多进制频率调制信号抗干扰性能建模与分析

兵工自动化　・５６・　２０ｌ５—０ｌ　Ｏｒｄｎａｎｃｅ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　３４ｆ１）　多进制频率调制信号抗干扰性能建模与分析　刘旭光，周长征，王满喜，李　浩　（电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南洛阳４７１００３）　摘要：针对模拟调制已不能满足当今军事通信的需要的问题，建立一种通信系统模型和宽带高斯噪声、窄带噪　声、调频和音调等干扰样式模型。分析了ＭＦＳＫ信号调制和解调的特点，并在基于非相干解调情况下，以Ｍ－８为例，　分析了５种干扰样式情况下的理论误码率，并通过仿真得出了各种干扰样式对ＭＦＳＫ信号的干扰效果。仿真结果表　明：在相同数据速率的情况下，多音干扰和噪声调频２种干扰信号的干扰效果最好，单音和窄带干扰次之，宽带高　斯噪声最差，为进一步研究干扰技术和干扰效果提供了参考。　关键词：多进制频率调制；干扰样式；干信比；误码率　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标志码：Ａ　Ａｎｔｉ—Ｊａｍｍｉｎｇ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ＭＦＳＫ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｌｉｕ　Ｘｕｇｕａｎｇ，Ｚｈｏｕ　Ｃｈａｎｇｚｈｅｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｍａｎｘｉ，Ｌｉ　Ｈａｏ　（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｌｅｘ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ，　Ｌｕｏｙａｎｇ　４７１００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｔｈａｔ　ａｎａｌｏｇｕｅ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ’ｔ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄｓ　ｏｆ　ｍｉｌｉｔａｒｙ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｎｏｗａｄａｙｓ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ　ａ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ＭＦＳＫ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｆｉｖｅ　ｊａｍｍｉｎｇ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｍｏｄｅｌｓ（ｗｉｄｅ—ｂａｎｄ　ｇａｕｓｓ　ｎｏｉｓｅｓ，ｎａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ　ｎｏｉｓｅｓ，ＦＭ，ｔｏｎｅ）．Ａｆｔｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ＭＦＳＫ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｔａｋｅｓ　Ｍ＝８　ｆｏｒ　ｅｘａｍｐｌｅ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｅｒｒｏｒ　ｒａｔｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｊａｍｍｉｎｇ　ｓｉｍｐｌｅｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｎ　ｇｉｖｅｓ　ｊａｍｍｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｆｉｖｅ　ｊａｍｍｉｎｇ　ｓｉｍｐｌｅｓ　ｔｏ　ＭＦＳＫ　ｓｉｇｎａｌ　ｂｙ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ａｍｏｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｄａｔａ　