直接序列扩频通信系统抗干扰性能分析.docx
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直接序列扩频通信系统抗干扰性能分析
直接序列扩频通信系统抗干扰性能分析
在现代战争中，通信对抗扮演着越来越重要的角色。
随
着计算机技术、微电子技术等大量高新技术的应用，军事通信获得了长足的发展，尤其是跳频、扩频等一些新的通信手段应用之后，使得通信频谱越来越宽，通信的反侦察、抗干扰能力越来越强，迫使各国加紧对通信对抗技术以及装备的研制。
直接序列扩频通信由于其优良的多址接入、低截获概率、抗干扰和强保密等特性，使得它在军事通信、卫星通信和民用领域得到了广泛应用。
在电子对抗中，对扩频通信的有效干扰成为制胜关键。
第一章研究背景介绍
1.1直扩通信研究背景
现代战争首先是电子战，在电子战中失去优势的一方，将导致通信中断，指挥失灵等，从而丧失战争主导权。
两次海湾战争，前南斯拉夫战争以及阿富汗战争都是很好的佐证。
因此，通信对抗作为C4ISR系统的核心，越来越受到各国的重视。
通信对抗属于电子对抗，它包括通信侦察、通信干扰等主要对抗措施。
通信对抗的目的在于：
侦收和截获敌方信息，测量有关技战术参数；采用各种干扰方式阻止敌方正常通信并抑制敌方对我方的干扰，保证我方通信系统有效工作。
扩频通信作为新型的通信方式，具有优良的抗干扰、抗衰落和抗多径性能及频谱利用率高、多址通信等诸多优点，并被广泛地应用于军事通信领域，极大地提高了通信系统的抗截获和抗干扰能力。
因此，扩频通信系统成为干扰方的首要作战目标，同时，扩频通信的抗干扰、抗截获、抗侦破特性给干扰方带来了巨大的困难。
为取得现代电子战的胜利，针对扩频通信系统研究高效的干扰方式，如何有效的干扰成为取得现代电子战胜利的重要一环，对战时通信对抗具有重要意义。
1.2直扩通信的军事应用情况
1）直扩通信技术在舰艇卫星通信系统上应用广泛。
国外舰艇卫星通信系统和国内舰艇卫星通信系统均采用码分多址通信方式，使用C波段。
这样网络组织与撤收灵活，通信质量高，频道使用少。
从目前使用看，这种方式充分发挥了直接序列扩频通信的特点，是扩频通信应用成功的范例。
另外，美军使用的联合战术信息分发系统也使用直接扩频技术，主要用于在战术作战环境中进行抗干扰、发布保密数字信息，具有容纳用户数多和交互数据量大的特点，能快速保密地交换指挥控制信息和敌方战术设备的状态参数。
2）直扩通信技术在军用战术移动通信电台、数据分发系统中发挥重要作用。
1996年美军演示了SICOM公司研制的一种新型HF直扩收发信机，工作频率为l-30MHz，扩频带宽1.5MHz，能抗多径效应和干扰，能以58kb／s速率传送数据、话音、彩色电视信号。
该电台适用于指挥、控制、远程通信和情报，通信距离达到1600km，信号谱密度低，几乎不能被截获。
1.3国内外对直扩系统干扰技术的研究现状
对于直扩信号的干扰大体可以分为两类，一种是压制式干扰，包括窄带噪声干扰、单音和多音干扰、脉冲干扰、梳状谱干扰等；二是欺骗式干扰，指发射或者转发在幅度、频率或者相位上做了调制的脉冲波或连续波信号，以扰乱或欺骗敌方的接收机，使其得到虚假信息，做出错误的判断。
其特点是干扰信号和目标信号具有某些相似的特性。
欺骗型干扰可以分为仿真欺骗和模拟欺骗。
模拟欺骗包括，各种语音调制（AM，FM，SSB），数字调制（2ASK，2PSK，QPSK等）及扩频的调制（BPSK-DS）。
欺骗式干扰在频域上是瞄准的，它的中心频率与通信信号是重合的，在时域上分为应答式和转发式。
模拟欺骗干扰又称为相关欺骗干扰，模拟欺骗干扰的实现方法有两种，其一是应答式欺骗干扰，其二是转发式欺骗干扰。
