原创丨基于跳频通信的短波干扰模型研究

一、引言

短波是指波长在100m到10m，频率在3MHz到30MHz的电磁波，利用短波进行的无线电通信，称为短波通信，因其使用的频率较高，也称为高频（HF）通信。自短波通信技术被发明以来，迅速成为了世界各国中、远程通信的主要手段，被广泛应用于政府、军事、外交、气象、商业等部门，用以传送电报、电话、传真、低速数据和图像、语音广播等信息。

短波通信可以通过天波、地波传播。地波传播的衰耗随工作频率的升高而增加，所以在同等的地面条件下，使用的频率越高，传播的衰减就越大。基于这样的原因，只在工作频率低于5MHz的情况下使用地波传播。地波传播受天气的影响比较小，信道参数相对比较稳定，地波的传输距离一般在几十公里以内。天波是无线电波经电离层反射回地面的部分，倾斜投射的电磁波经电离层反射后，可以传到几千公里外的地方。天波传播过程中的损耗比地波要小的多，经过大气电离层的多次反射后，可以到达很远的地方。天波不受地形的限制，能够实现超视距传播，所以可以利用天波进行全球范围内的通信。但天波受电离层的变化和多径传播的影响很大，传输信道不稳定。

短波通信作为战略指挥通信、战役指挥通信、战术指挥通信以及协同通信的重要手段之一，其作为地位已经越来越重要。短波通信在岸基通信、岸基对水面舰艇通信、潜对岸猝发通信、对飞机通信等领域肩负着至关重要的使命。

二、短波通信干扰分析

1、自然噪声及非有意人为干扰

（1）大气噪声

短波波段的大气噪声主要是由大气放电产生的天电干扰。它是大气放电所产生的高频振荡，频谱很宽，在整个电磁频谱上变化相当大，但是在接收机不太宽的通频带内，实际上具有和白噪声一样的频谱。天电干扰在强度及方向上受日夜变化及季节变化的影响，表现为，夜间干扰强于白天，夏季干扰强于冬季，而一天中干扰方向变动范围为23°～30°。另外，天电干扰在接收地点所产生的电场强度与电波的传播条件有关。相比于其他地区，在雷雨较多的区域，天电干扰更为严重一些。通常在安静区域和频率低于20MHz的情况下，大气噪声占主要地位。

（2）非有意人为噪声

人为噪声也称工业干扰，它是由各种电气设备和电力网所产生的。这种干扰的幅度和本地噪声源有密切关系外，同时也取决于供电系统，这是因为大部分的人为噪声能量是通过商业电力网传送过来的。统计发现，人为噪声短期的变化很大，与位置密切相关且随频率的增加而减少。郊区的噪声电平一般比市区低15dB左右。工业区的人为噪声强度通常远大于大气噪声，成为通信线路中噪声的主要干扰源。

（3）无意电台干扰

电台干扰是指和工作频率相近的其它无线电台的干扰。由于短波主要靠电离层反射达成通信，可用频带非常窄，而短波用户又越来越多，必然导致短波电台之间的频率选用出现冲突，使电台之间的通信相互影响。主要有同频干扰、邻频干扰和互调干扰。针对以上的自然噪声以及非有意人为干扰问题，可采用时频调制、并/串行高速数字调制解调技术和高频自适应选频技术等一些新技术，这对改善短波信道的时变色散特性以及抗自然和非有意人为干扰效果较好，改善了短波信道的传输质量，能一定程度上降低干扰的影响。

