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

(1. 水声对抗技术重点实验室，上海 201108；2. 水声对抗技术重点实验室（北京），北京 100036)

对水声直扩通信系统的干扰效果分析

刘俊凯1，张刚强1，董阳泽1，唐建生2

(1. 水声对抗技术重点实验室，上海 201108；2. 水声对抗技术重点实验室（北京），北京 100036)

直接序列扩频（DSSS）技术以其良好的抗干扰性、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。

直接扩频；干扰样式；干扰效果；信干比

0 引 言

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 DSSS 通信系统的基本原理

1.1 DS/BPSK 系统原理

DSSS 是将要发送的信息用伪随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。

图1 DSSS 通信系统工作原理图Fig.1 DSSS communication system diagram

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。

图2 M 序列的功率谱Fig.2 The power spectrum of M sequence

2 典型的通信干扰方法

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。

图3 不同干扰信号的频谱图Fig.3 The power spectrum of different interference signals

2.1 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 干扰仿真与分析

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。

表1 DS/BPSK 系统参数Tab.1 DS/BPSK system parameters

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。

图4 干扰信号带宽对干扰效果的影响Fig.4 Effects of interference with different signal bandwidth

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。

图5 扩展码的长度对宽带噪声干扰的影响Fig.5 Effects of different length of m sequence for wideband noise interference

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（N∈Z）。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）。

图6 不同频率单音干扰效果图Fig.6 Effect of single tone interference with different frequency

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，9.45 kHz，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。

图7 不同分布的多音干扰效果图Fig.7 Multi-tone interference effects with different distributions

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。

图8 不同占空比对脉冲干扰效果的影响Fig.8 Effect of different duty cycle for pulsed interference effect

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。

图9 不同脉冲周期对脉冲干扰效果的影响Fig.9 Effects of different pulse cycle for pulsed interference effect

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。

4 结 语

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。

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Effect analysis of underwater acoustic DSSS communication system under jamming

LIU Jun-kai1, ZHANG Gang-qiang1, DONG Yang-ze1, TANG Jian-sheng2
(1. Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory, Shanghai 201108, China; 2. Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory (Beijing), Beijing 100036, China)

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 interference, it is necessary to make an effect 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 interference). By comparing the BER curves of the system under four typical jamming, the results show that it is better to use partial band noise interference in the case of communication mechanism is not clear; when the communication mechanism is clear, we can use tone interference to interfere with the system. 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.

direct sequence spread spectrum；interference pattern；interference effect；signal to interference ratio

U666.7

A

1672 – 7619(2016)11 – 0106 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.11.022

2016 – 07 – 20；

2016 – 08 – 24

刘俊凯(1990 – )，男，硕士研究生，研究方向为水声通信干扰。