针对信道编码的高效脉冲干扰方法

邵 堃，雷迎科，罗路为

(国防科技大学电子对抗学院，安徽 合肥 230037)

0 引言

目前国内外对定频无线数字通信系统干扰方法的研究主要集中在以下几个方面：一是宽带压制式干扰[1-3]，即在某一频段上同时释放干扰信号；二是针对目标信号的特定调制方式，研究与之对应的干扰样式，例如对PSK调制方式[4-6]的干扰样式研究；三是干扰帧同步等字段的灵巧式干扰[7-11]；四是针对无线数字通信系统中的信道纠错编码的特点，研究对信道编码的高效干扰方法。文献[12]讨论了级联码的纠错能力，并给出了脉冲干扰的干扰门限。文献[13]分析了Viterbi译码和脉冲干扰的特性，并对脉冲干扰进行了建模。文献[14]针对典型的级联码提出同步干扰和脉冲干扰两种干扰方式。

数字通信系统中信道编码技术的差错控制能力使得传统干扰方法难以获得理想的干扰效果，在数字通信系统中信道编码、交织和调制等部分环环相扣，要对信道编码部分进行干扰必然要经过解调、解交织等环节，而现有的针对信道编码的干扰方法只着眼于信道编码的纠错部分，忽略了解码前的解调、解交织等步骤对干扰信号的影响；并且其中对级联码干扰的研究只给出了干扰脉冲长度的门限，此类干扰并没有提高干扰效率，如文献[12]和文献[14]中的方法。本文针对上述问题，提出针对信道编码的高效脉冲干扰方法。

1 目标系统和常见干扰样式

1.1 无线数字通信系统

无线数字通信系统主要包括发送端和接收端两部分。在发送端，数据经过加密、加扰、编码、交织、物理成帧、调制等处理。在接收端，解调后的数据进行帧同步，在捕获到帧头位置后提取信息数据。对信息数据进行解交织、译码、解扰和解密后，送入数据分接模块，恢复业务信息。无线数字通信系统收发处理流程如图1所示，可以看出无线数字通信系统通常采用信道编码技术增强系统的抗干扰性能。

图1 典型数字通信系统收发处理流程Fig.1 Typical digital communication system transceiver and transceiver processing flow

1.2 常见干扰样式分析

1.2.1 噪声调频干扰

噪声调频干扰如式(1)所示：

(1)

(2)

噪声调频干扰信号功率谱的表示式为：

(3)

1.2.2 噪声调幅干扰

噪声调幅干扰如式(4)所示：

J(t)=(U0+Un(t))cos(ωjt+φ)

(4)

噪声调幅干扰的功率谱为：

(5)

式(5)中，Gn(f)是基带噪声的功率谱，其带宽为基带噪声带宽的2倍。

噪声调幅干扰的总功率为载波功率与基带噪声功率之和。

(6)

1.2.3 单音干扰

单音干扰就是对通信系统只发射一个正弦波干扰信号，因此干扰信号为单频连续波，只对无线数字通信系统的单一频点进行干扰。

J(t)=Ujcos(ωjt+φ)

(7)

式(7)中，Uj为单音干扰的幅度，ωj是干扰信号的角频率，通常要与无线数字通信信号的载波频率相同。

1.2.4 高斯噪声干扰

高斯噪声干扰就是将高斯噪声通过滤波器将干扰能量集中在通信带宽内，设高斯白噪声n(t)的均值为0，方差为1，n(t)～N(0,1)。

(8)

式(8)中，w(t)是窗函数W(jω)的傅里叶逆变换，其带宽取决于通信系统的带宽。

(9)

1.2.5 相似信号干扰

相似信号干扰即在简单的侦察基础上，由干扰机产生与通信信号的调制方式、码速度、载频等参数相似的干扰信号，由于干扰信号的生成方式与通信信号相似，因此相比于其他干扰样式，相似信号干扰更容易进入通信接收机，且很难被通信方滤除。

2 高效脉冲干扰方法

无线数字通信系统的抗干扰性能除了和调制方式有关，还与信道编码、交织等步骤密切相关，本节分别对采用卷积码加交织的无线数字通信系统和采用RS码加卷积码加交织的无线数字通信系统的抗干扰能力进行详细分析，并对两种典型的无线数字通信系统设计对应的高效干扰方法。

