LINK-16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)抗干擾能力研究
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引 言
LINK-16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)(Joint Tactical Information Distribution System,JTIDS),具有通信、導(dǎo)航以及識別功能,可供陸、海、空三軍使用,是一種大容量、抗干擾的數(shù)字式信息分配系統(tǒng)[1,2]?,F(xiàn)有的關(guān)于LINK-16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)抗干擾能力的分析[3,4] 并未針對現(xiàn)有通信干擾機(jī)的具體干擾形式進(jìn)行。
本文分析了 LINK-16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的抗干擾技術(shù),針對目前多種通信干擾的樣式,包括窄帶干擾(含單頻干擾)、掃頻干擾、跟蹤式干擾、部分頻帶干擾、脈沖干擾和寬帶壓制式干擾等,分析了LINK-16 數(shù)據(jù)鏈抵抗以上多種干擾的能力。
1 LINK-16數(shù)據(jù)鏈主要抗干擾技術(shù)
LINK-16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)為了獲得強(qiáng)抗干擾能力,采用了信道編碼、直接序列擴(kuò)頻和高速跳頻等抗干擾技術(shù)。
1.1 RS信道編碼
LINK-16 數(shù)據(jù)鏈采用了RS(31,15)編碼的方式對抗干擾,每個RS 碼字即 5 b 信息,對應(yīng)成一次跳頻脈沖 6.4 us 內(nèi)傳輸?shù)男畔?,于是一個頻點(diǎn)上的干擾只會導(dǎo)致一個 RS 碼字的錯誤。RS(31,15)最多可糾正 8 個錯誤或刪除 16 個錯誤。若無準(zhǔn)確獲知被干擾頻點(diǎn)即錯誤位置的方法,只能糾正 8 個碼字錯誤,換算成對抗部分頻帶干擾能力,可對抗 25.8%(8/31)的頻點(diǎn)干擾 ;若能可靠獲知被干擾的頻點(diǎn),則最多可應(yīng)對 16 個擦除錯誤,即可對抗 51.2%(16/31)的頻點(diǎn)干擾。
1.2 直接序列擴(kuò)頻
LINK-16 數(shù)據(jù)鏈采用循環(huán)碼移位鍵控(Cyclic Code Shift Keying,CCSK)的直接序列擴(kuò)頻技術(shù),采用 32 位循環(huán)碼實(shí)現(xiàn)對5 b 信息的擴(kuò)頻調(diào)制。直接序列擴(kuò)頻具有抗寬帶干擾能力, 通過接收端采用的相關(guān)解擴(kuò)處理,將寬帶有用信號壓縮為窄帶信號,而將寬帶干擾信號帶寬擴(kuò)展,通過后續(xù)的窄帶濾波器將大部分寬帶干擾濾除。
1.3 高速跳頻
LINK-16數(shù)據(jù)鏈采用逐脈沖跳頻工作模式,每個脈沖的工作頻點(diǎn)在 960MHz~1215MHz 頻段內(nèi)隨機(jī)跳變,跳頻頻點(diǎn)數(shù)為 51個,每個頻點(diǎn)的帶寬為 3MHz。每個脈沖的持續(xù)時間為 6.4 us,脈沖間隔為 6.6 us,跳速為 76 923 跳 / 秒。
2 LINK-16數(shù)據(jù)鏈抗干擾能力分析
目前通信干擾機(jī)的主要干擾模式有窄帶干擾(含單頻干擾)、掃頻干擾、跟蹤式干擾、部分頻帶干擾、脈沖干擾和寬帶壓制式干擾。
2.1 窄帶干擾
