战术数据链相位干扰技术

杨保平 陈永光 李钟敏 王永州

（1.装备指挥技术学院，北京 101416；2.解放军 63893部队，河南 洛阳 471003；3.军械工程学院，河北 石家庄 050003）

1.引 言

现代信息化战争已经从以平台为中心转向以网络为中心，而数据链是全球信息栅格（GIG）的重要组成部分，也是实施网络中心战的重要信息手段［1－2］。通信对抗的发展也从信号战走向比特战，比特战是未来信息战的核心［3］。战术数据链作为一种新型的战场数据通信系统，具有实时或近实时通信能力，其高效的信息传输效率和自动化程度都是普通战术无线电通信系统无法比拟的［1］。战术数据链使信息化战场对己方信息单向透明，大大增强己方信息优势、决策优势、打击优势和协同作战能力［4］。近期的几场现代局部战争中战术数据链的作用更是发挥得淋漓尽致，更加充分说明了战术数据链是取得信息化战争的胜利的关键之一［1，5－7］。

数据链对抗技术是信息化武器装备建设的焦点之一，采用有效的战技术措施对抗数据链一直是信息化装备建设面临的难题［7－9］。典型的数据链对抗技术有全时域压制式干扰和欺骗式干扰。全时域压制式干扰对侦察要求不高，一般战术数据链信号具有明显频谱特征，通过相对简单的侦察识别无需解调即可实施干扰，属于信号层对抗。该干扰方式存在能量分散、辐射能量大、对于数据链网络干扰效果弱、战场生存能力不强等不足。欺骗式干扰则对侦察要求很高，不仅要截获信号频谱，而且需进一步解调数据并解密获取数据链通信协议、信息等内容，相对来说实现起来难度很大，属于信息层对抗。但是欺骗式干扰具有对数据链网络干扰效果好、能量集中、隐蔽性好等优势。而相位干扰方式属于比特层对抗，具备上述二者的一些优点，同时一定程度上弥补二者的缺陷，因此具有深入研究的价值。

目前在通信对抗领域对于相位干扰鲜见文献公开论述，文献［10］针对数据通信的同步头进行相应灵巧干扰方法以及干扰效果在频域上的研究，但是对干扰效果的时域分析缺乏相关文献的论述。本文针对这一现状首次在时域上提出了比特对抗时间－干扰效果评估方法并进行了分析研究；建立了战术数据链数据通信和相位干扰模型，对影响干扰效果的各种因素进行了研究；利用模型进行了仿真，基于时域对相位干扰仿真结果进行了定量分析，给出了相位干扰效果时域关系。对研究其他战术通信基于时域的干扰效果具有借鉴意义。

2.相位干扰方法分析

本文讨论的战术数据链采用帧结构数据格式，调制方式采用相位调制［11］。主要由同步帧、相位信息帧和报文消息帧构成，报文消息帧从相位信息帧中提取初始参考相位进行解调。在实现解码的基础上，能对相位信息帧进行相位干扰。

2.1 数据链信号相位干扰

相位干扰是对战术数据链帧结构中相位信息帧进行干扰，以使敌无法正确获取初始参考相位，引发通信失败，达到灵巧、隐蔽的目的。相位干扰所需干扰功率要求不高，干扰时间短，引发的干扰效果好。因此，采用数据链的相位干扰在信息对抗方面具有事半功倍的效果。

数据链中相位信息帧为后续消息帧的解调提供初始参考相位，其重要性不言而喻。压制相位信息帧能使后续报文消息接收误比特率急剧上升，接收端数据终端机（DTS）接收不到战术消息，引发通信失败［12］。

2.2 相位干扰效果影响因素分析

对于相位干扰影响干扰效果的有干扰样式，干通比和对目标帧的有效干扰时长等因素。在确定干扰样式，满足有效干扰干通比的条件下，对目标帧的干扰效果就主要取决于有效干扰时长。

在已知对抗双方位置信息的情况下，结合干扰反应时间可以很精确推算出相位干扰的干扰时机和时长，使相位干扰达到最佳干扰效果。但是实际作战中及时准确获得对抗双方位置信息具有难度，如果双方处于运动状态则更加困难。尤其是在短波波段，电波天波传播时延造成的时间模糊甚至接近于帧间距［2，13］，干扰在时间上的误差会引起的相位干扰有可能大部分落在具有强抗干扰能力的同步帧内或具有一定抗干扰能力的后续报文消息帧内，即干扰信号和要干扰的通信信号时域重合度小，对干扰效果产生一定影响。

