一种数据链阵列天线全频点压制干扰抑制算法

王晓宇，王亚锋，吴舜晓,2，张铁峰

一种数据链阵列天线全频点压制干扰抑制算法

王晓宇1，王亚锋1，吴舜晓1,2，张铁峰1

（1 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068；2 中国人民解放军93216部队，北京 100085）

提出了一种数据链通信系统阵列天线全频点压制干扰抑制算法，在数据链通信系统的时域、频域抗干扰能力的基础上增加了空域抗干扰能力。首先利用跳频脉冲周期内非有效脉冲时间段内的采样数据进行协方差矩阵估计；然后通过功率倒置准则计算抗干扰权值向量；最后对接收信号进行加权输出，实现在有效脉冲到达时只抑制压制干扰成分而不抑制有效脉冲的目的。通过计算机仿真试验验证了所提方法的正确性和有效性。

数据链；阵列天线；全频点压制干扰；抑制

0 引言

数据链通信系统是现代化信息作战中的重要支撑[1]。近年来，由于干扰技术的持续发展，数据链通信系统面临的电磁环境日益严峻。因此数据链抗干扰技术已成为近年来通信领域研究的重点和热点。

现有的数据链抗干扰手段主要有直序或编码扩频抗干扰[2]、跳频抗干扰[3]、跳时抗干扰[3]、时域抗干扰[4-6]、变换域抗干扰[7-10]和辅助码抗干扰[11-14]等。

直序或编码扩频抗干扰技术在发射端利用伪随机序列（扩频码）对待发送信息进行扩频处理，扩频后的信号带宽取决于原始信息的速率和扩频码速率的比值。由于扩频后信号的功率谱密度降低，因而降低了被截获的概率。在接收端使用与发射端完全相同的伪随机序列对基带信号进行解扩处理，从而恢复原始信号，进一步通过解调处理得到原始数据。解扩过程可以抑制窄带干扰，提高输出信干噪比，但也会造成信号波形的失真。

跳频抗干扰技术在发射端利用伪随机序列（跳频图案）控制发射信号的载波在某个很宽的频带范围内进行周期性跳变来实现频谱扩展。跳频通信系统的抗干扰能力主要取决于跳频速率和跳频带宽。只要跳频速率足够快，就可以躲避对方施加的跟踪瞄准式干扰。在接收端使用与发射端完全相同的跳频图案，在时间上实现同步即可实现对信息的有效解调。但是，对于全频点大功率压制干扰，跳频抗干扰技术将完全失效。

跳时抗干扰技术在发射端根据伪随机序列控制信号的发送时刻和发送时长，使对方无法准确获知通信时间，难以对通信信号进行有效侦收并施加精确的瞄准式干扰。与跳频抗干扰相同，对于全频点大功率压制干扰，跳时抗干扰技术将完全失效。

时域干扰估计抵消技术利用扩频通信系统中伪随机序列的良好随机性、难以预测的特性，先按照某种最优准则对干扰进行估计，然后在接收信号中对干扰进行抵消，从而达到干扰抑制的目的。

变换域抗干扰处理技术是基于部分频带干扰所占频谱带宽远小于扩频带宽的特点，在变换域去除干扰所对应的频谱分量而不会对扩频信号造成严重失真的原理，在变换域对干扰进行零陷抑制。

辅助码技术一般利用干扰的二阶统计量和扩频码信息对干扰进行抑制。

以上数据链通信抗干扰手段均可以实现特定条件下的干扰抑制，但是对于全频点大功率压制干扰，这些抗干扰技术性能急剧下降甚至完全失效。因此，本文提出一种基于阵列天线的全频点压制干扰抑制算法，在数据链通信系统时域、频域抗干扰能力的基础上增加空域抗干扰能力，可进一步提升数据链通信系统的抗干扰能力。

1 阵列接收信号模型

阵列接收信号主要包括接收天线阵列、数据链通信信号、压制干扰信号和噪声等四个方面。

接收天线阵列方面，假设天线阵列包含若干个各向同性的接收天线阵元，任意两个阵元间距小于数据链信号最高工作频率对应波长的二分之一，不考虑阵元间的互耦效应且通道间幅相响应完全一致。阵列布局如图1所示。

图1 接收阵列天线模型

数据链通信信号，假设入射信号数量已知，且入射到接收阵列的数据链信号均为远场平面波窄带信号：

即同一个入射信号在各阵元响应的时延差可以用相位差等效表示。不失一般性，假设数据链通信信号采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）体制，即一个脉冲周期内阵列天线只能接收到一个用户发射的脉冲信号。

压制干扰信号，假设压制干扰信号频率完全覆盖数据链工作的所有频点，即阵列接收到的每个数据链工作脉冲均被压制。压制干扰信号为平稳随机过程，且与数据链信号波形互不相关。入射到接收阵列的压制干扰信号也满足远场平面波窄带信号模型。

