短波通信干扰仿真及分析

高美珍，陈英豪

(1.湖北师范大学 物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002；2.湖北师范大学 计算机与信息工程学院，湖北 黄石 435002)

1 概述

1.1 短波通信概述

按照国际电联(ITU)及国家信息产业部的规定，短波通信(SW)是指频率在3～30MHz之间，波长在10～100m之间的一段无线通信方式。短波传播的主要方式有两种，一种是地波传播，一种是天波传播。地波传播的距离较近，通常几十公里的距离；对于远距离短波通信而言，短波主要依靠电离层反射达成。现如今通信技术的发展日新月异，各种有线、无线、光和电等通信系统层出不穷，但短波通信这种传统的通信方式却仍然能迸发出极大的活力，主要原因有：短波通信无需建立中继站或者网络枢纽，用较小的发射功率即可实现远距离通信；远距离通信不受地形地貌地域影响；运行成本低廉，系统维护难度小，组网方便、灵活、迅速；通信隐蔽性好、设备携带机动灵活等特点。

与此同时，短波通信也存在一些缺点[1]：比如通信频带窄，信道数量非常有限；通信容量小，传输速率低；由于电离层的不稳定性造成短波通信信道是变参信道，存在严重的时变色散性、时变衰落、多普勒频移、多径传播效应、通信的稳定性和通信质量不太理想；容易受大气、工业无线电噪声干扰等。

综合其优缺点，短波通信依然无法被取代。并且随着新兴的短波通信技术[2]，比如短波自适应通信技术[3]、短波猝发传输技术、短波通信组网技术[4]、短波跳频通信技术[5]、短波多音并行通信技术、短波单音串行通信技术、短波多载波正交频分复用通信技术、软件无线电通信技术、短波扩频通信技术和数字信号处理技术等在短波通信领域的应用，使得这一古老而传统的通信技术不但没有没落，反而成为研究的重点，尤其在军事通信领域更是研究的焦点。

1.2 短波通信干扰概述

短波通信干扰，是指用来降低或者破坏对方短波通信系统正常工作，同时保护己方短波通信系统正常工作的一切措施与手段的总称。降低或者毁坏对方的短波通信系统使用效能主要包含两个方面的内容：一是对对方的短波通信系统进行侦察，掌握对方短波通信系统的基本性能指标，对方对短波通信系统运用的技术水平，进行短波通信联络的特点和规律；二是对对方的短波通信系统侦察的结果进行分析判别，而后选取有效的干扰方法对对方短波通信系统实施干扰，从而达到降低或者毁坏对方短波通信系统的目的。

1.3 常见的短波通信干扰样式

短波通信干扰主要有两种：一种是短波瞄准式干扰，一种是短波阻塞式干扰[8]，本文研究的主要是针对短波瞄准式干扰。具体到各种干扰样式，根据不同的分类方法则有不同的表现形式，比如，按照传输的基带信号的特征，短波通信系统分为模拟和数字两种，对应短波通信干扰信号也可分成模拟和数字两种。按照干扰源信号频谱特征可以分成单音干扰、多音干扰和噪声干扰。按照干扰信号的调制方式可以分为调幅干扰信号，调频干扰信号和调相干扰信号等[9]。

2 归一化的干扰效果评估方法

为了对干扰效果进行定量的分析，首先必须建立干扰效果恰当的评价方法。由于通信概念的内涵与外延的丰富性决定了不同的通信系统，不同的通信信号样式有不同的评价参数指标，因此，对于通信干扰而言，干扰效果的评估方法、技术指标存在着多种评价体系。就短波通信而言，常见的通信系统就有短波模拟和数字通信系统，每种通信系统又存在着不同种类的信号样式。为了让不同种类的通信信号以及不同种类的通信系统的干扰效果评估有一个统一的度量尺度，本文在此引入概率统计学中相关系数的概念，其表达式如下：

(1)

式(1)中，A和B是两个长度相同的信号，μA和σA分别是A的均值和标准差，μB和σB分别是B的均值和标准差。

判断两个信号是否相似，通过同时分析时域和频域上信号的相关程度来进行判别，相关系数越高信号越相似，因此为了直观地评估干扰效果，本文采用归一化后的欧氏范数作为干扰效果的评价指标，其表达式如下：

(2)

