通信抗干扰工程与实践研究生课程第二章汇编.ppt

唐万斌 教授 电子科技大学﹒通信抗干扰技术国家级重点实验室 2015年3月 教学内容 通信抗干扰概述 跳频通信工程与实践 直扩通信工程与实践 - 2 - 通信网络抗干扰基础与应用 通信抗干扰技术的新进展 跳频通信工程与实践 跳频通信基本知识 跳频图案的性能分析与检验 跳频处理增益对系统能力的影响 跳频信号损伤及其估算 - 3 - 实时频率自适应跳频 跳频通信抗干扰增效措施 跳频通信主要干扰威胁 跳频体制的特点及适用范围 4 跳频通信基本知识 •跳频通信：通信双方或多方在相同同步算法和伪随机跳频图 案的控制下，射频频率在约定的频率表（集）内以离散频率 的形式伪随机且同步地跳变 •跳频通信系统的抗干扰能力主要体现在抗阻塞干扰和抗跟踪 干扰两个方面 5 跳频通信基本知识 跳频通信系统示意图 6 跳频通信的稳健性 •在没有干扰的情况下，定频通信能力比跳频强 –换频时间内不能传输信息，通信效率比定频低； –由于跳频同步误差、各频点灵敏度误差等因素，跳频信号在处理中 收到的损伤更大，使得在无干扰和同等功率条件下跳频通信距离一 般比定频通信距离缩短1/5； •在战场人为有意干扰环境下，跳频通信具有一定的稳健性。

–跳频通信装备即使在遇到一定干扰情况下，也能维持相应的通信能 力； –即使跳频通信被有效干扰至通信中断，也迫使敌方付出比干扰定频 通信多得多的代价 跳频通信以跳频扩展频谱、系统复杂度和信号损伤为 代价，换来抗干扰能力的提高 7 跳频信噪比与信干比 •无线通信必须保证其解调端达到一定的信噪比，才能正确解 调 –对于跳频通信，各频率通道上的噪声、信道衰落、接收灵敏度等不 尽相同，因此各频点上的信噪比可能存在较大的差异； •跳频信噪比中值 8 跳频可用频率 •第一种和第二种模型中，各频点的瞬时频谱无交叠 –某个频点上的窄带干扰不会对其他频点产生影响； –组网时发生频率碰撞，只对相应的单个频点形成干扰； –频率利用率相对低 •第三种和第四种模型中，各频点的瞬时频谱出现交叠 –网间干扰更严重 –频率利用率更高 9 跳频速率 •跳频速率（跳速）：每秒钟射频频率跳变的次数 •低速、中速和高速跳频 –按照绝对跳速划分： –按照跳频速率与信息比特速率的关系划分： 低速跳频 100 Hop/s 中速跳频 1000 Hop/s 低速跳频 中速跳频 高速跳频 10 跳频速率 •跳频速率的选择 –理论上，跟踪干扰是跳频通信的最大克星 –跟踪干扰与抗跟踪干扰是对抗双方在速度域上的较量 –提高跳速的限制：信道机的反应时间，频率合成器的反应时间，装备成 本等 –过高的跳速会引起频谱溅射污染， 降低网间电磁兼容性能；如果采 用敌我双方差异太大的过高跳速， 还容易暴露目标 –实践表明，只要能做到正确地 跳频组网和跳频密钥分配，有 效阻止敌方对跳频目标网的侦察 分选，即使跟踪干扰机的反应 速度高于跳频通信的跳速， 也难以实现跟踪干扰 跳频速率是抗跟踪干扰的重要指标，但不是唯一指标！ 11 跳频同步 12 跳频初始同步的需求 •跳频初始同步被认为是跳频通信系统的脆弱点 •跳频初始同步的抗干扰性能比通信的抗干扰性能更为重要 13 跳频初始同步 •跳频初始同步实际上是通信双方或多方消除相互之间频率、时 间二位不确定性的过程。

