能天石线天线阵泻技术扩频的某翼些技术要慰点有效性猫问题扩频是犬以频带抖换取抗限干扰能尘力，因温而降低墙了传输递的有效幼性。解决方法章：采用多败进制直语扩技术绩。基本曾原理是鸟利用直煮扩码的殃正交性甲，形成拐并行传竿输的通挥道，从浸而降低鼓所需的宗带宽。可靠性问立题扩频抗妨干扰的胁基本机盐理是降淹低干扰禽的功率恐密度或务碰撞概王率，但躁不能完窜全消除私误码。解决方法杜：采用纠错馒，并把信泥道编码和使扩频处理掀结合起来立。跳频同喜步为了实现下跳频电台垄的正常通景信，必须故要求网内武电台有相五同的跳频粗图案，准拖确的时钟浓信息。这雪就需要跳损频同步。方法：军用电筹台目前兼流行的霞是同步误字头法喂，即通旬过移动剪台对中糕心台发玻出的时烛变跳频拖图案进方行搜索将，实现推移动台恳对中心等台的跳伙频同步取。要求：同步信息制的隐蔽性蜡、传输的速可靠性、检同步建立惊的快速性层。即具有抱抗干扰能锄力强、同皂步时间短帝、传输可卸靠等优点洗。快速跳频这是针对窃中、低速念跳频通信刺系统易受首跟踪式干诸扰而采用悟的一项最斑新技术，罢目前国际宋上还停留损在理论研芳究阶段，炎尚未实用恒。其主要盏原理是：卸移动通信蚂系统以高拾于信息速谈率的跳速州在很宽的弹频带上进激行频率跳蚕变，即每铲个信息比陡特跳几跳窝以上，相菌当于跳速锅高达10糟0KHz屠～1MH拐z，比目掏前的跳速株提高10泄0～10贞00倍。唐与中、低妹速跳频方待式相比，渡这种体制魄的显著特绢点是：能有效谜地对抗银敌方的肉跟踪式瞎干扰和装转发式安干扰；能消除党宽带移锯动通信卡中多径橡效应造竿成的不福利因素凤；大大改善摘数据传输饿时的误码市性能，从芝而提高可院通率。以上这些设优点特别袍适用于新热一代的军脱用无线通线信。Turb叹oCo惜de提出：Tur淡bo择cod享e码又设称并行灾级联码闻，是1殖993站年法国贷学者提炮出的一仅种性能息接近极木限的信蹦道编码贞结构及阻相应的渡译码算湖法。特点：仙农的样信息论舌给出了分信道传鸭输能力颜的上限平，即信畅道容量渗，然而幸这个极趁限始终国未能达星到。传企统的信统道编码们都有不唐同程度衰的纠错绕能力，毯但离信斜道的容名量极限旬还相距债甚远，矿使得信巩道资源翼一直得彻不到充穴分的利铃用。T今urb欲oc斤ode斯则突聪破了传光统的编床码结构半与思路河，它采潮用了并阅行级联箱码的结盛构和利首用软输钻出译码括算法的啦迭代译预码方法与，在理讽论上可秋提供接锐近极限菊的能力丝式。应用：由于Tu枕rbo五code斤的这种川优异性能股，其应用卖价值十分爷广阔，尤萝其是军用丙移动通信至领域，在迟实战场合监的电磁环苦境和电子乌对抗情况摧下，射频净强干扰无拾处不在，超在这样恶泊劣的环境搬中进行可陪靠的通信洞对编码提延出了更高浸的要求，鲜传统编码颠是很难达聋到的，而射Turb镇oco批de则逐可充分利感用这种信苹道所能提沟供的通信版能力。软件无栗线电提出：199属2年在辰美国首晋先提出算这个概死念，并庆在美军收的多频凡段多模摧式电台否（Sp乎eak框eas阀y)中勺得到应递用，美巧国麻省垦理工学持院的一劣些计算猜机科学糠家开始护进行软剪件无线翁电体系奶结构的略研究，迫近年美沿国还组梳成软件悠无线电猴For倾um，加快实要用化的词步伐。特点：什么是软绍件无线电园？软件无差线电是将紧模块化、乌标准化的量硬件单元殿以总线或梅网络的方筒式连接构虏成基本平冠台，并通乘过软件加劣载实现各杏种无线通讨信功能的暗一种开放谦式体系结多构。软件无线绸电体现三响个开放性匹：对研制嗽的开放性寺，对生产流的开放性坏，对使用筋的开放性恭。是无线厚通信的第醋三次革命概。应用：a、可实现各妥种电台互息联互通的愁无线网关b、可好接入各顽种军用胳移动通黄信网的物多功能训车载电纷台c、可避实现空失中转信搅的多功毕能空中蓬平台d、可进厨行智能化单通信侦察棉与抗干扰国的电子对服抗系统智能化拍对抗智能化电犯子对抗是永新一代军短用通信系昏统发展的它必然趋势累。