ｒａｔｅ，ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ—ｔｏｎｅ　ａｎｄ　ＦＭ　ｏｃｃｕｐｙ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｐｌａｃｅ，ｓｉｎｇｌｅ—ｔｏｎｅ　ａｎｄ　ｎａｒｒｏｗ—ｂａｎｄ　ｎｏｉｓｅｓ　ｃｏｍｅ　ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ａｎｄ　ｗｉｄｅ—ｂａｎｄ　ｇａｕｓｓ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｗｏｒｓｔ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｉａｍｍｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｉｆｅｌｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＦＳＫ；ｊａｍｍｉｎｇ　ｓａｍｐｌｅ；ｊａｍｍｉｎｇ—ｔｏ—ｓｉｇｎａｌ　ｒａｔｉｏ；ｅｒｒｏｒ　ｒａｔｅｓ　０　引言　伴随科技的持续发展，信号调制技术的革新促　具有重要意义。　ｌ　ＭＦＳＫ基本原理　Ｍ进制数字频率调制（ＭＦＳＫ）简称多进制，基　本上是二进制数字频率键控方式的直接推广，是用　载波频率的变化来传送数字０或１。由于ＭＦＳＫ的　使通信对抗水平有了质的飞跃。模拟调制因其固有　的性能缺陷已不能满足当今军事通信的需要，而数　字调制不仅可以利用编码纠错技术提高通信的可靠　性，还能弥补信道畸变。频移键控（ＦＳＫ）是用不同　频率的载波来传送数字信号，并用数字基带信号符　码元采用　个频率为　，　，　，…，厶的正弦波表　号的变化控制载波信号的频率，具有抗噪声性能好、　传输距离远、误码率低等优点…。根据所处理的基　带信号的进制不同分为二进制和多进制调制。目前，　示　进制信息的０，１，２，３，…，　１形成信道信号，　然后在接收部分采用特定的带通滤波器将信道信号　还原为频率为　，厂２，　，…，／　的正弦波，最后通过　鉴频器或其他检波方式还原为多进制信息，从而实　现通信的目的Ｌ２Ｊ。　外军战术互联网中地域通信网中的干线微波通信　ＭＳＥ（移动用户设备系统），短波频段２Ｇ—ＡＬＥ（２代　自适应链路）组网以及航母战斗群数据链，ＡＥＨＦ卫　星通信系统（ＬＤＲ传输采用２ＦＳＫ，ＭＤＲ传输采用　８ＦＳＫ）等大量外军系统中采用ＦＳＫ调制方式的波形　传输。因此，通过多进制ＦｓＫ（Ｍ＝２，４，８）性能以及干　扰效果的仿真研究，对通信对抗中关键节点的干扰　１．１　调制信号的实现　根据ＭＦＳＫ的基本原理，用数字频率调制的方　式表示Ｍ进制的数字信息０，１，２，３，…，　１时，必须　设法实现Ｍ进制的数字码元与不同频率的正弦载　收稿日期：２０１４　０７—１６；修回日期：２０ｌ４　０９　Ｏ２　基金项目：电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室主任基金项目资助（ＣＥＭＥＥ２０１４Ｚ０２０７Ａ）　作者简介：刘旭光（１９８２一），男，硕士，工程师，从事通信系统仿真、卫星通信技术研究。　・５８・　兵工自动化　第３４卷　系统全局变量来改变干扰步进，即每个仿真周期干　扰功率增加１个步进值，进而仿真干信比变化情况　下该系统的误码率变化曲线Ｌ５咱Ｊ。　３　ＭＦＳＫ系统抗干扰能力仿真分析　仿真是衡量系统性能的工具，通过仿真模型的　结果可以推断原系统的性能。本节主要从多进制Ｍ　的取值、不同干扰样式和系统速率的角度对ＭＦＳＫ　信号的性能进行仿真分析。　３．１　不同　值条件下的误码率分析　为了比较不同进制系统的误码率，在保证信号　干扰相同条件下，笔者通过仿真给出了Ｍ＝２，４，８　时的信噪比一误码率曲线。如图３所示。　信噪比／ｄＢ　图３　多频制时的误码率变化曲线　由图可知：对ＭＦＳＫ信号而言，当　一定的情　况下，信噪比越大，误码率越小；在相同的信噪比　情况下，随着　越大，占据的频带越宽，频谱利用　率越高，但能量损失越大，误码率就随之升高，信　号解调电路的复杂程度也急剧增加。因此，在实际　应用中，　不可能无限增大，一般来说　≤１６。　３．２　不同干扰样式下的误码率分析　对于不同的目标类型，每种干扰波形都有其各　自的优缺点。干扰可以对同一个通信系统采用各种　波形来进行干扰。对于不同的抗干扰系统，每种干　扰波形的干扰效果也不尽相同。因此，目标信号模　型决定了干扰波形的选取　Ｊ。笔者选取几种典型的　干扰样式：宽带高斯噪声干扰，扫频式干扰，音调　干扰以及噪声调频干扰，针对以上干扰，　取值８，　基带信号码元速率１　ｋｂｉｔ／ｓ，采样频率８０　ｋＨｚ，采样　点数为５２４　２８８，循环周期为８，仿真得出理想信道　中不同干扰条件下８ＦＳＫ通信系统的误码率曲线。　