基于信道化的Link16数据链信号对抗技术研究

彭茄恩，陈 韵，李仙法，石达宁，刘 建

（中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007）

0 引言

Link16数据链是美国海空军及北约部队使用的一种新型战术数据链系统，于1994年开始在美军舰艇及飞机平台投入使用。Link16数据链的设计使用理念基于Link4A、Link11数据链，但相比原有数据链，在技术与操作上有极大的更新迭代，增强了数据链系统的安全性与抗干扰性能，被称为是一种“无法被干扰的数据链”［1］，在美军历来多次战争中发挥了重要的作用。因此，发展针对Link16数据链系统的电子对抗技术具有重要的军事意义。

1 Link16数据链信号特征

Link16数据链采用时分复用（TDMA）工作方式，以时隙为单位分配给不同的作战单位，相较于Link4A/11数据链，Link16不存在网络系统的中心控制节点，极大地提升了Link16数据链的战场生存能力［2］。Link16数据链物理基带波形采用脉冲形式，在一个分配的时隙内共有129个脉冲，每个脉冲宽度为6.4 μs，脉冲重复周期为 13 μs，脉冲采用 32 位 M 序列进行（5，32）软扩频，调制方式为MSK调制。Link16数据帧格式包括抖动、同步、精确同步（TR）、报头、数据段和传输保护6部分，Link16数据链系统工作频段为960~1 215 MHz（Lx频段），共有51个工作频点，频点间隔为 3 MHz，脉冲带宽为 6 MHz［3-4］，Link16 数据链信号特征如图1所示。

图1 Link16数据链信号特征

Link16数据链采用较多的措施来提升系统的安全性与抗干扰能力，主要有：

1）扩跳结合

Link16数据链的每个脉冲均采用32位M序列进行MSK扩频，且脉冲与脉冲之间采用跳频，跳速为76 923 HOP/s，也即跳频周期为 13 μs，但是每个频点的驻留时间只有6.4 μs，给信号侦察截获带来很大的困难。

2）定时抖动［5］

Link16数据帧在其分配的时隙中存在定时抖动，抖动值在0~2.585 ms范围内伪随机变化，且同时信号传输存在时延，使得信号截获方无法准确知道Link16信号的起始时刻，从而无法对Link16信号进行破译或干扰。

3）数据加密［2］

Link16终端都具有加密机制，终端一次性加载2天加密变量，加密变量自动循环。Link16射频波形根据当前时间的传输保密（TESC）加密变化，另一方面传输的消息本身也经过消息保密（MSEC）进行加密。Link16还对网络参与组或者网络进行隔离，以确保信息安全。

2 基于信道化的Link16信号侦收

2.1 数字信道化接收原理

数字信道化一般采用基于DFT的多项滤波器组的信道化滤波器技术，可以高效地实现数字信道化滤波器。通常，数字信道化是在数字正交下变频后进行的，输入是复信号x（n）。低通滤波器采用N阶FIR滤波器，其响应为hLP（n），且抽取率K=D，则第k个信道滤波器输出为：

令xp(m)=x(mD-p)，gp(m)=hLP(iK+p)，（p=0，1，2，…，K-1，L=N/K），则有：

定义x′p(m)=(xp(m)e-jωkmD)gp(m)，则：

设滤波器采用偶排列方式，将ωk=2πkD代入，得到：

由上式可以得到信道化滤波器的结构如图2所示。

图2 信道化滤波器结构设计

由于Link16信号每个跳频频点间隔3 MHz，每一跳信号的带宽却为6 MHz，无论如何设计信道化滤波器，总会存在有部分频点处于信道交叠处，出现跨信道滤波，使得整个信号的能量被分散在2个信道当中，给后续的信号检测、参数测量、信息解调等处理带来困难。为了解决这一问题，在设计信道化滤波器时，一方面考虑设计信道间隔为6 MHz带宽的倍数，确保将跳频频点的全部带宽包含在内；另一方面采用A、B2个信道化滤波器组对Link16信号进行滤波，而A、B滤波器参数设计一致，唯一的不同是滤波器的中心频点相差3 MHz，从而实现对3 MHz间隔频点的覆盖，最终在2组滤波器滤波后采用信道融合，同时关闭不使用频段的信道，从而实现对Link16频点的全覆盖。

