对短波并行体制符号同步的灵巧干扰

孙志宇,徐以涛,胡勇军,刘晓琦

(1.解放军理工大学通信工程学院,江苏南京210007;2.中国人民解放军65631部队,辽宁锦州121000)

0 引言

同步是短波并行体制系统实现的重要环节,攻击数据传输系统的同步系统,对破坏数据传输而言,在许多条件下会以小的代价,取得更好的效果[1]。文献[2]指出针对同步系统的干扰就是实现灵巧干扰技术的一种方法。符号同步是短波并行体制系统实现的又一重要环节,对并行体制同步的攻击,已有文献[3,4]研究对现在正在广泛应用于北约数据链link11和link16的同步过程攻击,并取得了良好的干扰效果,本文研究对短波并行高速数据传输系统的符号同步的灵巧干扰技术。

1 39音并行调制解调器的信号波形结构

1.1 39音并行数据传输系统前导结构

在传输数据之前,将传输3个前导信息:

Preamble-1传送持续14个符号周期(信号存在信息和多普勒估值信息),包含14个符号周期的等幅未调制的4音信号,频率点分别为787.5 Hz、1 462.5 Hz、2 137.5 Hz和2 812.5 Hz,信号存在信息用来检测信号是否到来,接收端检测到此信号以确定信号出现,多普勒频偏估值信号用来估计信号通过信道后所产生的频率偏差。

Preamble-2将传送持续8个符号周期(用于符号同步建立信息),包含3个调制后的数据音,频率点分别为1 125 Hz、1 800 Hz和2 475 Hz,符号同步建立信息为接收端建立符号同步提供必要的信息;

第3部分为相位参考帧,由一个符号周期组成;

最后为块同步及39音数据信息,每个码元长度为Tsymb=22.5 ms,如图1所示。

图1 39音OFDM系统分组波形结构图

1.2 Preamble-2符号同步算法

Preamble-2提供对符号同步捕获的前导信息,在并行体制的HF MODEM中,符号同步的含义就是指要确定22.5 ms帧的起始位置,只有这个位置找到了,才能确保FFT变换的样点取一帧内,以保证判决信号抽样点在22.5 ms的中央。

发送端发送完用于信号存在检测和载波同步的信号之后,在 3个正交频率1 125 Hz、1 800Hz、2 475 Hz上,连续发送8帧2PSK信号用于符号同步的捕获。对Preamble-2符号同步捕获,采用的方法是基于内积算法的符号定时同步。采用滑动DFT算法来计算频域内的内积值,此方法是建立在最大后验概率(MAP)准则基础上的内积同步法。具体做法是在时域离散序列内连续开设了2个长为N的观测窗口,求得其频谱上的频谱值,通过滑动DFT可算出每滑动一点后对应的频域信号的频谱矢量,得到其频谱线上前后窗口内的频域值分别为:

设该频谱线上的内积值为Z,则

式中,DOT运算就是内积运算,求得相邻两观测窗口在某频谱线上的内积值,滑动窗口滑动N点,必会有同步点出现。根据同步点两窗口的内积值有特殊的统计特性,最后以两窗口的内积值的统计特性,应用最大后验概率(MAP)准则判决同步帧。判决同步帧的方法是:若在一个滑动周期(滑动DFT算法滑动N次)中,第i次变换对应的内积值DOT满足:

式中,DOTi为第i次变换的内积值;P(Syn/DOTi)为当内积值为DOTi时第i点为同点的概率。通过对同步点的捕获,可以判第i点为同步点。内积同步法在并行体制系统中,是根据并行体制信号发送的特点而提出的一种简单、可靠的符号同步方案。

2 符号同步对系统性能的影响

Speth和Fechtel等人对符号同步的影响进行了研究[5]:在循环前缀内,受延迟扩展和不受延迟扩展的2个区域,若时间同步点在延迟扩展影响的区域内会产生ISI,反之则不会受到影响。在受到延迟扩展影响的区域,由于nθ的存在,造成的影响是[6]:

式中,l为第l个ofdm符号;k为OFDM符号所在的载波;zl,k为第l个符号第k个子载波的输出;al,k为发射端第l个符号第k个子载波的数据;nl,k为发射端第l个符号第k个子载波上的噪声。由于符号同步误差,对系统产生的影响主要为ICI和ISI,ICI和ISI为近似为高斯噪声,其方差为[6]:

式中,Tg为循环前缀的时间长度;τi为第i条径的时延;T1=T/N,表示接收端时间抽样间隔;hi为第i条径的信道抽头系数。时间同步误差必须非常准确,因为时间同步常常对信道估计性能有影响,而信道估计误差将会对系统带来严重的影响,由于时间同步误差导致的信道估计误差的方差为[6]:

式中,εT1为时间偏移;W(τ)为信道估计中窗函数,可见时间偏差不仅造成相位旋转,而且同时产生了ISI和ICI,使解调段信噪比降低。假设前后码元是非相关的,此时可以近似得到接收端信噪比损失为:

3 对符号同步灵巧干扰策略

灵巧干扰的设计方案:首先灵巧干扰要借助于侦察手段,对目标信号进行参数识别并准确获取目标信号的参数特征,作为引导施放干扰的依据;然后在干扰引导技术的引导下,提取不同的信号特征,根据先验知识和自学习功能,选择或设计干扰样式,生成针对性很强的干扰信号;最后再通过干扰引导技术从时间域、空间域、频率域、样式域和过程域等多维空间形成最佳匹配的干扰信号。