–在预先约定的固定初始频率上定频传输同步信息； –在若干个跳变频率上发送和扫描接收初始同步信息 •为了组网和使用的需要，还有一些勤务信息需要在同步过程中 一并传输 •跳频初始同步建立时间 –与工作频段、跳频速率、所用同步频率数、数据速率和同步概率等有关 –一般短波跳频初始同步建立时间为秒数量级，超短波及其以上频段跳频 初始同步时间为毫秒数量级或更短 •跳频初始同步概率（跳频初始同步可靠性） –跳频初始同步概率是以一定的信道误码率为条件的，否则没有意义 14 跳频同步维持 •跳频同步维持（保持）时间 –从跳频初始同步建立完成到跳频失步所需时间； –跳频失步一般定义为收发跳之间相对漂移1个（或1/3）跳周期 •跳频同步维持时间与跳周期和时钟稳定度有关 –如跳周期为5ms，时钟稳定度为 ，则同步维持时间为41.66分钟 ，如果按1/3跳周期计算，为13.8分钟； –对于一直传输数据的通信设备，尤其是群路通信设备，需要额外的同步 过程（如若干跳插入一定的同步校正信息），以实现一次同步，长期维 持 •跳频同步的维持性能还影响到跳频链路增益及通信距离 15 跳频迟后入网同步 •跳频电台工作状态有“在网”和“离网”。

–如某电台与主台之间实时时间的误差在规定范围内，则该电台“在网”，否 则“离网”； –跳频电台从“离网”状态进入“在网”状态的同步过程，为迟后入网 –与跳频初始同步不同的是，“离网”电台的实时时间已超出了可以进行正常 跳频初始同步的范围，需要采取特殊的迟入网跳频同步设计 •迟入网跳频同步的三种类型 –点名式：主台采用电子点名的方式检查是否存在“离网”电台，如有，则在 预定的迟入网频率上发迟入网同步引导信息； –申请式：“离网”电台在预定的迟入网同步频率上向“在网”电台发迟入网申 请，网内主台收到申请后，则在预定的迟入网频率上发迟入网同步引导 信息 –积累式：所有“在网”电台在进行正常的跳频通信过程中，每隔一定的跳数 ，在预定的频率上发送一部分跳频同步信息，“离网”电台则在预定的频率 上逐步接收和积累同步信息，等收全所需的同步信息后，即实现了迟入 网 16 跳频图案 •跳频图案指在伪随机码的控制下，射频频率随时间伪随机跳 变的规律，形成时间-频率关系矩阵（时频矩阵） –跳频图案是敌方侦察和破译的重点目标之一 –一方面跳频图案需要呈随机性，一方面需可控 •跳频图案产生的一种原理过程： 17 跳频图案 •TOD（Time of Day）是实时时间，PK（Primary Key）是跳 频初始密钥（跳频密钥） –TOD与PK运算后即形成一种流动密钥，即一跳一密； –实际中一般预设多组跳频密钥，供使用时选择，但同一跳频网内的 各电台必须使用相同的跳频密钥，跳频密钥的数量应与跳频组网的 数量相对应。

•伪随机码序列可以是M序列、m序列、Gold序列、Bent序列 等，由系统要求予以选定其状态受TOD和PK的控制 •复杂非线性变换 –完成伪随机码到频率号一一对应的非线性运算，增加跳频图案的复 杂度； –完成由伪随机码码长到频率控制码码长的转换，一般伪随机码码长 要大于频率控制码码长 18 跳频图案 •控制跳频图案的核心是伪随机码 –伪随机码一定会重复； –跳频码序列不出现重复的最大序列长度为跳频码序列周期； –跳频图案不出现重复的最长时间为跳频图案周期 –如伪随机码码长为n，跳周期为Th，则跳频图案周期为： –如跳速为200Hop/s，n=32，则跳频图案周期为248.5天；如n=40，则 跳频图案周期为176.7年； –在实际战术使用中，一次通信的时间远小于跳频图案周期，而每次 跳频同步后跳频图案又从新的起点开始重新计算 19 跳频图案：对跳频图案的战术技术要求 •具有不可递推性 –阻止敌方从跳频通信当前频率或若干频率推算出下一个频率； –跳频密钥必须具有可预置性和运算后的流动性； –跳频图案周期必须足够长，一般要求大于数年，也不能在其周期中 有小周期重复； –跳频图案必须具有很好的随机性（功率谱平坦）、一维均匀性（每 个频率出现的概率趋于相等）和二位连续性（任意两个频率连续出 现的概率控制在一定的范围内）。

