抗干扰通信与通信干扰技术.ppt

第6讲抗干扰通信与通信干扰技术 GMSK的调制原理图 复习 输入数据序列先进行 2相移BPSK调制 然后将该信号通过锁相环对BPSK信号的相位突跳进行平滑 使得信号在码元转换时刻相位连续 且没有尖角 第1种方法 各子载波间的间隔足够大 使各路子载波上的已调信号的频谱不相重叠 第2种方法 各子载波间的间隔选取 使已调信号的频谱部分重叠 第3种方法 各子载波是互相正交的 且各子载波的频谱有1 2重叠 多载波传输技术 a 传统的频分复用 b 3dB频分复用 c OFDM 节省带宽 复习 GMSK的调制 复习 波形存储正交调制器产生GMSK信号 GMSK的解调 复习 a 1比特差分调节器 b 2比特差分解调器GMSK信号差分解调器原理 OFDM基本原理OFDM信号可以用复数形式表示为 将上式与离散傅立叶反变换 IDFT 形式 比较式 1 和式 2 若将dm t 看作频率采样信号 则sOFDM kT 为对应的时域信号 比较以上两式可以看出 若令 则式 1 和式 2 相等 因此 OFDM信号的产生可以用IDFT实现 同理 OFDM的解调可以用DFT实现 工程上采用FFT技术 1 2 复习 采用IFFT和FFT的OFDM系统结构 复习 第6讲抗干扰通信与通信干扰技术6 1无线电通信干扰6 2无线电通信的反侦察与抗干扰6 3直接序列扩频通信技术6 4调频通信技术6 5干扰抑制技术 随着国民经济的发展 无线通信已被广泛地应用在国民经济的各个领域和人们的日常生活中 特别是公用移动通信的迅速发展 社会上使用的各种无线通信设备的数量急剧上升 现代战争中 指挥通信 军事情报 兵器控制都日益依赖于电子设备 特别是无线电设备的支持 信息战和电子战作为一种崭新的作战形式涉及军事领域 开辟了继陆海空战场之后的第四维战场 电磁战场 为了提高通信系统信息传输的可靠性 对抗各种形式的干扰 人们采用了各种通信抗干扰技术 保护通信系统在干扰环境下能准确 实时 不间断地传输信息 引言 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 信息战的内容及特点 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 通信对抗的分类 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 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 军事通信的干扰环境 通信抗干扰的方法分类 1 频率处理 采用频率域处理 如直接序列扩频 DS 跳变频率扩频 FH 等 2 空间处理 采用空间域处理 如采用自适应天线调零技术 3 时间处理 采用时间域处理 如猝发传输技术 4 其它数字处理如 干扰抵销 纠错编码等 通信抗干扰技术研究的就是在已知或预测敌方的干扰手段情况下 在上述技术基础上 不排除以后有新的技术类别 选取适当的技术手段来消除或减轻敌方干扰 而使我方需要进行的通信能够延续的一项技术 对敌方的干扰性质 强度 种类 手段 采用的体系 了解得越清楚 采取的措施越有针对性 取得的效果也越好 由于敌方的对抗手段往往是综合的 多变的 有的可能是完全新颖的 所以抗干扰的手段也必须采取多种方式的结合才能取得较好的效果 研究内容 通信抗干扰技术的特点 1 对抗性强 技术综合性强 难度高 发展速度快 某种程度上说是敌我双方智慧和技术的斗争 通信的成败关系着战争的胜负 所以此技术对抗性很强 通信抗干扰有了新技术 搞对抗的就想新的对策 反过来也一样 这样就促进了技术的发展和难度的提高 2 对技术的实用性和可靠性的要求高 通信抗干扰必须在战场上实际解决问题 指标高而不可靠或不实用是不能容忍的 其后果不堪设想 技术难点 1 提高跳频速率有利于抗干扰 但跳速提高需解决如下问题 接收机中频滤波器产生的瞬时扰动问题 发射机功率输出截止状态产生的过渡问题 