第11講-抗干擾.pptVIP

無線通信工程 姚彥教授清華大學微波與數字通信國家重點實驗室2001年12月15日 第十一講 無線通信的抗干擾技術 內容提要 概述原理關鍵技術應用前沿幾點結論 概述 為什么要研究通信抗干擾 提高全民的國防意識 了解通信高技術的一個主要領域 民用與軍用的互相轉換 互相借鑒 互相支撐 為進入軍事通信領域提供一些入門知識 信息戰(zhàn)的內容及特點 信息戰(zhàn)的內容電子對抗 如 電磁波的偵測與隱蔽 通信干擾與抗干擾 雷達干擾與抗干擾等 網絡對抗 如 計算機病毒 軟件攻擊等 消息對抗 如 加密與解密 消息的收集與欺騙等 特點高度的對抗性極端的機密性應用的綜合性對實戰(zhàn)環(huán)境的依賴性采用新技術的超前性 通信對抗的分類 通信偵察 使用通信偵察設備來探測 搜索 截獲敵方的無線通信信號 對信號進行測量 分析 識別 監(jiān)視以及測向和定位 以獲取信號頻率 電平 調制方式等技術參數以及電臺位置 通信方式 通信特點 網絡結構和屬性等情報 通信干擾 使用通信干擾設備發(fā)射專門的干擾信號 破壞或擾亂敵方的無線通信 是通信對抗的進攻手段 通信抗干擾 在軍事通信設備及系統(tǒng)中采用的通信反偵察 反干擾措施 是通信對抗的防御手段 本次講座重點討論有關通信抗干擾問題 軍事通信的干擾環(huán)境 干擾種類設備內部的干擾 如 收發(fā)干擾 鄰道干擾等 現場非敵意干擾 如 多徑干擾 多用戶干擾 環(huán)境噪聲干擾 其它電臺的干擾等 現場的敵意干擾 指敵方為電子戰(zhàn)需要而施放的干擾 通信抗干擾主要指對抗敵方的有意干擾 敵意干擾的式樣阻塞干擾 壓制干擾跟蹤干擾 瞄準干擾窄帶干擾 單頻干擾寬帶干擾 梳狀干擾 脈沖干擾升空干擾智能化干擾 通信抗干擾性能 抗干擾性能之一 信號隱蔽性無線信號的隱蔽性單位面積天線 在單位帶寬中所能截獲的信號功率信號方式的隱蔽性雙工方式 調制方式 多路方式 編碼方式 同步方式信號參數的隱蔽性特別是與抗干擾有關的參數 如 擴頻序列 跳頻序列 同步參數 信令參數等 抗干擾性能之二 信號魯棒性用干擾容限定義PJ PS 條件 設備性能 工作環(huán)境 干擾性質 三個層次的條件 即 a 設備性能 如 比特差錯率 語音質量 同步及信令性能 網絡性能等 可以定一個門限 在此門限以下用戶不能接受 b 工作環(huán)境 如 單臺設備還是多臺設備 有無天線抗干擾措施 干擾源是否升空等 c 干擾性質 如 干擾性質 干擾強度 干擾時間等 原理 通信抗干擾分類 頻率域 采用頻率域處理 如 直擴 跳頻 跳擴 時間域 采用時間域處理 如 瞬時 跳時等 空間域 采用空間域處理 如 自適應天線等 其它數字處理 如 干擾抵銷 糾錯編碼等 原理框圖 頻率域之一 直接序列擴頻 頻譜圖 擴頻 調制 信息比特發(fā)送 擴頻序列 載波 解擴 解調 擴頻序列同步 載波同步 信息比特接收 fb fc f0 f0 fc fb 2fc 窄帶干擾 信號 干擾 擴頻調制 接收解擴 G fc fb擴頻增益 原理框圖 頻率域之二 跳頻 頻譜圖 調制 變頻 信息比特發(fā)送 中頻載波 跳頻頻綜 解跳 解調 載波同步 信息比特接收 fb fi f01f02 f0N f0 fi fb 窄帶干擾 信號 干擾 跳頻調制 接收解跳 G N跳頻增益 跳頻圖案 f01f02 f0N 