2、有意人为干扰

跳频通信通过载波频率的不断宽带伪随机跳变来抗干扰。从理论上讲，对跳频通信的干扰威胁主要有以下几种方式。

（1）相关干扰。相关干扰是指发送与跳频通信的频率集和跳频图案完全一致的跳频干扰，这种干扰频率与跳频信号的频率是相关的，所以称为相关干扰，如果相关干扰到达接收机后能与接收设备同步，则跳频系统对该干扰没有处理增益，因而对跳频通信的干扰就如对载频固定的窄带通信的干扰一样。要实现对跳频通信的准确相关干扰是极其困难甚至不可能的，因为实施这种干扰要求完全实时掌握跳频通信的频率集、跳频图案，并且干扰要与通信信号同步，显然这是难以做到的。现代同频通信的频率集并不一定很大，但跳频序列的周期一般很长，且采用了复杂的非线性编码技术，等效线性的复杂度很大，其编码方法是严格保密的，并且跳频频率集和图案可重新预置，所以要实时破译跳频图案，技术难度极大，几乎是不可能的。即使已知跳频频率集合跳频图案，要实现干扰与信号很好的同步也是非常困难的。

（2）频率跟踪式干扰。频率跟踪式干扰是在对信号进行截获、分选、分析和识别的基础上，确定干扰对象，快速引导干扰发射机发射瞄准式干扰的一种干扰方式。与相关干扰相比，这种干扰方式无须破译跳频图案，只要出现信号便快速引导干扰，但以时间为代价，只能使每一跳中的部分时间受到干扰，该时间所占每一跳时间的百分数为干扰效率。这种干扰方式对干扰的时效性要求很高，要实现有效的快速跟踪干扰，必须满足两个必要条件：一是首先要解决对跳频信号的截获和跳频网的识别问题，即必须解决在通信全频段上快速扫描搜索以及多站系统同时测向和交叉定位等关键技术从而能从密集信号环境中实时侦收、分选出欲干扰的某个特定目标跳频信号；二是对跳频信号的侦收、分选、分析、识别、干扰的引导与形成时间和干扰在空中的传播时延之和必须远小于跳频信号的跳频周期。

（3）全频带或部分频带阻塞式干扰。这两种方式是对跳频信号通信发射宽带干扰，对一个跳频系统的整个跳频频带进行干扰，称为全频段干扰；只对某一部分实施干扰，成为部分频带干扰。由于跳频频带较宽，因此全频段干扰时要求很大的干扰功率。为了减少对干扰功率需求，除使用高增益天线，升空或架高天线、缩短干扰距离等措施外，在战术运用上一般把整个频段分为几个频段，采用部分频带干扰。

（4）转发式干扰。接收到通信方的信号后，对其加以处理，然后再发射出去，来干扰通信信号，这种干扰成为转发式干扰。它对干扰机的位置、宽带内多信号如何转发有严格的要求。这些要求一旦满足，转发式干扰则对跳频通信形成很大威胁。

（5）对同步系统的干扰。同步系统是跳频电台能正常工作的关键。同步系统若受到有效的干扰则无法建立跳频通信。同步系统一般具有与跳频信号本身不同的一些特征，通过对同步信号的侦收、分析，实施瞄准式干扰，来破坏跳频通信的同步建立，从而使跳频通信系统彻底瘫痪。这是对跳频通信干扰的一种捷径，一旦实现对跳频通信的同步系统的有效干扰，则能以最小的代价，达到最大的干扰效果。

在以上干扰方式中，最有威胁的是频率快速跟踪干扰和宽带梳形大功率阻塞干扰，它们是跳频通信所面临的主要干扰。其中，频率快速跟踪干扰只能对中速以下的跳频购成威胁，对高速跳频通信无法实施有效的干扰，另外，当多个跳频网密集部署时，跟踪式干扰容易失去特定的目标，这些网络起了保护作用，这时即使跳速稍低的跳频通信也不容易受到跟踪干扰。

而阻塞式干扰属多信道干扰，最佳阻塞式干扰为梳状频谱的宽带干扰，宽带梳状阻塞式干扰是对付快速跳频通信的有效手段，甚至是当前唯一的有效手段。阻塞式干扰由于其付出的功率代价太大，故当前主要适用于信号密集环境下对众多跳频通信网实施干扰的场合。它通常采用多部干扰机对多个跳频网实施梳状干扰，一般只需干扰跳频电台的1/3跳频频段，即可使跳频电台无法正常工作。

