第10卷 第4期 20l2年8月 信 息 与 电 子 工 程 INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING VO1.10.NO.4 Aug.,2012 文章编号:1672—2892(2012)04.0426.05 基于信号分析的通信对抗干扰效果评估方法 王满喜 ,聂 嗥 ,黎 力 ,谈东兰 (1.中国人民解放军63880部队博士后工作站,河南’洛阳471003;2中国人民解放军63880部队,河南洛阳471003) .摘 要:通信对抗仿真试验需要实时的干扰效果评估算法来满足动态试验过程的研究分析和 试验效果的实时显示。提出了一种基于信号分析的通信对抗干扰效果评估方法,该方法将目标信 号在复杂电磁环境中的信号特征参数识别误差,作为目标信号受干扰程度的评判参考,具有实时 性好的突出特点,评估实例证明了该方法在一定信噪比区间内的有效性。 关键词:信号分析;通信对抗;干扰效果评估;建模仿真 中图分类号:TN911.4 文献标识码:A Jamming effect assessment method by signal analysis in communication.counterwork WANG Man.xi 一,NIE Hao ,LI Li ,TAN Dong—lan (1.Postdoctoral research workstation,the 63880 Unit of PLA,Luoyang Henan 471003,China; 2.The 63880 Unit of PLA,Henan Luoyang 47 1 003,China) Abstract:Real—time jamming effect assessment is required by the analysis on test process and live display of dynamic communication countermeasure simulation test.This paper proposes a new jamming effect assessment method based on signal analysis.In this method,the signal characteristics recognition error of the target signal in complex electromagnetic environment is taken as the referenced judgment of jamming effect.The proposed method sh.ows good performance of real—time and is proved effective in certain sections of SNR via an illustration. Key words:signal analysis;communication countermeasure;jamming effect assessment;modeling And sim11latinn 干扰效果是检验通信对抗装备的一个重要指标。在通信对抗仿真试验中,不仅需要对某一固定状态下的通 信对抗干扰效果进行评估,还需要对处于运动状态和复杂电磁环境下的接收机的受干扰程度进行实时评估,以便 于试验过程的研究分析和试验效果的实时显示。由于实时干扰效果评估对评估算法的实时性要求较高,传统的基 于长时间误码统计的、以通信终端接收误码率为评判依据的通信对抗干扰效果评估方法已不能满足仿真试验的需 求,故必须研究或开创新的干扰效果评估方法。本文针对实际应用需求,提出了一种基于信号分析的通信对抗干 扰效果评估方法,该方法不以接收机输出作为分析对象,而是将目标信号在复杂电磁环境中的信号特征参数识别 误差,作为目标信号受干扰程度的评判参考,具有实时性好的突出特点,非常适合作为在复杂电磁环境下干扰效 果实时评估和显示的后台处理算法。 l 基于信号分析的通信对抗干扰效果评估方法的基本思路 在通信对抗试验中,通常以误码率作为通信接收机受干扰程度的判别标准,同时,为了得到干扰装备对通 信接收机的压制系数,或者通信接收机的抗干扰容限,需要给出在误码率高达一定程度时的干信LL(Jamming to Signal Ratio,JSR1,即需要知道误码率和干信比之间的对应关系,从而可以有针对性地分析该样式的干扰信号对 通信信号的干扰性能。 