通信抗干罗扰的智能赠化：（1）电对战场绩电磁环裤境的智锻能化侦扒测和分致析；（2）智格能化天线女技术，把虚空间信号击处理引入砖电子对抗步；（3）颂智能化院跳扩频象技术，全根据战作场情况野实现电沈子对抗辜体制及虽参数的佛最优化傻；（4）网跃络的智能每化抗干扰烘技术，根弹据战场情案况实现网那络结构、抽信令及控仗制的最优滚化。应用前镇沿抗跟踪干烫扰现有的对芦抗跟踪干倦扰或单频浇干扰手段女，主要靠岛慢跳频或豆中速跳频穿。跳频对爱躲避固定呼干扰有很申好的作用督，然而，谋目前的信煎号检测手菜段也日新叫月异，检湖测能力日蛋益加强，则目前任一览种DSP译芯片的F讲FT速度陪能够很容基易地达到疮1ms以节下，即现落有的跳频疏系统很容桌量受到跟详踪干扰的欢攻击。解决这肿个问题物的根本题办法就沟是采用品快速跳棉频。也别就是说顾要将跳阴频速率透提高到推每个频纷点的停晌留时间凑不超过涂从通信央发射机榆到干扰伍机再到训通信接纤收机的筹传播延沿迟，从握而使最闭理想的缓跟踪干弱扰或转贝发干扰绑到达接示收机的锯时间超盗过有效灵的通信麦时隙而径失去干闸扰作用公。例如粗，当干梅扰机在嘱10k前m以外淡时，只腰要跳频蛾速率达躁到15北KHz里即可彻苗底解决这跟踪干证扰和转泻发干扰阀问题。抗阻塞干瓣扰传统的缝通信系分统，特帽别是宽炒带系统恋（跳频僻和扩频悦）对干宗扰的抑背制主要极靠中频锁滤波，耻然而由索于前端小高频放咐大器和绢混频器逮都是非脸线性器醒件，在唐有强干尿扰时会线产生不接可恢复朝的交调拿干扰和咳噪声恶乘化，即守产生射追频前端沉的阻塞挑。解决办法韵：（1）给尽量提高筝前端器件稼的线性动窄态范围，洗（2）将缸增益尽量贴分配在中乏放，（3甘）更重要药的和更直烈接的方法散是在天线寻和高放间朗引入可快倚速编程的镰高Q无源尽跳频滤波食器，从而主大幅度降元低进入有笑源器件的膝干扰电平羊，提高抗萍阻塞能力坦。研究背皱景超短波扩筹频电台在凡城市的电色磁环境下薪由于受到跌民用无线库电设备的想干扰产生挣阻塞，无维法正常工汁作；清华大学皮研制的I殖I型无线考双工、广疗州7所研失制的TC境L-17仙8在野声外试验中者都遇到此送问题；希望了云解：防炉止阻塞聚干扰对薪接收机沈线性的掘要求，嫂和采用姑跳频前池置滤波掠器解决卸阻塞干剪扰的方全法。仿真成果婆：扩频电替台的阻塞岛干扰扩频电愉台的阻盼塞干扰弊（续）仿真结薪果讨论颤（1）超短波全股频段（如帝：60－杨110M许Hz）跳丧频电台在闯城市环境南（如：北相京市）使尼用时，民逐用无线电座设备产生细的阻塞干蹦扰将使接况收机灵敏急度下降3警0dB以上，这艇时的通信留距离只能稀达到1系－2K习m，和野搜外试验结恒果完全一悬致。仿真结扑果讨论价（2）解决全频嘉段跳频阻份塞干扰的轻一种有效丑手段是采之用跳频前疤置滤波器桂，仿真结缴果表明：裕当跳频滤阿波器带宽甜为2MH待z时，除瘦个别干扰争点外，其付它最坏情喝况的阻塞浴干扰将不案会影响接薪收机灵敏坡度。抗部分柿带干扰现有的辽无线通盆信系统质（特别砍是模拟叮系统）扔即使采浮用跳频经技术，互在部分剂带干扰脉环境下仙，一般洗只要干秘扰比例孤达到总辅带宽的故1/3丘，就无懒法正常击通信了滴。在这样轧的恶劣冷环境下寺，要想辈仍能正栗常通信念，唯一奏的办法扣就是采漂用有强恼大纠错累能力编光码，即光Tur康bo扯cod冈e编码粉。曾对俭Tur丑bo匹cod侍e在快碗跳频环顿境下的窃性能进晕行过仿宝真，发傲现1/迟2速率洁Tur污bo共cod敏e可在作1/3现频点被兵干扰的仰情况下应仍能以烈低于1纱0-3的误帧率示进行通信匀。而1/虾3速率T雀urbo炊cod夸e的抗部俘分带干扰适比例则可荒达到1/为2。Tur译bo-忧Cod充e用于肤抗部分经带干扰仿真目的验证T病urb去o-C妄ode经在抗部员分带干津扰中的勇作用研究码同长及跳男速对抗牢干扰性爷能的影漆响Tur遍bo-克Cod议e用于淡抗部分列带干扰意（续）1/3黑部分带鹊干扰，蒙码长2决400轰，每跳煤40b助itTur章bo-捏Cod慰e用于执抗部分暑带干扰吵（续）1/3部系