战术电台跳频通信反侦察抗干扰效能分析

孟令杰，张顺健，翟 翔

（国防科技大学电子对抗学院，合肥 230037）

0 引言

战术电台是战术通信系统的基础，随着战争对信息传递的要求越来越高，战术电台必须能够适应日趋复杂的电磁环境，且具有反敌通信对抗侦察和通信干扰的能力。为此，综合应用多种新型技术的战术电台不断涌现，但跳频通信始终是其最常用的技术措施之一，并已广泛运用于各类平台和系统。

1 跳频通信原理

图1 跳频通信的基本模型

跳频通信技术是目前军事通信中的主流技术之一，其原理是将普通的窄带调制信号的载波频率在一组伪随机码序列控制下进行离散跳变，从而实现频谱上的扩展，降低通信信号被有效侦察和干扰的概率。图1给出了跳频通信基本模型，发射端用伪随机序列控制频率合成器的输出频率，经过混频处理，发送信号的中心频率按照指定变化规律而变化；接收端频率合成器与发送端按照同一规律跳变，产生与发端频率差一个中频信号的本地参考信号，与之混频得到的中频窄带信号即可通过解调、信道译码恢复发端的信息。

跳频通信使用的一组频率常称为频率集，该范围在最小跳频频率fmin与最大跳频频率fmax之间，则称区间［fmin，fmax］为跳频范围。如忽略换频时间，跳频通信在每个频率上驻留时间Th的倒数即是跳频速率（简称跳速），用Rh表示。跳频通信按相对跳频速率，即跳频驻留时间Th和码元周期Ts的关系，可分为慢跳频和快跳频。

目前短波和超短波战术电台使用的跳频通信大多属于慢跳频，且调制方式为2FSK。为保证2FSK调制的频率相互正交，从而获得最佳解调性能，最小频率间隔 Rc等于信息码的码元宽度 Rs，有Rc=Rs=mRh，跳频通信单信道带宽B=2Rs=2mRh。

2 反通信对抗侦察效能分析

2.1 截获概率改善因子分析

根据电子对抗侦察的基本原理可知，当敌侦察接收机与辐射源无相对运动时，对辐射信号的截获概率为

式中，Pl为辐射源落入搜索区域的概率；Pj为侦察接收机与辐射信号的接触概率；q为对辐射源的识别概率；D为接触条件下单位时间敌侦察接收机对辐射信号的检测概率；t为持续搜索时间。

通信对抗侦察要求接收机与被探测信号在空域、频域、时域上对准，因此，式（1）中接触概率Pjc是以上三域窗口函数重合的概率，即

式中，θr为侦察天线波束宽度；Ωr为侦察机线扫描扇面；Δfr为侦察接收机瞬时带宽；（f2-f1）为侦察频带宽度；为辐射源每次发射平均时间；Tw辐射源发射平均时间间隔。

反电子对抗侦察效能分析指标可选取未采取措施的接触PD与采取措施后的截获概率P'D之比，定义截获概率改善因子

有εP≥0，且εP越大代表反电子对抗侦察效果越好。

当采取跳频通信技术时，设Nh表示整个跳频范围内的信道个数，Nr表示跳频驻留时间Th内侦察机扫描的跳频范围内信道个数。若侦察扫频速度跟不上跳频速度，即Nr＜Nh时，接触概率Pjc内的频域窗口函数变为

式中，vr为侦察机搜索扫频速度，vrTh即为跳频驻留时间内侦察机扫描的频段宽度；为侦察范围和跳频范围两个区间交集的频带宽度，一般可以认为侦察范围涵盖整个跳频范围，即。因此，上式可简化为

得到跳频通信技术的截获概率改善因子为

以超短波通信为例进行分析，设定初始参数：侦察机在20 MHz～150 MHz频段内扫描，扫频速度vr=10 MHz/s，侦察机瞬时带宽Δfr=500 kHz，辐射源落入侦察区域概率Pl=1，接触概率Pjc=0.5，识别概率q=0.8，检测概率D=0.5。则超短波通信在30 MHz～90 MHz的工作频段内，分别以定频、100 H/s跳速30 MHz频宽分段跳频、200 H/s跳速30 MHz频宽分段跳频、200 H/s全频段跳频进行通信，截获概率P'D与截获概率改善因子εPd的仿真如下页图2所示。

从图2中看出，当跳频范围一定时，跳速越快，截获概率改善程度越明显；当跳速一定时，跳频带宽越大，截获概率改善程度越明显。但其改善因子εP又随着搜索时间增加而减小，峰值εPdmax在100 H/s跳速30 MHz频宽分段跳频时约1.5 dB，200 H/s跳速30 MHz频宽分段跳频时约8.4 dB，200 H/s全频段跳频时则达到15.3 dB。若以PD=0.9作为成功侦察的门限，定频通信所需持续搜索时间为57.6 s，以上3种跳频通信在相同时刻的截获概率分别为0.86、0.63、0.39，对应的截获概率改善因子分别为 0.54 dB、3.57 dB、8.36 dB。

