基于宽带波束形成的跳频通信跟踪干扰抑制方法

闫云斌，程　颖，马晓琳，李永科

(1.军械工程学院，河北 石家庄 050003；

2.总装驻南京军代表局，江苏 南京 210024 )



基于宽带波束形成的跳频通信跟踪干扰抑制方法

闫云斌1，程颖2，马晓琳1，李永科1

(1.军械工程学院，河北 石家庄 050003；

2.总装驻南京军代表局，江苏 南京 210024 )

摘要提出了一种针对跳频通信中跟踪干扰抑制方法，该方法能够在跳频同步前实现跟踪干扰的抑制，避免了传统跟踪干扰抑制方法在跳频同步被干扰后失效的缺点。采用空间插值的频域宽带波束形成技术实现了跳频信号与跟踪干扰信号的波束形成，在此基础上，给出了一种跟踪干扰抑制方法。对所提跟踪干扰抑制方法进行了计算机仿真，验证了该方法的正确性和有效性。

关键词跳频；跟踪干扰；频域宽带波束；空间插值；干扰抑制

Follower Jamming Suppression for Frequency Hopping Communication Based on Broadband Beam Forming

YAN Yun-bin1,CHENG Ying2,MA Xiao-lin1,LI Yong-ke1

(1.OrdnanceEngineeringCollege,ShijiazhuangHebei050003,China；2.NanjingMilitaryRepresentativeBureauofGeneralArmamentsDepartment,NanjingJiangsu610214，China)

AbstractA method of follower jamming suppression for frequency hopping (FH) communication is proposed,which can realize follower jamming suppression prior to FH synchronization and therefore avoid the defect of traditional method.The beam forming for FH signals and follower jamming signals are realized on the base of broadband beam forming of spatial interpolation,then the follower jamming suppression method is given.At last,the correctness and effectiveness of the method are verified.

Key wordsfrequency hopping;follower jamming;frequency domain broadband beam forming;spatial interpolation;jamming suppression

0引言

跳频通信技术通过伪随机序列控制载波频率跳变来躲避干扰，使得跳频通信能够对抗瞄准式干扰。但是，当敌方侦察机速度足够快，进而形成跟踪干扰时，就会给跳频通信带来极大威胁[1]。

通常为了对抗跟踪干扰，需要提高跳频的速率或者采用变跳的措施，但是，这样显然会造成跳频系统复杂、实现难度增大。为了实现跟踪干扰的抑制，文献[2]提出应用天线调零技术，结合跳频技术，实现跟踪干扰的抑制；文献[3]在其基础上，利用数字波束形成和跳频相结合，解决了快速跟踪干扰的抑制问题；前面2种方案在对跟踪干扰抑制时，未考虑干扰与期望信号是否相干，而且需要准确知道跳频信号的导向矢量，为了解决这些问题，文献[4]结合空间平滑技术，应用特征空间自适应波束方法实现跟踪干扰的抑制。文献[4]提出的算法适合一维线阵，为了推广到二维虚拟空间平滑算法，文献[5]在均匀矩形阵列下，结合二维虚拟子空间和相位补偿算法，给出了一种抗跟踪干扰方法。

文献中提到的跟踪干扰抑制技术，其核心是利用自适应天线调零技术结合跳频通信对抗跟踪干扰，其接收模块都是在跳频信号完成解跳后才进行波束控制。因为，所采用的自适应波束形成算法是针对窄带信号才能实现，但是当跳频通信中的同步信息被干扰，导致跳频通信不能够准确实现同步，进而不能被解调时，上述抗跟踪干扰性能将会下降很多，同时上述提到的自适应波束形成要求在跟踪干扰与跳频信号的时延内实现跳频信号的抽样，进而完成跳频信号的调零，而实际上随着跳速的提高，跳频信号和跟踪干扰之间的时延越来越小。在这么短的时间实现准确的DOA估计，并控制波束形成，难度较大。

跳频信号和跟踪干扰信号在解跳前属于宽带信号[6]，对于宽带信号的波束形成，需要波束形成器能在不同频率上形成相同束宽的波束，否则会造成接收信号发生畸变。为了解决该问题，文献[7]采用离散傅里叶变换插值实现宽带波束形成，但是需要基阵灵敏度函数满足一定条件，在应用上存在一定的局限性。文献[8]提出一种基于频域处理的宽带恒束宽的波束形成方法，该方法在一定宽带内对各个频率进行空间插值的数字加权，能够得到恒束宽的波束。该方法容易实现，虽然牺牲了一些性能代价，但是能满足工程实现的需求。

本文设计在跳频信号同步前实现对跟踪干扰的抑制。采用基于空间插值的频域宽带自适应波束控制技术，在信号下变频之前，实现对跟踪干扰信号波束控制的调零，从而实现对跟踪干扰的抑制。

1空间插值的频域宽带波束形成技术

1.1 频域宽带波束形成

基于频域处理的宽带波束形成模型如图1所示。首先每一个天线阵元对接收到的时域数据做FFT变换，在频域进行实现波束形成后，经过加窗求和，再通过FFT逆变换后就可以得到波束形成后的数据[8]。