•具有不可逆推性 –阻止敌方从跳频通信当前频率或若干频率逆推出跳频图案算法和跳 频密钥 –跳频图案未必需要伪随机码的控制，如差分跳频，但要满足一定的 约束关系 20 跳频信道 •跳频信道 –与定频通信中的信道即是频道不同，跳频通信的信道具有多维性， 在同种跳频通信设备和相同跳频体制（跳频控制、跳频同步、调制 方式、工作频段、工作方式等相同）的前提下，要实现跳频通信， 至少频率表、跳频密钥、网号、跳频图案算法等参数要相同，实时 时间（TOD）在允许的误差范围内 –跳频信道至少包含频率表、跳频密钥、网号、跳频图案和实时时间 等参数，对应于一个跳频通信网； –因此可以定义跳频信道是指完成跳频通信所需的信道参数的集合； –在实际中，不同用途跳频通信设备的信道参数内容有所不同，由业 务部门利用专门管理设备规划，并由跳频参数注入器向跳频通信设 备注入，操作员不必知道其具体内容，直接选择跳频信道号即可， 使用方便 21 跳频实时时间及时差校对 •跳频实时时间 –TOD是实现跳频同步和控制跳频起点频率的主要参数，其本质是指 各跳频通信设备实现跳频同步所需的机内相对定时 –TOD与物理时间（或作战时间）可以一致，也可以不一致。

–只要各跳频通信设备的TOD值在跳频同步允许的相对时差范围内， 就应该能顺利实现跳频同步，同步概率一般可达到95%以上，在允 许的时差以外，也有可能实现跳频初始同步，同步概率较低，但应 可以能实现迟入网同步 –跳频同步允许的时差是描述跳频同步的重要指标之一根据战术要 求，该时差一般在几分钟到10分钟范围内 •时差校正 –作战之前，进行一次人工校正，按照北京时间预置设备的机内时间 –跳频通信设备展开后，主要靠设备本身自动校正，如跳频初始同步 、迟入网同步等 –如果跳频同步不依靠TOD方式实现，可以采用卫星授时、战场统一 授时等 跳频通信工程与实践 跳频通信基本知识 跳频图案的性能分析与检验 跳频处理增益对系统能力的影响 跳频信号损伤及其估算 - 22 - 实时频率自适应跳频 跳频通信抗干扰增效措施 跳频通信主要干扰威胁 跳频体制的特点及适用范围 23 跳频处理增益算法修正 •跳频处理增益的原有定义 –没有说明 的情况； –可用频率数 与实际频率数 的不同 –从理论上，可用频率数表明了系统潜在的抗阻塞干扰能力，而在实 际工程实践正提到的频率数往往是实际频率数。

•跳频处理增益算法修正 总之，跳频处理增益都应该等于可用频率数，如果用 实际频率数计算，需要乘以修正因子 24 跳频处理增益对系统能力的影响 •跳频处理增益对抗阻塞干扰能力的影响 –在系统发射功率和组网能力一定的条件下，系统的抗阻塞概率主 要依赖于跳频处理增益； –理论上，需要有效阻塞跳频通信 频率表的N个频率才能达到与干扰 定频通信同样的效果 –实际上， 和 时，抗阻塞干扰能力一般小于各自 跳频总带宽或总频率数的1/3， 时还要低这就是跳频 干扰容限 –在实际工程中，由于跳频通信的频率集一般是固定不变的，在受 到阻塞干扰时，系统仍盲目地往干扰频点上跳，形成“盲跳频”现象 需采用其他增效措施，如自适应跳频等 •跳频处理增益算法修正 25 跳频处理增益对系统能力的影响 •跳频处理增益对抗跟踪干扰能力的影响 –理论上，跳频处理增益与系统的抗跟踪干扰和组网能力没有直接 的关系；跳频通信的抗跟踪干扰能力主要与跳速、组网能力、跳 频图案和跳频密钥等因素有关； –实际上，较大的跳频处理增益有利于提高抗跟踪干扰能力：一方 面跳频频率数越多，敌方对跳频信号的侦察分选越困难；另一方 面，跳频频率数越多，迫使干扰机有更大的干扰带宽和更大的频 率集。

•跳频处理增益对组网能力的影响 –无论采用何种跳频组网方式，都要求有足够的频率数量，这是实 现跳频组网的基本前提 –因此跳频频率数越多，越有利于跳频组网和跳频同步 •跳频处理增益算法修正 26 跳频处理增益对系统能力的影响 •跳频处理增益对反侦察性能的影响 –通信的反侦察性能主要体现在低检测概率性能、低截获概率性能 和低利用概率性能等方面； –低检测概率（LPD：Low Probability Detect）性能是指信号能否被 敌方侦察接收机发现的性能一般而言，由于跳频信号射频跳变 特征明显，因此它基本不具备低检测概率性能； –低截获概率（LPI：Low Probabi。