图2 跳频通信截获概率及其改善因子仿真

由上述分析结合式（6）可知：跳频通信对截获概率的改善效应是建立于跳速Rh和跳频带宽（fmaxfmin）乘积对侦察机扫频速度vr的优势上的，如敌提高扫频速度vr，跳频通信在频速上的优势将被削弱，截获概率改善因子将下降。因此，通过扩大跳频范围和提高跳频通信的跳速提高截获概率改善因子，对于反通信对抗侦察具有积极意义。

2.2 检测距离比改善因子分析

检测距离比又称截获因子，由D.C.Schlecher为衡量雷达的低截获概率特性而提出，定义为敌侦察接收机与己方接收机的最大检测距离之比。检测距离比α越小，辐射信号被侦察接收机截获的概率越低，隐蔽性越好。通信系统的检测距离比可用下式表示

式中，Gtr，GtR为发射天线在侦察接收机、通信接收机方向的发射增益；Grt，GRt为侦察接收机天线、通信接收机天线在发射机方向的接收增益；Rs为信息码码元宽度；Δfr为侦察接收机的带宽；γrt为侦察接收机的极化损失。

可选取未采取措施的检测距离比α与采取措施后的检测距离比α'之比，定义检测距离比改善因子

有εα≥0，且εα越大代表反电子对抗侦察效果越好。

采用跳频通信时，信息码码元宽度由Rs0变为mRh，跳频带来的通信频率范围扩大也迫使敌接收机带宽由Δfr增大为，可以得到检测距离比改善因子

由上式可得出与截获概率改善因子分析相同的结论：采取跳频通信并提高跳速Rh和扩大跳频范围［fmin，fmax］能够进一步提高检测距离比改善因子，一定意义上反映出对反通信对抗侦察效能的改善。

3 反通信干扰效能分析

3.1 干信比改善因子分析

通信反干扰目的就是抑制进入通信接收机的干信比，因此，效能分析指标可以选取未采取措施的输入端的干信比JSR与采取措施后的输入端的干信比JSR'之比，定义干信比改善因子

有εJ≥0，且εJ越大代表反通信干扰效果越好。

跳频通信可能受到的干扰样式主要有拦阻式和瞄准式干扰两类，前者包括宽带拦阻式干扰和部分频带干扰，后者包括频率跟踪式干扰和转发式干扰，下面分别对这两类干扰下的干信比改善因子进行分析。

3.1.1 部分频带干扰和宽带拦阻式干扰

部分频带干扰，是对跳频通信占用的部分频点实施的拦阻式干扰。此时要求干扰带宽需要阻断的跳频信道比例至少为的取值与跳频通信跳速Rh相关。因此，在其他参数相同的情况下，跳频通信受到部分频带干扰时的干信比不大于定频通信干信比的倍，由干信比表达式已知，有

宽带拦阻式干扰，是对跳频通信所占用的所有频点实施的拦阻式干扰。此时要求干扰带宽覆盖整个跳频范围，即，其干信比相当于在式（11）中取=1。

可以得到干信比改善因子为

3.1.2 频率跟踪式干扰和转发式干扰

频率跟踪式干扰和转发式干扰，都是在侦收到跳频信号后实施的窄带瞄准式干扰，前者干扰信号是由本机产生的，后者则是对通信信号接收处理后的转发。

如图3所示，在干扰过程中，T、R、J分别为通信发射机、接收机和干扰机，Rtr为通信距离，Rjr和Rjt为干扰机到通信发射机和通信接收机的距离。设Tp为干扰机反应时间，包括侦察接收机的截获、处理、引导时间和干扰机的干扰建立时间等，η∈（0，1）代表每个跳频周期Th内未被干扰的时间所占比例，对数字通信的有效干扰要求η≤0.8。

图3 跳频通信的基本模型

设c为光速，实施频率跟踪式或转发式干扰时，干扰机的部署应满足如下条件：

式（13）表明，要使频率跟踪式或转发式干扰奏效，干扰机需置于以通信发射机T、接收机R为焦点的椭圆之内。在近距离情况下，被干扰时间比可简化为

设pk为干扰频点被击中概率，相应的接收机输入端信号功率相对于定频通信的值变为

由干信比表达式已知JSR∝Prj，可以得到干信比改善因子为

由上式可知跳速Rh越快，干信比改善因子越大，则反通信干扰效果越好。

3.2 误码率改善因子分析

接收端误码率亦是衡量通信系统性能的主要指标之一，由于反干扰效能分析首先要考虑到措施对干信比的改善效应，这里选取初始干信比JSR相同前提下，未采取措施的误码率Pe与采取措施后的误码率P'e之比为效能分析指标，定义误码率改善因子