2.1 采用卷积码的数字通信系统

2.1.1 卷积码的抗干扰性能分析

对信道编码为卷积码的无线数字通信系统的抗干扰性能展开分析。对数字信号进行卷积编码是为了纠正传输过程中可能出现的误码，并使系统获得编码增益。卷积码将k个信息比特编成n个比特，编码后的n个码元不仅与当前k个信息有关，还与前N-1段信息有关。卷积码的纠错性能取决于卷积码的自由距离，设卷积码的自由距离为dfree，则其纠错能力为：

(10)

图2 卷积码系统Fig.2 Convolutional code system

卷积码的译码的纠错能力还与所采用的译码方法有关。当采用概率译码时，卷积码能在3～5个约束长度内纠正t个差错。

卷积码有很好的纠随机错误的能力，而对于发生较连续的突发错误时，一旦超过卷积码的纠错能力后，由于卷积码的约束关系可能带来新的错误，因此卷积码的对突发错的纠错能力较差。

因此无线数字通信系统在卷积编码之后添加交织器，目的是为了将信道中产生的连续错码转化为独立错码，使集中错误最大限度的分散化，通过卷积编码实现纠错，增加系统的抗干扰性能。发送端对卷积编码后的数据按照字节(1 Byte=8 bit)进行交织，采用块交织技术，发送端采用“行入列出”，接收端采用“列入行出”。

如图3所示，交织器行数P2=5，列数P2=26，其中圆圈表示被连续干扰后的字节。可见，在解交织后错误字节被离散化，错字节间的最小间隔为M=26，而卷积码对分散的随机错有很好的纠错能力，因此传统的通信干扰对采用卷积加交织的无线数字通信系统很难取得理想的干扰效果。

图3 交织器Fig.3 Interleaver structure

2.1.2 针对卷积码的高效脉冲干扰方法

当采用概率译码时，卷积码能在3～5个约束长度内纠正t个差错；当存在交织器时，连续的错误会被分散到整个通信序列中，转化为独立的错误。在一定干扰功率的前提下，传统通信干扰方法对无线数字通信系统进行干扰时，卷积编码和交织编码会降低干扰方的干扰效率，因此本文提出高效脉冲干扰方法，该干扰方法通过干扰特定的码元，在相同干扰功率下产生放大误码率的效果。

对于采用卷积码加交织的无线数字通信系统的干扰波形设计可以遵循以下原则:

1) 采用对特定调制方式的最佳干扰样式，结合交织器结构，设计在译码前产生连续突发错误的干扰波形;

2) 结合干扰发射功率，寻找在特定发射功率下卷积码误码率放大的干扰方式。

图4 针对卷积码的高效脉冲干扰时序图Fig.4 Sequence diagram of high efficiency pulse jamming for convolutional codes

干扰信号可以建模为一矩形脉冲串与对特定调制方式的最佳干扰样式相乘，即：

(11)

式(11)中，J(t)为对特定调制方式的最佳干扰信号，例如相似干扰信号、噪声调制干扰信号等；a(t)是矩形脉冲串，它包括m个周期为T，脉宽为τ的子脉冲，u(t)是阶跃函数。在脉冲宽度内p(t)的频谱特性与J(t)的频谱特性相似，p(t)的带宽与J(t)带宽相同。

2.2 采用级联码的数字通信系统

2.2.1 级联码的抗干扰性能分析

当无线数字通信系统需要传输较大量的数据时，就必须保证系统具有较强的纠错能力。RS码作为外码与卷积内码组成的级联码具有优异的差错控制性能，其中RS码是一种扩展的非二进制分组循环码，级联码系统框图如图5所示。

图5 级联码系统Fig.5 Cascade code system

级联码能够在较低的信噪比条件下实现可接受的误码率数据传输的原因是Viterbi译码的特性，约束长度为7的卷积译码器不能正确译码的比特错位为连续的突发错，因此通过交织将信道中产生的连续突发错变成相互独立的错误，通过卷积译码器纠正一部分错误，(255,223)RS编码作为外码与(2,1,7)卷积内码可以很好地匹配，这是因为卷积译码器输出的突发错误通常其长度是几个比特到几个卷积码约束长度，这相应于RS外码中有数量较少的字节错误，(255,223)RS编码的纠错能力为：

