脉冲无线电噪声对数字通信系统干扰的影响*

周 晖,赵玲峰

(广西大学行健文理学院,广西 南宁 530005)

引言

随着军事思想的发展,通信干扰作用日益突出。在现代战争中,为集中力量夺取电磁优势,要对敌通信系统实施干扰,扰乱其传输过程。通信对抗是最早用于实战的电子战武器,近年高技术局部战争中美军等大量使用先进通信对抗装备。通信对抗经历从弱到强发展成为主动进攻性武器的历程,现代战争中有很多战后获知干扰效果的例子,现代信息化站场上全球信息格栅等信息网络体系建立在通信网络基础上。无线电通信如数据链通信等站场通信网历来是战争中指挥信息沟通主要手段,通信对抗构成现代战争中信息网络对抗主要内容。开展无线电噪声研究对无线电管理具有重要意义。

1 脉冲无线电噪声简介

脉冲噪声由广泛分布在射频频谱短能量脉冲群组成,用统计法对信号检测非常有效。脉冲无线电噪声是非连续性、幅度较大的不规则脉冲组成,产生脉冲噪声原因多样,工作中常见的脉冲噪声如电器开关引起噪声等。脉冲噪声根据持续时间分为长短脉冲持续噪声[1]。

无线电噪声来源分为生活办公等电子设备引起无意辐射,无线电通信设备引起辐射噪声,高压输电线引起脉冲无线电噪声与汽车内燃机点火引起无意辐射。生活中的电子设备引起无线电噪声包括工业生产大功率电子设备无意辐射电磁波。无线电噪声电平与测量地点有关,测量无线电噪声电平应用电子设备区域分为工业区、生活区等。

图1 信号包络时域波形

无线电监测中信号未知,要将无线电信号截获进行测量,从而实施对无线电信号监管。测量参数为噪声电平,统计参数测量是对干扰中频包络进行测量。基于统计方包络统计参数包括幅度概率分布、噪声幅度分布、脉冲间隔分布等。APD 是干扰信号幅度超过规定电平时间概率,公式为APD(R)=∑kt/T,T 为测量时间,R 为门限电平,tk 为第k 幅度超过R 脉冲持续时间。结合概率论可得到APD 与概率密度数关系,利用概率形式表示为：APD(R)=Prob(r＞R)=1-P(R),f(R)=-d/dR·APD(R)。F(R)是干扰包络概率密度函数,P(R)是干扰包络累计概率分布。

2 数字通信系统

19 世纪发展电通信后,通信技术迅速发展。最早出现的电报是简单的数字通信,随着模拟通信发展,由于脉冲编码原理提出,数字通信进入全盛时期。数字通信系统是传递数字信息所需技术设备总和[2]。

数字基带信号在无线信道中不能直接进行基带传输,必须进行数字频带调制,是将数字基带信号功率谱搬移到载频附近,形成数字频带调制信号。基本数字频带调制方式有幅度键控与相移键控。用数字基带信号控制载波幅度相位,数字基带信号可以是多进制,分为二进制与多进制数字频带调制。振幅键控是正弦载波幅度随数字基带信号变化数字调制,设发送二进制符号序列由0、1序列组成,发动1 符概率为1-P,二进制符号序列表示为是s(t)=∑ang(t-nTb),an=0,发送概率P,an=1,发送概率1-p.g(t)为持续时间为Tb 的矩形脉冲。二进制振幅键控信号表示为e2ask(t)[∑ang(t-nTb)]cosωct。二进制振幅键控信号产生方法分为模拟调幅调制与键控法,由于二进制振幅键控信号为随机信号,研究频谱特性应讨论其功率频谱密度。

2ASK 信号功率频谱由离散谱与连续谱组成,连续谱由基带信号波确定。2ASK 信号宽带是基带信号波形宽带2 倍[3]。要想获取调制信号载波信息,在接收端重构载波信号,与接收信号相乘通过低通滤波器,抽样判决得到基带信号。2ASK 信号相乘后经低通滤波器输出的低频分量,经定时抽样判决恢复基带信号。非相干解调不需在接收端恢复载波,通过低滤波器可提取低频基带信号。二进制基带信号可视为不同载波二进制振幅键控信号叠加。2FSK 信号产生可采用数字键控方法实现,由于2FSK 调制为非线性调制,频谱特性研究比较困难,一定条件下可近似研究信号频谱特性方法有很多,可将信号视为两个相位不连续信号叠加。

3 通信噪声干扰技术

无线数字通信中接收有用信号同时不能完全抑制外部干扰信号与相同其他信号,导致通信接收系统检测有用信号存在不确定因素,利用其特点可人为释放干扰信号,降低敌方获得有用信息量,压制敌方无线电通信系统电子干扰。

信息战是新战争形态,以信息流控制战力流提高部队战斗力综合性战略。信息技术水平是决定信息战成败关键因素。目前通信对抗发展方向是跳频成为野战通信主流,必须改善信号截获手段,软件无线电在军事通信中应用使得信号处理在高频端进行。软件无线电互通带来无线电通用化,有效提高协同作战能力。无线数字通信干扰是在无线通信技术诞生时存在,人为无线电干扰在无线电通信技术应用于军事战争后研究发展。无线电通信干扰具有对抗性、进攻性等特点。通信系统由发信设备、传输与接收设备组成。在地方通信系统传输通道插入无电线干扰,可扰乱敌方无线电接收设备正常接收。

