蔡 武,張世超,邱碩豐,陳凱翔,閔柏成

(中國船舶集團有限公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

伴隨空間電子對抗技術領域的不斷發(fā)展進步,測控系統(tǒng)需要較為優(yōu)良的抗干擾能力,以滿足空間信息系統(tǒng)的正常運行需求,提高測控系統(tǒng)的抗干擾能力逐漸成為測控領域的重中之重。國內外許多學者為改善測控系統(tǒng)的抗干擾能力進行了許多研究工作,主要包括:波形的優(yōu)化設計、天線的極化處理、波瓣優(yōu)化設計和信號處理方法等,其中,波形的優(yōu)化設計是改善測控系統(tǒng)抗干擾能力[1]的重要手段之一。波形的優(yōu)化設計作為一個頂層的手段,可直接決定測控系統(tǒng)的信號處理方法,并對系統(tǒng)的測量精度、雜波抑制能力及系統(tǒng)本身的分辨力產生直接影響。因此,測控系統(tǒng)的整體構建,應首先考慮測控信號所采用的模型及其模型本身固有的抗干擾能力,保證測控系統(tǒng)的有效使用,并對測控系統(tǒng)其他環(huán)節(jié)的處理優(yōu)化提供改進思路。

為提高測控系統(tǒng)在復雜電磁環(huán)境中的抗干擾能力,國內外專家學者開展了大量抗干擾信號波形的優(yōu)化設計工作,使連續(xù)波雷達發(fā)射的測控信號難以被電子戰(zhàn)設備捕捉,并能提高測控信號在復雜電磁干擾環(huán)境中的抗干擾能力,確保測控系統(tǒng)在現(xiàn)代電子戰(zhàn)爭中的技術優(yōu)勢?？垢蓴_波形應具有較低的截獲概率和較大的信號能量,使其難以被截獲、干擾;同時波形具備較高的參數(shù)測量精度、較小的距離/速度模糊和較好的目標分辨力;另外,波形的產生和處理方式上要易于實現(xiàn)?？紤]上述幾方面的約束,擴頻體制既能滿足航天測控系統(tǒng)抗干擾、抗截獲的要求,又能保證測控信號的高精度和高分辨力。直接序列擴頻(DSSS)是現(xiàn)行測控系統(tǒng)中常用的測控體制[2],該體制的信號具有頻譜密度低、抗干擾及抗截獲能力強的特點,實現(xiàn)起來也相對簡單。但伴隨低截獲概率(LPI)信號檢測技術的不斷發(fā)展進步,周期平穩(wěn)隨機過程及譜相關理論的不斷完善,該體制下的測控系統(tǒng)受到嚴重威脅。因此,為進一步提高測控系統(tǒng)的抗干擾性能、抗截獲性能,在現(xiàn)有體制的基礎之上,采用性能更優(yōu)的DS/FH混合擴頻體制成為當前的一種主流趨勢[3]。DS/FH混合擴頻體制是在DSSS體制的基礎之上,增加了載波跳變的功能,結合了2種處理方式的優(yōu)勢,可進一步提高測控系統(tǒng)的抗干擾能力[4]。該體制也是目前研究較多的擴頻抗干擾技術。

針對直接序列擴頻測控系統(tǒng)的抗干擾能力較差的問題,本文首先通過LAS碼作為DS/FH混合擴頻信號的擴頻序列,并增加了載波跳變的功能,對信號進行建模,然后通過模糊函數(shù)理論,結合DS/FH混合擴頻信號自身特性,分析信號的固有抗干擾性能,最后建立3種常見的壓制式噪聲干擾模型,驗證DS/FH混合擴頻信號的抗干擾效果。采用本文所提的波形設計方法可大大改善匹配接收前后的信干比,滿足測控系統(tǒng)在阻塞式干擾環(huán)境下的抗干擾需求。

1 DS/FH混合擴頻信號模型

DS/FH混合擴頻體制是在DSSS體制的基礎之上,增加了載波跳變的功能。本文采用LAS(Large Area Synchronized)碼作為DS/FH混合擴頻信號的擴頻序列[5],LAS碼采用了正交互補碼的設計理論,通過LA(large-area)碼和LS(Loosely Synchronous)碼的組合編碼方式,形成一種新型編碼,該編碼無干擾窗口。LAS碼的具體產生方式是在LS碼序列組成當中插入LA碼,將LA碼與LS碼經過某種周期特定的方式聯(lián)合起來。相比于LA碼,LAS碼的占空比較高,且優(yōu)化了無干擾窗口和相關特性。LAS碼生成示意圖如圖1所示。

