通信对抗中的现代信号处理技术应用研究

2024-05-23王哲，杨忠

通信电源技术 2024年7期

王哲，杨忠

（中国电科网络通信研究院，河北石家庄 050000）

0 引言

通信对抗是电子对抗的重要组成部分，在阻断敌方通信、数据链、信号识别及测向等方面具有重要作用。因此，通信网络在作战体系中发挥着越来越重要的作用。现代信号处理技术作为解决通信对抗问题的重要手段，在通信对抗中的应用成为研究的热点。文章基于通信对抗的背景，研究现代信号处理的关键技术，并以信号处理设备为案例进行测试，结果表明现代信号处理技术在通信对抗的应用中具有良好的实践效果。

1 通信对抗的概述

1.1 通信对抗的基本概念

通信对抗指在通信领域开展的电子对抗，是削弱与破坏敌方通信系统的作战效能和保护己方的通信系统正常发挥作用的使用效能所采取的战术技术措施和行动的总称[1]。通信对抗技术主要分为通信侦察、通信干扰及通信抗干扰3 类。

通信侦察旨在取得目标有效信息，是通信干扰与通信抗干扰的基础。有效的侦察可使己方处于通信对抗的优势地位。侦察设备能够对目标信号进行接收、转换、估计、识别及预测等处理，从而得出目标通信系统的关键指标和信号来源，为己方进行决策和反制提供帮助[2]。同时，目标所处信号环境的复杂程度会显著影响侦察的效果。

通信干扰是扰乱或破坏敌方通信系统而采取的通信攻击手段的概括[3]。利用单台套干扰设备或多台套干扰设备联合对目标信号实施干扰，从而构建干扰效果好、威力强、代价小的干扰系统。对于不同的目标信号，干扰的样式往往不同，常见的有瞄准式、扩谱信号式、拦阻式及分布式等。

通信抗干扰即对通信干扰进行多维度的反制，多维度包括时域、频域、空域等。在频域抗干扰技术手段中，自适应滤波技术是一种常用反制手段。时域抗干扰中使用扩频通信技术，其中跳频扩谱通信的抗干扰能力强，成为抗干扰通信领域应用广泛的通信方式。空域抗干扰具有显著优势，可利用接收机的天线抑制干扰，目前使用的通信接收机很大限度地依赖空域抗干扰技术。

1.2 通信对抗的发展趋势

随着通信技术的发展、作战方式和理念的转变，现代通信对抗呈现出体系化、精确化、智能化及一体化的趋势。体系化通信对抗，以夺取战场制通信电磁权为目的，通过强大的侦察能力和严密的统筹安排，综合评估目标信息和资源，以期在有限资源下实现最优化。精确化指在大功率通信等干扰下不影响己方通信的同时阻止敌方通信，主要体现在目标的空间、时间和频率上的精确特征分析、精确攻击、指挥控制及协调作战。智能化解决了模式固定、时效低、自动化差的问题，具有自主感知、智能决策、自主学习及准确打击的优势。一体化结合网络和电子技术，从物理层的干扰扩展到协议层、信息层，具有破坏性强、效费比高、威胁大的特点，极大地扩展现代通信对抗的作战形式。

2 现代信号处理技术的关键方法研究

2.1 基于特定特征的信号识别法

对信号的识别是信号处理的基本工作，也是信号分析的前提。在信号处理过程中，需要从信号样本中提取信号特征值，然后根据不同类型信号的特征范围进行比对，判定信号类型归属。对于复杂的调制信号和衰落严重的信道，进行特征提取的难度较大。因此，只比对特定信号的最核心特征。例如，对于周期性的信号源发送已知数据，通过自相关处理可获得信号的周期，再利用周期判别获得信号的类型，降低信道对估计的影响。

基于特定特征的信号识别法的识别过程如下：将获取的样本信号作为输入端，依次给到特征数据库中的匹配滤波器，滤波器输出一个表征匹配程度的值，当这个值超过判定门限时，匹配滤波器所在的特征数据库对应的信号类型被认为是可能的信号类型，最终在所有可能的信号类型中选出最优的信号类型作为识别结果。识别原理如图1 所示。

图1 识别原理

基于特定特征的信号识别法提高识别的精准度，预警次数减少，同时降低漏警概率，增强信道环境差时的信号识别能力。对于数量有限的信号类型，特别是识别难度大的信号类型，该识别法有效，且实际应用效果良好。

2.2 基于多维搜索的空间谱测向技术

对于电磁频谱信号的空间特征的处理，提取关键特征信息是有效引导干扰的前提。基于现实环境需求，研究空间测向技术，以波束形成技术和时域谱估计技术为基础，通过不同空间位置的天线采样空间中的信号源，并分析处理采样数据，从而实现快速、高精度的测向定位[4]。