对Preamble-2的符号同步捕获的灵巧干扰策略正是基于这种干扰设计方案,首先对信号进行侦收,对采集到的信号进行分析后,干扰样式设计出一种相关性强的干扰信号,最后由发射端发出干扰信号。

相关性强的干扰信号是利用干扰引导技术,通过对通信信号的截获,设计出参数与其相同或接近的相关干扰信号,表达式为:

式中,Pjam为干扰信号的幅度;ajam(t)为与信号参数相关的函数;fjam为与通信信号相同或这接近的干扰信号的载频;θjam为与信号相同或接近的干扰信号的相位。因为干扰信号与发送端的信号由很强的相关性,使得接收端对接收到的符号同步头产生错误判决,导致符号同步出错。干扰后对OFDM解调的影响,直接给出加入干扰后接收信号的表达式。

接收端接收到的第q个子载波上的第n个OFDM符号的表达式为:

式中,njam的定义为干扰信号对其产生的符号同步偏差。由式分析干扰对符号定时的影响有以下3点:

①相位旋转2πqnjam/NFFT,旋转随子载波索引q变化但不随n增加;

②定时干扰使得同步点落在CP后,接收端对信号作FFT变换之后,将包含了下一个OFDM符号的采样,由此将造成符号间干扰ISI和ICI;

4 对符号同步的灵巧干扰仿真

对符号同步灵巧干扰有了2种干扰效果:①使得系统的误码率升高,使得接收端理解信息难度加大,达到不能理解的程度,理论表明当误码率达到50%时,接收方将不能理解其信息内容;②使得信息传输滞后,战场上时间就是生命的保障,干扰同步系统,将会导致信息的延误或者信息的滞后,为我方赢得时间。

仿真采用 Matlab软件,在典型短波信道Watterson信道下仿真。采样速率为7 200,FFT点数为128,单音间隔56.25 Hz,符号同步音1 125 Hz、1 800 Hz、2 475 Hz,CP长度为 34*(1/7 200)=4.732 ms,调制方式采用DQPSK,码元长度22.5 ms,码元速率44.444。

依据式(13),当符号同步错误时,接收端对数据解调会产生相位旋转与幅度衰减,对系统实施针对符号同步的灵巧干扰参数njam=54时,其星座点的变化如图2所示。

图2 干扰前后星座点变化

图2为采用相干扰波形的灵巧方式干扰方式,其接收端解调前后星座图的变化。从对比图中可以明显看出,星座图相位旋转,幅度衰减,接收端已经不能很好地对接收到的信号进行正确的解调。

概率准则有时也被称为战术运用准则或效能准则,是从被干扰对象在电子干扰条件下,完成给定任务的概率出发来评估干扰效果。有些时候仅仅基于误码率准则,并不能很好地评估干扰效果。

如当系统本身在复杂的环境下性能就很差,使得误码率偏高,这时若使用误码率准则,就不一定说明干扰效果有效。因此在对符号同步干扰效果评估时,使用概率准则,以接收端捕获符号同步的错误概率来评定干扰效果就显得更加直观。对灵巧干扰与多种干扰方式对符号同步捕获概率的影响进行仿真,如图3所示。

图3 灵巧干扰与常规干扰误同步概率比较图

从图3中可见,当采用相关波形进行干扰,其频率完全对准符号同步音时,灵巧干扰效果明显好于瞄准多音干扰、随机多音干扰、随机单音干扰、扫频干扰和噪声干扰,当干扰功率JSR增大,符号同步错误概率将增大。可见,相关性强的灵巧干扰JSR在0 dB时,对通信系统产生极大的影响,其错误同步概率达到90%以上,随机多音干扰等常规干扰,对系统影响比较小,都达不到压制通信的目的,其中若要实现随机多音干扰,全频段噪声干扰,其总功率都将非常高,且达不到更好的干扰效果。灵巧式的相关信号的干扰使得接收端对符号同步的估计产生错误,而符号同步的错误导致接收端不能正确解调数据,并且符号同步错误将造成通信双方的数据传递的延误。

5 结束语

首先分析符号同步偏差对系统的影响,而后剖析了39音并行数据传输系统中符号同步捕获算法。对符号同步头的干扰采用灵活的方式,既可以实现对数据解调的影响,又能影响通信的建立,致使通信滞后。具体实施是利用Matlab软件搭建仿真环境,采用滑动相关法实现了对符号同步的建立,之后基于对符号同步的灵巧干扰思想,在短波信道下对高速短波并行体制的符号同步实施灵巧干扰,并与多种干扰方式进行比较分析。通过理论上的分析与仿真结果验证,证明了灵巧干扰符号同步的实用性、可行性。

[1]朱庆厚.通信同步的干扰(Ⅱ)[J].航天电子对抗,2005,21(6):46-48.

[2]RICHARD A P.现代通信干扰原理与技术[M].陈鼎鼎,译.北京:电子工业出版社,2005.

[3]郭建蓬,王可人,蔡小霞.Link16数据链消息同步段有效干扰策略研究[J].电子对抗技术,2005,20(1):3-7.

[4]韩冬平,王 敏,余国文.Link11数据链建模与多普勒校正的干扰效果分析[J].电子信息对抗技术,2008,23(6):41-46.

[5]SPETH M,CLASSEN R,MEYR H.Frame Synchronization of OFDM Systems in Frequency Selective Fading Channels[J].Vehicular Technology Conference,1997(3):1807-1811.

[6]SPETH M,FECHTEL S,FOCK G,et al.Optimum Receiver Design for Wireless Broad-band Systems Using OFDM:Part I[J].IEEE Transactions on Communications,1999,47(11):1668-1677.