图1　基于频域处理的宽带波束形成模型

假设天线阵元为均匀线阵，在某一个频点ωk形成波束图：

(1)

式中，b(ωk,Ωb)为第b个方向的导向矢量，可以表示为：

b(ωk,Ωb)= [exp(-jωkcd1Ωb),…,exp(-jωkcdmΩb),…

,

(2)

式中，dm=[d1,…dm…dM],m=1,…;M为第m个天线阵元所在的位置。方向矢量Ωb为：

(3)

式中，θb为第b个方向的方位角；θb∈[-180°,180°]；c为光速。

式(2)中，W(ωk)和win(ωk)分别是波束形成器中频点ωk的2级频域加权系数，其结果是使数字波束能够形成相同的波束。W(ωk)为频率ωk在第m个天线阵元的复加权系数，可表示为：

(4)

(5)

1.2 空间插值滤波方法

空间滤波的目标是得到较窄的主瓣和较低的旁瓣。而主瓣变窄需要更多的天线阵元，这样会增加系统复杂度。上节中波束形成器应用加窗能够降低旁瓣，但是存在的问题是如何平衡窄主瓣和低旁瓣。那么在实际应用过程中，如果使得阵列天线数量较少时得到较窄的主瓣和较低的旁瓣波束，文献[9]应用空间插值波束形成器解决了该难题。

该方法的主要原理是增大天线距离，当天线阵元数较少时，把阵元距离变成αd，这里α称为扩展因子，这样就会使得天线的合成空间变大，形成较窄的主瓣，但是这样做会破坏波束形成的限制条件，产生空间相位谱镜像。那么在后级设计合理的滤波器，把镜像分量滤除掉，得到需要的窄主瓣和低旁瓣的波束。整个过程分为2部分：空间插值和旁瓣滤波。该方法的缺点是计算量大，其本质是通过算法的复杂度换取了阵元数目的减少。

定义μ=kd(sinθ-sinθ0)，z=exp(ju)，对于均匀线阵的波束形成器为：

(6)

式中，Wpr,m为第m个天线阵元的幅度；θ0为初始角度；k=2π/λ。经过空间插值后，波束形成器可表示为[9]：

(7)

式中，Fsh(μ)为第一级滤波器，可表示为：

(8)

2空间插值下频域宽带波束形成跟踪干扰抑制

2.1跳频信号与跟踪干扰信号模型

假设接收端观察时间为T，在观察时间内共接收到M跳信号，则接收到的信号可以表示为[10]：

s(t)= 2S∑Mk=1rectTH(t-kTH-t1)·

exp(j2πfk(t-kTH-t1)+jθk)+n(t),0

(9)

式中，S为跳频信号功率；fk和θk为获得的第k跳信号的载频和相位；TH为跳频间隔时间；n(t)为高斯白噪声；rectTH为宽度为TH的矩形窗。

跟踪干扰是指干扰信号能跟踪跳频频点跳变的干扰方式，其在时域和频域特征相均和跳频信号类似，不同之处在于跟踪干扰与跳频信号存在一定的时延，而且跟踪干扰调制的是干扰信息。

2.2跟踪干扰抑制系统

对于跟踪干扰的抑制，前面研究都是在跳频信号解调后，对窄带信号进行处理。为了在跳频解调前实现跟踪干扰的抑制，就需要采用宽带信号的空间谱估计和波束形成，因为跳频信号和跟踪干扰信号在解调前均可看作是宽带信号。跳频同步前跟踪干扰抑制的系统模型如图2所示。

图2　跟踪干扰抑制系统模型

图2中，来自K个天线阵元的跳频信号和跟踪干扰信号，首先经过宽带空间谱估计和宽带波束形成后，在空域实现分离，经过跟踪干扰识别，判断是否存在跟踪干扰，如果存在，此时根据跟踪干扰信号所在的方向，确定自适应波束形成加权输出的约束矢量，并把约束矢量复制传递给跳频通信的接收端。阵列天线通过波束控制器把零点方向对准跟踪干扰方向，把阵列方向图的主瓣指向跳频信号的方向，从而达到抗跟踪干扰的目的。

对于跟踪干扰的识别，笔者在文献[6]进行了详细的研究，这里不再赘述。因此，对于跟踪干扰的抑制的关键就是能够对跳频信号和跟踪干扰信号进行波束形成。

跳频通信在实际的应用之一就是跳频电台，通常在实际应用过程中不可能配备很多根天线用来组成阵列。因此，需要考虑在较少阵元下实现跳频信号的波束控制。本文对于跳频信号和跟踪干扰信号的波束形成采用的就是空间插值的频域宽带波束。基于空间插值的频域宽带波束形成处理模型如图3所示。