有εPe≥0，且εPe越大代表反通信干扰效果越好。

短波和超短波战术电台的信号调制方式都为2FSK，因此，首先分析2FSK定频通信受干扰条件下的误码率：

若2FSK信号受到噪声瞄准式干扰，误码率为

若2FSK信号受到随机移频键控或单频瞄准式干扰，误码率为

式中，ρi为无干扰条件下的接收机信噪比。

下面对两类干扰下的跳频通信误码率改善因子进行分析。

3.2.1 部分频带干扰和宽带拦阻式干扰

忽略机内噪声，受到部分频带干扰和宽带拦阻式干扰时的2FSK信号误码率都为

设定初始参数：采取定频通信时，干扰带宽Δfj=250 kHz，接收机信噪比ρi=10，受随机移频键控或单频瞄准式干扰时误码率为Pe1，受噪声瞄准式干扰时误码率为Pe2；现干扰功率等参数不变，采取跳频通信，跳速为 10 H/s（对应=0.3），跳频带宽（fmax-fmin）为5 MHz，干扰带宽 Δf'j恰好取临界值（fmax-fmin），受部分频带干扰和宽带拦阻式干扰的误码率分别为Pe3、Pe4。则初始干信比JSR相同情况下，拦阻式干扰下跳频通信对比定频通信的误码率及其改善因子εPe仿真如下页图4所示。

从图4中看出，在初始干信比JSR相同情况下，跳频通信受到拦阻式干扰时的误码率Pe3、Pe4要远小于定频通信误码率Pe1、Pe2，但随着初始干信比增大，误码率改善因子逐渐减小。对比Pe3和Pe4可知，部分频带干扰的干扰带宽仅需宽带拦阻式的倍，故进入接收机输入端的干信比JSR'相对更大，误码率明显较高，但这种干扰样式对频率要求高，往往需要通信对抗侦察提供更为精确的引导。

图4 拦阻式干扰下跳频通信对比定频通信的误码率及其改善因子仿真

因此，得出结论：部分频带和宽带拦阻式干扰下，误码率改善因子随干信比增大逐渐减小，通过增大跳频带宽（fmax-fmin），能够减小相同干扰功率下的干信比，从而极大地降低误码率，进一步提高反通信干扰效能。

3.2.2 频率跟踪式干扰和转发式干扰

受频率跟踪式式干扰时，2FSK信号误码率为

受转发式干扰时，2FSK信号误码率为

设定初始参数：采取定频通信时，接收机信噪比ρi=10，受随机移频键控或单频瞄准式干扰时误码率为Pe1，受噪声瞄准式干扰时误码率为Pe2；现干扰功率和带宽等参数不变，采取跳频通信，被干扰时间比ζ=0.5，干扰频点被击中概率pk=0.8，受频率跟踪式干扰和转发式干扰的误码率分别为Pe3、Pe4。则初始干信比JSR相同情况下，瞄准式窄带干扰下跳频通信对比定频通信的误码率P'e及其改善因子εPe仿真如图5所示。

图5 瞄准式干扰下跳频通信对比定频通信的误码率及其改善因子仿真

结合图 5和式（21）式（22）可以看出，跳频通信误码率Pe3、Pe4在初始干信比JSR较小时，要大于定频通信误码率Pe1、Pe2，因此，短暂性地出现误码率改善因子为负值的现象。随着初始干信比的增大，Pe3、Pe4呈上升趋势，并在达到极大值后开始下降。具体而言，受频率跟踪式干扰时的误码率Pe3在（即）时达到最大值，而后误码率缓慢下降，相应的误码率改善因子趋于平稳上升；受转发式干扰时的误码率Pe4则在达到最大值后迅速下降至较小水平，误码率改善因子以JSR'=1（即）为界线开始快速上升，并逐步超过受频率跟踪式干扰时的误码率改善因子。

由于误码率Pe3、Pe4最大时的JSR'取值固定，可通过提高跳频通信的跳速Rh，使达成最大误码率所需的初始干信比JSR增大，从而增加敌有效干扰的难度。因此，得出结论：频率跟踪式和转发式干扰下，跳频通信的误码率改善因子随初始干信比增大而增大，采用更快跳速可进一步提高反通信干扰效能。

4 结论

对于反通信对抗侦察而言，跳频通信是战术电台的一种有效措施，通过提高跳频速度和扩大跳频范围可以提高其效能。对于反通信干扰而言，跳频通信本身具有良好的抗干扰性能，扩大跳频范围对反拦阻式干扰效能具有增益，提高跳速对反瞄准式干扰效能具有增益。因此，提高装备技术指标并合理选择跳频参数，对于进一步改善战术电台的电子防御性能具有重要意义。