2.2 Link16信号判定

在实际使用中，真实空间电磁信号经过信道化滤波之后，出现在接收端的Link16信号必然夹杂着大量杂乱信号，因此必须对信道化滤波之后的信号进行类型判定，筛选出所需要的Link16信号脉冲，以减少后端处理的数据量。根据Link16信号特征设计信道化滤波器之后，将输入信号按照Link16信号频点进行分割，得到一个个窄带信号或者脉冲，因此对于所得到的这些信号是否为Link16信号，以及分别为哪个信道输出的频点，都需要进行进一步验证。根据Link16信号的先验信息，如脉宽和调制方式来对得到的信号脉冲进行进一步的筛选，以提高信号的识别概率。本文通过3步进行验证，首先测量截获信号的脉宽，若脉宽不为6.4 μs则将其剔除；其次测量所得脉冲功率谱对称度，若不对称将其剔除；最后识别脉冲调制方式是否为MSK，若不是将其剔除，最终所得脉冲即为Link16脉冲信号，如图3所示。

图3 Link16信号检测流程

2.3 差分相位Link16脉冲信号解调

Link16脉冲信号的调制方式为MSK调制，脉冲长度为6.4 μs，且相邻脉冲之间存在频率跳变，因此基于传统的MSK解调方法已经不再适应于Link16 MSK脉冲信号的解调。从MSK调制方式的原理入手，可以发现MSK是采用连续相位不同频率的载波信号来调制传输的比特信息，通过对Link16接收信号进行相位差分处理可以获得信号频率时间函数，从而直接获得接收信号的频率信息，即可对接收的MSK信号实现解调。截获的Link16 MSK脉冲信号可描述为：

式中，A是信号幅度，w（t）是噪声，一般建模成均值为零、方差为σ2的高斯白噪声。经过数字化采样与量化，可以得到MSK调制信号的瞬时相位为：

从式（7）可以看出，利用信号的相位差分处理，可以得到一个不随时间变化的相位分量，这个相位分量携带了调制的比特信息αk，唯一对其产生影响的就是噪声使得相位分量产生相位模糊，同时每个码元的初始相位值φk会对相位产生相位模糊。因此，式（7）可以改写为差分相位的形式为：

式中，PN（w）表示的是由噪声产生的相位影响，式（8）反映出这样一个事实，MSK调制信号通过相位差分算法之后，得到以载波频率为中心，以四分之一码速率为偏移的2个值，这2个值的变化规律即能够反映出调制的基带信号αk的变化规律，只是这个结果受到噪声相位的影响，会产生相位的模糊［6-7］。

3 Link16信号干扰方法分析

由于Link16信号采用的扩跳结合的防截获技术，同时具有76 923 HOP/s的高跳速，使得对Link16信号的干扰变得异常困难，下面对Link16信号的干扰方法加以分析。

1）宽带阻塞式干扰

针对跳频系统最为有效的干扰方式就是宽带阻塞式干扰，在所有系统工作频点都产生干扰信号，瘫痪整个系统。然而，Link16由于使用较宽的工作带宽（255 MHz）和较多的工作频点（51个），且终端的发射功率都较大（1 000 W），使得宽带阻塞式干扰的效益下降。对通信系统的干扰需要干扰机具有一定的能量注入效率，即干扰信号的功率能够有效进入到通信接收机内且维持一定的干扰信号功率比，考虑到Link16的扩跳结合机制所产生的至少25 dB接收增益，所需要的干扰机阻塞信号功率将达到几百千瓦的量级，这样干扰效率无疑是效能低下的。

