无线通信工程--第11讲－抗干扰.ppt

无线通信工程无线通信工程姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室2001年12月15日第十一讲第十一讲无线通信的抗干扰技术无线通信的抗干扰技术内容提要内容提要l概述l原理l关键技术l应用前沿l几点结论概述概述为什么要研究通信抗干扰？为什么要研究通信抗干扰？s提高全民的国防意识；s了解通信高技术的一个主要领域；s民用与军用的互相转换、互相借鉴、互相支撑；s为进入军事通信领域提供一些入门知识。信息战的内容及特点信息战的内容及特点信息战的内容信息战的内容s电子对抗。如：电磁波的侦测与隐蔽、通信干扰与抗干扰、雷达干扰与抗干扰等。s网络对抗。如：计算机病毒、软件攻击等。s消息对抗。如：加密与解密、消息的收集与欺骗等。特点特点s高度的对抗性s极端的机密性s应用的综合性s对实战环境的依赖性s采用新技术的超前性通信对抗的分类通信对抗的分类n通信侦察：使用通信侦察设备来探测、搜索、截获敌方的无线通信信号，对信号进行测量、分析、识别、监视以及测向和定位，以获取信号频率、电平、调制方式等技术参数以及电台位置、通信方式、通信特点、网络结构和属性等情报。n通信干扰：使用通信干扰设备发射专门的干扰信号，破坏或扰乱敌方的无线通信，是通信对抗的进攻手段。n通信抗干扰：在军事通信设备及系统中采用的通信反侦察、反干扰措施，是通信对抗的防御手段。本次讲座重点讨论有关通信抗干扰问题。军事通信的干扰环境军事通信的干扰环境干扰种类干扰种类s设备内部的干扰，如：收发干扰、邻道干扰等。s现场非敌意干扰。如：多径干扰、多用户干扰、环境噪声干扰、其它电台的干扰等。s现场的敌意干扰。指敌方为电子战需要而施放的干扰。通信抗干扰主要指对抗敌方的有意干扰。敌意干扰的式样敌意干扰的式样s阻塞干扰、压制干扰s跟踪干扰、瞄准干扰s窄带干扰、单频干扰s宽带干扰、梳状干扰、脉冲干扰s升空干扰s智能化干扰通信抗干扰性能通信抗干扰性能抗干扰性能之一：信号隐蔽性抗干扰性能之一：信号隐蔽性s无线信号的隐蔽性单位面积天线，在单位带宽中所能截获的信号功率s信号方式的隐蔽性双工方式、调制方式、多路方式、编码方式、同步方式s信号参数的隐蔽性特别是与抗干扰有关的参数，如：扩频序列、跳频序列、同步参数、信令参数等。抗干扰性能之二：信号鲁棒性抗干扰性能之二：信号鲁棒性s用干扰容限定义 PJ/PS(条件：设备性能、工作环境、干扰性质）s三个层次的条件，即：a、设备性能。如：比特差错率、语音质量、同步及信令性能、网络性能等，可以定一个门限，在此门限以下用户不能接受。b、工作环境。如：单台设备还是多台设备、有无天线抗干扰措施、干扰源是否升空等。c、干扰性质。如：干扰性质、干扰强度、干扰时间等。原理原理通信抗干扰分类通信抗干扰分类s频率域。采用频率域处理，如；直扩、跳频、跳扩。s时间域。采用时间域处理，如：瞬时、跳时等。s空间域。采用空间域处理，如：自适应天线等。s其它数字处理。如：干扰抵销、纠错编码等原理框图原理框图 频率域之一：直接序列扩频频率域之一：直接序列扩频频谱图频谱图扩频调制信息比特发送扩频序列载波解扩解调扩频序列同步载波同步信息比特接收fbfcf0f0fcfb2fc窄带干扰信号干扰扩频调制接收解扩Gfc/fb扩频增益 原理框图原理框图 频率域之二：跳频频率域之二：跳频频谱图频谱图调制变频信息比特发送中频载波跳频频综解跳解调载波同步信息比特接收fbfif01 f02.f0Nf0fifb窄带干扰信号干扰跳频调制接收解跳GN跳频增益跳频图案f01 f02.f0N跳频频综跳频图案同步fi 原理框图原理框图 频率域之三：跳扩频频率域之三：跳扩频跳扩频跳扩频增益增益GNfc/fb调制变频信息比特发送中频载波跳频频综解跳解扩载波同步信息比特接收fbfif01 f02.f0N跳频图案f01 f02.f0N跳频频综跳频图案同步fi扩频扩频序列解调fc扩频序列同步时间域时间域瞬时通信瞬时通信s这是潜艇通信常用的方法。