对水声直扩通信系统的干扰效果分析

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1、对水声直扩通信系统的干扰效果分析刘俊凯;张刚强;董阳泽;唐建生【摘要】Direct sequence spread spectrum (DSSS) technique is widely used in underwater acoustic communication due to its good performance on anti-interference and anti-fading. Therefore, from the point of view of communication inter-ference, it is necessary to make an effec

2、t evaluation on DSSS communication under jamming. Firstly we simulate the underwater acoustic DSSS communication system by using matlab software. Then the system is disturbed by four typical methods(wideband noise interference, partial band noise interference, tone interference and pulse interferenc

3、e). By compar-ing the BER curves of the system under four typical jamming, the results show that it is better to use partial band noise inter-ference in the case of communication mechanism is not clear; when the communication mechanism is clear, we can use tone interference to interfere with the sys

4、tem. And the optimal frequency position of tone interference is also demonstrated; under certain conditions, pulse jamming can effectively interfere with the DSSS system. The above analysis play a guiding role for the interference pattern selection under specific circumstance.%直接序列扩频(DSSS )技术以其良好的抗干

5、扰性、抗衰落性在水 声通信领域得到了广泛应用。因此，从通信干扰的角度来看，对直接序列扩频通信 系统的干扰效果分析很有必要。首先利用 Matlab 对水声直接扩频通信系统进行仿 真。随后用4种典型的干扰方法(宽带噪声干扰、部分频带噪声干扰、音调干扰 和脉冲干扰)对此系统进行干扰。通过对4种典型干扰下系统的误比特率曲线进 行对比分析。结果表明：在通信机制不明确的情况下宜使用部分频带噪声干扰；当 通信机制明确时，使用音调干扰，并且证明了干扰频率的最佳位置；在一定条件下， 脉冲干扰能够对直接扩频系统产生有效干扰。以上分析对特定环境下的干扰样式选 取具有一定的指导意义。期刊名称】舰船科学技术年(卷),期

6、】2016(038)011【总页数】5页(P106-110) 【关键词】 直接扩频;干扰样式;干扰效果;信干比【作 者】 刘俊凯;张刚强;董阳泽;唐建生【作者单位】 水声对抗技术重点实验室，上海 201108;水声对抗技术重点实验室，上海 201108;水声对抗技术重点实验室，上海 201108;水声对抗技术重点实验室北京，北京 100036【正文语种】 中 文【中图分类】 U666.7由于扩频通信抗截获、抗干扰能力强、保密性能好，使其成为战术通信领域应用最广的通信手段之一1，其基本工作方式主要包括直接序列扩频通信、跳频通信和 跳时通信。与其他扩频通信相比，直接序列扩频通信频带扩展相对简单、对

7、设备的 要求较低，使其在水声通信中得到广泛应用。对于射频直扩信号的干扰研究在过去的20多年已经被验证2-5。但在水声领域 通信信号的干扰研究还处于初步研究阶段。出于对水声通信干扰技术的研究需要， 本文对水声直接扩频通信的干扰进行探讨。对于直接序列扩频通信的干扰主要包括宽带噪声干扰、部分频带噪声干扰、音调干 扰和脉冲干扰 4种。为了寻找在特定条件下的最有效的干扰方式，利用上述 4 种 典型的干扰样式对直接序列扩频通信系统进行干扰仿真，通过对仿真条件和仿真干 扰效果进行 分析，探讨不同条件下的最有效的干扰样式，为以后的实际应用做铺垫。1.1 DS/BPSK 系统原理DSSS 是将要发送的信息用伪随

8、机序列扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用 与发射端相同的伪随机序列对接收机接收到的信号进行解扩处理，使信号的能量压 缩至原始带宽内6。图 1 为 DSSS 通信系统工作原理图。将数据进行卷积编码，然后进行交织，接着用载波进行 BPSK 调制，再将调制的 信号与伪随机码产生器产生的伪随机码进行相乘，就得到了已扩频调制的扩频信号 在接收端，用本地的伪随机序列对接收信号进行解扩，然后再进行解调。接着对解 调信号进行解交织和解编码操作，得到通信数据。1.2 随机序列频谱特性M 序列因其有很好的自相关性成为扩频系统中应用最广的伪随机码。由于伪随机 序列在直接扩频系统中的重要性，需对其进一步分析，以便

