第11講-抗干擾.pptVIP

無(wú)線通信工程 姚彥教授清華大學(xué)微波與數(shù)字通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2001年12月15日 第十一講 無(wú)線通信的抗干擾技術(shù) 內(nèi)容提要 概述原理關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用前沿幾點(diǎn)結(jié)論 概述 為什么要研究通信抗干擾 提高全民的國(guó)防意識(shí) 了解通信高技術(shù)的一個(gè)主要領(lǐng)域 民用與軍用的互相轉(zhuǎn)換 互相借鑒 互相支撐 為進(jìn)入軍事通信領(lǐng)域提供一些入門(mén)知識(shí) 信息戰(zhàn)的內(nèi)容及特點(diǎn) 信息戰(zhàn)的內(nèi)容電子對(duì)抗 如 電磁波的偵測(cè)與隱蔽 通信干擾與抗干擾 雷達(dá)干擾與抗干擾等 網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗 如 計(jì)算機(jī)病毒 軟件攻擊等 消息對(duì)抗 如 加密與解密 消息的收集與欺騙等 特點(diǎn)高度的對(duì)抗性極端的機(jī)密性應(yīng)用的綜合性對(duì)實(shí)戰(zhàn)環(huán)境的依賴(lài)性采用新技術(shù)的超前性 通信對(duì)抗的分類(lèi) 通信偵察 使用通信偵察設(shè)備來(lái)探測(cè) 搜索 截獲敵方的無(wú)線通信信號(hào) 對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量 分析 識(shí)別 監(jiān)視以及測(cè)向和定位 以獲取信號(hào)頻率 電平 調(diào)制方式等技術(shù)參數(shù)以及電臺(tái)位置 通信方式 通信特點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和屬性等情報(bào) 通信干擾 使用通信干擾設(shè)備發(fā)射專(zhuān)門(mén)的干擾信號(hào) 破壞或擾亂敵方的無(wú)線通信 是通信對(duì)抗的進(jìn)攻手段 通信抗干擾 在軍事通信設(shè)備及系統(tǒng)中采用的通信反偵察 反干擾措施 是通信對(duì)抗的防御手段 本次講座重點(diǎn)討論有關(guān)通信抗干擾問(wèn)題 軍事通信的干擾環(huán)境 干擾種類(lèi)設(shè)備內(nèi)部的干擾 如 收發(fā)干擾 鄰道干擾等 現(xiàn)場(chǎng)非敵意干擾 如 多徑干擾 多用戶(hù)干擾 環(huán)境噪聲干擾 其它電臺(tái)的干擾等 現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(zhǔn)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(hào)隱蔽性無(wú)線信號(hào)的隱蔽性單位面積天線 在單位帶寬中所能截獲的信號(hào)功率信號(hào)方式的隱蔽性雙工方式 調(diào)制方式 多路方式 編碼方式 同步方式信號(hào)參數(shù)的隱蔽性特別是與抗干擾有關(guān)的參數(shù) 如 擴(kuò)頻序列 跳頻序列 同步參數(shù) 信令參數(shù)等 抗干擾性能之二 信號(hào)魯棒性用干擾容限定義PJ PS 條件 設(shè)備性能 工作環(huán)境 干擾性質(zhì) 三個(gè)層次的條件 即 a 設(shè)備性能 如 比特差錯(cuò)率 語(yǔ)音質(zhì)量 同步及信令性能 網(wǎng)絡(luò)性能等 可以定一個(gè)門(mén)限 在此門(mén)限以下用戶(hù)不能接受 b 工作環(huán)境 如 單臺(tái)設(shè)備還是多臺(tái)設(shè)備 有無(wú)天線抗干擾措施 干擾源是否升空等 c 干擾性質(zhì) 如 干擾性質(zhì) 干擾強(qiáng)度 干擾時(shí)間等 原理 通信抗干擾分類(lèi) 頻率域 采用頻率域處理 如 直擴(kuò) 跳頻 跳擴(kuò) 時(shí)間域 采用時(shí)間域處理 如 瞬時(shí) 跳時(shí)等 空間域 采用空間域處理 如 自適應(yīng)天線等 其它數(shù)字處理 如 干擾抵銷(xiāo) 糾錯(cuò)編碼等 原理框圖 頻率域之一 直接序列擴(kuò)頻 頻譜圖 擴(kuò)頻 調(diào)制 信息比特發(fā)送 擴(kuò)頻序列 載波 解擴(kuò) 解調(diào) 擴(kuò)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(hào) 干擾 擴(kuò)頻調(diào)制 接收解擴(kuò) G fc fb擴(kuò)頻增益 原理框圖 頻率域之二 跳頻 頻譜圖 調(diào)制 變頻 信息比特發(fā)送 中頻載波 跳頻頻綜 解跳 解調(diào) 載波同步 信息比特接收 fb fi f01f02 f0N f0 fi fb 窄帶干擾 信號(hào) 干擾 跳頻調(diào)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(kuò)頻 跳擴(kuò)頻增益G N fc