应答式欺骗根据侦察引导系统的引导参数，产生相应的欺骗干扰样式；转发式欺骗干扰是将收到的目标信号进行适当的加工后，发射出去。
综上所述，对直接扩频通信干扰的效果分析和评价就显得非常必要，并具有重要的意义，它将为新一代通信干扰机的研制奠定理论基础。
第二章直接序列扩频通信原理与抗干扰方法
2.1直接序列扩频通信基本原理
直接序列扩频通信系统（DirectSequenceSpreadSysterm），DSSS简称直扩系统，是目前应用较为广泛的扩频通信系统。
直接序列扩频通信系统是将要发送的信息用伪随机序列扩展到一个很宽的频带上去。
而在接收端，用与发射端扩展使用的一样的伪随机序列来解扩接收到的扩频信号，恢复出原始的信息。
它的发射部分原理框图如图2.1所示。
在收到发射信号后，接收机要用一个和发射机中的伪随机码同步的本地码，对接收信号进行相关处理，这一处理过程常常称为解扩，解扩后的信号送到解调器，解调后就可以恢复出原始发射信息，接收部分原理框图如图2.2所示。
2.2直接序列扩频通信系统的基本调制方式
由直扩通信系统的基本原理可知，在扩频系统中，扩频信号是通过载波调制后发送到信道中去的。
在直接序列扩频通信系统中，通常采用的调制方式，有如下几种：
（1）二相相移键控（BinaryPhaseShiftKeying，BPSK）：
它是扩频系统中最常用的一种调制方式。
（2）四相相移键控（QuadraturePhaseShiftKeying，QPSK）：
它是目前最常用的一种卫星数字信号调制方式。
（3）偏移四相相移键控（Offset．QPSK），是QPSK的改进型。
2.3直扩通信系统中的扩频码类型
在直扩通信系统中,扩频码的选择至关重要。
它关系到系统的抗多径干扰、抗干扰的能力,关系到信息数据的保密和隐蔽,关系到捕获和同步系统的实现。
伪随机（或伪噪声，PseudorandomNoise，PN）码序列是一种常见的扩频码。
伪随机序列具有类似于随机序列的基本特征，是一种貌似随机但实际上是有规律的周期性二进制序列。
如果发送序列经过完全随机性的加扰，接收机就无法恢复出原始序列。
伪随机码序列的具体要求如下：
（1）具有良好的伪随机性，即伪随机码是按照预先一定的规律形成的，使通信对方能够按此预定的规律将信号检测出来，但是不知道预定规律的无关接收就难以把信息恢复出来。
（2）具有良好的自相关、互相关特性，即有着尖锐的自相关峰值，互相关峰值近似为零，这样接收端容易准确的把所需信号检测出来，并降低检测误差。
（3）足够多的随机序列数目，在码分多址通信系统中，保证有足够的地址码可以分配。
（4）工程上易于实现，设备简单，所需成本低。
较多使用的扩频序列的有：
m序列、Gold序列、Walsh序列、OVSF序列、GMW序列、互补序列、混沌序列等等。
2.4直扩系统的抗干扰方法
2.4.1采用长伪码序列
由于长伪码序列比短伪码序列具有更强的抗干扰能力，更难从侦收中破解，对长伪码序列实施波形重合干扰也几乎不可能。
所以，采用长的伪码序列可以提高直扩系统的抗干扰能强。
2．4.2采用自适应滤波器
自适应滤波器是一个空间域的数字滤波器，可以根据干扰的来波方向自动改变加权系数，从而抑制干扰，得到期望信号。
由于扩频信号有很宽的频带，强的窄带干扰是容易识别和估计的，所以窄带干扰和其他单频干扰所引起的系统性能下降，可以由自适应滤波法来改善。
窄带干扰的估计及抑制是在扩频信号解扩前进行的。
2.4.3采用智能天线技术
智能天线的基本思想就是利用各用户信号空间特征的差异，采用阵列天线技术，根据某个接受准则自动调节各天线阵元的加权向量，达到最佳接牧和发射，使得在同一信道上接受和发射多个用户信号而又不互相干扰。
智能天线通过数字波束形成技术能够通过自适应调零实现信号的空同滤波，使不同方向的用户共享同一频谱资源，所以应用智能天线的直扩通信系统能够实现大大高于其处理增益的抗干扰能力。