(12)

即在一个RS码字内可以纠正不超过16 Byte的误码。以8位2进制表示每个码元，每个码元内错1 bit和8 bit是等价的，因为经过Viterbi译码器后，较短的随机错误已经被纠正，Viterbi译码器比特错误与RS符号大小差不多长度的突发形式发生，3或4个Viterbi译码器比特错误一般可以集中在一个RS符号内，这样促使只有更少的单个比特错误出现，有利于RS外码译码纠错。总的来说，适当的交织可以将信道中的产生的突发错离散化，通过卷积译码器纠正较短的独立错误，从约束长度为7的卷积译码器送出的突发错误有足够的长度将比特错误集中到单个RS符号中，利用RS外码可以实现突发错误的纠错。

2.2.2 针对级联码的高效脉冲干扰方法

针对上述级联码的纠错编码和纠错能力的分析，提出针对级联码的高效脉冲干扰方法，分析干扰方法对采用级联码加交织的无线数字通信系统的影响。

针对级联码的高效脉冲干扰方法是周期性的发射具有一定占空比的干扰信号，占空比决定了平均功率和峰值功率之间的关系，干扰效果取决于峰值功率以及该信号返回到接收机的频度。所以针对级联码的高效脉冲干扰方法的平均功率比其他干扰方法的平均功率低，但该干扰方式可以产生特定的错误比特位置，使译码后的数据产生误码，减低信道传输数据质量。

采用高效脉冲干扰时，译码过程如图6所示。

图6 级联码译码及干扰示意图Fig.6 Concatenated code decoding and jamming diagram

分析高效脉冲干扰的干扰效果时不考虑干扰对同步字节的影响，无线数字通信系统采用的块交织技术，由于卷积码对连续错的纠错能力较差，因此干扰信号要分布在解交织器每行的码字上，保证在解交织后可以出现连续的突发错误，迅速达到卷积码的纠错上限，破坏卷积码的纠错能力，图为级联码系统中的交织器，其中圆圈表示被干扰后的字节。

图7中交织器行数4，列数P1=128，其中圆圈表示被连续干扰后的字节。对于8进制的RS，每个码元内错1 bit和8 bit是等价的，因此在一定的干扰功率下，干扰脉冲在每个码字中越分散，产生的误码率越高，在L2处干扰脉冲的最佳分布如图8所示。

图7 交织器Fig.7 Interleaver structure

图8 对RS码最佳干扰脉冲分布Fig.8 Optimal distribution of jamming pulse for RS code

对于采用级联码加交织的无线数字通信系统的干扰波形设计可以遵循以下原则:

1) 采用对特定调制方式的最佳干扰样式，结合交织器结构，设计产生超过卷积码纠错能力的连续突发错误的干扰波形;

2) 在保证错误长度超过卷积码纠错上限的前提下，使错误比特尽量分散在多个字节中。

针对级联码的高效脉冲干扰在L1处干扰时序如图9所示。

图9中T为干扰周期取5 Byte/速率，W为干扰脉宽，通过改变W和干扰周期内的干扰脉冲个数这两个参数值达到在干扰功率不变的情况下放大级联码的误码率的效果，实现对级联码无线数字通信系统的高效干扰。

干扰信号可以建模为两个矩形脉冲串与对特定调制方式的最佳干扰样式相乘，即：

(13)

图9 针对级联码的高效脉冲干扰时序图Fig.9 Sequence diagram of high efficiency pulse jamming for concatenated codes

式(13)中，J(t)为对特定调制方式的最佳干扰信号，例如相似干扰信号、噪声调制干扰信号等；a(t)是矩形脉冲串，它包括m个周期为T1，脉宽为τ1的子脉冲，b(t)也为矩形脉冲串，它包括n个周期为T2，脉宽为τ2的子脉冲，u(t)是阶跃函数。a(t)和b(t)的波形如图10所示。