频率合成器高速频率切换问题 对邻道的干扰问题 2 扩频系统中常用的专用高速集成电路 例高速PN码发生器 调制器等 及数字信号处理器DSP的开发和研制生产是通信抗干扰技术突破的重要保证 3 新型扩频码的研究和工程化 既是发展方向 又是技术难点 4 自适应天线对于干扰信号的抑制原理 正在成为通信抗干扰技术的一个重要方面 但在HF VHF UHF实现自适应调零天线 目前尚有一定困难 国外概况 在电子对抗中 谁赢得了通信的主动权 谁就可以取得战争的胜利 抗干扰通信是电子战的一部分 国外许多国家都非常重视通信抗干扰技术的发展 都投入大量人力 物力 财力进行通信抗干扰技术的研究 由于扩展频谱抗干扰通信技术 简称 扩频抗干扰通信技术 或扩谱抗干扰通信技术 具有信号频谱宽 波形复杂 参数多变 安全隐蔽等显著特点 已成为当代通信抗干扰技术的重要发展方向和体制 也成为通信对抗技术的主要发展方向与体制 国外概况 国外常用的有直接序列扩频技术 跳变频率扩频技术 跳变时间扩频技术 混合扩频技术等 此外 还有非扩展频谱类的抗干扰技术 如自适应天线技术 猝发通信技术 纠错编码与交织编码技术 分集技术等 本课程以扩展频谱技术为主 适当结合其它方式来介绍通信抗干扰技术 6 1 1基本原理及关键技术1 干扰方式与样式窄带瞄准式干扰 干扰频谱与目标频谱瞄准的干扰 按瞄准程度又可分为准确瞄准干扰和半瞄准式干扰 按引导方式可分为定频守候式 扫频搜索式 连续 重点 跟踪式等 特点 干扰功率利用率高 效果好 且不会对己方通信造成干扰 但需要侦察手段支持 对实时性要求高 设备复杂 技术难度大 一般用于对敌方重点目标进行干扰 6 1无线电通信干扰 宽带拦阻式干扰 辐射宽带干扰 可以干扰多个窄带信号 其频谱均匀分布或梳形分布 按产生方法不同分为扫频式 脉冲式和多干扰源线性叠加式阻拦干扰 特点 与瞄准式相反 无需严格的侦察和频率瞄准 设备简单 方便实施 但干扰利用率低 需要的干扰功率很大 6 1 1基本原理及关键技术1 干扰方式与样式按作用时间的不同可分为连续干扰和脉冲干扰 干扰在时间上无须完全覆盖信号 只要干扰在时域分布上达到一定密度 脉冲干扰也能完全压制通信 干扰样式 是对干扰的时域 频域的统计特性的总概括 按干扰是否具有随机性分为确定干扰和随机干扰 按幅度分布特性可分为平滑干扰和脉冲干扰 常见样式有 白噪声 单频连续波 噪声调制 AM DSB SSB FM 波 随机键控 ASK FSK PSK 干扰等 2 干扰压制系数 最佳干扰样式和绝对最佳干扰样式理想接收机与最佳干扰样式信号和干扰的特性已知时 必能按某种准则从理论上确定一种最佳接收形式 理想接收机 如匹配滤波器就是对相应匹配信号的理想接收机 与理想接收机相对应 对于一定的信号和接收方法 从理论上可以确定一种最佳干扰样式 采用该种样式 在该信号接收机结构下 能比采用其他任何干扰样式产生更好的干扰效果 这种干扰样式称作最佳干扰样式 压制系数 为保证对被干扰无线电通信系统的有效压制 进入该系统接收机输入端通频带所需的最小干扰功率与有用信号功率的比值Pji进入接收机的干扰功率 Psi接收机接收的有用信号功率 对无线电通信系统 压制系数应保证干扰所产生的误码率不小于15 20 只要干扰功率足够大 无论何种样式终将导致接收机无法正常工作 最佳干扰 样式 针对某种信号形式的给定接收方式 能以最小干扰功率达到最好干扰效果的干扰样式 对干扰方而言希望选择干扰样式的压制系数越小越好 最佳干扰样式由信号的类型 调制方式和接收 解调 方法决定 还要考虑技术上的可能性 复杂度 目标电台的威胁程度 以及经济代价等因素 有时也采用干扰效果一般的干扰样式 绝对最佳干扰 是指对于已知信号形式的所有可能的接收方式 都有比较小的压制系数的干扰样式 当干扰的目标具有多种接收方式或不清楚目标的接收方式时 从对所有的接收方式都有较好的干扰效果出发 应该选择绝对最佳干扰样式 3 通信干扰方程在通信干扰中 确定干扰链路与目标通信链路之间的功率 