针对短波3G-ALE突发信号探测报头的干扰研究

吴培培，张 旻，史英春

(国防科技大学 电子对抗学院，安徽 合肥 230037)

0 引 言

以第三代自动链路建立(3G-ALE，Third Generation Automatic Link Establishment)技术为基础的第三代短波自适应通信，被广泛应用于美军与北约军用通信标准中[1]。其采用具有固定信号格式的3G-ALE突发信号来实现链路建立、业务管理与数据交互等通信过程，有效提高了短波通信的传输可靠性[2]，给非合作的通信干扰带来巨大挑战。

在3G-ALE突发信号中，交互数据前端存在一段由特定序列组成的数据帧，称为探测报头。美军标MIL-STD-188-141B[3]规定了3G-ALE突发信号采用8PSK调制样式，并且提供了探测报头的具体帧结构。通信接收端通过检测探测报头的存在来实现3G-ALE突发信号的捕获，并完成参数估计、频差校正与信号同步等预处理工作，为后续数据解调与交互奠定基础[4-5]。因此，针对3G-ALE突发信号探测报头实施干扰，降低通信接收端探测报头检测概率，使得对信号的捕获成功率下降，直接破坏通信链路的建立，可以作为一种可行并且有效的短波3G-ALE突发通信干扰策略[6-7]，相比以大功率持续压制干扰信号交互数据的干扰方式，能够取得事半功倍的干扰效果。

现有通信干扰的研究中，普遍以通信接收端解调误码率、误比特率作为干扰性能指标[8-12]。但是在对3G-ALE突发信号探测报头实施干扰时，需要以降低探测报头检测概率作为干扰目标，因此常规干扰的有效性存疑。文献[6]对此进行了针对性干扰研究，根据探测报头的信号频域特征设计了频域匹配宽带噪声的灵巧式干扰信号，干扰效果稳定但是仅略优于常规宽带噪声干扰。

本文针对目前通常使用的3G-ALE突发信号探测报头滑动相关FFT检测方法，提出一种随机符号调频干扰，能够有效影响探测报头的相关FFT检测谱峰，降低其检测概率。通信干扰方首先产生八进制随机符号并进行基带相移键控调制，之后对基带调制信号进行调频调制与功率放大形成干扰信号。干扰性能的理论分析与仿真实验表明，提出的随机符号调频干扰能够针对3G-ALE突发信号探测报头检测产生更好的干扰效果。

1 基本理论

1.1 3G-ALE突发信号结构

3G-ALE突发信号一般包含保护序列(TLC/AGC)、探测报头序列(PRE)与有效载荷数据序列(DATA)等三个信号部分。保护序列用于通信发送端的发送电平控制与通信接收端的自动增益控制；探测报头序列用于信号的捕获与分析预处理；数据序列携带用于特定交互作用的协议信息。图1所示为3G-ALE突发信号用于自动链路建立ALE协议的突发波形BW0信号结构。

图1 突发波形BW0信号结构

突发波形BW0的探测报头序列是如表1所示的384符号八进制序列。

表1 突发波形BW0的探测报头序列

只考虑探测报头部分，通信发送端的3G-ALE突发信号可以表示为：

s(t)=exp[jφ(t)]exp(jωct)

(1)

式中：φ(t)为探测报头序列映射的相位信息；ωc为发送信号射频载波角频率。令：

p(t)=exp[jφ(t)]

(2)

表示受到探测报头序列调制的8PSK基带探测报头信号，则发送信号s(t)可以简化为：

s(t)=p(t)exp(jωct)

(3)

1.2 探测报头滑动相关FFT检测方法

通信接收端通常使用本地信号滑动相关FFT的方法实现探测报头的检测[13]，如图2所示。

图2 滑动相关FFT检测方法

通信接收端首先将接收信号去载波，得到基带接收信号；将本地已知的探测报头序列按照美军标MIL-STD-188-141B规定的信号格式调制产生基带本地信号；之后在基带接收信号内从接收起始时刻开始，取一段与基带本地信号等长度的信号窗口，并向后滑动该信号窗口；将信号窗口内的基带接收信号与基带本地信号的共轭做相关运算，并对相关运算结果做FFT变换，检测是否有出现相关FFT检测谱峰并超过规定阈值；如果没有则将信号窗口继续向后滑动，直至出现超过规定阈值的相关FFT检测谱峰，则表示已检测到探测报头。加性高斯白噪声信道下的3G-ALE突发信号探测报头检测性能如图3所示。

图3 3G-ALE突发信号探测报头检测性能

2 干扰设计

在自动链路建立过程中，通信发送端持续发送突发波形BW0的3G-ALE突发信号，这就为通信干扰方检测信号的存在并且实施干扰提供了可能。根据探测报头滑动相关FFT检测原理，干扰信号应当对其相关FFT检测谱峰造成影响。