三、干扰模型建模

1、宽带噪声干扰模型

全频段干扰是指利用宽带噪声信号对整个跳频带宽进行干扰，它同时干扰跳频信号可能出现的所有信道，这样不管跳频电台使用哪个跳频频率，都会受到干扰信号的干扰。它的干扰信号通常采用噪声形式也称为宽带噪声干扰，有时又称为拦阻式干扰。它对付各种抗干扰通信时都非常有用，而且对屏蔽覆盖某一区域也非常有用，还能执行电子防护任务在一段时间内保证己方通信被敌方截获。它将噪声能量加到敌方接收机所使用的整个频谱带宽上，它的干扰载波信号是用随机噪声波形进行调制的，其意图就是通过将噪声注入通信系统的接收机来扰乱抗干扰通信波形。一般情况下，都假定噪声为高斯噪声，从理论上讲，它具有无限大的频率宽度。

宽带噪声干扰产生的干扰信号类似于宽带噪声，用J₀来表示干扰功率电平，其度量单位为W/Hz，这同背景噪声的定义完全一样。这种干扰提高了接收机端的背景（热）噪声电平，从而给抗干扰创造了一个高噪声环境。宽带噪声干扰的主要不足在于它产生的干扰功率J₀很低，因为有限的干扰功率被展得很宽，因此不可能像部分频段干扰那么有效地干扰BFSK信号。

2、部分频带干扰模型

实际上，干扰信号并不需要覆盖全部的跳频频带，就可以实现有效干扰，这就是部分频带噪声干扰，它是将噪声干扰能量集中在目标所使用的频谱范围内的多个相邻或不相邻的信道上，但并不是所有信道上。这些信道也许是相邻的，也许是不相邻的。

跳频信号是宽带信号，在跳频通信所受到的干扰样式中，部分频带干扰可能更符合干扰的实际分布情况，全频段干扰要求很大的干扰功率，因此在运用上经常把整个频段分为几个较小的频段，采用部分频带干扰。

部分频带噪声干扰对跳频系统的影响与干扰带宽占整个跳频带宽的百分比有关。跳频系统可以通过交织与纠错编码措施抗部分频带噪声干扰，但当跳频系统被干扰的频道数达到总的频道数的一定比例时，误码率-信噪比曲线由负指数关系变为负的线性关系，抗干扰能力大大下降，就会对跳频系统产生严重的干扰，造成通信的完全中断。

3、多音干扰模型

如果干扰机不是对所有的跳频信道进行干扰，而只是将干扰信号集中在跳频信道的某几个离散的频率点上，则称这种干扰方式为多音干扰，也称多频连续波干扰。

多音干扰类似于部分频带噪声干扰，对付跳频通信系统非常有效，而且十分容易产生。假设干扰功率的大小为J，等分在K个干扰频点上，则每个干扰频点的功率为J_K =J/K。跳频系统的带宽为W_SS，每个跳频频点的带宽为R，则有W_SS/R个跳频频点数。每个频率受到干扰的概率为P=K/(W/R)（为简化分析，忽略白噪声干扰）。

在多音干扰条件下，信号功率为S时，当J_K<S时，及时跳频频率中有干扰频率，检测器仍可以识别出信号频率，不会造成干扰；当J_K>S时，且干扰频率处于信号频率位置或临近位置时，将对信号产生干扰；当J_K=S时，检测器可能检测出信号频率的概率为0.5，即信号出现错误的概率为0.5。所以，当J_K=S+ε，ε≥S时，干扰频率就可以对信号功率产生干扰。有效干扰频率数目为K=[J/S]，即K为小于或等于J/P的最大正整数。

四、结束语

现代战争中电子对抗己成为重要作战手段，通信对抗是电子对抗的一个重要分支，在指挥、控制、通信、计算机和情报通信中发挥重要作用。通信的电子对抗与反对抗作为电子战的一个手段，已经成为一种实实在在的战斗力，并一定程度上成为克敌的关键。