天线增益与路径损耗关系的方程称为干扰方程 由通信干扰方程可进行干扰功率 作用范围的概算 并分析提高干扰效果的措施 3 通信干扰方程由通信与干扰链路的功率传输模型可以推出以目标接收机输入干信比表示的通信干扰方程 Lf 干扰与信号的频域重合损耗 滤波损耗 Lt 干扰与信号的A时域重合损耗Lp 极化损耗 4 对有效干扰信号的特性要求设压制系数为K 由干扰方程得 当通信被压制 该式为通信干扰方程的一般形式 4 对有效干扰信号的特性要求由干扰方程对影响干扰效果的因素进行分析 可以得到有效干扰的特性要求 1 必要的干扰辐射功率 2 干扰与目标信号的空间 时间 频率和极化的重合 对应的Lj Lf Lt Lp很小 3 合适的干扰样式 不同的样式 K不同 5 功率信号的产生干扰功率信号由激励器和功率放大器产生 激励器完成干扰源的产生和调制 其输出功率较小 功率的放大由功率放大器 需要较高的增益 完成 高增益的放大器随着时间和温度的变化容易不稳定并产生自激振荡 因此常采用串联 并联的方法将多个放大器连在一起来获得需要的功率输出 6 干扰机的功率共享通常一部频率瞄准式干扰机只能同时干扰一个目标 如果采用功率共享技术 则可实现一机干扰多目标 提高设备的利用率 7 对模拟通信的干扰由于FM存在门限效应 噪声调频是干扰FM目标的最好波形 两个同频的信号同时达到接收机 强的信号支配接收机 或多或少的抑制了弱信号 所以进入FM接收机的干扰功率只需比FM信号的功率略高 即可捕获接收机 采用AM调制的系统也存在门限效应 但没有FM调制的明显 8 对数字通信的干扰干扰使系统误码率达到一定程度 信息传输就会被阻断 要产生高的误码率 不需要连续不断的干扰 对一个连续传播的数字信号 达到50 的误码率 只需干扰50 的时间 通常军事数字通信系统设计的阻断误码指标为10 2 对常规窄带调制 阻断数字通信比阻断模拟通信更容易 干扰还会影响接收机同步系统的性能 产生同步误差甚至失步 通信方虽然可以采用足够的编码来抵消任何干扰 但此时 编码效率如此之低 已没有多少信息吞吐量了 6 2 1无线电通信反侦察无线电通信反侦察 是对敌方的无线电通信侦察活动所采取的反对抗措施 具体内容包括 反搜索截获 反参数测量 反测向定位 反分析识别 目的是使敌方的侦察活动无法获得己方通信系统的技术参数和战术运用的情报 或者得到错误的信息 6 2无线电通信的反侦察与抗干扰 无线电通信反侦察的基本原理主要要求发射信号具有低的截获概率和低的利用概率 从而使己方通信信号难以被敌方截获 即使被截获也很难提取特征参数和分析识别 难以从中获得任何情报 信号被侦察的概率主要和信号的形式 检测方法 信噪比和检测时间有关 在信号形式 检测时间一定的条件下降低侦察接收机的输入信噪比可以降低信号被侦察的概率 无线电通信反侦察的主要技术 1 扩频技术 SpreadSpectrum SS 分为直接序列扩频 DS 跳频 FH 跳时 TH 和混合扩频技术 主要特性是信号的功率普密度低 在时域 频域分布具有伪随机性 隐蔽性好 2 方向性天线及智能天线技术通过发送波束形成使天线方向图最大值方向对准接收机 有效控制信号能量在空域的分布 3 猝发传输技术突发通信 瞬时或猝发通信 将编码压缩后在极短时间内快速发送的传输体制 具有时域 频域分布的随机性和短暂性 比较隐蔽 4 电磁屏蔽技术通过侦察系统施放干扰 降低了进入侦察接收机的输入信噪比 从而减低了信号被截获的概率 5 采用反侦察能力强的通信方式如光缆通信 激光通信 微波接力 流星余迹通信和中微子通信等 6 开发新的通信频段和通信体制 6 2 2无线电通信抗干扰民用通信系统的干扰有自然干扰和无意的人为干扰 军用通信所面临的干扰除了各种自然干扰和无意的人为干扰 更主要的是有意的人为压制干扰的威胁 军事通信抗干扰是对敌方有意的压制干扰活动所采取的反对抗措施 即采取措施消弱或消除敌方通信干扰的有害影响 保障在干扰环境下己方信息传输的有效性和可靠性 无线通信抗干扰的原理干扰容限 