对给定调制样式的基带通信信号,其接收误码率主要受4个因素的影响:接收信噪比(或干信比)、干扰信号 样式、解调方式和实现电路带来的信噪比损耗。当接收机具体给定时,解调方式和实现电路带来的信噪比损耗相 收稿日期:2011-08.24;修回Et期:2011-09—19 第4期 王满喜等:基于信号分析的通信对抗干扰效果评估方法427 对恒定,f信比和干扰信号样式是引起误码率变化的主要因素。在存在多种干扰信号和背景信号的复杂电磁环 境中,通常会有多路干扰信号、背景信号、一路甚至多路通信信号同时进入通信接收机,而且非目标信号(干扰 信号、背景信号和其他通信信号)的调制样式种类复杂多样,信号功率也动态变化,此时想通过一组干信比一误 码率函数曲线作为接收机性能的评价标准是不可能的。即使根据不同的非目标信号样式,得到了多组干信比一误 码率函数曲线,也不能直接得到接收机误码率,因为非目标信号之间存在相互作用,而且它们对目标信号的影响 也.并非简单叠加。 基于信号分析的通信对抗干扰效果评 ▲ 董 0 \ \估方法,正是为了解决上述问题而提出的。 萎 磐 、 § \\ \[ \g卜 苫 该评估方法不以干信比和误码率的对应关 玉_ 系作为分析对象,而是将目标信号在复杂电 L————■’ 磁环境中的信号特征参数识别误差作为目 JSR recognition error JSR 标信号受干扰程度的评判参考。基于信号分 Fig.1 Sketch ofthe principle ofthe proposedjamming effect assessment method 图l基于信号分析的干扰效果评估方法原理 析的通信对抗干扰效果评估方法的基本原 理如图1所示。 识别误差是通信对抗侦察系统的一个重要指标,它描述的是侦察接收机对目标信号的频率、信息速率、码 速率等特征参数的测量准确率。识别误差和接收干信比紧密相关,侦察接收机总有一个f信比一识别误差曲线, 以表征侦察系统的侦察能力。如果用 表示当前复杂电磁环境的信号样式、功率、干信比等状态,那么当侦察 系统的侦察接收机(包括识别算法)一定时,识别误差可用函数 = (X)来表示,同时可得其反函数为: X= ( ) (1) 此时如果用通信接收机来接收目标信号,则接收机的误码率可用函数 =fb(X)表示,将式(1)代人,有: =fb l ( )l=F(Pd) (2) 式中Ff.)表示识别误差JP 和误码率P 之间的函数关系。可以看出,如果能够建立F(・)函数表达方法,比如数学 关系式或对应关系查找表等,则可以避开复杂电磁环境的状态描述和分析的难题,直接找到当前状态下的接收机 误码率,从而对复杂电磁环境下的通信对抗干扰效果进行评估。 2 基于信号分析的复杂电磁环境下通信对抗试验干扰效果评估方法 对于存在多种干扰信号和背景信号等非目标信号的复杂电磁环境下的通信对抗试验,在目标通信信号和干 扰信号特征在试验前均为已知的条件下,将单路通信信号、通信信号和多路干扰信号的合路信号分别进行数据采 集,然后送人信号处理模块进行处理和分析。 整个评估过程中以信号处理模块为核心,在该模块中,首先根据接收机的实际硬件配置,对接收机天线、 射频抗干扰模块、中频抗干扰模块进行模拟,给出抗干扰增益,以保证基带信号处理中的准确性,如图2所示。 图中,信号特征提取模块完成在无干扰条件下对目标通信信号的特征参数提取功能,该模块用以检验信号特征提 取算法的可行性,并向信号特征识别模块提供特征参数的参考值;信号特征识别模块则主要完成在干扰条件下对 目标通信信号的特征参数提取功能,通过比较自己提取的特征参数和模块提供的特征参数参考值,给出信号特征 的识别误差,该识别误差被送往评估模块,通过经验表查找,得到相应的误码率,从而得到干扰效果。 