2.4.4用多进制高效直扩技术
多进制高效直扩是利用一组扩频序列对含多个比特信息的信息码组进行扩频，其具有在扩频序列长度一定、速率一定时，可传输更多信息；在信息量一定、伪码序列速率一定时，扩频处理增益更高、抗干扰能力愈强的优点。
美军的JTIDS系统，采用了多进制直扩、跳频、跳时相结合通信体制，直扩码长32位，每32伪码代表5bit信息，处理增益15dB。
要实现高效多进制直扩，关键是寻求足够长、足够多的符合扩频要求的伪随机码序列。
2.4.5采用变码直扩技术
实现伪码码型自动变换，能增加干扰方识别码型的难度，增强直扩信号的反侦察、抗干扰能力，解决变码直扩的关键是解决变码同步、高速变码器件的实现等技术。
2.4.6用直扩/跳频混合扩频技术
直扩/跳频混合扩频是目前应用较多的一种综合扩频技术，其能获得较大的处理增益，大大提高通信抗干扰能力，既发挥直扩信号低截获、高隐蔽性优点，又发挥了跳频的全部优点，使得远近效应、多径效应、同台干扰、同步问题都较好地得到解决。
第三章直扩信号的检测与干扰
在扩频通信中通常采用数字调制，对扩频系统实施干扰，就是要造成扩频通信有较高的误码率，使通信不能正常进行。
根据最佳干扰理论，最佳的干扰信号是在目标的接收机处，与通信信号具有相同或相近的频域、时域、电平域特征的信号。
因此，最佳干扰必须有先验知识，即了解对方接收机的信号特征。
对直扩通信体制，主要是了解系统的中心频率，伪码长度等参数。
这些知识了解越多，干扰就越有效。
3.1直扩信号检测与参数估计方法
由于直扩信号带宽较宽，其功率谱密度低于噪声电平，因此，这种信号很难被检测出来。
DS-SS信号能够在低于噪声水平情况下传播的原因是接收机知道伪随机序列，因此可以使用相关器增加信噪比。
能量检测法是H.Urkowitz在上世纪60年代中期提出的直扩信号的检测方法。
它的检测原理是依据信号加噪声的能量会大于噪声能量的理论，利用通信信号要长时间侦收的特点，只要选择适当的门限就可以检测出信号。
但此检测方法的缺点是不能给出信号的特征，如信号的载波频率。
并且检测性能依赖于背景噪声。
如背景噪声不满足平稳条件，检测门限很难选择，检测性能会急剧下降并且实用性变差。
1990年，J.F.Kuehls和E.Geraniotis在对BPSK基带信号分析的基础上，提出了时域延时相关的方法来检测直扩信号的伪码速率，用于检测扩频信号，并提出了若干预滤波延时相乘检测结构。
在信号与其自己的延迟相乘后会在码元速率处产生一条谱线，即率线。
该谱线产生的实质是由于扩频码序列的很强自相关特性引起的，此方法通过检测率线的存在与否就可以判定信号是否存在。
这种检测方法和通信中码元同步中使用的方法类似，不同的是我们在侦察过程中并不知道码元速率的先验知识，通常只能在一定的范围内进行搜索，而且只能通过较长时间的积累获得更好的检测性能。
3.2干扰样式的效能评估准则
在评估性能之前，首先介绍评价方法及参数。
误码率：
误码率是衡量干扰效果最重要的参数，通过干扰使接收方解调器的误码率足够大，以至于无法正常通信，则达到了干扰目的。
例如：
在话音传输中，只要被干扰数据达到30%或以上，就会大大降低话音的理解度，这样就足以有效阻止消息的传输。
时域和频域准则：
从时域来说，为了获得有效干扰就必须保证干扰与信号在时域上的重合，即时域上的瞄准（这里我们指的是压制式干扰，欺骗式干扰则另当别论）。
从频域来讲，干扰信号必须与信号一样通过接收机选择系统进入接收机，通信干扰才有效。
所以通信干扰必须要有与信号相近似的频域特性，或在频域上重叠。
压制系数：
随着干扰功率的增加，信道的传输速率降低，信息损失增加。