Mj 系统尚能工作时 接收机允许输入的最大扰信比 它反映系统在干扰环境中对干扰的耐受能力 其值与干扰方式和样式 信号形式和接收方法有关 当干扰进入接收机后 不考虑门限效应 一个通信系统能正常工作的条件是 无线通信抗干扰的原理可以通过降低输入扰信比和提高系统的干扰容限两方面措施来提高系统的抗干扰能力 1 降低接收机的输入扰信比提高信号的发射功率PTs 发射与接收天线的增益 GTs GRs 干扰的传输路径损耗 Lj 干扰与信号的时域 频域和极化重合损耗Lt Lf Lp 以及减小信号的传输路径损耗 Ls 都可以降低输入扰信比 PTj GTj GRj由干扰方控制 被干扰方无法随意改变 无线通信抗干扰的原理可以通过降低输入扰信比和提高系统的干扰容限两方面措施来提高系统的抗干扰能力 2 提高系统的干扰容限 无线通信抗干扰的原理可以通过降低输入扰信比和提高系统的干扰容限两方面措施来提高系统的抗干扰能力 2 提高系统的干扰容限通过提高Gp 降低Lsys 就可以提高系统的干扰容限 从而提高抗干扰能力 最低输出质量要求的最小信扰比 无线通信抗干扰技术 1 降低接收机的输入扰信比的技术1 增大通信信号发射功率发射功率增加一倍 3dB 接收机输入扰信比相应提高一倍 3dB 问题 受实际设备的限制 另外 通信功率的增加 会增加对己方通信网的干扰 也会增加被对方通信对抗系统检测和干扰的概率 通常采用自适应功率控制技术来提高系统的抗干扰性能 根据干扰电平的高低自动调整发射机的输出功率 这样既省功率 又能压制干扰 也降低对友邻电台的干扰 2 提高发射 接收天线的增益 GTs GRs 降低接收天线在干扰方向的增益 GRj 收发双方都采用强方向性天线 前提是收发双方特别是发方必须预先知道彼此的方位 但在双方相对高速移动时会受到影响 可使发信机采用全向天线而收信机采用定向天线或自适应调零天线 3 降低通信信号传输的路径损耗Ls 增大干扰路径损耗Lj降低通信频率 缩短通信距离 提高通信收发天线的高度 选择有利于信号传播而不利于干扰信号传播的地形地物并尽可能设法阻止干扰方采取相应措施 4 增大干扰和信号的时域 频域和极化重合损耗 Lt Lf Lp 使信号和干扰在时域 频域和空域错开 减小干扰对系统的影响 采取这类措施的基本方法是 提高信号在时域 频域和空域分布的隐蔽性 随机性 变化性和短暂性 降低信号被干扰方截获的概率 增加干扰方实现干扰和信号的时域 频域和空域重合的难度 2 提高系统的干扰容限的技术1 提高接收机的信扰比处理增益 Gp 扩频技术 扩频技术实质就是先将信号的带宽扩展 然后送入信道传输 在接收端通过相关处理 使有用信号的频谱压缩而噪声和干扰的频谱不仅不会被压缩 反而被扩展得更宽 通过窄带滤波器提取有用信号 滤掉噪声和干扰 干扰抑制技术 利用干扰和信号的区别 通过对接收的含扰信号进行各种时域 变换域和空域有选择性的滤波 保留信号 抑制干扰 获得抗干扰信噪比处理增益 2 降低Lsys的技术是由于系统设计不理想 或干扰的影响 使系统实际实现的处理增益比理论值低 产生损耗 对不同系统可采取不同措施来降低损耗 如对扩频系统可采取以下措施 适当选取中放滤波器带宽 使输出信噪比尽可能提高 同时还要确保中放滤波器的线性失真足够小 采用性能良好的解扩相关器 提高决定相关采样时刻精度的位同步提取精度 3 降低对解调器输入最小信扰比的要求 信源编码 好的信源编码在较大的误码率下 解码输出的信号仍有较好质量 对解调器输入信扰比要求较低 信道编码 采用信道编码可以使译码后的误码率降低 有效的调制方式 不同的调制方式 抗干扰性能不同 通信系统的以上抗干扰技术可总结为 隐 提高信号隐蔽性 限于军事通信 避 就是对干扰进行回避 消 就是对干扰进行抑制 抗 提高系统传输信息对干扰的耐受能力 无线通信抗干扰技术抗干扰技术涉及通信系统的方方面面 如业务类型 信源编码 信道编码 调制 天线 发射功率 电波传播和接收机的解调 译码等 提高干扰容限是从系统内部考虑的抗干扰技术 