fb 調(diào)制 變頻 信息比特發(fā)送 中頻載波 跳頻頻綜 解跳 解擴(kuò) 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(kuò)頻 擴(kuò)頻序列 解調(diào) fc 擴(kuò)頻序列同步 時(shí)間域 瞬時(shí)通信這是潛艇通信常用的方法 先進(jìn)行信息壓縮 然后以很短的時(shí)間發(fā)送出去 特點(diǎn) 1 隱蔽性好 2 抗干擾能力強(qiáng) 3 信息速率低 4 延時(shí)大 非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) 跳時(shí)通信基本是一個(gè)TDM或TDMA系統(tǒng) 時(shí)隙不用滿(mǎn) 按某種跳時(shí)圖案在各個(gè)時(shí)隙上進(jìn)行跳時(shí) 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(qiáng) 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(yīng)調(diào)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(diǎn) 利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和檢測(cè) 利用自適應(yīng)技術(shù)自動(dòng)調(diào)整天線波束的零點(diǎn)指向 使干擾信號(hào)最小 不足 在零點(diǎn)方向形成盲區(qū) 影響這個(gè)區(qū)域內(nèi)用戶(hù)的正常通信 直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾容限 模型 公式推導(dǎo)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(kuò)頻用戶(hù)數(shù)N各用戶(hù)的功率相等Pi i 1 2 N Ps擴(kuò)頻帶寬W干擾功率Pj 帶寬W接收機(jī)噪聲系數(shù)F 直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾容限 續(xù) 單用戶(hù) 考慮熱噪聲結(jié)論 無(wú)論是多用戶(hù)干擾還是熱噪聲干擾都會(huì) 吃掉 一些干擾容限 只有在單用戶(hù)及忽略熱噪聲的情況下 才可能達(dá)到干擾容限的最大值 對(duì)下列公式進(jìn)行討論 討論單用戶(hù) 忽略熱噪聲多用戶(hù) 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(kuò)這是因?yàn)橹睌U(kuò)增益一般都小于濾波器的防護(hù)度 跳頻最好再加上糾錯(cuò)編碼措施某些跳頻點(diǎn)碰上干擾 可以通過(guò)糾錯(cuò)消除誤碼 跳頻最好再加上自適應(yīng)調(diào)零天線增加對(duì)抗特強(qiáng)干擾的能力 跟蹤干擾過(guò)程 對(duì)信號(hào)進(jìn)行偵測(cè) 分析 引導(dǎo)干擾機(jī)跟上信號(hào) 快跳頻是對(duì)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(kuò)結(jié)合的方法 因?yàn)閿U(kuò)頻增加了信號(hào)的隱蔽性 不容易被跟蹤 從抗干擾的角度 很少采用直擴(kuò) 對(duì)直擴(kuò) 跳頻抗阻塞干擾的說(shuō)明 PJ PJ PJ G PJ PJ PJ L濾波器 對(duì)跟蹤干擾和臨界跳速的說(shuō)明 電臺(tái)1 電臺(tái)2 偵察 分析 引導(dǎo)時(shí)間 接收時(shí)間 發(fā)送時(shí)間 干擾機(jī) T總 T接收 T發(fā)送 T偵察 分析 引導(dǎo) 對(duì)跟蹤干擾和臨界跳速的說(shuō)明 續(xù) fi fj T總 T跳頻 T總 T跳頻 干擾 干擾 有效干擾時(shí)間 T跳頻 關(guān)鍵技術(shù) 天線及射頻 射頻技術(shù)寬頻帶射頻收發(fā)技術(shù)大功率線性功放大動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)前端低損耗跳頻濾波器快速捷變頻綜 天線技術(shù)寬頻帶或多頻段天線技術(shù)窄波束天線自適應(yīng)調(diào)零天線智能天線天線陣技術(shù) 擴(kuò)頻的某些技術(shù)要點(diǎn) 有效性問(wèn)題擴(kuò)頻是以頻帶換取抗干擾能力 因而降低了傳輸?shù)挠行?解決方法 采用多進(jìn)制直擴(kuò)技術(shù) 基本原理是利用直擴(kuò)碼的正交性 形成并行傳輸?shù)耐ǖ?從而降低所需的帶寬 可靠性問(wèn)題擴(kuò)頻抗干擾的基本機(jī)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(cuò) 并把信道編碼和擴(kuò)頻處理結(jié)合起來(lái) 跳頻同步為了實(shí)現(xiàn)跳頻電臺(tái)的正常通信 必須要求網(wǎng)內(nèi)電臺(tái)有相同的跳頻圖案 準(zhǔn)確的時(shí)鐘信息 這就需要跳頻同步 方法 軍用電臺(tái)目前流行的是同步字頭法 即通過(guò)移動(dòng)臺(tái)對(duì)中心臺(tái)發(fā)出的時(shí)變跳頻圖案進(jìn)行搜索 實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)對(duì)中心臺(tái)的跳頻同步 要求 同步信息的隱蔽性 傳輸?shù)目煽啃?