JTIDS 系统抗干扰性能仿真

黄嘉春

(中国西南电子技术研究所, 成都610036)

1 引 言

联合战术信息分发系统(JTIDS)是指Link16 系统的通信部分,包括终端软件、硬件、RF 设备及其产生的大容量、保密、抗干扰波形。JTIDS 系统自身不仅采用了高速跳频(76 923 hop/s)、跳时(抖动)、直接序列扩频(CCSK)抗干扰技术,而且采用了RS 编码、交织、加密等技术,使得系统具备了保密性强、截获率低、抗干扰能力强等优点。而JTIDS 的高度集成化、模块化、数字化和全自动多功能的设计思想和理念不仅大大缩短了设备的研发周期,降低了研发成本,而且兼顾了老设备的兼容性以及为更新设备的研发提供了广阔的空间,非常适合现代化信息战争复杂多变的特点[1-2]。

本文简要介绍了JTIDS 系统以及JTIDS 消息处理流程,并给出MATLAB 仿真模型;对JTIDS 抗干扰技术进行分析,然后对JTIDS 系统抗白噪声干扰、单频或阻塞式干扰、组网的性能进行了仿真和分析,最终得出系统实际工作情况时的抗干扰性能和组网能力。

2 JTIDS 系统简介

JTIDS 终端主要产生Link16 波形。为了确保更强的抗干扰能力,波形采用了如下技术:扩频、跳频、检错纠错编码、脉冲冗余、伪随机噪声编码、数据交织等[1-2]。图1 给出其固定格式消息的处理流程[2]。

图1 JTIDS 固定格式消息处理示意图Fig.1 Data flow in JTIDS fixed format

图1 中, 检错编码、基带数据加密、交织以及CCSK 码字加密都是提高JTIDS 系统消息字的保密性的重要手段。本文主要仿真波形的抗白噪声干扰、单频或阻塞干扰的特性,因此,侧重仿真其中的前向纠错、CCSK 编码、MSK 调制,以及脉冲冗余。

3 JTIDS 抗干扰技术分析

JTIDS 端机首先对消息字进行检错编码、加密,然后进行RS 编码处理、交织,再进行CCSK 扩频,最后进行MSK 调制处理,并经过跳频处理后发送到射频上。

3.1 RS 码

RS 码特别适合于纠正突发错误。JTIDS 系统每发送长为32 chip的伪随机码就会变换一个频率。每个chip 都表示一个5 bit的符号,因此,该符号有可能正确接收,有可能接收错误。系统采用RS 编解码的目的就是为了纠正其错误接收的符号,提高JTIDS的通信正确率。

3.2 CCSK 扩频

JTIDS 系统中采用CCSK 扩频除了带来扩频增益的好处外,更重要的是还采用了发射加密的抗截获手段。因此使得信号载波加密程度高,想通过实时侦收的方法进行破译非常困难。

3.3 跳频

跳频技术是一种具有高抗干扰性、高抗截获能力的扩频技术。跳频技术的采用不仅使得JTIDS 系统具有很好的抗干扰特性,而且能够确保多个设备在同一区域内可在不同的网络上同时通信而不会造成相互干扰。

4 JTIDS 系统抗干扰仿真

4.1 JTIDS 系统抗白噪声干扰模型与仿真

在JTIDS 消息字数据结构中,输入数据经过RS(31, 15)编码后, 经过CCSK 软扩频处理, 再经过MSK 调制。由于此处主要对JTIDS 的抗白噪声干扰性能进行仿真,故暂时不考虑跳频、跳时。因此,可建立JTIDS 数据链路中消息字数据结构抗白噪声仿真模型,其信息发送、接收端的流程如图2 所示。

图2 JTIDS 抗白噪声仿真模型Fig.2 Simulation model for anti-Gaussian white noise of JTIDS

在JTIDS 系统中, 时隙中承载编码消息的脉冲有两种,一种是单脉冲,一种是双脉冲。一个单脉冲承载一个RS 编码符号,一对双脉冲也承载一个RS编码符号,即一个RS 编码符号传输了两次。消息字以单或双脉冲发送时的性能显然不会是一样的。因此,在对JTIDS 系统的消息字在加性高斯白噪声信道中的性能进行仿真时,分为两种情况,一种是单脉冲消息字数据结构,一种是双脉冲消息字数据结构。最终的仿真结果如图3 所示。

图3 单双脉冲数据结构抗白噪声仿真性能图Fig.3 The performance of anti-Gaussian white noise in single pulse/double pulse

图3 中,虚线是JTIDS 系统单脉冲消息字抗白噪声性能曲线图,实线是双脉冲消息字抗白噪声性能曲线图。比较两者可以得出,在JTIDS 系统中,双脉冲消息字比单脉冲消息字抗白噪声性能好大概1 dB。但是在双脉冲消息字结构中,一个符号要经过两次CCSK 编码,即每个RS 编码符号需要发送两次;而单脉冲消息字结构中,每个RS 编码符号需要发送一次,消息发送的效率比双脉冲消息字大一倍,而仅仅损失了1 dB的抗白噪声性能。因此,双脉冲消息字结构在抗白噪声性能上并没有体现出任何优势。