9、为后面的通信干扰提供 理论支撑。M序列c(t)的相关函数为2:其功率谱为：式中，L为码长；Tc为码片周期。本文仿真中采用码片周期为0.012 6 s，码长为63的M序列。图2为此m序列 的功率谱。由图可见，当频率为 0 时，功率谱的幅度相对于图中所标示谱线很小。如果使用 与载波频率相同的单频干扰信号进行干扰，经过解扩处理，其功率被扩展到更宽的 带宽中而且还被削弱了与信号载波相同的部分。 常见的对直接序列扩频通信的干扰方法主要包括宽带噪声干扰、部分频带噪声干扰 音调干扰和脉冲干扰 4 种。通过对发送的信号施加干扰，提高误比特率，使接收 到的信息不能正确解读。图 3 为不同干扰信号的频谱图。2.1

10、 宽带噪声干扰直接序列扩频信号的宽带噪声干扰就是指干扰信号带宽近似与直接序列扩频信号相 同。这种类型的干扰对各种形式的抗干扰通信都有效。宽带噪声干扰不需要准确测 定信号参数，也不用进行分析识别，只需要大概了解通信频段即可。但是，当干扰 功率一定时，有限的干扰功率被扩展到很宽，功率谱密度很低，干扰效果不太理想 同时，在宽带噪声干扰范围内也会对干扰方通信造成干扰。宽带噪声干扰的频谱如 图3(a)所示。2.2 部分频带噪声干扰部分频带噪声干扰是将干扰能量集中在目标所使用的频谱范围内的部分相邻或不相 邻的频段上。部分频带噪声干扰方式与宽带噪声干扰相似，不需要通信信号的较多 准确信息，大概了解通信信号的

11、工作频带即可。由于部分频带噪声干扰的频带相对 于宽带噪声干扰较小，干扰功率一定的情况下，前者的功率谱密度较高。部分频带 噪声干扰的频谱如图3 (b)和图3 (c)所示。2.3 音调干扰 音调干扰就是根据所采用的干扰策略把一个或者多个干扰音调放置在信号频谱的相 应位置。同时，音调的个数与位置都会影响音调干扰的效果5-7。音调干扰包括 单音干扰和多音干扰，单音干扰是将单一的频率放在信号频谱的相应位置对其进行 干扰，多音干扰是将多个干扰频率规则的或者不规则的分布在信号频谱上。相对于 宽带噪声干扰和部分频带噪声干扰，音调干扰对己方的通信影响较小，但是干扰频 率要放在特定频点上干扰效果较佳，这需要对信号

12、参数进行精确分析。图 3(d) 和图3(e)分别为单音干扰和多音干扰的频谱图。2.4 脉冲干扰 脉冲干扰类似于部分频带噪声干扰。区别是前者是时间上的一部分，后者是频谱上 的一部分。脉冲干扰具有很宽的频谱成分，因此，当脉冲出现时，就很像宽带噪声7-8。在相同的平均功率条件下与其他干扰样式相比，由于脉冲干扰信号不是一 直发射，它有更大的峰值功率。3.1 仿真条件本文以 DS/BPSK 系统为例进行仿真分析，系统参数如表 1 所示。实验证明2 ，若想消除编码增益需要误码率达到10% 量级。所以本仿真中取 BER为干扰性能指标，并认为误比特率(Bit Error Rate，BER )大于0.1作为干扰

13、成 功的标志。3.2 宽带噪声干扰与部分频带噪声干扰3.2.1 干扰信号带宽对干扰效果的影响通过不同带宽的噪声干扰信号对 DSSS 通信系统进行干扰，分析不同带宽干扰噪声对DSSS通信系统的干扰效果。其中，宽带噪声干扰的干扰信号带宽为(7.5 12.5 kHz )，部分频带噪声干扰信号的带宽分为5组，分别为(8 12 kHz),(9 11 kHz),( 9.5 - 10.5 kHz),( 9.9 10.1 kHz),( 9.92 10.08 kHz),干扰效果如图4所示。通过对图 4 中不同带宽的干扰信号干扰效果的比较可知：随着干扰带宽的减小， 干扰效果增强。当干扰带宽超过最佳干扰带宽时,干扰