使抗干扰最根本的技术 对特定的系统 提高接收机的信扰比处理增益可以提高干扰容限 获得信扰比增益的主要技术是扩频和干扰抑制技术 6 3 1DS扩频技术的基本原理DS扩频通信系统模型为了解扩 接收端必须产生与发送端严格同步的扩频码序列 这是扩频码同步电路的任务 信道编码可以进一步提高系统的传输性能 6 3直接序列扩频通信技术 不编码DS BPSK系统的基本原理传统的BPSK调制信号表示为式中P为信号功率 f0为载波频率 信息速率Rb 1 Tb不编码的DS BPSK可以表示为c t 为PN码序列 其速率称为码片速率Rc 1 Tc 码片速率是信息速率的整数倍 远高于信息速率 6 3 1DS扩频技术的基本原理 6 3 1DS扩频技术的基本原理 不编码DS BPSK系统的基本原理扩频因子 相对m t 而言 c t 的频谱是宽带的 所以频谱被扩展 扩展程度与Rc与Rb的比率有关 Rc Rb称为扩频因子 用N表示 DS BPSK的扩频和解扩 由于信息码元和扩频的PN码都是二进制序列 并且是对同一载波进行相移键控 所以可以先扩频再调制 发端可以先将两路编码序列模2相加 等效为相乘 然后对载波进行PSK调试 接收端先进行解扩 去掉扩频码 恢复窄带信号 解扩得方法也很简单 只要产生一个与发端同步的相同伪随机码序列对接收信号进行相乘运算 就能将扩频码去掉 DS BPSK扩频和解扩方法 6 3 1DS扩频技术的基本原理 DS BPSK信号频谱特性 6 3 1DS扩频技术的基本原理 DS BPSK信号频谱特性在平均功率相同的情况下 扩频信号的带宽扩展了N Tb Tc倍 功率谱密度下降了N倍 在白噪声信道中 为了正常接收BPSK信号 需要接收端信号功率谱中心点密度与噪声谱密度比值为10dB 那么在发送功率不变的条件下 采用DS BPSK 在N 1024时 带宽扩展了1024倍 信号功率谱密度下降1024倍 30dB 接收端信号功率谱中心点密度与噪声谱密度比值为 20dB 扩频信号完全淹没在噪声中了 6 3 1DS扩频技术的基本原理 6 3 2DS扩频系统的调制方式 DS主要用于数字通信 调制方式可以采用ASK PSK FSK MSK等多种数字调制方式 但最常用的是BPSK或QPSK 原因如下 1 相位调制具有较好的传输性能 2 扩频和解扩通过简单的相乘运算就能完成 实现简单 3 DS PSK信号无离散谱 类似噪声谱特性 信号隐蔽性好 DS QPSK扩频系统的调制方式 第1种实现方法 扩频信号在解扩后等效为QPSK信号 用QPSK解调 第2种方法在解扩后等效为两路BPSK信号 用BPSK解调 6 3 2DS扩频系统的调制方式 6 3 3DS扩频系统的处理增益 DS通信中 对处理增益Gp有多种定义 这里采用目前较通用的定义方法 即Gp为DS系统占据的总带宽Wss与信息速率Rb的比 Wss近似等于码片速率 即Wss Rc 1 Tc这样定义的好处是处理增益Gp与调制方式和编码体制无关 当信息速率和总带宽给定时 处理增益Gp具有唯一性 其大小对DS系统的抗干扰性能起主要作用 对于未编码的DS BPSK QPSK 体制 处理增益为 在相同信息速率和扩频带宽的情况下 DS BPSK与DS QPSK具有不同的扩频因子 但处理增益相同 对于编码的DS BPSK QPSK 体制 传输速率Rt Rb 为编码效率 此时处理增益为 6 3 3DS扩频系统的处理增益 6 3 4DS扩频通信系统的特点 抗干扰能力强DS抗干扰能力与Gp成正比 频谱扩展越宽 落入原始信号频谱带内的干扰功率就越小 抗干扰能力就越强 隐蔽性 保密性好 安全可靠信号完全淹没在噪声中 隐蔽性好 普通侦查设备很难发现 即使被发现 如果未掌握扩频码的规律 也无法正确接收 具有保密性 抗截获能力强 具有选址能力 可实现码分多址通信 DS CDMA 不同用户选用不同的扩频序列作为地址码 只要选择的扩频码序列具有尖锐的自相关特性和尽可能小的互相关特性 当不同扩频序列调制的多个扩频信号同时进入接收机时 