DS/FH混合擴頻信號在基于LAS碼擴頻的基礎之上,采用二進制相移鍵控(BPSK)調制,信號模型為:

(1)

DS/FH混擴信號的瞬時自相關函數(shù)為:

R(τ)=s(t)s(t-τ)=

[cos(ωo+ωk(t))τ+cos(ωo+ωk(t))(2t-τ)]=

P[s1(t)+s2(t)]·[cos(ωo+ωk(t))τ+cos(ωo+ωk(t))(2t-τ)]

(2)

由式(2)可得:

(3)

由式(3)可得單倍載頻和二倍載頻成分的功率譜分別為:

G1(ω)=Pcos(ω0+ωk)τ·[S1(ω)+S2(ω)]

(4)

(5)

DS/FH混擴信號瞬時自相關函數(shù)相應的功率譜如下:

G(ω)=G1(ω)+G2(ω)

(6)

通過DS/FH混合擴頻系統(tǒng)的模型特征可以看出,混擴信號主要成分為載頻跳變的直擴信號,其頻譜由若干個直擴信號的頻譜組成,一定帶寬的直擴信號根據(jù)特定的跳頻圖案,其出現(xiàn)具有偽隨機性,因此導致每個直擴信號在系統(tǒng)總帶寬中僅瞬時覆蓋一小部分。

2 模糊函數(shù)及抗干擾性能分析

模糊函數(shù)(AF)理論拋開了敵方電子戰(zhàn)系統(tǒng)的體制、信號處理手段、截獲及解調方法等因素,僅從信號固有的特征來分析判斷本身的分辨力、測量精度和抗干擾性能,具有重要的研究意義。

2.1 模糊函數(shù)理論

模糊函數(shù)的數(shù)學模型[6]為:

(7)

式中:τ為時延;fd為多普勒頻移。

測控系統(tǒng)的信號發(fā)射波形直接影響測量精度、模糊程度、分辨力及抗干擾和抗雜波能力等,而模糊函數(shù)可對分辨率、副瓣特征、距離/速度模糊等方面進行有效的定性分析,可直觀地反映發(fā)射波形在距離及速度的二維分辨率及測量精度,充分描述由信號波形所帶來的測量精度及抗干擾和抗雜波能力特性。

在測量精度方面,可通過模糊圖的原點處主響應來顯示距離/速度測量精度[7]。距離精度通過時間軸的寬度決定,高的測距精度需要頻域內的大時寬分辨力;速度精度通過頻率軸的寬度決定,高的測速精度需要時域內具有大時寬分辨力。

在分辨力方面,需具備多目標環(huán)境下區(qū)分多個鄰近目標的能力。分辨力是由所選波形和信號處理方法決定的。在大信噪比且信號處理系統(tǒng)具有比較優(yōu)良的處理效果時,分辨力僅取決于信號波形的選擇,而信號波形的分辨力可完全取決于模糊函數(shù)圖的中心相應寬度。

在模糊程度方面,模糊函數(shù)圖中出現(xiàn)的附加高響應情況即為模糊,其大小與原點處的峰值響應相當。此時,需采取一些有效的措施區(qū)分主響應和附加響應。

在抗干擾及抗雜波方面,模糊函數(shù)圖的時間、頻率所覆蓋的二維平面會將干擾及雜波與回波信號相重疊,此時即可看出模糊函數(shù)圖中信號波形的抗干擾及抗雜波的能力[8]。若信號波形的抗干擾能力較強,則模糊圖中的干擾及雜波響應區(qū)域很小,甚至沒有。

2.2 DS/FH混合擴頻信號的抗干擾性能分析

通常情況下,針對擴頻測控系統(tǒng)的抗干擾性能,主要分析測控系統(tǒng)信息的誤碼率。但在抗干擾評價標準中,誤碼率不作為信號抗干擾的評價準則[9]。本文從設計的信號自身特性出發(fā),分析擴頻測控信號的固有抗干擾性能,DS/FH混合擴頻信號的模糊函數(shù)為:

χ0(τ-mTc,fd+fl-m-fl)+χ0(τ-mTc,fd+fn-fn+m)·

(8)

(9)

由上述模糊函數(shù)的模型可知,DS/FH混合擴頻信號的模糊圖為釘床型,相比于直擴信號模糊圖中的多間隔離散型旁瓣釘床型,其旁瓣的間隔較低,主要原因在于混擴信號中跳頻編碼的加權作用,抑制了多間隔離散型旁瓣。DS/FH混合擴頻信號中,最大無模糊距離為一個包含全部跳頻頻點數(shù)目的混合擴頻信號周期長度所能測量的距離,而不再是直接序列擴頻中的一個直擴偽碼的周期。由于混合擴頻信號為一連續(xù)波周期函數(shù),其速度模糊圖為辛克函數(shù),距離分辨力和速度分辨力較高,并且對頻率的調制沒有帶來距離速度的耦合問題。由上述分析可知,混合擴頻信號可用于抗干擾測控中。

2.3 壓制式噪聲干擾模型

所有的雷達/通信接收機都無法消除內部噪聲,接收機的內部噪聲嚴重影響測控系統(tǒng)的綜合性能。因此,敵方只需將發(fā)射的干擾信號近似于接收機的內部噪聲,測控系統(tǒng)就很難消除進入接收機的干擾信號。利用噪聲調制出的干擾信號通常具有以下3個特點:(a)噪聲干擾信號的頻譜較寬;(b)噪聲干擾的功率較大;(c)在時域及頻域上幾乎將目標信號完全覆蓋。本文針對下述3種常用的壓制式干擾[10],驗證DS/FH混合擴頻信號波形的抗干擾性能。

(1) 射頻噪聲干擾:該干擾又稱為純噪聲干擾,其產生原理是將噪聲源中的射頻噪聲經射頻放大器放大后形成的一種壓制式干擾。射頻噪聲干擾的數(shù)學模型為:

uj(t)=Un(t)cos[ωjt+φ(t)]

(10)

式中:Un(t)為幅度函數(shù),服從瑞利分布;φ(t)為相位函數(shù),服從[0,2π]的均勻分布,且幅度函數(shù)與相位函數(shù)是相互獨立的;ωj為載波頻率,為常數(shù)且遠大于uj(t)的頻譜寬度,所以射頻噪聲干擾是一種頻率較窄的信號形式。

該干擾的概率分布函數(shù)為正態(tài)分布,從熵譜角度而言,純噪聲干擾的波形較好但干擾電平較低,不適合大功率干擾需求,因此引入噪聲調幅干擾和噪聲調頻干擾。

(2) 噪聲調幅干擾:該干擾是通過噪聲對載波進行幅度調制后形成的一種干擾信號。與射頻噪聲干擾相比,噪聲調幅干擾也是通過噪聲功率來壓制目標信號,區(qū)別在于噪聲調幅干擾具有一個較強的載波,噪聲調幅干擾的數(shù)學模型為:

uj(t)=[U0+un(t)]cosωjt

(11)

式中:un(t)為調制噪聲;U0一般為常數(shù),代表載波幅度;ωj為載波頻率。

(3) 噪聲調頻干擾:該干擾是通過噪聲對載波進行頻率調制后形成的一種干擾信號,它同噪聲調幅干擾一樣具有一個較強的載波,噪聲調頻干擾的數(shù)學模型為:

(12)

式中:un(τ)為調制噪聲;KFM一般為常數(shù),代表調頻斜率。

3 仿真驗證及分析

3.1 DS/FH混合擴頻信號模型仿真

本文通過LAS碼作為DS/FH混合擴頻信號的擴頻序列,首先需產生LA碼和LS碼序列,然后根據(jù)圖1所示的LAS碼的產生原理,在LA碼中插入LS碼的序列組成,生成LAS碼。

圖2(a)和圖2(b)分別為LA碼自相關和互相關特性仿真圖;圖2(c)和圖2(d)分別為LS碼自相關和互相關特性仿真圖;圖2(e)和圖2(f)分別為LAS碼自相關和互相關特性仿真圖。可以看出,相比于LA碼、LS碼和LAS碼的互相關特性,3種碼的自相關函數(shù)在原點處較為尖銳,通過LAS碼作為信號的擴頻序列,可在一定范圍之外抑制干擾信號。