14、效果开始下降。所以对直接 扩频通信系统进行部分频带干扰时,应该考虑干扰功率、干扰信号带宽、与通信信 号功率对干扰效果的影响。在误码率为 0.1 的条件下,进一步比较宽带噪声干扰 信号和 2 kHz 带宽的干扰信号,部分频带噪声干扰信号相对于宽带噪声干扰信号 有大约1 dB的优势。当将0.2 kHz和0.16 Hz带宽的干扰效果与宽带干扰相比可 以看出，当干扰信号带宽接近窄带干扰带宽时，干扰效果较差。这与 M 序列对干 扰信号的扩展特性(见图 2)有关。此次仿真中取 0.4 倍的信号带宽较佳。3.2.2 DSSS 系统扩频码的长度对宽带噪声干扰的效果影响 通过对采用不同扩频码长的通信系统进行宽带

15、噪声干扰，对比宽带干扰在不同扩频增益下的干扰效果。其中宽带噪声信号的干扰带宽为8.75 11.25 kHz , 7.5 12.5 kHz ,5 - 15 kHz ；与其对应的扩频码长分别为31,63, 127。图5为扩 展码的长度对宽带噪声干扰的影响。从图 5 可看出：对于宽带噪声干扰,通信扩频码数越小干扰效果越好。在 0.1 误 码率的条件下，对PN码长为127的系统比PN码长为31的系统的干扰功率多6 dB。在通信干扰过程中，一般认为干信比超过通信系统扩频增益时才能干扰通信， 所以若想达到干扰效果,扩频码长越长所需的干扰功率越大。3.3 音调干扰 音调干扰可分为单音干扰与多音干扰,通过仿真

16、观察不同干扰频率和频率数目下的 干扰效果。3.3.1 单音干扰通过 7 个不同单音对 DSSS 系统进行干扰,得到不同干扰频率下的干扰效果,其 干扰频率分别为 10 kHz,10.08 kHz,10.16 kHz,10.29 kHz,10.32 kHz, 10.48 kHz 和 12 kHz。在图6中，通过对第2 第6个干扰频率的干扰效果相比较可知：除了第4个 干扰频率的干扰信号无干扰效果,其他干扰频率干扰信号的干扰效果相当。通过对 以上几个频率进行分析得知,这几个频率相对于载波频率的频差都是信息速率的整 数倍，即N/LTs (NWZ)。当以上干扰频率的干扰效果与第1个干扰频率相比较， 从图中

17、可知,第 1 个干扰频率对通信系统没有造成影响,干扰频率 1 为 10 kHz 的频率,从图 2 中干扰信号的频谱图可看到,频谱的中心频率处有一个明显的凹 陷，所以当干扰频率与载波频率相同时，干扰功率严重衰减。通过对前者和干扰频 率 7作比较，可看出：频率 7 时干扰信号的干扰能力相对来说较差。可知随着干 扰频率与载波频率的偏差越大，干扰效果越差。所以对于单音干扰，当干扰功率一 定的情况下，将干扰音调放在载波频率上不是最佳的位置，放置干扰音调最佳的位 置是高于或者低于载波频率n/LTs处（n不要太大）。3.3.2 多音干扰多音干扰分为3组，每组5个频率（Hz）:每组干扰频率分别为8.5 kHz

18、 , 9.45kHz，10 kHz，10.1 kHz，10.5 kHz，10.08 kHz，10.16 kHz，10.24 kHz，10.32 kHz，10.4 kHz，10.24 kHz，10.48 kHz，10.72 kHz，10.96 kHz，11.2 kHz。图7为不同分布的多音干扰效果。通过对图 7 中 3 组干扰效果曲线的对比分析，可以得出结论:第 1 组与第 3 组对 比可以看出，对于多音干扰应该将多音干扰的干扰频率调谐到频差为数据比特速率 的整数倍处，这样的干扰效果更有效率；第2 组与第 3 组干扰曲线的对比，可看 出，对于干扰频率调谐到频差为数据比特速率的整数倍处，应选取倍数