当信息损失增加到规定的量值（这个量值通常是根据战术运用准则预先确定的）时，就认为这时通信系统已无法正常工作了（如之前提到的话音通信中30%损失）。
在确保干扰对无线通信接收机系统完全压制的情况下，接收系统输入端的干扰功率与信号功率之比称为压制系数K。
有效干扰距离：
通信干扰系统的有效作用距离是衡量通信干扰能力的另一个重要指标，实际上，它是一个多变量的函数，不但与干扰机有关，而且与通信接收机的体制、性能、相互之间的空间配置关系以及通信机使用者的水平有关。
分析表明，在其他条件相同的情况下，有效干扰距离与压制系数有一定的反比关系，要求的压制系数越高，则有效干扰距离越大。
稳定性：
一个好的干扰机，不但干扰能力强，而且性能也需要足够稳定。
3.3对直扩系统的干扰样式
干扰样式即干扰信号的形成方式，或用于调制干扰载频的调制信号样式。
按干扰样式通信干扰可以分为压制式干扰和欺骗式干扰两类。
压制式干扰是使敌方通信设备收到的有用信息模糊不清或被完全掩盖，以致通信中断。
根据对目标信号的破坏程度分为全压制干扰、部分压制干扰和扫频干扰。
其中部分压制干扰又称破坏性干扰，即利用噪声、语言、脉冲等干扰样式使用敌接收终端的人，机对信息判决制造困难或引起混乱，通信虽未完全中断，但造成通信时间迟滞，接收信息的差错率或误码率提高等。
欺骗式干扰是在敌方使用的通信信道上，模仿敌方的通信方式，语音等信号特征，从而造成其接收方判断失误或产生错误行动。
本文将对当前重点的压制干扰和欺骗干扰方式进行仿真分析。
3.3.1单频干扰
单频干扰是指使用单个正弦波或者多个正弦波的干扰信号。
当只使用单个正弦波时，称为单音干扰，当使用多个正弦信号时，称为多音干扰。
单音干扰也叫点频干扰。
3.3.2窄带干扰
窄带干扰相对于单音干扰具有多频率成分，有一定的带宽，是一种人为加入信道的干扰。
窄带干扰信号的带宽远远窄于信号带宽，所以干扰信号在时域和频域能量都很集中，功率利用率高。
3.3.3跟踪转发式干扰
转发式干扰是属于欺骗式干扰的一种，指转发式干扰机收到目标信号后，按照一定的规则进行调制后再转发出去的干扰方式。
干扰信号一般具有与被干扰扩频信号类似的特点，与被干扰信号具有较强相关性。
3.3.4脉冲干扰
脉冲干扰是指干扰信号以高瞬时功率脉冲的方式发射，是间歇性发射大功率干扰的技术。
利用脉冲的高功率、宽频谱的特性，对直扩系统进行全域覆盖，达到掩蔽有用信号的目的。
3.3.5均匀分布随机二元码调相噪声干扰
均匀分布的随机二元码调相噪声具有方波式的相位特点，与BPSK（或多相）调制的直扩信号具有相同或相似的频域、时域、电平域特征，能够对BPSK（或多相）调制的直扩信号进行高效干扰。
当干扰信号进入接收机后，可以使接收码元产生错误判决，从而导致误码率上升，实现干扰的目的。
第四章直接序列扩频通信系统抗干扰性能分析
4.1仿真软件介绍
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具,是一种基于MATLAB的框图设计环境,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包,被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型,Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI）,这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它提供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
4.2直扩通信对抗系统建模
4.2.1仿真方法介绍