圖2 擴頻序列相關性仿真圖

本文將生成的LAS碼作為DS/FH混合擴頻信號的擴頻序列,通過設置調頻圖案調制載波信號,進而產生DS/FH混合擴頻的信號模型。

圖3(a)和圖3(b)分別為DS/FH混合擴頻信號的時域波形和頻譜仿真圖;圖3(c)和圖3(d)分別為DS/FH混合擴頻信號的自相關特性和功率譜仿真圖。可以看出,混擴信號的波形隨著碼元序列的跳變而變化,信號的頻譜及功率譜與高斯白噪聲相似,在整個頻帶上的分布是比較均勻的;混擴信號的自相關特性表現(xiàn)形式為原點處比較明顯的沖擊函數(shù),其余位置相對平坦且分布均勻,說明該信號具有良好的距離分辨力,進而抑制一定范圍之外的干擾信號。

3.2 DS/FH混合擴頻信號模糊函數(shù)模型仿真

本文根據(jù)式(8)～(10)所推導的DS/FH混合擴頻信號的模糊函數(shù)模型進行仿真,可得如圖4所示的信號模糊函數(shù)仿真圖。其中,圖4(a)為DS/FH混合擴頻信號的模糊函數(shù);圖4(b)為DS/FH混合擴頻信號的一維距離及速度模糊圖。可以看出,DS/FH混合擴頻信號的模糊函數(shù)在原點處、時延及多普勒坐標軸呈現(xiàn)對稱形狀,且在原點處存在一個尖峰,尖峰附近的旁峰較低,旁峰的走向均沿著時延軸變化較小,不受多普勒軸的變化影響。因此,DS/FH混合擴頻信號具有較好的抗干擾性能,在速度軸上無模糊,在距離軸上存在的模糊較小,幾乎可以忽略不計,提高了低截獲性能及測量精度。

3.3 抗干擾性能分析

本文通過對3種常見的壓制式噪聲干擾進行仿真,根據(jù)匹配接收的方法,計算匹配接收前后的信干比變化,進而分析DS/FH混合擴頻信號的抗干擾性能。

圖5(a)和圖5(b)分別為匹配接收前后DS/FH混合擴頻信號在射頻噪聲干擾下的時域波形;圖5(c)和圖5(d)分別為匹配接收前后DS/FH混合擴頻信號在噪聲調幅干擾下的時域波形;圖5(e)和圖5(f)分別為匹配接收前后DS/FH混合擴頻信號在噪聲調頻干擾下的時域波形。可以看出,混合信號在匹配接收前,DS/FH混合擴頻信號完全被噪聲干擾信號淹沒,混合信號經匹配接收后,干擾信號失配,DS/FH混合擴頻信號得到匹配,信干比改善明顯。

圖5 DS/FH混合擴頻信號抗干擾情況仿真圖

為進一步分析DS/FH混合擴頻信號的抗干擾性能,計算匹配接收前后DS/FH混合擴頻信號和直接序列擴頻信號(DSSS)的信干比[11]如表1所示。

表1 2種信號與干擾匹配接收前后信干比變化

從表1可以看出,DS/FH混合擴頻信號抗3種壓制式噪聲干擾的效果較好,經匹配接收后信干比分別提高了15.15 dB、15.84 dB和15.16 dB,與DSSS相比,直擴信號經匹配接收后信干比僅分別提高了3.03 dB、3.17 dB和3.09 dB。結合圖2(e)和圖3(c)中2種信號的自相關特性可以看出,相比于DSSS的自相關特性,DS/FH混合擴頻信號的自相關特性更加優(yōu)良,因此,DS/FH混合擴頻信號經匹配接收后的信干比改善效果更加明顯。

4 結束語

直接序列擴頻的測控體制實現(xiàn)相對簡單,易于截獲,保密性及抗干擾能力較差。針對此問題,本文采用了一種DS/FH混合擴頻的抗干擾波形設計方法,通過LAS碼作為DS/FH混合擴頻信號的擴頻序列,并增加了載波跳變的功能,用模糊函數(shù)理論分析信號的固有抗干擾性能。結合本文的仿真結果可以看出,采用本文所提的波形設計方法,信號經匹配接收后,信干比得到了良好的改善,測控系統(tǒng)的保密性以及抗干擾能力也得以提高。