同步建立的快速性 即具有抗干擾能力強(qiáng) 同步時(shí)間短 傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn) 快速跳頻 這是針對(duì)中 低速跳頻通信系統(tǒng)易受跟蹤式干擾而采用的一項(xiàng)最新技術(shù) 目前國(guó)際上還停留在理論研究階段 尚未實(shí)用 其主要原理是 移動(dòng)通信系統(tǒng)以高于信息速率的跳速在很寬的頻帶上進(jìn)行頻率跳變 即每個(gè)信息比特跳幾跳以上 相當(dāng)于跳速高達(dá)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(diǎn)是 能有效地對(duì)抗敵方的跟蹤式干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾 能消除寬帶移動(dòng)通信中多徑效應(yīng)造成的不利因素 大大改善數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的誤碼性能 從而提高可通率 以上這些優(yōu)點(diǎn)特別適用于新一代的軍用無(wú)線通信 TurboCode 提出 Turbocode碼又稱(chēng)并行級(jí)聯(lián)碼 是1993年法國(guó)學(xué)者提出的一種性能接近極限的信道編碼結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的譯碼算法 特點(diǎn) 仙農(nóng)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(gè)極限始終未能達(dá)到 傳統(tǒng)的信道編碼都有不同程度的糾錯(cuò)能力 但離信道的容量極限還相距甚遠(yuǎn) 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(jié)構(gòu)與思路 它采用了并行級(jí)聯(lián)碼的結(jié)構(gòu)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(yīng)用 由于Turbocode的這種優(yōu)異性能 其應(yīng)用價(jià)值十分廣闊 尤其是軍用移動(dòng)通信領(lǐng)域 在實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)合的電磁環(huán)境和電子對(duì)抗情況下 射頻強(qiáng)干擾無(wú)處不在 在這樣惡劣的環(huán)境中進(jìn)行可靠的通信對(duì)編碼提出了更高的要求 傳統(tǒng)編碼是很難達(dá)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(wú)線電 提出 1992年在美國(guó)首先提出這個(gè)概念 并在美軍的多頻段多模式電臺(tái) Speakeasy 中得到應(yīng)用 美國(guó)麻省理工學(xué)院的一些計(jì)算機(jī)科學(xué)家開(kāi)始進(jìn)行軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)的研究 近年美國(guó)還組成軟件無(wú)線電Forum 加快實(shí)用化的步伐 特點(diǎn) 什么是軟件無(wú)線電 軟件無(wú)線電是將模塊化 標(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元以總線或網(wǎng)絡(luò)的方式連接構(gòu)成基本平臺(tái) 并通過(guò)軟件加載實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信功能的一種開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu) 軟件無(wú)線電體現(xiàn)三個(gè)開(kāi)放性 對(duì)研制的開(kāi)放性 對(duì)生產(chǎn)的開(kāi)放性 對(duì)使用的開(kāi)放性 是無(wú)線通信的第三次革命 應(yīng)用 a 可實(shí)現(xiàn)各種電臺(tái)互聯(lián)互通的無(wú)線網(wǎng)關(guān)b 可接入各種軍用移動(dòng)通信網(wǎng)的多功能車(chē)載電臺(tái)c 可實(shí)現(xiàn)空中轉(zhuǎn)信的多功能空中平臺(tái)d 可進(jìn)行智能化通信偵察與抗干擾的電子對(duì)抗系統(tǒng) 智能化對(duì)抗 智能化電子對(duì)抗是新一代軍用通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì) 通信抗干擾的智能化 1 