这一问题可以通过延长有效干扰时间解决，使干扰信号在时域上确保完全覆盖目标帧帧间距。适当的延长相位干扰时间在应用中具有实际意义，但若延长的时间超过限度就会使相位干扰降低隐蔽性从而降低战场生存能力。

3.时间－干扰效果评估建模

为了进行基于时域分析的相位干扰时间－干扰效果评估研究，首先建立战术数据链的相位干扰模型。

相位干扰的建模首先需要建立相位信息帧的模型，战术数据链相位信息帧信号的多载波频率空间为f（i），i＝1，…，k，帧间距为T，时域表达可由式（1）表示。

式中：A（i）为各载波振幅；f（i）为各载频率；P0（i）为各载波初始相位。

相位信息帧信号的仿真时域波形和频谱如图1所示。频谱由快速傅里叶变换（FFT）计算得到，在仿真过程中加入了强度为－76dBm的背景噪声，更为逼真地模拟实际信号［14］。仿真过程中发射、接收信号电平均以50Ω标准阻抗计算。

图1 相位信息帧信号波形和频谱

图1中多普勒频率f0强度比其他频率高＋6dB。仿真时各载波初始相位P0均为π／2，消息帧中的起始帧差分四相相移键控（π／4－DQPSK）的调制、解调根据各载波P0来进行。为了消除相位模糊，接收端各载波P0的提取采用接收信号正交化处理，将接收的信号经正交化处理后分为I、Q两路。为了减少相位移动，接收端经过正、反向滤波，抵消掉滤波器对相位的影响从而实现0相移，同时将滤波器的阶数等效提高一倍。接收端I、Q两路信号加硬限幅后进行判决输出，得到各载波初始相位P0.其中I路信号为

Q路信号为

式中：A′（i）是接收端滤波器输出信号振幅。I、Q两路信号经过低通滤波，将式（2）、（3）中的4倍频成分滤除。滤波器输出I路信号为

滤波器输出Q路信号为

式中：Aj（k）干扰信号振幅；Pj0（k）为干扰信号相位值。

相位干扰建模其次需要建立第一帧消息帧的通信模型。发送端起始帧的差分四相相移键控（π／4－DQPSK）的调制根据P0（i）来进行，仿真时各载波初始相位P0（i）均设为π／2。首先进行差分码变换，变换后对差分码进行调制。

进行调制前首先将要调制的基带数字码流串并转换并分成I、Q两路，然后进行正交调制。其数学表达式为

式中：G为滤波器增益。将sI（t）和sQ（t）信号空间取均值，即可得到sI（t）和sQ（t）的统计值，根据得到的统计值进行相位的判决得到相位信息帧各载波相位P0（i）.对各载波进行相位干扰的多音干扰公式为

在接收端收到的信号可以表示为

式中sj（t）为干扰信号。接收端对接收到的信号经过一组带通滤波器消除带外噪声后进行正交解调得到每个单音载波信号。正交两路解调信号如下：

式中：i＝1，2，…，k.

srI（i）（t）和srQ（i）（t）是取其所有抽样点的平均值并加硬限幅，从而消除瞬时噪声的影响。然后根据srI（i）（t）和srQ（i）（t）的值及其符号可以由式（11）计算出每个单音载波相位值。

解调时根据每个单音载波相位与初始相位差进行判决，从而解调出来π／4－DQPSK调制的报文消息帧第一帧的数据。

4.时间－干扰效果评估仿真

相位干扰仿真的目的是研究在时域上干扰时间对干扰效果的影响，采用不同干扰样式的干扰效果，找出最佳干扰样式。无干扰情况下，该模型能够仿真数据链相位信息帧与报文消息帧第一帧信号的发送与接收。

当相位信息帧全时域加入白噪声信号时，信噪比不大于－17dB，运行仿真接收的第一帧消息帧误比特率能够达到不小于30%。若报文消息帧第一帧误比特率大于约16%，接收方就不能够正确识别出，从而引发通信失败［11］。相位干扰主要关注时间因素，因此仿真过程中要求干扰在能够完全压制通信的情况下，体现时间因素对干扰效果的影响。所以仿真过程中信噪比取为－17dB，保证在能域上并留有一定裕量为有效干扰。同时仿真过程中在相同信噪比条件下采用两种干扰样式进行仿真，对比两种干扰样式的干扰效果。评判的准则遵循达到有效干扰的时间越短越好，有效干扰引发的误比特率越高越好两个原则。

相位信息帧信号的平均功率表达式为

式中：R为标准电阻50Ω；T为帧间距。

干扰信号的平均功率表达式为

根据式（13）可以计算出各种干扰信号的平均功率，根据仿真条件产生所需的强度干扰信号进行仿真。表1将无干扰时接收提取的P0（i）相位与存在两种干扰情况下提取的P0（i）相位值进行了比较。其中白噪声干扰由MATLAB仿真产生。