跳頻頻綜 跳頻圖案同步 fi 原理框圖 頻率域之三 跳擴頻 跳擴頻增益G N fc fb 調制 變頻 信息比特發(fā)送 中頻載波 跳頻頻綜 解跳 解擴 載波同步 信息比特接收 fb fi f01f02 f0N 跳頻圖案 f01f02 f0N 跳頻頻綜 跳頻圖案同步 fi 擴頻 擴頻序列 解調 fc 擴頻序列同步 時間域 瞬時通信這是潛艇通信常用的方法 先進行信息壓縮 然后以很短的時間發(fā)送出去 特點 1 隱蔽性好 2 抗干擾能力強 3 信息速率低 4 延時大 非實時業(yè)務 跳時通信基本是一個TDM或TDMA系統(tǒng) 時隙不用滿 按某種跳時圖案在各個時隙上進行跳時 有一定的隱蔽性和抗干擾性 目前使用不多 空間域 定向天線天線波束越窄 電波隱蔽性好 抗干擾性也強 從抗干擾角度 全向天線不如定向天線 采用毫米波頻段 天線方向性很好 有利于通信抗干擾 自適應調零天線利用相控陣天線原理 在干擾源方向形成波束的零點 利用數字信號處理技術對干擾信號進行識別和檢測 利用自適應技術自動調整天線波束的零點指向 使干擾信號最小 不足 在零點方向形成盲區(qū) 影響這個區(qū)域內用戶的正常通信 直擴系統(tǒng)的干擾容限 模型 公式推導Eb Ps TbN0 FkT Pj W N 1 Ps W得到 N Pj Ps 1 W fb N0 Eb FkTW Ps 條件 信息比特率fb 周期Tb擴頻用戶數N各用戶的功率相等Pi i 1 2 N Ps擴頻帶寬W干擾功率Pj 帶寬W接收機噪聲系數F 直擴系統(tǒng)的干擾容限 續(xù) 單用戶 考慮熱噪聲結論 無論是多用戶干擾還是熱噪聲干擾都會 吃掉 一些干擾容限 只有在單用戶及忽略熱噪聲的情況下 才可能達到干擾容限的最大值 對下列公式進行討論 討論單用戶 忽略熱噪聲多用戶 忽略熱噪聲 抗干擾體制的比較 阻塞干擾可以是窄帶 部分帶 梳狀干擾等 一般跳頻優(yōu)于一般直擴這是因為直擴增益一般都小于濾波器的防護度 跳頻最好再加上糾錯編碼措施某些跳頻點碰上干擾 可以通過糾錯消除誤碼 跳頻最好再加上自適應調零天線增加對抗特強干擾的能力 跟蹤干擾過程 對信號進行偵測 分析 引導干擾機跟上信號 快跳頻是對付跟蹤干擾的最好方法 臨界跳速 150KHz d km 如果跳速做不快 可以采用跳擴結合的方法 因為擴頻增加了信號的隱蔽性 不容易被跟蹤 從抗干擾的角度 很少采用直擴 對直擴 跳頻抗阻塞干擾的說明 PJ PJ PJ G PJ PJ PJ L濾波器 對跟蹤干擾和臨界跳速的說明 電臺1 電臺2 偵察 分析 引導時間 接收時間 發(fā)送時間 干擾機 T總 T接收 T發(fā)送 T偵察 分析 引導 對跟蹤干擾和臨界跳速的說明 續(xù) fi fj T總 T跳頻 T總 T跳頻 干擾 干擾 有效干擾時間 T跳頻 關鍵技術 天線及射頻 射頻技術寬頻帶射頻收發(fā)技術大功率線性功放大動態(tài)范圍接收機前端低損耗跳頻濾波器快速捷變頻綜 天線技術寬頻帶或多頻段天線技術窄波束天線自適應調零天線智能天線天線陣技術 擴頻的某些技術要點 有效性問題擴頻是以頻帶換取抗干擾能力 因而降低了傳輸的有效性 解決方法 采用多進制直擴技術 基本原理是利用直擴碼的正交性 形成并行傳輸的通道 從而降低所需的帶寬 可靠性問題擴頻抗干擾的基本機理是降低干擾的功率密度或碰撞概率 但不能完全消除誤碼 