多维度搜索的空间谱测向技术的子空间拟合算法，其核心为采用分解阵列接收数据的协方差矩阵中的特征值手段来求取信号的子空间，利用阵列流矩阵形成的空间与信号子空间的相等或者正交关系实现对预计所接收信号的波达方向（Direction of Arriva，DOA）预计[5]。

在已知信号源的数量的情况下，信号子空间与阵列流矩阵形成的空间是同一空间。但当噪声存在时，信号子空间与阵列流矩阵形成的空间不相等，因此需要构建一个拟合关系，使得二者在最小二乘意义下拟合效果最好，即

在进行预计过程时，A矩阵不变化，可得的最小二乘解为

结合式（1）和式（2），则有

式中：PA为阵列流矩阵与坐标原点的距离矢量；A+为阵列流矩阵的加号逆矩阵。

根据阵列接收的数据求出数据的协方差矩阵，进行特征值分解得到子空间，根据阵列流矩阵结合式（2）和式（3），可计算得出信号源的方位信息。基于多维度参数搜索的方法适用于相干信号源的情况，在低信噪比和快拍数少的条件下也可取得很好的应用。

2.3 通信干扰参数测算技术

在通信干扰的实施过程中，要实现对敌方的通信系统进行有效的压制，必须使目标接收机的输入端达到一定的电平，通常采用增大干扰功率或者缩短干扰距离的方法。其中，干扰距离由干扰机和目标的相对位置决定，而干扰机的定位已知，目标的定位通常可由目标的收发信机位置估测，其原因是敌方收发信机的之间距离远小于干扰距离。知晓干扰机和目标通信链路的相互关系，还有目标接收机的干信比，可估算干扰功率和干扰距离。

目标接收机的信号功率为

式中：P为信号到达接收机的平均功率；PT为发射机的发射功率；GT为发射机的辐射增益；GR为接收机的接收功率增益；LTR为发射机到接收机的功率传播损耗。

考虑滤波损耗和极化损耗2 个因素，目标接收机的干扰功率为

式中：Pj为干扰信号到达接收机的平均功率；PTj为干扰发射机的发射功率；GTj为干扰发射机的辐射增益；GRj为目标接收机的接收功率增益；LTRj为干扰信号功率传播损耗；F为滤波损耗；p为极化损耗。设在最佳干扰条件下释放瞄准式干扰，干扰信号的带宽约等于目标接收机信号带宽，F取1，极化损耗以适当的弥补功率余量，式（5）简化为

由式（6）可知，要有效地利用干扰机对目标通信系统实施干扰，干扰机与目标系统的配置参数等多个因素是互相影响的。在配置固定的情况下，可测算出干扰机需要的发射功率。

3 现代信号处理技术应用案例

3.1 通信对抗中的信号处理设备

基于现代信号处理技术设计某型信号处理设备，由监控单元、数字单元、信号处理单元、控制单元、信号产生单元、时分单元存储单元以及电源单元组成，集成侦察和干扰等信号处理功能模块，具备监视、扫描、截获、检测、分析识别、解调、引导及控制等多种功能，能调制解调多路信号，并以瞄准、跟踪、阻拦等方式进行干扰，适用于多种作战环境，具有一体化多功能的优良特性。

3.2 样式识别能力评价

在拥挤的电磁频谱环境中，识别信号样式是一项重要的任务，以AM、FM、CW 信号的识别率来考核所设计的信号处理设备的能力。基于识别正确率不小于90%的指标，搭建测试环境，测试方法如图2所示。在30 ～200 MHz 频段内选取若干个测试频点，设置信号源幅度、频率、调制样式及符号速率，控制噪声源的衰减值，调整信号源和噪声源构建信噪比大于等于12 dB 的环境，进行50 次统计。

图2 测试方法

对测试结果进行统计，样式识别统计如表1所示。

表1 样式识别统计

结果显示所设计信号处理设备对于3 种信号样式的准确率均大于90%，具有良好的识别能力，能够满足实际应用的需求。

3.3 干扰信号输出幅度评价

在进行干扰活动时，干扰机输出信号的幅度影响着干扰的有效性，因此有必要评价信号处理设备的干扰信号幅度。该信号处理设备所期望的干扰输出幅度不小于-10 dBm。在30 ～600 MHz 选取两端极值和若干中间值，即30 MHz、100 MHz、400 MHz 以及600 MHz 为测试点，展开测试并统计测试结果。信号输出幅度统计如表2 所示。