图10 矩形脉冲串Fig.10 Rectangular pulse train

通过控制τ1和τ2的宽度改变干扰脉冲的分布，寻找在一定干扰功率下使误码率放大的干扰参数。

3 仿真实验

实验选取DPSK作为调制方式。

实验一 不同干扰样式对DPSK调制的干扰效果

实验参数：调制方式为DPSK调制，解调方式为相干解调；传输速率为40 kbps；发送端采用根升余弦成型滤波的方法实现成型滤波，滚降系数为0.25；噪声调频干扰的有效调频指数为0.4；干扰信号的载波频率与目标信号的一致。

如图11所示，在相同干信比的条件下，相似信号干扰样式对DPSK系统的干扰效果明显优于其他的干扰样式，因此应选择相似信号干扰作为高效脉冲干扰方法中的干扰样式。

图11 不同干扰样式的干扰效果Fig.11 Jamming effects of different jamming modes

实验二 相似干扰对DPSK调制的干扰效果分析

实验参数：目标信号的载波频率取2 MHz，相似信号干扰的载波频率分别取2 MHz，2.005 MHz，2.01 MHz，2.02 MHz，2.03 MHz和2.05 MHz，其他实验参数与实验一一致。

如图12所示，可见当干扰信号的载波频率取大于2.03 MHz时干扰效果显著下降，这是因为无线数字通信系统采用了根升余弦成型滤波，其滚降系数为0.25，其带宽是Rs(1+α)，其中α为滚降系数，Rs为码元速率，所以滤波器的通带带宽为50 kHz，半带带宽为25 kHz，当干扰信号的载波频率与目标信号的载波频率相差较大时，干扰信号的频率大部分落到滤波器的通带之外，使得大部分相似信号干扰被滤波器滤除。

图12 相似干扰对DPSK系统的干扰效果Fig.12 Jamming effect of similar jamming on DPSK system

实验三 卷积码的抗干扰性能分析

实验参数：无线数字通信系统采用(2,1,7)卷积编码，码率为1/2。码生成多项式为(171,133)，即G1=1111001，G2=1011011，约束长度为7，译码方式为维特比译码，编码后的数据部分共130 Byte即1 040 bit。令无线数字通信系统接收端解调后的数据产生50个错误比特，并使这些错误比特在[0,160] bit内至[0,1 040] bit的数据段内随机分布。

图13 错误分布对卷积码译码的影响Fig.13 Effect of error distribution on decoding of convolutional codes

实验四 针对卷加码的高效脉冲干扰方法的干扰性能分析

实验参数：无线数字通信系统采用(2,1,7)卷积编码，编码参数同实验三，采用块交织技术，并对数据按照字节(1 Byte=8 bit)进行交织，发送端采用“行入列出”，接收端采用“列入行出”，交织深度为5，调制方式为DPSK调制，干扰样式为相似信号干扰。

如图14所示，仿真了不同干扰占空比时高效脉冲干扰对卷积码系统的干扰效果，其中干扰的周期为5 Byte/速率，可见当干扰功率有限时，适当地减小干扰的占空比，增加干扰峰值功率，可以增强对卷积码的干扰效果；在功率达到一定大小时，开始展宽干扰脉冲宽度，增加数据段中错误比特的可能产生位置，增强干扰效果；当干扰信号占空比达到90%左右时，此时的占空比为高效脉冲干扰的最佳干扰占空比，因为卷积码中存在的约束关系会带来新的错误，因此该干扰占空比可以提高干扰效率，使译码器输出的误码率迅速最大化。

图14 高效脉冲干扰对卷积码系统干扰效果Fig.14 Jamming effect of high efficiency pulse jamming on convolutional code system

采用相似信号干扰样式对卷积码系统进行传统脉冲干扰，图15中占空比表示干扰时间占通信时间的比例。

图15 传统干扰方法对卷积码系统干扰效果Fig.15 Jamming effect of traditional jamming method on convolutional code system

图16为卷积码系统下新型高效脉冲干扰与传统脉冲干扰的干扰效果对比，可见在相同干信比和干扰占空比的条件下，高效脉冲干扰的干扰效果都不同程度地优于传统脉冲干扰。

图16 高效脉冲干扰方法与传统干扰方法的干扰效果对比Fig.16 Comparison of jamming effect between high efficiency pulse jamming method and traditional jamming method