表1 接收端相位信息帧初始相位与受扰后相位对比表

通过仿真结果对比可以看出受到干扰后接收信号在某些频点上已经不能正确提取各载波初始相位P0（i），这也是引发后续报文消息帧误码的主要原因。

相位信息帧的帧间隔时为T，仿真对于干扰信号时间长度进行控制，可以对时间从0到T时长的通信信号进行时域上的压制。图2为加入时间长度为t1的白噪声相位干扰信号与相位信息帧信号的时域波形图。可以很直观地显示出干扰信号受控时间长度和通信信号的波形在时域和能域上的关系。正如在能域上干扰信号必须达到一定功率阈值才能达到有效干扰，在能域上满足有效干扰条件下，在时域上干扰信号持续时间必须达到一定时间阈值，才能达到有效干扰。

图2 白噪声相位干扰时域波形

图3为加入时间长度同样为t1的多音相位干扰信号与相位信息帧信号的时域波形图。与白噪声干扰样式类似，图3显示出多音相位干扰信号受控时间长度和数据链通信信号的波形在时域和能域上的关系。

图3 多音相位干扰时域波形

根据建立的模型，采用白噪声相位干扰基于时域进行了仿真和干扰效果评估。仿真结果见图4，通信信号的误比特率基本上随干扰时间增长而增加。即在帧间隔内，施加干扰的时间越长，干扰效果越好。干扰时间达到t2时，干扰开始产生效果，此时数据链通信的误比特率开始上升。当干扰时间至少达到t3，在后续报文消息帧引发的误比特率才能大于16%，此时数据链通信已被压制。如果对相位信息帧实施的干扰强度上满足有效干扰要求但是干扰持续时间小于t3时，干扰也是无效的。仿真结果表明白噪声压制干扰条件下，达到有效干扰所需时间ΔT约占总时间长度T的53%。

图4 白噪声相位干扰效果时域关系

图5 多音相位干扰效果时域关系

采用多音相位干扰基于时域进行了仿真和干扰效果评估。仿真结果见图5，多音相位干扰在t4时刻开始，数据链后续消息帧误比特率开始上升，产生干扰效果。当干扰持续时间大于t5时，误比特率就能达到16%，干扰到达有效干扰，小于t5时干扰无效。对比图4和图5，多音相位干扰达到有效干扰所需时间ΔT较短，约占总时间长度T的13%。达到有效干扰后误比特率比白噪声干扰样式要高，总体来说干扰效果好。针对基于多音并行体制的战术数据链多音相位干扰信号和数据链通信信号相关性更强，能量更为集中。而噪声干扰信号频率成分丰富，功率分散，因此多音干扰的干扰效果优于噪声干扰。

本文基于差分四相相移键控调制的数据链通信信号在受干扰时存在误码抖动现象，四相调制时一个相位对应一个符号，映射两个比特的信息。多音干扰信号相位在0～2π随机产生，当压制掉一个通信符号时接收端误判为另一个符号，此时误比特率会因符号编码的码间距离不同而不同。码间距离为1时，误比特数是1，码间距离为2时误比特数是2。因此不同的信号星座图产生的误比特率也会不同，从而产生抖动现象。

5.结 论

本文通过对战术数据链相位干扰技术的分析，构造了战术数据链数字通信相位干扰仿真模型。基于时域进行了仿真并分析了干扰效果。

在满足一定信噪比条件下，干扰时间长度是影响干扰效果的一个重要因素。仿真结果表明白噪声压制干扰条件下，达到有效干扰所需时间相对多音干扰长。因此，多音干扰相对于白噪声干扰样式来说，对侦察、干扰设备要求低、能量相对集中、时间阈值低、干扰效果好，故作战效能最优。对于载波相位调制方式战术数据链信号来说，对抗白噪声干扰能力相对强，基于载波相位干扰的多音干扰是主要威胁，设计时应该注重相位信息抗干扰能力。对于两种干扰在计算由于各种因素造成的时间模糊度时应该包含帧间隔内达到有效干扰所需时间ΔT，从而确保达到最佳干扰效果。

对于数据链相位干扰，达到最佳干扰效果要保证时域重合度，因此准确地选择干扰时机从而最大程度消除时间模糊并在时域上留出最佳裕量是关键。影响干扰效果的因素还有很多，如干扰功率和频率重合度的影响等等。如何选择干扰时机并在时域上留出最佳裕量，基于时域、能域、频域、空域四维联合分析对干扰效果的影响，需要今后展开进一步的研究。

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