式(2)中，Ss是原始语音信号，Sd是干扰后的信号，ct是两个信号时域的相关系数，cf是两个信号频域的相关系数。De是干扰效果的评估指标，取值范围0～1，数值越大表示A信号与B信号越相似，那么干扰效果越好；数值越小表示A信号与B信号越不相似，那么干扰效果越差。

为了验证干扰效果评价指标的有效性，通过使用MATLAB软件，采用不同功率的高斯白噪声信号对原始音频信号进行叠加干扰仿真试验。通过电脑端音频采集系统采集一段时长为4s左右的真人语音信号，然后采用4种不同功率的高斯白噪声信号对原始信号进行干扰，其功率强度分别为0.1mW、1mW、10mW和100mW.从干扰加入后可以观察到，随着干扰信号的功率增强，干扰后信号的时域和频域特征逐渐被白噪声掩盖，当干扰信号的强度达到100mW后，时域特征完全淹没在噪声中。根据公式(1)和(2)的评价方法，分别对上述不同功率干扰源的干扰效果进行MATLAB仿真评估，评估结果见表1.

表1 不同干扰功率情况下干扰效果评估结果

综合表1的评价数据，可以看出本文提出的干扰效果评估方法是有效的。因此，本文后续所有的试验都将采用式(1)和式(2)提出的公式来对干扰效能进行评估与设计。

3 短波通信干扰的仿真与分析

3.1 干扰源信号样式对通信干扰效果的仿真与分析

通信干扰的最终目的是将一段干扰信号叠加到通信信号上，使得信息的接收方无法正确地还原发送的初始信号源信息，不同干扰调制手段只是为了将干扰源信号叠加到通信信号的必要过程。为了更好地说明不同干扰源信号样式对通信信号产生的影响，我们将分析和仿真[6]在同样功率条件下单音、多音和高斯白噪声干扰信号对同一个原始语音信号产生的干扰情况[7]。

某个频率的一个单频正弦波，即为单音干扰，可表示为：

j(t)=Ajcos(ωjt+φ0)

(3)

式(3)中Aj是单音干扰的幅度，ωj是单音干扰的频率，φ0是单音干扰的相位。

多音干扰是存在多个频率的单频正弦波，可表示为：

(4)

式(4)中Aji是多音干扰的第i个信号的幅度，ωji是多音干扰的第i个信号的频率，φ0i是多音干扰的第i个信号的相位。

人声语音信号的主要频率在80Hz到1200Hz之间，低频段主要集中在80Hz到400Hz，中频段主要集中在400Hz到800Hz，高频段主要集中在800Hz到1200Hz.因此本文设计的单频干扰信号中心频点设计成600Hz；多频干扰信号分成3个频点为200Hz、600Hz和1000Hz，分别用于压制低频、中频和高频语音信号。

三种干扰源信号按照同样的干扰功率对原始信号进行干扰，为了便于分析，选取了10mW、100mW和1000mW三个功率点，分别进行仿真，根据仿真结果得到的数据如表2所示。

表2 不同干扰源信号干扰效果评估数据表

由表2可知，相同功率条件下，从前面提出的干扰评价指标这个维度来看，单音干扰优于多音干扰，多音干扰优于噪声干扰。因为干扰源信号的频率越集中，干扰强度越大。

值得注意的是，在100mW这个功率时原始语音信号的时域特征已经明显淹没于高斯白噪声干扰信号中，但是根据1000mW功率时的仿真效果图，依然可以在单音和多音干扰后的信号中看到原始语音的部分特征。此时通信接收方对单音和多音干扰后信号进行频谱分析后，对信号做出带阻滤波，能够较好地还原出原始音频信号。

对滤波后的信号进行干扰效果评估，得到1000mW的单音干扰的实际干扰效果为0.3177；1000mW的多音干扰的实际干扰效果为0.5141；白噪声信号是全频段噪音无法通过滤波来恢复出原始信号，因此高斯白噪声实际干扰效果为0.9582.在此可以得出高斯白噪声作为干扰源信号最为有效的结论。