2）跟踪阻塞式干扰［8］

跟踪阻塞式干扰是针对跳频通信系统的一种高效率的干扰方式，其能够实现有效跟踪前提是干扰机能够同步跟踪跳频信号的频率变化速率，Link16信号76 923 HOP/s的跳速对干扰机的反应速度提出了很高的要求。同时干扰机在侦察系统的引导下实施对目标信号的干扰，因此侦察系统的反应速度也制约着干扰机的干扰性能。本文提出的Link16信号侦察由于采用信道化技术，对Link16工作频点实现了实时高效的全概率接收，使得其引导干扰机实现跟踪干扰成为可能。另一方面，如果对一个跳频系统实施有效的跟踪干扰，则最少需要干扰每一跳信号驻留时长的40%，因此，针对Link16信号驻留时长为6.4 μs，根据干扰椭圆所得干扰机与发射机接收机之间的有效的干扰距离为：

也就是说，干扰机如果要有效实施Link16信号的跟踪阻塞干扰，必须抵近至Link16节点1.152 km范围之内，这将极大的降低干扰机地生存概率，是不可接受的。

3）同步频点阻塞式干扰

通过分析Link16信号数据帧格式可以发现，Link16在通信过程中存在一个同步过程，也即Link16节点必须正确接收16个同步脉冲信号才能转入同步跟踪状态，且同步脉冲跳频频点为8个，同一网络同步信号的跳频图案都是一致的，因此对Link16同步信号进行干扰的概率，相较于对其进行全频带阻塞式干扰，具有更大的实际意义与可实现性。一般认为Link16的8个同步频点中，有5个或者5个以上收到干扰时，则Link16信号将不能建立有效的同步，进而不能建立通信。在此基础上，Link16系统遭受到NJ个频点的阻塞干扰而未能建立通信的概率函数可描述为：

通过仿真可以看出Link16信号同步丢失概率与同步频点干扰数的关系：干扰频点数目越多，其同步建立丢失的概率就越高。当Link16系统中超过20个频点被干扰时，其数据帧建立同步的概率将低于85%，其具体对应关系如图4所示。

图4 Link16系统频点干扰数与同步丢失概率的关系

4 仿真分析

对本文所提方法进行仿真验证，信道化滤波器设计为子信道数为64，子信道带宽为6 MHz，实现对Link16信号工作频段的全覆盖。图5显示的是在子信道信噪比SNR=15 dB条件下，对模拟的Link16信号进行侦察截获的结果，为了能够清楚地显示Link16信号的时频分布，仿真只显示Link16信号前10个脉冲的结果。其中图5（a）显示的是模拟固定频点（f=1 158 MHz）的 Link16信号的时频分布，图5（b）显示的是在此条件下，对固定频点Link16信号进行侦收的结果，反应出其时频分布为一条直线；图5（c）显示的是模拟随机跳频的Link16信号的时频分布，图5（d）显示的是在此条件下对Link16信号进行侦收的结果得到了Link16信号的跳频图案，跳频图案与时频分布结果是能够对应的。

图5 Link16前10跳信号侦收结果（SNR=15 dB）

为了进一步验证本文所提方法对Link16信号侦收的性能，采用蒙特卡洛方法对Link16脉冲信号的检测进行仿真，通过仿真结果可以看出，当子信道的信噪比SNR=10 dB时，Link16脉冲信号检测概率能够达到99%，该结果基本逼近Link16信号接收检测的极限性能，说明本文所提方法对Link16信号侦收具有有效性和可实现性。

图6 Link16信号检测概率

5 结束语

本文针对Link16数据链信号的时域频域特征，采用信道化的方法将Link16工作频段划分成子信道处理，提升Link16信号处理增益，降低处理难度，实现了Link16信号全频段全概率实时侦收；在此基础上，讨论多种Link16信号的干扰方法，根据Link16数据帧中的同步信号特点，利用干扰同步信道的方式对Link16信号实施干扰，具有良好的效果。总之，本文提出了一整套针对Link16数据链信号的电子战方法，通过仿真验证了其有效性与可行性，该方法具有较高的军事应用价值。