4.2 JTIDS 系统抗阻塞干扰模型与仿真

和前面的消息字抗白噪声仿真模型一样,需要RS 编解码、CCSK 解扩处理和MSK 调制解调的过程;不同的是,在抗阻塞式干扰仿真中,需要考虑到跳频,这样才能将阻塞式干扰加到JTIDS 仿真模型中。JTIDS 消息字数据结构抗阻塞式干扰仿真模型如图4 所示。

图4 JTIDS 抗阻塞干扰仿真模型Fig.4 JTIDS simulation model for anti-jamming interference

如图4 所示,JTIDS 系统在受到阻塞式干扰的同时,必定同样会受到白噪声的干扰。因此, 在对JTIDS 系统的阻塞式干扰性能进行仿真时,是建立在首先假设JTIDS 系统在某个SNR 白噪声性能的环境下进行的。

另外需要说明的是阻塞式干扰是怎么加入到该仿真模型的。在MATLAB 的仿真中, 如果直接将MSK 信号调制到跳频载波上来进行仿真,那么势必会带来大量的运算。考虑到仿真的实现性以及时间的限制,并没有像一般跳频仿真系统一样将传输调制到射频上,而是采用了一种变通的简易方法,最终达到对JTIDS 系统抗阻塞式干扰性能的仿真目的。即当某一跳数据落入阻塞干扰时,就将该跳的信号直接阻塞掉。

在该节的仿真中,跳频图案的设计是一个必须注意的环节。跳频图案设计的好坏直接决定了每个RS 编解码分组中有几个点被干扰掉,因此必须单独对跳频图案的随机性、均匀性、复杂度等进行仿真和验证[3]。该节跳频图案设计采用时隙编号、网号和初始密钥进行线性运算,再采用64 bit 的m 序列运算,最后加上非线性运算产生跳频图案。跳频图案仿真结果表明,该方法产生的序列符合跳频图案的要求。最终的仿真结果如图5 所示。

图5 单双脉冲数据结构抗阻塞干扰仿真性能图Fig.5 The performanceof anti jamm ing in single pulse/double pulse

如图5 所示,随着阻塞频点的增加,单双脉冲的误比特率表现不一样。对于单脉冲而言,因为没有脉冲冗余,很快就出现了误码。双脉冲表现则不同,阻塞点数超过了13 个频点,才开始出现误码。因此,脉冲冗余设计最大的好处就是增强了JTIDS 系统的抗阻塞干扰能力。换言之,脉冲冗余设计用降低数据的吞吐量换取了更强的抗干扰能力。

4.3 JTIDS 系统多重网络的仿真

JTIDS 系统支持多重网工作。在多重网络结构中,操作者在操作中选择一个网络号使用,每个网络都分配一个唯一的跳频图案用于发送,那么不同网络之间的跳频图案碰撞率和JTIDS 系统的抗阻塞干扰性能之间必然存在一个关系,即当网络数量增加时,频率碰撞率增加,当被阻塞的频率超过了JTIDS系统的阻塞干扰性能时,JTIDS 系统的通信质量出现严重问题,最终将导致通信失败。

仿真以时隙为单位,计算M 个网络的N 个时隙的跳频图案并记录保存,然后对保存记录的跳频图案进行汉明相关,最后得出跳频图案的碰撞概率曲线图如图6 所示。

图6 JTIDS 系统多重网跳频图案频率碰撞率仿真曲线图Fig.6 Hopping frequency colliding probability for JTIDS working in multi-network

由仿真结果得出,在同一区域内有两个网络工作时,JTIDS 系统频率碰撞率为0.02。按照JTIDS 系统跳频工作频点为51 个计算,最多有两个频率发生碰撞。从上一节的阻塞干扰仿真结果来看,单脉冲数据结构能使用。

再观察上一节的阻塞干扰仿真结果,当阻塞频点超过13 个频点时,系统开始出现误码。即当被干扰的频点不超过总频点的25%时,JTIDS 系统的双脉冲结构是可以正常通信的,几乎没有误码存在。当被干扰的频点超过总频点的31%时,JTIDS 系统的误码率开始大量出现。对应该节多重网跳频图案碰撞仿真图,可以得出以下结论:当同一区域内的网络数目为10 ～15 个时,频率碰撞率就已经是20%～30%,那么JTIDS 系统同一区域内最多允许15 个网络同时工作。

5 结束语

本文通过对JTIDS 系统抗干扰性能和组网性能的仿真和分析,验证了JTIDS 系统的抗干扰性能优良,同一区域内允许多个网络组网工作,满足战时通信的抗干扰以及保密性需求。仿真发现,跳频图案以及编解码的设计对系统的抗干扰性能影响较大,因此还需要深入研究。本文仿真结果不仅为JTIDS系统抗干扰技术的研究提供参考,也为未来抗干扰军事通信的开发和工程实践提供了依据。

[ 1] 梅文华, 蔡善法.JTIDS/ Link16 数据链[M] .北京:国防工业出版社, 2007:66-88.

MEI Wen-hua, CAI Shan-fa.JTIDS/ Link16 Data Link[M] .Beijing:National Defense Industry Press, 2007:66 -88.(in Chinese)

[2] NATO STANAG5516,Tactical Data Exchange-Link16[S] .

[3] 梅文华, 杨义先.跳频通信地址编码理论[M] .北京:国防工业出版社,1996.

MEI Wen-hua, YANG Yi-xian.The theory of frequency hopping communication address coding[M] .Beijing :National Defense Industry Press,1996.(in Chinese)