3.2 对短波模拟通信系统的干扰仿真与分析

短波模拟通信系统是将模拟基带信号调制成短波模拟频带信号进行信息传递的通信系统。短波模拟通信信号分为短波调幅通信信号、短波调频通信信号和短波调相通信信号。同样，短波模拟干扰信号也分为短波调幅干扰信号、短波调频干扰信号和短波调相干扰信号。为了更好地说明调制方式对通信信号干扰效果的影响，这里采用高斯白噪声作为统一干扰源，通过不同种类调制方式的干扰信号去干扰不同种类调制方式的通信信号，利用MATLAB软件进行正交仿真试验，并对干扰效果做出评估，最终得出相应的结论。

3.2.1 短波模拟信号的调制分析和干扰仿真

1)调幅信号

载波信号的振幅随着被调制信号的电压变化而变化的调制手段是振幅调制，简称调幅AM。调幅可分为普通调幅(AM)，双边带调幅(DSB-AM)，单边带调幅(SSB-AM)和残留边带调幅(VSB-AM)这四种。为了简化分析，本文后续内容的调幅统统采用双边带调制方法，其数学表达式如下：

s(t)=m(t)cos(ω0t+φ0)

(5)

式(5)中，s(t)是经过DSB调制后的调幅信号，m(t)是调制信号，ω0是载波频率，φ0是载波相位。

2)调频信号

载波信号的瞬时频率随着被调制信号的电压变化而变化的调制手段是频率调制，简称调频FM，其数学表达式如下：

(6)

式(6)中，s(t)是经过频率调制后的调频信号，Af是调频信号的幅度峰值，ω0是载波基础频率，φ0是载波相位，kf是调频的系数，m(t)是调制信号。

3)调相信号

载波信号的相位随着被调制信号的电压变化而变化的调制手段是相位调制，简称调相PM，其数学表达式如下：

(7)

式(7)中，s(t)是经过相位调制后的调相信号，Ap是调相信号的幅度峰值，ω0是载波频率，φ0是载波基础相位，kp是调相的系数，m(t)是调制信号。

4)干信比

选取高斯白噪声作为干扰源，在对方短波通信的电磁空间内，针对对方的短波通信信号，用相近载波频率的高斯白噪声信号去叠加到对方通信信号上，为了更加清晰地分析干扰效果，在此引入干信比这个概念，其物理意义是短波干扰信号的功率与短波通信信号功率的比值，其数学表达式如下：

(8)

式(8)中，JSR是干信比，P是求取平均功率的函数，s(t)是一段语音短波通信信号，d(t)是短波干扰信号。

5)短波调幅干扰对短波调幅通信系统的仿真分析

a.无干扰仿真分析

通信原始信号通过DSB调幅调制，在无外界干扰的情况下，通信载波频率设定为9MHz，通过通信仿真分析，发现在无干扰情况下，无论时域和频域，原始信号和解调信号是一致的，干扰效果评估值为0.0058.

b.JSR=1的调幅干扰仿真分析

对通信信号施加功率强度相同的短波调幅干扰信号，通信载波频率也设定为9MHz，干扰载波频率为9MHz，通过干扰仿真分析，发现以干信比为1的调幅干扰信号去干扰调幅通信信号，解调出来的语音信号的时域特征大部分被噪音淹没，但是频域特征还比较明显，干扰效果评估值为0.4153.

3.2.2 不同调制类型的短波通信信号与干扰信号的正交试验 为了弄清不同调制手段的干扰信号对不同调制手段通信信号干扰的效果，下面分别用调幅、调频和调相的JSR为1的干扰信号来干扰调幅、调频和调相的通信信号进行正交试验。在此，通信信号载波和干扰信号载波都设定为9MHz，试验结果如图1、数据如表3所示。

(a) 三种干扰信号对AM通信干扰仿真图

(b) 三种干扰信号对FM通信干扰仿真图

(c) 三种干扰信号对PM通信干扰仿真图

表3 正交试验干扰评估结果

综合图1和表3的结果，可以看出，在相同干扰功率的情况下，AM通信信号抗干扰能力最差，FM信号次之，PM信号抗干扰能力最强。干扰信号干扰与自身调制手段相同信号的能力，要明显弱于其他调制种类的干扰信号。AM通信信号最容易受FM干扰信号干扰，FM通信信号最容易受AM信号干扰，PM通信信号最容易受FM信号干扰。

3.3 对短波数字通信系统干扰的仿真与分析

常见的短波数字调制信号主要有短波ASK信号，短波FSK信号和短波PSK信号等。短波数字通信系统在短波模拟通信系统的基础上增加了信号采集、离散、编码、解码、量化等数字化处理过程。