2.1 干扰信号模型

文献[10]指出，与数字通信信号具有相似时域频域特性的数字调制干扰信号更容易对通信信号接收造成影响。此外，角度调制(包括调频、调相)的噪声干扰信号也具有较好的干扰效果[11-12]。

本章结合数字调制干扰与角度调制干扰中调频干扰的优势，提出一种随机符号调频干扰。通信干扰方首先产生八进制随机符号并进行基带相移键控调制，之后将基带调制信号通过调频调制器与功率放大器形成干扰信号。干扰信号产生流程如图4所示。

图4 干扰信号产生流程

结合调频信号表达形式[14-15]，提出的随机符号调频干扰信号可以表示为：

(4)

式中：Aj为干扰信号线性放大增益；ωj为干扰信号射频载波角频率；Kf为调频灵敏度，是调频调制器的重要参数之一；m(t)为根据八进制随机符号调制产生的基带干扰信号，即：

m(t)=exp[jφj(t)]

(5)

式中：φj(t)为八进制随机符号映射的相位信息。相比(2)式可以看出，基带干扰信号m(t)与基带探测报头信号p(t)具有相似的时域频域特征。

2.2 干扰性能分析

3G-ALE突发信号经过信道传输，会受到加性高斯白噪声与人为随机符号调频干扰的影响，通信接收端接收信号可以表示为：

r(t)=s(t)+n(t)+j(t)

(6)

式中：n(t)表示信道零均值加性高斯白噪声。根据1.2节探测报头滑动相关FFT检测方法，通信接收端首先对接收信号r(t)去载波处理，得到基带接收信号：

r1(t)=r(t)exp(-jωct)

(7)

暂不考虑干扰信号与3G-ALE突发信号之间存在的载频频偏，即假设ωj=ωc。则基带接收信号可以简化为：

(8)

将本地已知的探测报头序列按照美军标规定的信号格式调制产生基带本地信号p(t)，取共轭后与基带接收信号r1(t)做相关运算：

(9)

对(9)式相关运算结果Γ(t)做FFT变换，检测是否出现相关FFT检测谱峰并超过规定阈值。式中第一项：

p(t)p*(t)=exp[jφ(t)]exp[-jφ(t)]=1

(10)

即表示基带接收信号与基带本地信号的相关运算结果为一零频常数信号，FFT变换时会在零频位置出现相关FFT检测谱峰，可说明检测存在探测报头。

(9)式中第二项，零均值加性高斯白噪声与基带本地信号的相关运算结果为一随机信号，FFT变换时不会出现相关FFT检测谱峰[6]，因此对探测报头检测造成的影响小。

(9)式中第三项，表示去载波干扰信号与基带本地信号的相关运算结果。下面具体分析其FFT变换结果对探测报头检测造成的影响[16]。

考虑到3G-ALE突发信号是带宽3 kHz的窄带信号[13]，因此通信干扰方可采用窄带调频方式产生干扰信号，满足以下约束条件：

(11)

利用欧拉公式将(9)式中第三项的干扰信号部分展开：

(12)

当满足(11)式约束条件时，存在以下近似关系：

(13)

(14)

因此可以将(9)式中第三项简化为：

(15)

令P(ω)、M(ω)分别与p(t)、m(t)互为FFT变换对，根据信号FFT变换性质：

p*(t)⟺P*(-ω)

(16)

(17)

因此对(9)式中第三项做FFT变换的结果可以表示为：

(18)

式中：*表示卷积运算。(18)式中第一项是对基带本地信号p(t)共轭的FFT变换，因此具有8PSK基带信号频谱特征(如图5(a)所示)，在干扰信号增益Aj的放大下会将探测报头相关FFT检测谱峰淹没，起到干扰效果。

图5 不同信号FFT频谱比较

2.3 干扰性能比较

本节中分析了两种常规通信干扰对于3G-ALE突发信号探测报头滑动相关FFT检测的干扰效果，分别是PSK调制干扰(即数字调制干扰)、噪声调频干扰(即角度调制的噪声干扰)，对比说明提出的随机符号调频干扰效果。

常规PSK调制干扰信号表达式为：

j(t)=Ajm(t)exp(jωjt)

(19)

通信接收端干扰信号与基带本地信号相关运算结果的FFT变换即为：

AjP*(-ω)*M(ω)

(20)

FFT变换结果为两项8PSK基带信号频谱的卷积。图5(c)反映了该频谱卷积结果，与图5(a)相比可以看出其频谱幅度偏低并且呈明显的包络下降趋势，因此对于探测报头相关FFT检测谱峰的淹没作用降低，干扰效果下降。

常规噪声调频干扰信号表达式为：

(21)