1mun1catl0n signa1 .1anIi-jRam min g mod ul e in he ina tnhtie- jMamF mofintgh em roecdeuilve Ler —+ signale cxhtrarcatciotenr istics look—for table mixed signal l l i ̄a mmi ng mod ul ein I anti-jMamF mofintgh em roecdueilve irn the L— signarl echoagrnaicttioerni stics evaluation existence ofthis part is decided on the real receiver : 1 .................................. ...。..... ... ... ...............................Fig.2 Signal processing and analysis on the proposed jamming effect assessment method 图2干扰效果评估中的信号处理与分析力‘法 图2中的经验表在评估时起着关键作用,对复杂电磁环境下的通信对抗试验来说,经验表即是式(2)中F(。), 即识别误差Pd和误码率尸h之间函数关系的经验对照表。该经验表可以通过图3所示的基带处理模型得到,模型 428 信息与电子工程 第10卷 通过信号特征识别误差来调整通信信号生成 时特定参数的误差,该误差将导致解调模块 误差的增加,从而影响接收系统的误码率。 3关键技术分析 基于信号分析的通信对抗干扰效果评 估,将目标信号在复杂电磁环境中的信号特 技术主要有: 1)射频抗干扰能力的模拟 Fig.3 Baseband processing model of BER—recognition error look-for table 图3误码率一识别误差经验表的基带处理模型 征参数识别误差,作为目标信号受干扰程度的评判参考,这对评估系统的信号处理能力提出很高的要求,其关键 现在越来越多的通信接收机为了提高其抗干扰性能,加装了自适应调零等智能天线,它能够为接收机带来 10 dB~30 dB的抗干扰增益l】 ]。对智能天线进行模拟,主要是模拟其实时可变的波束形成功能,以便实时得到其 天线方向网,确定当前状态下智能天线对目标信号和干扰信号的增益和衰减。波束形成是指用一定形状的波束来 通过有用信号或需要方向的信号,并抑制不需要方向的干扰。阵列天线的波束形成可以采用模拟方式,也可以采 用数字方式,采用数字方式在基带实现滤波的技术称为数字波束形成。 2)中频抗干扰能力的模拟 中频抗干扰多用于直接序列扩频通信系统中,它是对抗单音干扰和窄带干扰的有效方法_4 J。在基于信号分 析的通信对抗干扰效果评估中,信号特征参数识别方法是算法的关键。但是,由于信号特征参数识别属于通信侦 察的范畴,常用的信号特征参数识别方法都是在高斯白噪声下实现的。为了去除恶意干扰如单音、窄带等干扰对 信号特征参数识别方法带来的影响,应在中频加入自适应滤波等干扰抑制能力模块,确保进入基带处理模块的干 扰信号以高斯白噪声为主。 3)信号特征参数提取和识别算法 信号特征参数提取和识别算法是基于信号分析的通信对抗干扰效果评估方法的核心和重点。严格来讲,信 号特征参数识别包含了信号特征参数提取和信号调制识别等。在本文提出的干扰效果评估方法中(见图3),信号 特征参数提取模块是对无干扰的通信信号特征参数进行提取,以得到较为“真实”的、该特征提取算法得到的参 数值;而信号特征识别模块是对存在干扰情况下的通信信号特征参数进行提取,它采用的是同样的特征提取算法。 由于对同一信号来讲,通常有多个特征参数可供提取和识别,对不同特征参数进行提取和识别的算法也是不同的, 在选择特征提取算法上,算法的鲁棒性和检测性能的单调区间是特征算法选取的重要尺度。在本文下一节的评估 示例中,将以直接序列扩频信号的载波频率作为特征参数,以谱相关检测算法[6-7]作为信号特征参数的提取算法 进行仿真和验证。 4 评估示例 基于以上评估思路和方法,本文利用Simulink软件对常用的DS/BPSK通信信号的干扰效果评估进行了建模、 仿真和分析。仿真中参数设置为:系统采样速率为1 kHz,通信PN码采用的是长度为31的m序列,每个码片 32个采样点,码片时宽为32 ms;数据速率约为1 bps;载波频率为125 Hz,为了减少仿真时间,没有采用中频 过渡;发送端成形滤波器和接收端匹配滤波器均为平方根升余弦函数;接收端采用PN码串行捕获、延迟锁定环 和Costas环进行解调;没有采用信道编码,此处误码率为信道误比特率;干扰系统有2个干扰信号,分别是带 限高斯白噪声和单音干扰,其中单音干扰中心频率和通信信号中心频率,其波达方向为40。;带限高斯白噪声, 其没有波动方向选项;通信信号的波达方向为0。。整个仿真系统的顶层视图如图4所示。 