图3　基于空间插值的频域宽带波束模型

图3中，对接收到的跳频信号和相关干扰信号首先经过频域宽带波束形成。采用空间插值滤波方法代替了加窗求和，其目的就是在阵元数较少时，降低旁瓣宽带，得到较窄的主瓣。

在波束形成和跟踪干扰识别后，把通过基于空间插值的宽带波束形成器后的权矢量求得波束形成加权输出的约束矢量，把获得的波束控制器加权输出的约束矢量复制到波束控制器，使得阵列天线的主瓣方向对准跳频信号，零点方向对准跟踪干扰，进而实现跟踪干扰的抑制。

3性能仿真及分析

为了验证采用空间插值宽带波束形成技术对跳频通信中跟踪干扰抑制的有效性，采用M=8阵元组成的线性等距线阵，跳频信号工作在超短波频段，频率为33～88 MHz，带宽为25 kHz，伪随机序列采用m序列，跳频频点数为64，跳速为200 Hop/s，其中跳频信号方向为-20°，阵列接收信噪比为10 dB，阵元间距等于跳频最高频率对应波长的1/2，假定经过跟踪干扰识别后存在跟踪干扰，其中跟踪干扰方向为10°。信干比为-3 dB。其中跳频信号的入射频率在观测时间T内共有4跳，分别是35 MHz、37.5 MHz、42.5 MHz和40 MHz。采样快拍数为512。

采用空间插值频域宽带波束形成后得到的跳频信号和跟踪干扰信号波束形成增益如图4所示，从图4可知，采用基于空间插值的频域宽带波束形成对跳频信号和跟踪干扰信号进行波束控制的有效性。虽然天线阵元数目只有8根，但经空间插值滤波，仍能够获得比较理想的波束，空间滤波效果良好。

图4　基于空间插值的频域宽带波束方向图

为了说明本方法对跟踪干扰抑制的性能，分别对采用跟踪干扰抑制后的跳频通信系统和未采用干扰抑制的通信系统的误码率特性进行对比仿真，图5给出了信干比SIR=-3 dB，信噪比SNR以2.5 dB为步进，从0～25 dB变化时，跳频系统在跟踪干扰下的误码率和本文采用的跟踪干扰抑制方法的误码率曲线图。

图5　　　基于空间插值的频域宽带波束形成　　　跳频系统误码率曲线

从图5中可以看出，在相同的SNR和SIR下，提出的基于空间插值的频域宽带波束形成跟踪干扰抑制算法的跳频通信系统的误码率性能优于存在跟踪干扰的情况，这说明系统误码率性能得到了改善；随着信噪比的增加，跳频通信系统的性能提高明显，抗跟踪干扰性能得到了提升。

4结束语

传统的跟踪干扰抑制方法都是在跳频信号同步后再解调实现的，但是当跳频同步被干扰以后，此类方法就失效了。本文提出的跳频通信中跟踪干扰抑制方法，能够在跳频同步前实现跟踪干扰的抑制，避免了传统跟踪干扰抑制方法在跳频同步被干扰后无法应用的问题。本文的研究成果可为跳频通信抗跟踪干扰提供参考。

参考文献

[1]全厚德，闫云斌，崔佩璋.跟踪干扰对跳频通信性能影响研究,火力与指挥控制,2012，37(11):133-136.

[2]EKEN F.Use of Antenna Nulling with Frequency-hopping Against the Follower Jammer[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation 1991,39(9):1 391-1 397.

[3]邱永红，甘仲民，李广侠，等.自适应调零天线对快速跟踪干扰抑制的研究[J]. 电子学报,2001,29(4):574-576.

[4]段志强，张林永，朱永春.基于自适应天线的跳频系统干扰抑制方法[J].电波科学学报,2004,19(6):296-299.

[5]尚佳栋，王祝林，郭旭静，等.基于二维虚拟空间平滑算法的跳频通信系统跟踪式干扰抑制研究[J].电子与信息学报,2011,33(5):1 193-1 197.

[6]闫云斌,全厚德,崔佩璋.稀疏分解在跟踪干扰信号特征提取中的应用[J].信号处理,2012,28(12):1 714-1 720.

[7]朱维杰，孙进才.基于DFT插值的宽带波束形成器设计[J].通信学报,2002,23(3):59-66.

[8]朱文贵.基于阵列信号处理的短波跳频信号盲检测和参数盲估计[D].合肥：中国科学技术大学,2007.

[9]TUAN D H .A New Design Method for Digital Beamforming Using Spatial Interpolation[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2003(2):177-181.

[10]闫云斌,全厚德,崔佩璋.一种新的跳频信号重构方法[J].西安电子科技大学学报,2013,40(5):163-168.

闫云斌男，(1984—)，博士，讲师。主要研究方向：扩频通信抗干扰技术。

程颖男，(1978—)，硕士，工程师。主要研究方向：控制工程。

作者简介

中图分类号TN912.4

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)04-0043-04

收稿日期：2016-01-18

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.11

引用格式：闫云斌，程颖，马晓琳，等.基于宽带波束形成的跳频通信跟踪干扰抑制方法[J].无线电工程，2016，46(4)：43-46.