只有与本地扩频码相同的信号被解扩 而其他信号不能解扩 依然是宽度类似白噪声的信号 在多经合衰落信道中的传输性能好因为扩频信号占据很宽的频带 所以小部分的频谱衰落不会使信号产生严重的畸变 故有抗频率选择性衰落的能力 在接收机中设置多个相关器 分别同步于多个多径信号 实现多径信号的分离和合并 可有效克服多径效应 6 3 4DS扩频通信系统的特点 6 4跳频通信技术 6 4 1FH SS技术的基本原理FH SS FrequencyHopping SpreadingSpectrum 体制是将传统的窄带调制信号的载波频率在一个伪随机序列控制下进行离散跳变 从而实现频谱扩展的扩频方式 FH SS技术以其优良的抗干扰性能和多职组网性能在军事无线电抗干扰通信 民用移动通信 现代雷达和声纳等电子系统中获得应用 6 4 1FH SS技术的基本原理 FH SS通信系统基本模型为了解扩 接收端必须产生与发送端严格同步的跳频序列 这是跳频同步电路的任务 信道编码可以进一步提高系统的传输性能 跳频图案频率跳变时间间隔的倒数称为跳频速率 简称跳速 用Rh表示 每一跳 Hop 的载波频率由 伪随机码产生器 产生的编码选定 跳变规律又叫 跳频图案 不同用户使用不同的跳频图案 互不干扰 跳频图案通常用跳频时频矩阵图表示 F7F6F5F4F3F2F1F0 时序 f2 f4 f7 f1 f5 f3 f0 f6 6 4 1FH SS技术的基本原理 FH SS通信系统主要用于数字通信 调制方式一般采用二进制 多进制频移键控 BFSK MFSK 或差分相移键控 DPSK 其主要原因有以下几点 1 跳频等效为用码序列进行多频频移键控的通信方式 可以直接和频移键控调制相对应 2 由于解跳后信号载波不再具有连续的相位 因此 在解跳后往往采用非相干解调方式 而MFSK和DPSK具有良好的非相干解调性能 6 4 1FH SS技术的基本原理 传统的BFSK调制信号表示为式中P为信号功率 f0为载波频率 dn为二进制信息序列 信息速率Rb 1 Tb 为获得最佳性能 1和0码对应的信号要正交 要求满足 fTb 0 5 不编码的FH BFSK可以表示为fn为第n个频率跳变时间间隔内的跳变载波频率 6 4 2不编码FH BFSK的原理 如果用L个二进制随机码元来代表跳变载波频率 那么L个二进制随机码元对应2L个离散频率点 BFSK信号的带宽B 2 f 1 Tb Rb 是个窄带信号 而FH BFSK信号可以占据Wss 2LB带宽 同DS的瞬时带宽频谱不一样 跳频信号在每一瞬间是窄带信号 但在一个足够长的时间内看为宽度信号 跳频信号每个频率点上具有相同的功率 6 4 2不编码FH BFSK的原理 在接收端首先进行解跳处理 假定收发跳频码序列严格同步 收端可以产生相应的本地跳变载波信号 用c t 与输入信号进行混频和滤波 得到一个具有固定频率的BFSK窄带信号y t 再用传统的BFSK非相干解调方法恢复发端的数字序列dn FH SS的关键是同步 同DS系统一样 同步的建立过程包括捕获和跟踪过程 6 4 2不编码FH BFSK的原理 跳频系统可分为快跳频 FFH 系统和慢跳频 SFH 系统 两种定义快跳和慢跳的方法1 按绝对跳频速率来分 小于1000跳 s为慢跳频 大于1000跳 s为快跳频 2 按相对跳频速率来分 即根据Th和码元周期Ts之间的关系来分 快跳频指在每个数据符号间隔内存在多个频率跳变 即Ts mTh m 2 而满跳频则是每个跳频频率驻留时间内存在一个以上的数据符号 即Th mTs m 1 第二种分类更科学 理论分析更具一般性 6 4 2不编码FH BFSK的原理 6 4 3码片速率Rc FH系统中的码片速率Rc和DS中的码片速率Rc概念不同 DS中 Rc定义为扩频序列一个码元占据的时间的倒数 FH中 Rc代表FH MFSK在频域的最小频率间隔 根据信号检测理论 对离散单频信号进行最佳检测的条件是各单频信号在观察时间内相互正交 要求各单频信号的频率间隔应等于观察时间倒数的整数倍 