對于LINK-16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),每個頻點(diǎn)的帶寬在 3 MHz, 對于帶寬在幾百 kb / s 內(nèi)的窄帶干擾,包括大功率連續(xù)波干擾,如果窄帶干擾落在信號帶寬范圍內(nèi),可以采用濾波方式, 對窄帶干擾進(jìn)行抑制。干擾帶寬達(dá)到LINK-16 數(shù)據(jù)鏈信號帶寬的窄帶干擾,目前此類干擾機(jī)的功率最高可達(dá)到 100 kW,考慮敵方的安全干擾距離為 150 km,則干擾信號到達(dá)接收機(jī)處的干擾信號功率為- 60 dBm,低于LINK-16 接收機(jī)的飽和功率,因此最多只對單一頻點(diǎn)承載的信息造成影響,考慮LINK-16 系統(tǒng)采用的RS 編譯碼,因此能抵抗單一頻點(diǎn)被破壞的干擾。
2.2 掃頻干擾
掃頻干擾需要先獲得跳頻通信頻段和工作頻率表,然后按照跳頻頻率間隔,從頻率低端到高端,每隔一段時間出現(xiàn)一個窄帶的干擾頻譜,并不斷重復(fù)這種頻率掃描過程。對于LINK-16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),采用了高速跳頻抗干擾技術(shù),如果掃頻速率過快,在掃頻干擾的窄帶干擾信號駐留時間內(nèi),未必能碰上跳頻的通信頻率 ;如果掃頻速率過慢,在掃頻干擾的窄帶干擾信號駐留時間內(nèi),能夠碰撞上某一個工作頻點(diǎn),由于LINK-16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用RS 編譯碼,具有抗部分點(diǎn)頻干擾能力,也無法對端機(jī)實(shí)現(xiàn)有效干擾;掃頻干擾只有識別跳頻規(guī)則, 才能對端機(jī)實(shí)現(xiàn)有效干擾,對于跳速達(dá)到 76 923 跳 / 秒的高速跳頻系統(tǒng),很難獲得跳頻圖案。
2.3 跟蹤式干擾
跟蹤式干擾的干擾信號能跟蹤跳頻信號頻率跳變的干擾方式,主要有波形跟蹤干擾、轉(zhuǎn)發(fā)干擾等。由于LINK-16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用高速跳頻抗干擾技術(shù),跳頻圖樣滿足偽隨機(jī)特性,因此破解跳頻圖樣進(jìn)行波形跟蹤干擾基本無法實(shí)現(xiàn)。
由于 LINK-16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用窄脈沖通信方式,脈沖駐 留時間為 6.4 us,轉(zhuǎn)發(fā)跟蹤式干擾應(yīng)采用同頻干擾,干擾信號 必須在信號駐留時間(即 6.4 μs)內(nèi)到達(dá)通信接收機(jī),才有可 能實(shí)現(xiàn)有效干擾。電磁波在 6.4 μs 傳播的距離約為 1.92 km, 假設(shè)不計(jì)完成偵收和干擾引導(dǎo)所需的時間,記收發(fā)端距離為 Rtr,Rjt、Rjr 分別為干擾機(jī)到發(fā)射端機(jī)和接收端機(jī)的距離,為保 證干擾有效,必須保證(Rjt+Rjr)- Rtr ≤ 1.92,即干擾機(jī)必須 布置在以收發(fā)信機(jī)為焦點(diǎn)的橢圓區(qū)域內(nèi),干擾機(jī)如果距離我 方端機(jī) 150 km 外的安全距離,不滿足有效干擾要求,很難實(shí) 施跟蹤式干擾。
2.4 部分頻帶干擾
高速變速跳頻與 RS 糾錯碼相結(jié)合,能夠抵抗部分頻帶 干擾。RS(31,15)的信道編碼可以對抗 25.8%(8/31)的頻 點(diǎn)干擾,即在完整的 51 個頻點(diǎn)上進(jìn)行跳頻通信時,12 個以上 的跳頻點(diǎn)被有效干擾,LINK-16 節(jié)點(diǎn)將不能正常通信工作。若 能可靠獲知被干擾的頻點(diǎn),則 RS(31,15)的信道編碼最多 可應(yīng)對 16 個擦除錯誤,即可對抗 51.2%(16/31)的頻點(diǎn)干擾, 25 個以上的跳頻點(diǎn)被有效干擾時,LINK-16 節(jié)點(diǎn)將不能正常 通信工作。