s先进行信息压缩，然后以很短的时间发送出去。s特点：（1）隐蔽性好；（2）抗干扰能力强；（3）信息速率低；（4）延时大，非实时业务。跳时通信跳时通信s基本是一个TDM或TDMA系统；s时隙不用满，按某种跳时图案在各个时隙上进行跳时；s有一定的隐蔽性和抗干扰性；s目前使用不多。空间域空间域定向天线定向天线s天线波束越窄，电波隐蔽性好，抗干扰性也强。s从抗干扰角度，全向天线不如定向天线。s采用毫米波频段，天线方向性很好，有利于通信抗干扰。自适应调零天线自适应调零天线s利用相控阵天线原理，在干扰源方向形成波束的零点；s利用数字信号处理技术对干扰信号进行识别和检测；s利用自适应技术自动调整天线波束的零点指向，使干扰信号最小；s不足：在零点方向形成盲区，影响这个区域内用户的正常通信。直扩系统的干扰容限直扩系统的干扰容限模模 型型公式推导公式推导Eb=Ps*TbN0=FkT+Pj/W+(N-1)Ps/W得到：N+Pj/Ps=1+W/fb*N0/Eb-FkTW/Ps接收机PiPjFEb/N0条件：信息比特率 fb，周期 Tb 扩频用户数 N 各用户的功率相等 Pi(i=1,2,N)=Ps 扩频带宽 W 干扰功率 Pj，带宽 W 接收机噪声系数 F直扩系统的干扰容限（续）直扩系统的干扰容限（续）n单用户，考虑热噪声n结论：结论：无论是多用户干扰还是热噪声干扰都会“吃掉”一些干扰容限，只有在单用户及忽略热噪声的情况下，才可能达到干扰容限的最大值。n对下列公式进行讨论：n讨论讨论n单用户，忽略热噪声n多用户，忽略热噪声 抗干扰体制的比较抗干扰体制的比较阻塞干扰阻塞干扰可以是窄带、部分带、梳状干扰等。s一般跳频优于一般直扩这是因为直扩增益一般都小于滤波器的防护度。s跳频最好再加上纠错编码措施某些跳频点碰上干扰，可以通过纠错消除误码。s跳频最好再加上自适应调零天线增加对抗特强干扰的能力。跟踪干扰跟踪干扰过程：对信号进行侦测、分析，引导干扰机跟上信号。s快跳频是对付跟踪干扰的最好方法。临界跳速临界跳速150KHz/d(km)s如果跳速做不快，可以采用跳扩结合的方法。因为扩频增加了信号的隐蔽性，不容易被跟踪。s从抗干扰的角度，很少采用直扩。对直扩对直扩/跳频抗阻塞干扰的说明跳频抗阻塞干扰的说明PJPSPJPJPSPSPJPJ=PJ/GPJPSPJPSPJPSPJPJ=PJ/L滤波器 对跟踪干扰和临界跳速的说明对跟踪干扰和临界跳速的说明电台1电台2侦察、分析、引导时间接收时间发送时间干扰机T总=T接收+T发送+T侦察、分析、引导 对跟踪干扰和临界跳速的说明对跟踪干扰和临界跳速的说明（续）（续）fifjT总T跳频T总T跳频干扰干扰有效干扰时间T跳频关键技术关键技术 天线及射频天线及射频射频技术射频技术s宽频带射频收发技术s大功率线性功放s大动态范围接收机前端s低损耗跳频滤波器s快速捷变频综天线技术天线技术s宽频带或多频段天线技术s窄波束天线s自适应调零天线s智能天线s天线阵技术 扩频的某些技术要点扩频的某些技术要点n有效性问题有效性问题扩频是以频带换取抗干扰能力，因而降低了传输的有效性。解决方法：解决方法：采用多进制直扩技术。基本原理是利用直扩码的正交性，形成并行传输的通道，从而降低所需的带宽。n可靠性问题可靠性问题扩频抗干扰的基本机理是降低干扰的功率密度或碰撞概率，但不能完全消除误码。解决方法：解决方法：采用纠错，并把信道编码和扩频处理结合起来。