式中：nj(t)为基带噪声干扰信号。通信接收端干扰信号与基带本地信号相关运算结果的FFT变换即为：

(22)

式中：Nj(ω)是nj(t)的FFT变换对。与(18)式的区别在于式中第二项的频谱卷积结果(如图5(d)所示)，与图5(b)相比可以看出二者频谱结构相似，干扰效果接近；但是图5(d)中零频位置的频谱幅度略高，因此在相同参数调频灵敏度Kf的条件下，干扰效果略有下降。

3 干扰仿真实验

本章以通信接收端3G-ALE突发信号探测报头的滑动相关FFT检测概率作为干扰性能指标，仿真提出的随机符号调频干扰实验。仿真实验参数设置如表2所示。

表2 仿真实验参数设置

定义干信比：

(23)

表示在通信接收信号中，随机符号调频干扰信号功率Pj与3G-ALE突发信号功率Ps的比值。

3.1 干扰性能实验

本节中首先仿真调频灵敏度、干扰频偏等干扰因素对于随机符号调频干扰性能的影响，探索有效发挥干扰性能目标下的干扰参数设置，为干扰对比实验的参数合理设置提供参考。

3.1.1 调频灵敏度的影响

2.2节的干扰性能分析结果表明，参数调频灵敏度Kf对于随机符号调频干扰效果具有一定的影响。在无干扰频偏的前提下，仿真不同调频灵敏度条件下的干扰效果，如图6所示。

图6(a) 不同调频灵敏度下随干信比变化的干扰效果

图6(b) 不同干信比下随调频灵敏度变化的干扰效果

分析图6结果可以得到以下结论：

(1)降低调频灵敏度能够提高干扰效果，这与(18)式中第二项的理论分析结果相一致；但通常不将其取为0值，这是因为调频灵敏度为0值时的干扰信号即成为一单音干扰信号，容易被通信接收端频域检测并滤除[17]。

(2)干信比提高到一定程度时，调频灵敏度的影响逐渐弱化，这是因为此时干扰效果主要体现在(18)式中第一项的干扰信号线性放大增益上。

3.1.2 干扰频偏的影响

2.2节的干扰性能分析是基于不存在干扰频偏的假设上进行的，然而在实际干扰中难免存在由于对3G-ALE截获信号载频估计不准确而导致的干扰频偏。设置调频灵敏度值为15，仿真不同干扰频偏条件下的干扰效果，如图7所示。

图7(a) 不同干信比下随干扰频偏变化的干扰效果

图7(b) 不同干扰样式下随干扰频偏变化的干扰效果

分析图7结果可以得到以下结论：

(1)干扰频偏对于随机符号调频干扰效果有一定的影响，并且这种影响在低干信比条件下更加明显与复杂；干信比提高到一定程度时，干扰频偏的影响逐渐减弱，干扰效果达到稳定状态。

(2)图7(b)为在18 dB干信比条件下，随干扰频偏变化的几种干扰样式的干扰效果对比，包括有常规PSK调制干扰、常规噪声调频干扰，以及文献[6]提出的匹配噪声干扰。可以看出，尽管随机符号调频干扰效果受到干扰频偏的影响，但是相比其他干扰样式，这种影响程度相对较小。

3.2 干扰对比实验

在上一节干扰因素影响干扰性能实验得到的结论基础上，本节设置调频灵敏度值为15，并且不存在干扰频偏，仿真随机符号调频干扰与其它几种干扰样式的干扰效果对比，如图8、图9所示。

图8 干扰效果对比(1)

图8反映了随机符号调频干扰、PSK调制干扰与噪声调频干扰的干扰效果对比。可以看出，当干信比达到13 dB以上时，三种干扰样式均能够取得明显干扰效果，但是随机符号调频干扰效果更优。当产生探测报头滑动相关FFT检测概率基本为0的干扰效果时，随机符号调频干扰相比噪声调频干扰具有1～2 dB的干信比优势，相比PSK调制干扰也具有2 dB以上的干信比优势，因此可以节省一定的干扰功率。

图9对比了随机符号调频干扰与文献[6]提出的匹配多音干扰、匹配噪声干扰的干扰效果。可以看出，随机符号调频干扰优势明显，干信比达到13 dB 以上时的干扰效果明显优于其他两种干扰样式。

图9 干扰效果对比(2)

4 结 语

为了降低通信接收端的短波3G-ALE突发信号探测报头检测概率，破坏突发信号捕获与通信链路建立，进而实现对3G-ALE突发通信的有效干扰，本文针对探测报头的滑动相关FFT检测方法，提出一种随机符号调频干扰。理论推导与仿真实验验证了干扰有效性与干扰优势，可以为实际3G-ALE突发通信的干扰提供部分参考借鉴，具有一定的工程应用价值。