接收机射频抗干扰仿真模块模拟的智能天线为12个阵元的均匀线阵天线,阵元间距为半个波长,通过仿真 得到的主瓣方向方位角为40o时的接收机天线方向图如图5所示;中频滤波在等效的基带信号处理前期进行,采 用基于最小均方误差算法的误差预测滤波器;参数特征提取模块中,特征参数选取为载波频率,提取算法为谱相 关算法,算法的实现过程详见参考文献[5],仿真中得到的循环自相关函数如图6所示;查找表通过给接收机加 入载频锁定环路(Costas环1抖动误差得到,仿真中的误差的加入电路如图7所示。 冈8给出了当干扰信号源只有高斯白噪声时,仿真接收机在不同信噪比下的误码率和基于信号分析的评估 算法得到的误码率的对比曲线,其中评估误码率由于在低信噪比下的载频估计误差大于0.1而没有计算误码率。 从图中可以看到,两组误码率还是有一定差距的,两者较为接近的信噪比区间为【7~10]dB,且单调性能一致, 第4期 王满喜等:基于信号分析的通信对抗干扰效果评估方法429 在高信噪比情况下,由于信号特征参数提取算法的NRMSE趋于平稳,故未能对接收机性能的变化做出评估。 Fig.4 Top view ofthe simulation system 罔4仿真系统的顶层视图 90 1 5 20 10 1 5O 1 8O} I2l0 240 300 270 Fig.5 40。bearing beam in polar coordinates Fig.6 CA function 图5波束方向为4O。的极坐标方向图 图6循环自相关函数 Fig.7 Error inpouring circuit in simulink 图7 Simulink仿真中的误差加入电路 图9给出了当干扰源同时存在白噪声干扰和单音干扰时的误码性能曲线,此时白噪声干扰功率固定,与通信 信号的干信比关系为一8 dB,单音干扰功率可变,阿中横坐标为通信信号和单音干扰的功率比。从图中可以看出, 由于评估通道加入了中频滤波模块,所以单音干扰对评估算法的影响不大;在通信信号和单音干扰的功率比小于 430 一信息与电子工程 第10卷 4 dB时,由于中频滤波模块对单音的抑制能力变弱,且由于单音干扰与通信信号同频,故导致信号特征参数提 取模块对载频的检测误差减小,出现误码性能改善的错误评估,这是需要注意的。 10.8—6 —4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 RsN/dB Fig.8 BER curve under the condition with AWGN Fig.9 BER curve under the condition with AWGN and CW signal 图8白噪声干扰情况下的误码性能曲线 图9白噪声和单音干扰情况下的误码曲线 通过上面的仿真结果可以看出,在信噪比区间[7~10]dB内,基于信号分析的干扰效果评估算法的有效性, 其是算法约4 s时问的评估结果输出,可以使评估算法满足大部分的近实时要求;但仿真也暴露可用信噪比区 间过小等一些问题,这主要是由于通信信号特征参数的选定和提取算法造成的,在后续研究中应就如何增加检 测单调区间和减小非白噪声信号的影响进行重点关注,其中采用多参数的提取算法结果相融合的方法应该是一个 值得研究的思路。 5 结论 干扰效果的评估是通信对抗仿真试验一个重要职能和任务。随着通信技术的快速发展,新的通信和通信对抗 装备不断涌现,对通信对抗试验方法和干扰效果评估方法的要求也不断提高。本文提出的基于信号分析的通信对 抗干扰效果评估方法具有实时性好的突出特点,非常适合作为在复杂电磁环境下干扰效果实时评估和显示的后台 处理算法,可以为通信对抗试验评估提供可行的思路和方法。 参考文献: [1] 杨经晓,高彦文.战术电台自适应调零天线【JI.现代军事通信,1998,6(1):7—13. 【2】 赵凯,谭启国,王锡良.调零天线阵列设计研究[J].舰船电子工程,2009,29(8):72—74. 【3] YANG Wei,CHEN Junshi,LI Shiming,et a1.Antenna Array Technique in Mobile Communication[M].Be ng:Be ng Jiaotong University Press,2005.) 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