最小为观察时间的倒数 6 4 3码片速率Rc 对于FH MFSK信号 设信息速率Rb 1 Tb 采用M进制 M 2K 每K个信息比特构成一个数据符号 则符号速率为Rs Rb K 1 Ts 慢跳和快跳的相关参数 6 4 4处理增益Gp 同DS一样 Gp为DS系统占据的总带宽Wss与信息速率Rb的比 这样定义的好处是处理增益Gp与调制方式和编码体制无关 当信息速率和总带宽给定时 处理增益Gp具有唯一性 其大小对DS系统的抗干扰性能其主要作用 对于未编码的FH MFSK体制 M 2k Rb KRs 处理增益为 跳频数Nt为整个Wss内离散频率点个数 它等于扩频带宽Wss 最小频率间隔Rc 对于编码的FH MFSK体制 传输速率Rt Rb 为编码效率 有Rb Rt KRs M 2k 此时处理增益为 6 4 4处理增益Gp 6 4 5跳频器 FH SS系统的核心是跳频器 由伪码发生器和频率合成器组成 跳频数Nt和跳频速率Rh是决定跳频系统性能的主要参数 跳频数增加则扩展的频谱越宽 系统处理增益越大 调频速率越高 就可适应高速数据传输 并有效抑制干扰 6 4 6FH通信的特点 抗干扰能力强对FH来说 只有在每次跳变时隙内 干扰频率恰好位于跳频的频道上时 干扰才有效 在接收端通过解跳处理 有用信号被还原成固定频率 而干扰的频率被扩展分布在很宽的频带 6 4 6FH通信的特点 具有选址能力 可实现码分多址通信 FH CDMA 不同用户选用不同的跳频序列作为地址码 当不同的多个FH扩频信号同时进入接收机时 只有与本地跳频码保持同步的FH信号被解跳成窄带信号 而其他用户信号像噪声和干扰一样被抑制 大量用户可以同时共享相同的频带 实现码分多址通信 在多经合衰落信道中的传输性能好因为跳频信号在很宽的频带内跳变 所以小部分的频谱衰落只会使信号在短时间内产生严重的畸变 故有抗频率选择性衰落的能力 对于FFH体制 一个数据符号含有多次频率跳变 因此具有频率分集的效果 因此在多径和衰落信道中传输性能好 6 4 6FH通信的特点 易于和其他调制类型的扩展频谱系统结合可以和其他扩展频谱系统结合 构成各种混合式频谱扩展系统 如DS FH等 易于与现有的常规通信体制兼容由于跳频通信只是对载波频率进行控制 因此对现有的常规通信系统 只要在设备上增加收发跳频器 在射频前端做一些简单改动 就能将常规通信系统改变为跳频通信系统 反之 调频系统若在定频情况下工作 就能和常规通信系统兼容 实现互通互联 由于FH技术通过躲避干扰实现其抗干扰能力 并且瞬时FH信号为窄带信号 不适于应用干扰抑制技术 干扰抑制技术主要用于DS系统 其所能对付的干扰信号种类包括自然干扰 人为干扰 多址干扰和多径干扰等 DSSS抗干扰的原理是利用扩频码的相关性在解扩时把不相关的干扰信号能量扩散 把相关的有用信号能量聚积 但如果干扰太强 尤其在有敌意的干扰条件下 干扰强度很容易超出干扰容限 就需要采取其他技术增强DSSS系统的抗干扰能力 如干扰抑制技术 干扰抑制的基本思想就是采取措施在DSSS信号解扩之前把强干扰能量消除 不让强干扰进入解扩解调器 避免干扰超出DSSS系统干扰容限 6 5干扰抑制技术 干扰抑制技术包括干扰检测和干扰消除 干扰检测要能准确知道干扰何时存在和存在的位置 快速 准确地检测到干扰 干扰消除要求处理增益大 对信号的损伤小 从实现角度考 要求干扰抑制算法尽可能简单 运算量小 目前干扰抑制技术的困难在于难以快速准确检测或估计干扰和消除干扰时如何减小对信号的损伤 尤其对于快变化的复杂干扰 干扰抑制的理论基础是利用有用信号和干扰信号特性的差别来区分有用信号和干扰信号 通常利用信号和干扰在时域 频域 或其他变换域 和空域上的特性差别来检测和消除干扰 一般来说 利用信号和干扰信息越多 获得的干扰抑制的性能也就越好 6 5干扰抑制技术 6 5干扰抑制技术 目前常用的干扰抑制技术分为3类 时域干扰抑制 变换域干扰抑制 空域干扰抑制 