１１宽带高斯噪声干扰。　宽带噪声干扰是将噪声能量加到目标信号所使　用的整个频谱带宽上，也称为全频段阻塞干扰，这　种干扰对各种通信系统影响都比较明显。选取高斯　噪声（１　Ｖ）作为干扰源，通过设置图符１８２控制增益　使得初始干信比值为零，系统全局变量设置为　４￣ｃｌ一１６。宽带高斯噪声干扰下８ＦＳＫ系统的误码率　曲线如图４所示。　诽　宵　干信比／ｄＢ　图４宽带噪声干扰条件下干信比一误码率曲线　２１窄带噪声干扰。　８ＦＳＫ信号带宽为２４　ｋＨｚ，选取干扰带宽占信　号带宽的１０％。信号源为高斯噪声，幅度１　Ｖ，通　过图符１８２控制增益使得初始信干比值为零，系统　全局变量设置为４ｘｃｌ一１４，窄带噪声干扰下８ＦＳＫ系　统误码率曲线如图５所示。　５Ｏ　４Ｏ　３Ｏ　露２Ｏ　１０　０　ｌ　干信比／ｄＢ　图５　窄带噪声干扰条件下干信比一误码率曲线　３１噪声调频干扰。　选取平均噪声作为干扰信号，噪声调频干扰频　率设置为其中一个载波２２．５　ｋＨｚ，调制增益为ｌ０　ｋＨｚ／Ｖ。通过控制增益使得初始干信比值为零，系　统全局变量设置为４ｘｃｌ一１４。噪声调频干扰下８ＦＳＫ　系统误码率曲线如图６所示。　５０　４Ｏ　３Ｏ　霄２Ｏ　媸１０　０　图６噪声调频干扰条件下干信比一误码率曲线　４１音调干扰。　音调干扰属于功率型干扰，分为单音干扰和多　音干扰　Ｊ。单音干扰是将一个单一频率的干扰置于　频谱上相应的地方；多音干扰具体实现可看作是单　音干扰的扩展，干扰源发射多个单音干扰信号，它　可以是随机分布，也可以位于特定的频率上，从而　获得最大的干扰功率谱密度。８ＦＳＫ信号有８个载　频，笔者采用８个音调的多音干扰，干扰频率分别　为该信号的８个载频，单音对准８个载频中的某　个，即干扰功率集中在信号功率的峰值，干扰效果　最好。选取正弦波作为干扰源，通过设置控制增益　第１期　刘旭光等：多进制频率调制信号抗干扰性能建模与分析　・５９・　使得初始干信比值为零，单音干扰和多音干扰系统　全局变量分别设置为２ｘｃｌ一５和２￣ｃｌ一１０。音调干扰　条件下８ＦＳＫ系统误码率曲线如图７所示。　干信比／ｄＢ　５Ｏ　４Ｏ　３０　许２０　凄　千信比／ｄＢ　（ｂ）多音干扰和误码率　图７　音调干扰条件下的误码率曲线　为比较不同干扰样式的干扰效果，干扰信号使　通信系统的误码率增大到２５％时的干扰被认为是有　效的干扰，即达到干扰门限值。表１是５种干扰样　式的对８ＦＳＫ系统的干扰门限值。　表１　不同干扰样式下的干扰门限值　可以看出：单纯就８ＦＳＫ调制样式而言，当误　码率达到２５％时，多音干扰的干扰门限值最小，噪　声调频干扰和单音干扰次之，宽带高斯干扰的干扰　门限值最大。由此可得出结论：多音干扰效果最优，　而宽带高斯干扰效果最差，噪声调频干扰效果略好　于单音干扰和窄带噪声干扰，但误码率曲线相似，　门限值差别不大，考虑到实际对抗中使用平台存在　多普勒频移和收发频率偏差，有可能影响单音干扰　方式的效果，相比之下多采用噪声调频干扰样式。　３＿３　不同速率条件下的误码率分析　为比较系统不同信号速率下的抗干扰能力，以　干扰效果最好的多音干扰为例，分别对数据速率分　别为１Ｏ０　ｂｉｔ／ｓ、１　ｋｂｉｔ／ｓ和１　Ｍｂｉｔ／ｓ的通信系统施加　干扰，仿真得到不同干信比条件下的误码率曲线，　如图８。　雷　十信比／ｄＢ　图８　不同信号速率的ＭＦＳＫ（　８）系统误码率曲线　多音干扰样式在相同的干信比情况下，系统速　率越小，干扰误码率越小，抗干扰性能越好，也即　随着通信数据速率的增大，压制系数也随之减小，　越容易被干扰，抗干扰性能反而变差，但由于干扰　门限变化不大，３种系统速率条件下的抗干扰性能　变化不大。　４　结束语　通过用ＳｙｓｔｅｍＶｉｅｗ软件对ＭＦＳＫ系统和干扰　进行建模仿真的结果可以看出：在相同数据速率的　情况下，多音干扰和噪声调频２种干扰信号的干扰　效果最好，单音和窄带干扰次之，宽带高斯噪声最　差；而在不同数据速率的系统中，数据速率越大，　越易被干扰，但影响不大。　ＳｙｓｔｅｍＶｉｅｗ是一种基于Ｗｉｎｄｏｗｓ平台的系统　信号级仿真工具，仿真粒度精细，可信度高。笔者　构建的ＭＦＳＫ（Ｍ＝８）数字通信系统模型就是基于链　路层的信号级仿真，仿真结果既可为功能级数学仿　真模型提供建模的依据，又可为外场对抗试验提供　参考依据。　参考文献：　［１］王楠，古瑞江，于宏毅．一种新型的ＦＳＫ解调系统设计　［Ｊ］＿通信技术，２００８，４ｌ（９）：２９—３１．　［２］王霞，朱世华，孙德龙．ＦＨ／ＭＦＳＫ多址系统中一种多用　户检测算法［Ｊ】．电子与信息学报，２０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