直接序列扩频通信系统主要组成分为7个部分，分别为信源部分、扩频部分、调制部分、信道传输部分、解调部分、解扩部分和信宿部分。
其系统组成框图如下图所示。
直扩系统框图
衡量通信系统性能的指标是误比特率（BER），软件仿真主要的估值方法包括：
蒙特卡罗、重点抽样等方法，本文主要采用蒙特卡罗的方法。
蒙特卡罗是对错差计数并求平均的直接方法，为保证90%的置信度，并使BER估值的置信区间足够小（0.1DB）,要求仿真中的差错个数至少为10，因此当BER<10-2时，需要的仿真样本数应大于1000。
4.2.2直扩系统仿真参数设置
由于通信干扰系统通常包括侦察部分和干扰部分，为简化仿真，本文假定目标参数被侦测系统所侦获，即获得了一定的先验知识。
同时，由于通信信号通常会在中频进行信号处理，因此本文仿真亦以中频仿真为主，其仿真图如下：
直扩系统仿真框图
参数设置：
仿真时间设定为10秒，其中随机二进制信源产生100bit/s的随机码元，码元宽度为0.01s；gold序列发生器产生扩频倍数为10倍的扩频码，即码元宽度为0.001s；采样频率为10kHz，每个扩频码元被采样10个点，即采样间隔为0.0001s；载频设定为10MHz，即10000Hz；高斯信道信噪比设定为20DB，即信号功率与信道均方根噪声功率相同，信号基本被噪声掩盖。
4.2.3干扰系统仿真参数设置
由最佳干扰理论可知，要对信号产生有效干扰，必须模拟有用信号的信号形式，干扰信号应该具有有用信号的时频特性。
在直扩通信系统中，我们使用的是经过扩频二次调制的数字信号，具有扩频码随机特性。
最为干扰方，很难获得扩频码的具体形式，所以无法产生一个与被干扰扩频通信系统使用的扩频码一致的随机信号。
因此，我们使用伯努利二进制码发生器产生一定速率的均匀分布的随机二元码调制到干扰频段作为干扰源，模拟扩频信号，如下图所示：
干扰源仿真框图
参数设置：
0和1的出现概率设定为0.5，载频设定为10MHz，即10000Hz；伯努利随机二进制干扰源采样时间为0.001s。
4.3直扩系统仿真与干扰性能分析
由于扩频信号本身具有一定的抗单音、多音和窄带干扰的能力，加上目前已经有一些技术和算法能够较好地抑制这类干扰信号，如长序列伪码和自适应滤波等技术以及功率倒置算法等，同时由于时间与水平有限，因此本文只对均匀分布随机二元调相干扰性能进行讨论。
仿真步骤：
第一步搭建直扩通信系统，验证直扩系统通信性能；第二步搭建干扰系统，简要介绍相关参数；第三步构建通信-干扰系统，在改变干扰信号功率的情况下记录BER变化情况。
4.3.1干扰前系统性能
在加入干扰信号前，直扩系统能正常解调出信源码字，其仿真图如下：
加入干扰源前的仿真性能图
如上图所示，信源的码字与解调后的码字基本一致。
4.3.2干扰后系统性能
加入干扰后，信源码字与解调后得码字存在明显的差别。
加入干扰后信源码与解调码关系图
由误码率数据描绘出的误码率图线如下图所示：
SIR-BER性能曲线
可以看出扩频均匀随机二元码调相噪声在信干比[-10dB，5dB]情况下对BPSK调制的直扩信号的干扰情况。
观察结果包含以下特性：
1.误码率随信干比的变化呈阶梯状。
2.在信干比大于0dB时，接收机误码小到可以忽略。
3.在信干比小于0dB时，接收机误码率急速增大。
4.扩频均匀随机二元码调相噪声对BPSK调制的直扩信号的干扰效果呈现明显的开关特性：
当干扰信号功率大于信号功率时，信号被严重干扰；当干扰信号功率小于信号功率时，干扰几乎无影响。
综上所述，均匀分布随机二元码能够对基于BPSK调制的直扩信号进行干扰，前提是要获得一定的先验知识。
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