时域干扰抑制技术主要在时域进行干扰检测与消除 包括线性预测 非线性预测和扩频码辅助的干扰抑制技术 变换域干扰抑制技术主要在变换域进行干扰信号的检测和消除 包括基于DFT 基于重叠变换LT 基于时域变换等干扰抑制技术 空域干扰抑制技术主要指基于自适应天线调零的干扰抑制技术 包括基于预测的干扰抑制技术和基于扩频码辅助的干扰抑制技术 基于预测的干扰抑制技术又分为线性预测和非线性预测的干扰抑制技术 基于预测的窄带干扰抑制技术的基本思想是利用窄带信号和宽带信号在可预测性上的差异 窄带干扰是非高斯的 样值间有很强的相关性 可以从过去值估计当前值 而DS信号频谱平坦 样值间几乎不相关 得到一个窄带干扰 NarrowBandInterference NBI 的精确复制 然后再接收信号中消除复制的干扰信号 从而达到抑制窄带干扰的目的 6 5 1时域干扰抑制技术 6 5 1时域干扰抑制技术 基于预测的干扰抑制技术利用了宽带扩频信号与窄带干扰可预测性的不一致 形成对窄带干扰的估计 并从接收信号中将其减去而实现干扰抑制 这类抑制技术仅利用了窄带干扰和宽带扩频信号的差异 而没有利用扩频信号扩频码的特定结构信息 基于扩频码辅助的干扰抑制技术则通过利用扩频码的结构信息进一步提高干扰抑制性能 线性预测技术应用了扩频信号与NBI的频谱特点 非线性预测技术利用了这些信号的频谱和一阶概率分布特点 而基于扩频码辅助的干扰抑制技术则利用了有用信号的扩频码和NBI的信息 主要来源于线性多用户检测技术 虽然源于抑制多址干扰技术 但同样用于抑制窄带干扰 只是把窄带干扰但做速率比扩频信号低得多的多址信号 不同于时域干扰抑制技术 变换域干扰抑制首先需要将接收信号进行变换 然后基于信号和干扰在变换域的特征参数的差别 设计自适应滤波器或采用相应的干扰抑制算法将干扰消除 变换域干扰抑制的性能取决于在变换域上干扰相对于信号的分布的压缩特性 变换域处理方法利用扩频信号和窄带干扰信号在变换域的不同特征 使接收信号中的扩频信号分量尽可能均匀分布在整个频段 同时将窄带干扰信号尽可能压缩到几个有限的较窄的子带或谱线内 通过对包含干扰信号的子带或谱线进行处理 降低干扰信号的影响 6 5 2变换域干扰抑制技术 不同变换域处理算法的主要区别在于 变换基的选取 干扰检测算法和陷波算法 在变换域处理中 最基本的概念是要寻找一种合适的变换能把干扰能量限制在有限的变换域子带中 同时使有用信号的谱尽可能扩散在整个变换域上 变换域干扰抑制技术主要包括 1 基于离散傅立叶变换 DFT 的干扰抑制技术2 基于重叠变换 LT 的干扰抑制技术3 基于时频变换 短时傅立叶变换 小波变换 的干扰抑制技术 6 5 2变换域干扰抑制技术 基于DFT的干扰抑制技术基本过程 首先对接收信号作FFT运算 然后再频域进行干扰抑制 经过处理的信号再经IFFT运算还原到时域 从而达到抑制干扰的目的 干扰抑制算法包括干扰检测和陷波 干扰检测通过检测某个频率位置包含的干扰信号能量来确定干扰的位置 陷波就是把某个频率位置的信号电平映射到一个新的电平以抑制干扰 6 5 2变换域干扰抑制技术 6 5 2变换域干扰抑制技术 基于DFT的干扰抑制技术优点 可以处理多个干扰 并且可以快速跟踪干扰的变化 缺点 1 干扰数目不能太多 干扰分布的带宽不能太宽 进行宽带干扰消除会对信号产生严重的损伤 引起严重的信噪比损失 2 抑制干扰的同时也会不可避免地把干扰所在位置的有用信号一并抑制掉 6 5 3空域干扰抑制技术 自适应天线调零技术作为一种重要的干扰抑制技术 可以用于蜂窝通信系统和卫星通信系统 尤其在卫星通信系统得抗干扰技术中占有重要地位 使军用卫星通信抗干扰技术的重要手段 自适应天线调零技术的特点1 具有良好的空间鉴别能力干扰信号和有用信号一般具有不同的来波方向 这种空间特征的差异在其他抗干扰技术难以充分利用 自适应天下条令技术能够自适应地将方向图零点调到干扰信号的来波方向 2 同时抑制多个干扰3 对多种不同类型干扰的抑制4 对付强干扰5 与其他抗干扰技术兼容