n跳频同步跳频同步为了实现跳频电台的正常通信，必须要求网内电台有相同的跳频图案，准确的时钟信息。这就需要跳频同步。方法：方法：军用电台目前流行的是同步字头法，即通过移动台对中心台发出的时变跳频图案进行搜索，实现移动台对中心台的跳频同步。要求：要求：同步信息的隐蔽性、传输的可靠性、同步建立的快速性。即具有抗干扰能力强、同步时间短、传输可靠等优点。快速跳频快速跳频n这是针对中、低速跳频通信系统易受跟踪式干扰而采用的一项最新技术，目前国际上还停留在理论研究阶段，尚未实用。其主要原理是：移动通信系统以高于信息速率的跳速在很宽的频带上进行频率跳变，即每个信息比特跳几跳以上，相当于跳速高达100KHz1MHz，比目前的跳速提高1001000倍。与中、低速跳频方式相比，这种体制的显著特点是：能有效地对抗敌方的跟踪式干扰和转发式干扰；能消除宽带移动通信中多径效应造成的不利因素；大大改善数据传输时的误码性能，从而提高可通率。n以上这些优点特别适用于新一代的军用无线通信。Turbo Code Turbo Code n提提出出：Turbo code码又称并行级联码，是1993年法国学者提出的一种性能接近极限的信道编码结构及相应的译码算法。n特特点点：仙农的信息论给出了信道传输能力的上限，即信道容量，然而这个极限始终未能达到。传统的信道编码都有不同程度的纠错能力，但离信道的容量极限还相距甚远，使得信道资源一直得不到充分的利用。Turbo code 则突破了传统的编码结构与思路，它采用了并行级联码的结构和利用软输出译码算法的迭代译码方法，在理论上可提供接近极限的能力。n应应用用：由于Turbo code 的这种优异性能，其应用价值十分广阔，尤其是军用移动通信领域，在实战场合的电磁环境和电子对抗情况下，射频强干扰无处不在，在这样恶劣的环境中进行可靠的通信对编码提出了更高的要求，传统编码是很难达到的，而Turbo code 则可充分利用这种信道所能提供的通信能力。软件无线电软件无线电n提出：提出：1992年在美国首先提出这个概念，并在美军的多频段多模式电台（Speakeasy)中得到应用，美国麻省理工学院的一些计算机科学家开始进行软件无线电体系结构的研究，近年美国还组成软件无线电Forum，加快实用化的步伐。n特点：特点：什么是软件无线电？软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总线或网络的方式连接构成基本平台，并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构。软件无线电体现三个开放性：对研制的开放性，对生产的开放性，对使用的开放性。是无线通信的第三次革命。n应用：应用：a、可实现各种电台互联互通的无线网关 b、可接入各种军用移动通信网的多功能车载电台 c、可实现空中转信的多功能空中平台 d、可进行智能化通信侦察与抗干扰的电子对抗系统 智能化对抗智能化对抗n智能化电子对抗是新一代军用通信系统发展的必然趋势。n通信抗干扰的智能化：（1）对战场电磁环境的智能化侦测和分析；（2）智能化天线技术，把空间信号处理引入电子对抗；（3）智能化跳扩频技术，根据战场情况实现电子对抗体制及参数的最优化；（4）网络的智能化抗干扰技术，根据战场情况实现网络结构、信令及控制的最优化。应用前沿应用前沿 抗跟踪干扰抗跟踪干扰n现有的对抗跟踪干扰或单频干扰手段，主要靠慢跳频或中速跳频。跳频对躲避固定干扰有很好的作用，然而，目前的信号检测手段也日新月异，检测能力日益加强，目前任一种DSP芯片的FFT速度能够很容易地达到1ms以下，即现有的跳频系统很容量受到跟踪干扰的攻击。n解决这个问题的根本办法就是采用快速跳频。