3.3.1 频移键控调制通信原理与仿真 FSK频移键控的基本原理是利用载波的不同载波频率来传送数字基带信号信息。当数字基带信号为二进制时，就称为2FSK即二进制频移键控。调制时将“0”和“1”两个二进制基带数字信号分别对应两个载波调制频率ω1和ω2.当数字基带信号发送“1”时，发射机发送频率为ω1的载波；当数字基带信号发送“0”时，发射机发送频率为ω2的载波。这样就实现了利用短波载波调制频率来传送数字基带信号的功能。下面主要分析2FSK数字调制信号受到不同强度白噪声干扰的误码率情况。

短波2FSK调制方法可以表示为如下数学表达式：

(9)

式(9)中，s(t)是调制后信号，m(t)是二进制数字信号，A是FSK调制的幅度，ω1是“0”值时发送载波频率，ω2是“1”值时发送载波频率，φ0是载波相位。

以非相干解调法即包络解调器对短波2FSK通信系统进行分析，短波2FSK非相干包络解调器模型如图2所示。该解调器有两个独立的通道，使ω1频率通过的通道称为“传号”通道，使ω2频率通过的通道称为“空号”通道。解调后的数据经过低通滤波和抽样判决器后重新恢复成二进制数据。

图2 短波2FSK非相干包络解调器模型原理图

为了评估数字短波通信的通信质量，在此引入“误码率”这个概念，其物理意义是传输中的误码数与总传输码数的比值，其数学表达式如下：

(10)

式(10)中，BER为误码率，Nerr是传输过程中的误码个数，Ntol是总传输码数。

频移键控调制方式在无外界干扰情况下，制约其误码率的主要因素是数据发送的速度，即波特率，下面将通过MATLAB软件对此进行仿真验证，传送的原始数据是随机生成的二进制序列，传号频率ω1为91KHz，空号频率ω1为89KHz，分别测试320bit/s、340bit/s、360bit/s、380bit/s、400bit/s、420bit/s、440bits/s、460bit/s、480bit/s和500bit/s这10种波特率传输速率下的误码率情况，频域键控仿真过程和结果如图3和表4所示。

表4 不同波特率条件下2FSK数字调制误码率仿真结果

(a) 原始二进制数据仿真图

(b) 2FSK调制信号仿真图

(c) 带通滤波解调仿真图

(d) 包络检波及低通滤波仿真图

(e) 抽样形成解调数据仿真图

从表4中可以看到波特率达到一定程度后误码率将急剧增长，因此可以得出以90KHz为2FSK的中心调制频率，传号和空号间隔频率为2KHz时，选用的最大波特率不超过340bit/s.

3.3.2 频移键控调制干扰仿真分析 短波数字通信干扰存在两种形式，即单通道干扰和双通道干扰。单通道噪声干扰，是指用中心频率分别为ω1或ω2的窄带高斯噪声只对传号通道或者空号通道其中一个通道进行的干扰。双通道噪声干扰，是指用两个频率分别为ω1和ω2的窄带高斯噪声同时干扰传号通道和空号通道。

根据前面调制类型的正交试验结果，调频信号最容易受到调幅信号的干扰，因此将选用高斯白噪声信号通过ASK调制产生短波干扰信号对2FSK调制信号进行干扰，将分别选用不同功率的干扰信号分别进行单通道和双通道干扰，传号频率ω1为91KHz，空号频率ω1为89KHz，波特率为340bit/s，仿真试验分析结果如图4所示。

图4 单通道和双通道干扰仿真分析图

从图4可以看出，对于2FSK频移键控短波通信信号，采用双通道干扰比单通道干扰更有效。

4 结论

本文提出了一种基于信号时域和频域相关性的短波通信归一化的干扰效果评估方法，并对这一评估方法进行了仿真验证。同时通过使用高斯白噪声这一最为有效的干扰源信号，分别对模拟和数字式通信进行了干扰仿真效果评估。由此可以看出，基于归一化的干扰效果评估方法，能有效地分析各种干扰信号样式参数的变化对于通信信号的干扰能力，利用这一干扰能力的分析与评估方法，即可快速形成有效的短波通信对抗。