解決方法 采用糾錯 并把信道編碼和擴頻處理結合起來 跳頻同步為了實現跳頻電臺的正常通信 必須要求網內電臺有相同的跳頻圖案 準確的時鐘信息 這就需要跳頻同步 方法 軍用電臺目前流行的是同步字頭法 即通過移動臺對中心臺發(fā)出的時變跳頻圖案進行搜索 實現移動臺對中心臺的跳頻同步 要求 同步信息的隱蔽性 傳輸的可靠性 同步建立的快速性 即具有抗干擾能力強 同步時間短 傳輸可靠等優(yōu)點 快速跳頻 這是針對中 低速跳頻通信系統(tǒng)易受跟蹤式干擾而采用的一項最新技術 目前國際上還停留在理論研究階段 尚未實用 其主要原理是 移動通信系統(tǒng)以高于信息速率的跳速在很寬的頻帶上進行頻率跳變 即每個信息比特跳幾跳以上 相當于跳速高達100KHz 1MHz 比目前的跳速提高100 1000倍 與中 低速跳頻方式相比 這種體制的顯著特點是 能有效地對抗敵方的跟蹤式干擾和轉發(fā)式干擾 能消除寬帶移動通信中多徑效應造成的不利因素 大大改善數據傳輸時的誤碼性能 從而提高可通率 以上這些優(yōu)點特別適用于新一代的軍用無線通信 TurboCode 提出 Turbocode碼又稱并行級聯碼 是1993年法國學者提出的一種性能接近極限的信道編碼結構及相應的譯碼算法 特點 仙農的信息論給出了信道傳輸能力的上限 即信道容量 然而這個極限始終未能達到 傳統(tǒng)的信道編碼都有不同程度的糾錯能力 但離信道的容量極限還相距甚遠 使得信道資源一直得不到充分的利用 Turbocode則突破了傳統(tǒng)的編碼結構與思路 它采用了并行級聯碼的結構和利用軟輸出譯碼算法的迭代譯碼方法 在理論上可提供接近極限的能力 應用 由于Turbocode的這種優(yōu)異性能 其應用價值十分廣闊 尤其是軍用移動通信領域 在實戰(zhàn)場合的電磁環(huán)境和電子對抗情況下 射頻強干擾無處不在 在這樣惡劣的環(huán)境中進行可靠的通信對編碼提出了更高的要求 傳統(tǒng)編碼是很難達到的 而Turbocode則可充分利用這種信道所能提供的通信能力 軟件無線電 提出 1992年在美國首先提出這個概念 并在美軍的多頻段多模式電臺 Speakeasy 中得到應用 美國麻省理工學院的一些計算機科學家開始進行軟件無線電體系結構的研究 近年美國還組成軟件無線電Forum 加快實用化的步伐 特點 什么是軟件無線電 軟件無線電是將模塊化 標準化的硬件單元以總線或網絡的方式連接構成基本平臺 并通過軟件加載實現各種無線通信功能的一種開放式體系結構 軟件無線電體現三個開放性 對研制的開放性 對生產的開放性 對使用的開放性 是無線通信的第三次革命 應用 a 可實現各種電臺互聯互通的無線網關b 可接入各種軍用移動通信網的多功能車載電臺c 可實現空中轉信的多功能空中平臺d 可進行智能化通信偵察與抗干擾的電子對抗系統(tǒng) 智能化對抗 智能化電子對抗是新一代軍用通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢 通信抗干擾的智能化 1 對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的智能化偵測和分析 2 智能化天線技術 把空間信號處理引入電子對抗 3 智能化跳擴頻技術 根據戰(zhàn)場情況實現電子對抗體制及參數的最優(yōu)化 