2 基于天线阵列的全频点压制干扰抑制算法

基于天线阵列的全频点压制干扰抑制算法的目标为依据一定准则通过式（3）的采样数据计算幅相加权向量，通过对进行求和运算，使得输出信号中的干扰信号分量得以抑制，算法运行流程如图2所示。

本文采用功率倒置准则[15]（Power Inversion，PI）进行抗干扰权值计算，PI准则是一种约束空域滤波器输出准则，即：

将式（5）代入式（4）构建拉格朗日函数为：

进一步将式（10）代入式（8）中可以得到只抑制压制干扰信号而不抑制有效通信信号成分的抗干扰权值为：

3 仿真分析验证

典型地，采用Link-16数据链通信系统进行仿真，数据链工作在L频段，跳频间隔为3 MHz，采用32倍直序扩频，瞬时带宽为3.5 MHz，跳频频点数为51个，分布在总带宽为960～1 215 MHz频段内。脉冲周期为13 μs，脉宽为6.4 μs。天线阵列包含4个接收阵元，阵列布局为中心等间隔圆环阵，阵元间距为1 215 MHz对应波长的0.4倍，如图3所示。

假设空间中存在1个压制干扰源，干扰源所辐射的压制干扰信号频点完全覆盖数据链通信系统的51个频点，阵列天线口面接收干信比（Jam Signal Ratio，JSR）为43 dB。干扰源位于接收阵列坐标系的200°方向，而有效通信信号从45°方向入射到阵列天线。

由式（11）得到的抗干扰权值向量得到的阵列接收方向图如图4所示。从图4中可以看出，阵列接收方向图上在200°干扰入射方向上形成了超过40 dB深度的零陷，可以有效地抑制接收信号中的压制干扰成分，同时，阵列接收方向图上在45°方向上的响应则略大于0 dB，表示抗干扰后有效通信信号功率未受到抑制。

抗干扰前阵列接收信号中有效信号、噪声和干扰成分的功率分布如图5所示；抗干扰后输出信号中有效信号、噪声和干扰成分的功率分布如图6所示。从图5和图6中可以看出，在抗干扰前压制干扰信号远高于有效信号功率；经过天线阵列抗干扰后，压制干扰信号成分的功率被抑制到底噪之下。

图5 抗干扰前有效信号、噪声和干扰成分分布

图6 抗干扰后有效信号、噪声和干扰成分分布

抗干扰前后归一化相关结果如图7所示。从 图7中可以看出，直接采用抗干扰前的天线阵列接收信号相关解调结果中不存在明显的相关峰，无法完成后续的信息解调；而采用抗干扰后输出的信号进行相关解调，结果中有明显的相关峰，进而可以完成后续的信息解调。

考虑本文所提方法在全频点压制干扰条件下对300 km范围内有效数据链通信信号的接收响应。

假设单个干扰源位于阵列天线水平距离为160 km、方位为180°的位置上，干扰辐射功率为90 dBm，到达阵列天线口面功率电平约为-50 dBm，通道噪声功率约为-96 dBm，300 km范围内有效通信信号的发射功率均为53 dBm。设后端相关解调需要至少0 dB信干噪比（Signal Jam Noise Ratio，SJNR）的输入信号，经过抗干扰处理后阵列天线输出的SJNR云图如图8所示，其中红色虚线以内的区域输出SJNR小于0 dB。从图8中可以看出，经过抗干扰处理后，可以有效接收并解调300 km范围内大约72%的区域内的数据链通信信号。

4 结论

本文提出了一种基于阵列天线的数据链全频点压制干扰抑制算法，在数据链通信系统的时域、频域抗干扰能力的基础上增加了空域抗干扰能力。利用脉冲周期内从开始到实际有效脉冲信号到达前的时间段内的采样数据进行协方差矩阵估计，通过功率倒置准则计算抗干扰权值向量，实现在有效脉冲到达时只抑制压制干扰成分而不抑制有效脉冲的目的。通过计算机仿真试验验证了本文所提方法的正确性和有效性。

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Data Link Full Frequency Points Interference Suppression Method Based on Antenna Array

WANG Xiaoyu, WANG Yafeng, WU Shunxiao, ZHANG Tiefeng

A full frequency points interference suppression method based on antenna array for data link communication system was proposed. The spatial interference suppression ability was added for data link communication system except for the original interference suppression ability in time domain and frequency domain. Firstly, the covariance matrix is estimated using the sampling data in the non-valid pulse period in a frequency hopping period. Then the anti-jamming weight vector is calculated by power inversion criterion. Finally, the received signals are weighted to achieve the purpose of suppression the jamming signals only. The correctness and effectiveness of the proposed method are verified by computer simulation.

Data Link; Antenna Array; Full Frequency Points Interference; Suppression

TN973

A

1674-7976-(2022)-04-242-06

2022-05-25。

王晓宇（1983.05—），内蒙古兴和人，博士，高级工程师，主要研究方向为阵列信号处理及导航对抗。