现代战争中取得电子战优势会加重战胜筹码,电子展处于劣势将导致通信终端,失泄密等事件,电子战受到各国政府重视,投入大量人力对电子对抗技术研究。通信中遇到人为干扰是故意释放破坏敌方通信的干扰,非人为干扰客观存在,人为干扰可以消除,需针对人为干扰加强研究。

干扰载波信号被随机噪声波形调制产生干扰为噪声干燥,通过为接收机加入噪声干扰通信系统工作,带宽可以是工作频率宽度或单独通信信道宽度。理想高斯噪声占据功率带宽,可通过调整低通滤波器带宽参数获得基带白噪声信号。信号噪声为窄带假设,频谱限制在载波附近频带,中心频率离零频率较远,干扰信号频带窄,干扰信号能量可落入信号频带。应用中窄带干扰可用等效窄带高斯噪声近似,设被干扰信号频率范围为α,干扰功率为A2ab,窄带高斯噪声功率密度为丨J(ω)丨2=A2nb,0,2αωss,ω1≤丨ω 丨≤ω2。可使用白噪声产生窄带高斯噪声,功率频谱为丨J(ω)丨2=N0/2 丨H(ω)2。

4 脉冲无线电通信系统噪声干扰仿真实验

为使通信对抗系统具有最佳性能,工程师必须充分考虑参数对系统性能影响,通信系统仿真是辅助工程师完成任务的最佳方法[4]。评估通信对抗系统性能方法有解析法、仿真法与测量法。最有效的方法是仿真法,在通信系统分析评估中具有重要作用。仿真讨论背景干扰为高斯白噪声时,宽带噪声对不同数字调制信号误码率的影响。

仿真中使用2ASK 信号参数fs=4KHz,fb=200bit/s,fc=1KHz,fc 为载波频率,fs 为采样频率,fb 为比特率。窄带噪声干扰信号参数宽带400Hz,干扰中心频率1KHz,统计码元数为1000,000 个。干信比大于-9dB,信息严重受损,干信比小于-16dB,干扰基本失去作用。宽带噪声干扰信号参数宽带8KHz,干扰中心频率1KHz,干信比变化为-20～5dB。干信比大于-5dB,信息严重受损,干信比小于-13dB,干扰失去作用。

研究电磁干扰APD 统计方法目的是评估干扰对数字通信系统的影响,测量方法必须有测量设备支撑,APD测量仪随着测量方法研究不断发展,有关研究CISPR 明确给出APD 的定义,给出APD 测量设备在动态范围,最大测量时间、采样速率等方面的指标要求。APD 是电磁兼容符合性测试标准方法,必须有限值支撑形成完整测试标准体系。

对小于1GHz 电磁兼容测试中,采用加权测试幅度概率分布具有很大优势,平均加权测试接收测试器系统噪声影响较大,APD 更准确的检测出测试设备受到影响,APD 测量针对信号包络统计测试,具有更高重复性。准确峰值测量结果在信号服从特定分布时转化为对应平均值,对随机脉冲信号转化不能实现。可以在simulink 中子块搭建RF 射频前端,要依照sispr16-1-1 版本2 给出脉冲响应包络。测量模块将输入信号经RF 前端,单位变换送到MATLAB 工作空间yout 文件,经M 文件实现APD 统计功能,M 文件思路是将处理后放在空间数据给定标准电平幅度比较,放在数组中除以总数据计算百分比绘制图形。

给出基本随机信号幅度概率分布特性图,为更好了解APD 测量技术,测量常用的电子设备辐射信号数据。测量仪幅度动态范围可达到90dB,测量仪幅度精度优于2.7dB,选用A/D 时钟频率为20MHz,幅度分辨率为0.0088dB,最小测量概率数量级为10-9,APD 测量系统性能优越,说明可满足APD 测试要求。对电吹风辐射信号测试,将普通电吹风置于0.8m 高木桌,采用200MHz-1GHz 对数周期天线高度1m 处接收电吹风辐射信号。试验用ESI 测试信号置于控制室。在200MHz-1GHz 频段选择4 个频点测试,获得400 组数据,依照规定设置分辨率带宽为120KHz,大于0dBuv,相同幅度对应APD 值增大。

5 结束语

本文在查阅前人研究成果基础上,对脉冲无线电噪声参数进行分析研究,建立噪声源模型,应用于OFDM系统进行仿真,推导出统计参数与系统BER 的关系。对脉冲无线电噪声统计参数进行分析,对参数及其BER 数学关系推导,对主要参数APD 与数字通信BER 定性关系进行测验。借助MATLAB 仿真平台,以工程需要为出发点,就多种数字信号调制进行仿真实现。利用MATLAB仿真工具产生宽窄带噪声干扰,结合干扰信号对数字调制信号仿真,对仿真结果进行讨论。