实验五 RS码的抗干扰性能分析

实验参数：无线数字通信系统采用RS(255，223)编码，生成多项式为F(x)=x8+x4+x3+x2+1，信息位取8，监督码元2t=32，编码后的数据部分共2 040 bit。令解RS码前的数据中产生60个错误比特，并使这些错误比特在数据段中60 bit的范围内至2 000 bit范围内随机分布。

RS(255，223)能纠正16个字节的错误，即128 bit，如图17所示，当错误比特在小于128 bit的范围内分布时，所有的错误比特都会被RS码纠正过来，译码器输出误符号率为0；随着错误比特在消息分组中分布得越来越分散，译码器输出的误符号率也随之增加，根据2.2节中的分析，要使60个错误比特产生最大误符号率，则错误比特的分布为每个字节中只存在一个错误比特。

图17 错误分布对级联码译码的影响Fig.17 Effect of error distribution on decoding of concatenated codes

实验六 针对级联码的高效脉冲干扰方法的干扰性能分析

无线数字通信系统采用级联码，其中RS码的参数同实验五，卷积码的参数同实验三；交织方式与实验四相同，交织深度为4；调制方式为DPSK调制，级联码编码后的数据部分共512 Byte(4 096 bit)。干扰样式为相似信号干扰，2.2.2节中的矩形脉冲b(t)的周期为4 Byte/速率，其占空比τ2分别取25%，50%，75%和100%时，改变矩形脉冲a(t)的占空比τ1，观察高效脉冲干扰对级联码的干扰效果，其中a(t)的周期为1 Byte(8 bit)/速率，b(t)的周期为4 Byte(32 bit)/速率。

如图18所示，可见对于矩形脉冲a(t)来说，占空比τ1取25%时与占空比取大于37.5%时所能达到的最大误符号率相差不大，但是τ1取25%时的高效脉冲干扰方法可以用更小的干信比使级联码的输出误符号率更快地达到最大。当干扰功率达到一定大小时，在保证达到卷积码纠错上限的前提下，展宽矩形脉冲b(t)的占空比τ2，使输出的错误比特在数据中分布得更为分散，RS码译码器输出的错误符号数量也随之增加。

图18 高效脉冲干扰对级联码系统的干扰效果Fig.18 The jamming effect of high efficiency pulse jamming on concatenated code system

图19—图22中高效脉冲干扰的图例为占空比τ1的大小，因此高效脉冲干扰方法的总干扰时间占目标信号通信时间的比例为τ1×τ2，与之对应的传统脉冲干扰的干扰占空比如图(b)中的图例所示，可以看出，在相同干信比和干扰占空比的条件下，高效脉冲干扰方法的干扰效果较传统干扰方法的干扰效果都有较大幅度的提升，这是因为高效脉冲干扰方法可以使错误比特更均匀地分布在数据段中，增加包含错误比特的字节的个数，因此高效脉冲干扰方法比传统脉冲干扰方法的干扰效率更高。

图19 占空比τ2为25%的高效脉冲干扰与传统干扰的干扰效果对比Fig.19 Comparing the jamming effect of high efficiency pulse jamming and traditional jamming with 25% duty cycle

图20 占空比τ2为50%的高效脉冲干扰与传统干扰的干扰效果对比Fig.20 Comparing the jamming effect of high efficiency pulse jamming and traditional jamming with 50% duty cycle

图21 占空比τ2为75%的高效脉冲干扰与传统干扰的干扰效果对比Fig.21 Comparing the jamming effect of high efficiency pulse jamming and traditional jamming with 75% duty cycle

图22 占空比τ2为100%的高效脉冲干扰与传统干扰的干扰效果对比Fig.22 Comparing the jamming effect of high efficiency pulse jamming and traditional jamming with 100% duty cycle

4 结论

本文提出了针对信道编码的高效脉冲干扰方法，该方法根据信道编码的纠错特点，采用相似信号干扰作为干扰样式，通过矩形脉冲串控制干扰信号干扰数据段中的特定比特，产生使译码器误码率放大的错误分布。对采用卷积码的无线数字通信系统和采用级联码的无线数字通信系统进行干扰并分析干扰效果，实验结果表明，高效脉冲干扰方法可以用更小的干扰功率迅速破坏信道编码的纠错能力，放大译码器的输出误符号率。