也就是说要将跳频速率提高到每个频点的停留时间不超过从通信发射机到干扰机再到通信接收机的传播延迟，从而使最理想的跟踪干扰或转发干扰到达接收机的时间超过有效的通信时隙而失去干扰作用。例如，当干扰机在10km以外时，只要跳频速率达到15KHz即可彻底解决跟踪干扰和转发干扰问题。抗阻塞干扰抗阻塞干扰n传统的通信系统，特别是宽带系统（跳频和扩频）对干扰的抑制主要靠中频滤波，然而由于前端高频放大器和混频器都是非线性器件，在有强干扰时会产生不可恢复的交调干扰和噪声恶化，即产生射频前端的阻塞。n解决办法：（1）尽量提高前端器件的线性动态范围，（2）将增益尽量分配在中放，（3）更重要的和更直接的方法是在天线和高放间引入可快速编程的高Q无源跳频滤波器，从而大幅度降低进入有源器件的干扰电平，提高抗阻塞能力。研究背景l超短波扩频电台在城市的电磁环境下由于受到民用无线电设备的干扰产生阻塞，无法正常工作；l清华大学研制的II型无线双工、广州7所研制的TCL-178 在野外试验中都遇到此问题；l希望了解：防止阻塞干扰对接收机线性的要求，和采用跳频前置滤波器解决阻塞干扰的方法。仿真成果：扩频电台的阻塞干扰仿真成果：扩频电台的阻塞干扰扩频电台的阻塞干扰（续扩频电台的阻塞干扰（续）仿真结果讨论（仿真结果讨论（1 1）超短波全频段（如：60110MHz）跳频电台在城市环境（如：北京市）使用时，民用无线电设备产生的阻塞干扰将使接收机灵敏度下降30dB以上，这时的通信距离只能达到 12 Km，和野外试验结果完全一致。仿真结果讨论（仿真结果讨论（2 2）解决全频段跳频阻塞干扰的一种有效手段是采用跳频前置滤波器，仿真结果表明：当跳频滤波器带宽为2MHz时，除个别干扰点外，其它最坏情况的阻塞干扰将不会影响接收机灵敏度。抗部分带干扰抗部分带干扰n现有的无线通信系统（特别是模拟系统）即使采用跳频技术，在部分带干扰环境下，一般只要干扰比例达到总带宽的1/3，就无法正常通信了。n在这样的恶劣环境下，要想仍能正常通信，唯一的办法就是采用有强大纠错能力编码，即Turbo code编码。曾对Turbo code在快跳频环境下的性能进行过仿真，发现1/2速率Turbo code可在1/3频点被干扰的情况下仍能以低于10-3的误帧率进行通信。而1/3速率Turbo code的抗部分带干扰比例则可达到1/2。Turbo-CodeTurbo-Code用于抗部分带干扰用于抗部分带干扰n仿真目的验证Turbo-Code在抗部分带干扰中的作用研究码长及跳速对抗干扰性能的影响Turbo-CodeTurbo-Code用于抗部分带干扰用于抗部分带干扰（续）（续）n1/3部分带干扰，码长2400，每跳40bitTurbo-CodeTurbo-Code用于抗部分带干扰用于抗部分带干扰（续）（续）n1/3部分带干扰，码长2400，每跳120bit，迭代4次n1/3部分带干扰，码长480，每跳40bit，迭代4次Turbo-CodeTurbo-Code用于抗部分带干扰用于抗部分带干扰（续）（续）n1/3部分带干扰，码长480，每跳12bit，迭代4次n1/3部分带干扰，码长96，每跳1bit，迭代4次Turbo-CodeTurbo-Code用于抗部分带干扰用于抗部分带干扰（续）（续）n结论运用Turbo-Code，在一定的参数下可以频带展宽一倍为代价，获得对抗1/3部分带干扰的能力码长越长，性能越好每跳比特数越少，性能越好对快跳频系统更为合适结论结论 n通信抗干扰是信息战的一个重要环节，必须放在大系统中进行研究和讨论。n通信抗干扰是一项综合性很强的技术，必须多学科协同才能取得重大进展，并且要有足够的技术储备。n通信抗干扰涉及到国家的稳定和安全，必须依靠我国自己的力量进行研究。