2.5 脈沖干擾
當(dāng)效脈沖干擾是在 LINK-16 數(shù)據(jù)鏈工作頻段范圍內(nèi),與 LINK-16 信號脈沖寬度、脈沖重復(fù)率和消息結(jié)構(gòu)近似匹配的 脈沖信號。
干擾信號也逐脈沖跳頻時,下面舉例最有效的脈沖干擾 對 LINK-16 數(shù)據(jù)鏈通信性能的影響。假定脈沖干擾的頻點(diǎn)與 LINK-16 工作頻點(diǎn)在某時刻完全一致,則該頻點(diǎn)被壓制無法 通信,不考慮跳時的躲避干擾作用,記頻點(diǎn)數(shù)為 N,則干擾和 通信頻點(diǎn)完全碰撞的概率為 1/N2,考慮高速跳頻體制和 RS 編 碼相結(jié)合抗頻帶干擾的能力,RS 碼仍能正確譯碼,脈沖干擾 有效的概率近似為 1/N,考慮跳時的作用,干擾脈沖和有用信 號脈沖同時達(dá)到的概率很小。
2.6 寬帶壓制干擾
采用干擾容限評估跳頻系統(tǒng)的抗寬帶壓制干擾能力。干擾容限定義為跳頻通信系統(tǒng)能維持點(diǎn)對點(diǎn)正常工作(滿足正常解調(diào)要求的最小輸出信噪比)的實(shí)際抗干擾能力,用 Cj 表示, 其表達(dá)式為[5] :
其中,Gp 為跳頻或擴(kuò)頻通信的處理增益,(S/N0)out 為接收機(jī) 解調(diào)輸出端所需的最小信噪比,LS 為系統(tǒng)解調(diào)解擴(kuò)的固有處理 損耗,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),一般為 1 ~ 2.5 dB 數(shù)量級,最大不應(yīng) 超過 3 dB。跳頻系統(tǒng)的處理增益 Gp 定義為信號總帶寬 W 和 信息帶寬 B 的比值,如果頻域上相鄰頻點(diǎn)的頻譜不交疊,可 認(rèn)為 Gp 為全部可用頻點(diǎn)數(shù) N,即 :
LINK-16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的跳頻頻點(diǎn)數(shù)為 51 個,相鄰頻點(diǎn)頻 譜不交疊,因此,跳頻處理增益為 17 dB。為了得到 10-5 的誤 碼率,調(diào)制方式為 MSK,編碼方式為 RS(31,15)的波形檢 測信噪比為 8.8 dB[6],由于采用了(5,32)擴(kuò)頻,可以獲得約 8 dB 的擴(kuò)頻增益,因此(S/N0)out 為 0.8 dB。取 Ls=1 ~ 2 dB, 根據(jù)式(2)可得到 LINK-16 系統(tǒng)的干擾容限為 15 dB。即為了 壓制干擾 LINK-16 的通信,實(shí)現(xiàn)與干擾常規(guī)定頻通信同樣的 效果,需要多付出的功率代價為 15 dB。
3 結(jié) 語
LINK-16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用高速跳頻、直接序列擴(kuò)頻和高效信道編碼等抗干擾技術(shù),能夠有效抵抗窄帶干擾(含單頻干擾)、掃頻干擾、跟蹤式干擾和脈沖干擾,對于部分頻帶干擾, 當(dāng)干擾頻段覆蓋 12 個以下的LINK-16 工作頻點(diǎn)時,組網(wǎng)通信能夠正常進(jìn)行;對于寬帶壓制式干擾,LINK-16 數(shù)據(jù)鏈的干擾容限為15 dB。因此對于LINK-16 數(shù)據(jù)鏈的最有效干擾手段為: 干擾信號頻段壓制 12 個以上的工作頻點(diǎn),并且保證接收節(jié)點(diǎn)的干擾總功率比有用信號功率大15 dB。