19、相对较小的 频率，这也与偏离载波频率太多，干扰功率效率下降相符合。与单音干扰相比，干 扰效果差异较小，但对于采用单频干扰抑制技术的通信系统，多音干扰更加稳健。3.4 脉冲干扰脉冲干扰仿真部分是从不同占空比和不同脉冲周期这 2 点进行分析。3.4.1 占空比对脉冲干扰效果的影响此仿真采用脉冲周期为100倍的Ts，占空比分为7组，分别为0.1, 0.2 , 0.4 ,0.6 , 0.8,0.9 , 1.0对DSSS通信进行干扰，干扰效果如图8所示。从图 8 可看出:对于误码率为 0.1 的条件下，随着占空比的增大，干扰效果变好， 当占空比大于 0.6时，干扰效果增加不太明显。对于编码、交织等对抗脉

20、冲干扰技 术的应用的环境下，高干信比条件下，占空比大于 0.4 的干扰信号能达到很高的误码率；但对于占空比小于0.2的干扰信号，不能达到BER 0.1,视为干扰无效。所以在脉冲干扰中占空比最好取 0.5以上为佳。3.4.2 脉冲周期对脉冲干扰的效果影响此仿真中，占空比为定值 0.6，脉冲的周期设置为7 组，分别为 0.126 s，0.252 s，0.378 s，0.63 s，1.26 s，2.52 s，5.04 s。图9为不同脉冲周期对脉冲干扰效果 的影响。从图 9 可看出，当脉冲周期由小到大变化时，在相同信干比条件下，干扰效果总 体上差异不太明显。由上所述，占空比决定了平均功率与峰值功率之间

21、的关系，所以脉冲干扰的干扰效果取决于峰值功率，信号的脉冲周期对干扰效果的影响不是很明显。3.5 小结通过对上述 4 种典型干扰样式的对比分析得出：1）对于宽带噪声干扰和部分频带噪声干扰，因为它们对通信信号的先验知识需求 较少，容易实施。2）最优部分频带噪声干扰相对于宽带噪声干扰在0.1 误码率条件下有 1 dB 的功 率优势。所以在通信信号机制不明确的情况下，采用部分频带干扰为好。3）音调干扰中，多音干扰相对单音干扰的干扰效果更加稳健，同时由于多音干扰的功率更加集中，相对于部分频带干扰来说更加具有优势。但是对于音调干扰音调 要放置在某些频点上才会产生较好的效果，所以音调干扰对于要干扰的通信信号

22、的 通信机制的某些参数要精确地获得。4）脉冲干扰与部分频带干扰类似，前者是时域一部分，后者是频域一部分。在相 同平均功率且干扰功率受限的条件下，脉冲干扰有更大的峰值功率，干扰效果更好。 脉冲干扰是间歇性的进行干扰，己方可以利用干扰的间歇时间进行信息的通信。本文在对直接序列扩频系统分析的基础上，研究了宽带噪声干扰、部分频带噪声干 扰、音调干扰和脉冲干扰 4 种典型的干扰样式对直接扩频通信系统干扰效果。并 对上面几种典型干扰式的仿真分析进行分析总结，对特定环境下干扰样式的选择具 有一定的指导意义。【相关文献】1 殷敬伟水声通信原理及信号处理技术M.北京:国防工业出版社,2011: 59-101.2

23、 POISEL R A.现代通信干扰原理与技术(2版)M.楼才义，王国宏,张春磊，等译.北京:电子工业 出版社, 2014: 327-363.3 LUNAYACH R S. Performance of a direct sequence spread spectrum system with long period and short period code sequencesJ. IEEE Transactions on Communications, 1983, 31(3): 412-419.4 付君.直扩系统抗单频干扰性能仿真分析J信息通信,2014(9): 25-27.石熠直接序列扩

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