4 網絡的智能化抗干擾技術 根據戰(zhàn)場情況實現網絡結構 信令及控制的最優(yōu)化 應用前沿 抗跟蹤干擾 現有的對抗跟蹤干擾或單頻干擾手段 主要靠慢跳頻或中速跳頻 跳頻對躲避固定干擾有很好的作用 然而 目前的信號檢測手段也日新月異 檢測能力日益加強 目前任一種DSP芯片的FFT速度能夠很容易地達到1ms以下 即現有的跳頻系統(tǒng)很容量受到跟蹤干擾的攻擊 解決這個問題的根本辦法就是采用快速跳頻 也就是說要將跳頻速率提高到每個頻點的停留時間不超過從通信發(fā)射機到干擾機再到通信接收機的傳播延遲 從而使最理想的跟蹤干擾或轉發(fā)干擾到達接收機的時間超過有效的通信時隙而失去干擾作用 例如 當干擾機在10km以外時 只要跳頻速率達到15KHz即可徹底解決跟蹤干擾和轉發(fā)干擾問題 抗阻塞干擾 傳統(tǒng)的通信系統(tǒng) 特別是寬帶系統(tǒng) 跳頻和擴頻 對干擾的抑制主要靠中頻濾波 然而由于前端高頻放大器和混頻器都是非線性器件 在有強干擾時會產生不可恢復的交調干擾和噪聲惡化 即產生射頻前端的阻塞 解決辦法 1 盡量提高前端器件的線性動態(tài)范圍 2 將增益盡量分配在中放 3 更重要的和更直接的方法是在天線和高放間引入可快速編程的高Q無源跳頻濾波器 從而大幅度降低進入有源器件的干擾電平 提高抗阻塞能力 研究背景超短波擴頻電臺在城市的電磁環(huán)境下由于受到民用無線電設備的干擾產生阻塞 無法正常工作 清華大學研制的II型無線雙工 廣州7所研制的TCL 178在野外試驗中都遇到此問題 希望了解 防止阻塞干擾對接收機線性的要求 和采用跳頻前置濾波器解決阻塞干擾的方法 仿真成果 擴頻電臺的阻塞干擾 擴頻電臺的阻塞干擾 續(xù) 仿真結果討論 1 超短波全頻段 如 60 110MHz 跳頻電臺在城市環(huán)境 如 北京市 使用時 民用無線電設備產生的阻塞干擾將使接收機靈敏度下降30dB以上 這時的通信距離只能達到1 2Km 和野外試驗結果完全一致 仿真結果討論 2 解決全頻段跳頻阻塞干擾的一種有效手段是采用跳頻前置濾波器 仿真結果表明 當跳頻濾波器帶寬為2MHz時 除個別干擾點外 其它最壞情況的阻塞干擾將不會影響接收機靈敏度 抗部分帶干擾 現有的無線通信系統(tǒng) 特別是模擬系統(tǒng) 即使采用跳頻技術 在部分帶干擾環(huán)境下 一般只要干擾比例達到總帶寬的1 3 就無法正常通信了 在這樣的惡劣環(huán)境下 要想仍能正常通信 唯一的辦法就是采用有強大糾錯能力編碼 即Turbocode編碼 曾對Turbocode在快跳頻環(huán)境下的性能進行過仿真 發(fā)現1 2速率Turbocode可在1 3頻點被干擾的情況下仍能以低于10 3的誤幀率進行通信 而1 3速率Turbocode的抗部分帶干擾比例則可達到1 2 Turbo Code用于抗部分帶干擾 仿真目的驗證Turbo Code在抗部分帶干擾中的作用研究碼長及跳速對抗干擾性能的影響 Turbo Code用于抗部分帶干擾 續(xù) 1 3部分帶干擾 碼長2400 每跳40bit Turbo Code用于抗部分帶干擾 續(xù) 1 3部分帶干擾 碼長2400 每跳120bit 迭代4次 1 3部分帶干擾 碼長480 每跳40bit 迭代4次 Turbo Code用于抗部