對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的智能化偵測(cè)和分析 2 智能化天線技術(shù) 把空間信號(hào)處理引入電子對(duì)抗 3 智能化跳擴(kuò)頻技術(shù) 根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)情況實(shí)現(xiàn)電子對(duì)抗體制及參數(shù)的最優(yōu)化 4 網(wǎng)絡(luò)的智能化抗干擾技術(shù) 根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)情況實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 信令及控制的最優(yōu)化 應(yīng)用前沿 抗跟蹤干擾 現(xiàn)有的對(duì)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(duì)躲避固定干擾有很好的作用 然而 目前的信號(hào)檢測(cè)手段也日新月異 檢測(cè)能力日益加強(qiáng) 目前任一種DSP芯片的FFT速度能夠很容易地達(dá)到1ms以下 即現(xiàn)有的跳頻系統(tǒng)很容量受到跟蹤干擾的攻擊 解決這個(gè)問(wèn)題的根本辦法就是采用快速跳頻 也就是說(shuō)要將跳頻速率提高到每個(gè)頻點(diǎn)的停留時(shí)間不超過(guò)從通信發(fā)射機(jī)到干擾機(jī)再到通信接收機(jī)的傳播延遲 從而使最理想的跟蹤干擾或轉(zhuǎn)發(fā)干擾到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間超過(guò)有效的通信時(shí)隙而失去干擾作用 例如 當(dāng)干擾機(jī)在10km以外時(shí) 只要跳頻速率達(dá)到15KHz即可徹底解決跟蹤干擾和轉(zhuǎn)發(fā)干擾問(wèn)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(kuò)頻 對(duì)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(qiáng)干擾時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的交調(diào)干擾和噪聲惡化 即產(chǎn)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(dòng)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(wú)源跳頻濾波器 從而大幅度降低進(jìn)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(kuò)頻電臺(tái)在城市的電磁環(huán)境下由于受到民用無(wú)線電設(shè)備的干擾產(chǎn)生阻塞 無(wú)法正常工作 清華大學(xué)研制的II型無(wú)線雙工 廣州7所研制的TCL 178在野外試驗(yàn)中都遇到此問(wèn)題 希望了解 防止阻塞干擾對(duì)接收機(jī)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(kuò)頻電臺(tái)的阻塞干擾 擴(kuò)頻電臺(tái)的阻塞干擾 續(xù) 仿真結(jié)果討論 1 超短波全頻段 如 60 110MHz 跳頻電臺(tái)在城市環(huán)境 如 北京市 使用時(shí) 民用無(wú)線電設(shè)備產(chǎn)生的阻塞干擾將使接收機(jī)靈敏度下降30dB以上 這時(shí)的通信距離只能達(dá)到1 2Km 和野外試驗(yàn)結(jié)果完全一致 仿真結(jié)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(jié)果表明 當(dāng)跳頻濾波器帶寬為2MHz時(shí) 除個(gè)別干擾點(diǎn)外 其它最壞情況的阻塞干擾將不會(huì)影響接收機(jī)靈敏度 抗部分帶干擾 現(xiàn)有的無(wú)線通信系統(tǒng) 特別是模擬系統(tǒng) 即使采用跳頻技術(shù) 在部分帶干擾環(huán)境下 一般只要干擾比例達(dá)到總帶寬的1 3 就無(wú)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(qiáng)大糾錯(cuò)能力編碼 即Turbocode編碼 曾對(duì)Turbocode在快跳頻環(huán)境下的性能進(jìn)行過(guò)仿真 發(fā)現(xiàn)1 2速率Turbocode可在1 3頻點(diǎn)被干擾的情況下仍能以低于10 3的誤幀率進(jìn)行通信 而1 3速率Turbocode的抗部分帶干擾比例則可達(dá)到1 2 Turbo Code用于抗部分帶干擾 仿真目的驗(yàn)證Turbo Code在抗部分帶干擾中的作用研究碼長(zhǎng)及跳速對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)2400 每跳120bit 迭代4次 1 3部分帶干擾 碼長(zhǎng)480 每跳40bit 迭代4次 Turbo Code用于抗部