-
0 引言
-
数据链系统在远距作战、多弹协同等领域发挥着越来越重要的作用，是指挥控制系统、传感器等与作战平台之间信息交换和分发的通信枢纽。数据链系统利用无线信道进行信息传输，民用通信干扰、人为干扰等会影响数据链的性能。另外，数据链作战平台及载体具有电气系统繁多、电磁谐杂波信号复杂、天线排布紧密等特性，不同电气系统间的信号串扰也会成为影响数据链性能的重要因素。因此，提高数据链系统的抗干扰性能，对确保其在复杂电磁环境下通信的可靠性具有重要意义。
-
文献[1-3]介绍了扩跳频、编码、交织及自适应通信等抗干扰技术，从波形设计、通信体制设计方面实现抗干扰；文献[4-5]采用基于智能天线的波束形成技术实现抗干扰；文献[6-7]将抗干扰技术按时域、频域、空域以及多域联合进行分类，从时间、频率和空间等不同维度，对窄带、宽带等不同类型干扰的抗干扰原理及性能进行分析。
-
本文在采用扩跳频调制[8-10]、空域波束[11-13]形成等抗干扰技术的基础上，结合工程实现，采用频域隔离、通道滤波、抗混叠、自动增益控制（AGC）等抗干扰技术，以增强数据链系统的抗干扰性能，实现其在强干扰、小信号条件下的可靠通信。
-
1 干扰对数据链系统的影响
-
1.1 干扰源
-
对数据链通信场景、信道特性及数据链平台的特点进行分析，数据链系统的干扰源主要包含三种。
-
（1） 民用通信干扰
-
GSM、WCDMA、3G、4G、5G等民用通信系统占用了L~C频段以及K~Ka频段等众多频率资源，且民用通信基站具有空间分布广、辐射功率强的特点。例如，在距离4G、5G基站约1km处，可测得大于-40 dBm的宽带强功率民用通信信号。在频域隔离不足时，民用通信信号将对数据链系统形成功率阻塞式干扰。
-
（2） 人为干扰
-
现有对数据链系统影响较大的人为干扰主要包括两类：宽带功率阻塞式干扰及窄带瞄准式干扰。前者采用强功率在宽频带上进行功率压制干扰，后者则瞄准通信频率进行窄带干扰。干扰源旨在降低数据链系统接收信号的信噪比，当信号带宽内的干扰功率大于数据链系统的干扰容限时，会造成通信的误码、漏包，严重时会导致通信中断。
-
（3） 作战平台电磁串扰
-
当前作战平台作战威力大幅提升，具有超宽带、多通道、强功率的特性。平台不同电气系统的工作频带相互交叠，并且随着小型化要求越来越严苛，不同电气系统的处理机及天线采用一体化设计，空间隔离不足导致频带隔离不足，这更加剧了作战平台间的电磁串扰的影响。其他电气系统的强功率串扰信号也会导致数据链系统通信性能的下降。
-
1.2 干扰对接收机灵敏度的影响
-
用分贝值表示的接收机灵敏度
-
式中：[·]为取分贝值运算符；k为玻耳兹曼常数；T0为温度；R为比特速率；Eb为比特功率；N0为噪声功率谱密度；F为噪声系数。
-
设[Eb/N0]req为获得一定的误比特率而需要的比特能量与噪声功率谱密度之比，当实际接收机的[Eb/N0]等于[Eb/N0]req时，接收的信号功率达到接收机灵敏度。
-
当接收机带宽内存在干扰时，实际接收机的[Eb/N0]变成[Eb/（N0+J0）]，其中J0为干扰的功率谱密度。则当接收信号功率达到原接收机灵敏度时，将无法满足接收机最小解调信噪比要求，通信系统出现误码。为满足误码率要求，在干扰情况下需提高Eb，即提高所需的接收信号功率，则接收机灵敏度恶化。
-
2 抗干扰技术
-
2.1 频域隔离
-
在通信频段可选的情况下，应进行详尽的频段选用分析。列举已知的干扰频段，如民用通信强功率干扰的工作频段；对作战平台其他电气系统的频段使用情况进行分析，统一规划频段使用；基于尽量避开已知干扰频段的原则，在可用范围内选取频域隔离最大的频段作为数据链系统工作频段；在无法完全避开同平台其他电气系统工作频段时，可对干扰频段进行实时监控和反馈，并采用时分的工作方式避免互相干扰。
-
2.2 通道滤波
-
（1） 发射通道滤波
-
发射通道采用带通滤波，在保证发射通道主信号带宽的前提下滤除杂散和谐波。通道滤波器通带平坦度、插损等指标影响发射通道主信号性能，而其阻带抑制性能决定了发射信号在其他频段的杂散功率的大小，即决定了对其他电气系统干扰功率的大小。发射通道滤波器在规定频段的阻带抑制性能满足发射通道大功率辐射开启后和开启前在该频段的噪声功率谱密度无升高，方能不干扰其他电气系统。发射通道滤波原理框图如图1所示，功率放大器的输出信号经滤波器2完成带外杂散和谐波抑制后，再由后端处理设备进行处理。
-
图1 发射通道滤波原理框图
-
（2） 接收通道滤波
-
接收通道滤波是滤除带外干扰的主要措施。带外强干扰信号进入接收通道后经过多级低噪声放大器（简称低噪放）放大，若不采用滤波器对带外干扰进行抑制，干扰信号可能导致低噪声放大器饱和，则有用小信号将被阻塞。干扰信号与有用信号一起进入模数转换器（A/D）后，也将压缩有用信号的模数转换有效位数，导致接收机灵敏度下降。
-
接收通道采用多级滤波实现带外干扰的抑制，其滤波原理框图如图2所示。滤波器1对带外干扰进行一定程度的抑制，即减小干扰功率，防止低噪放1阻塞；信号经滤波器2滤波，干扰功率再次被衰减；经过多级滤波和低噪声放大后，带外干扰功率被大幅衰减，而有用小信号被逐级放大，确保带外干扰无法影响有用信号的接收解调。
-
图2 接收通道滤波原理框图
-
（3） 滤波带宽选择
-
从抗干扰角度出发，在满足正常通信的前提下，通道滤波带宽应尽量窄，以最大程度地抑制干扰信号。由于数据链系统根据码元积分能量进行译码，即便是滤波带宽小于信号带宽，滤波后码元高频分量被滤除，基带码形变得平滑，其积分能量仍能保证正确译码。因此通道滤波带宽可设计为适当小于信号带宽而不影响接收机灵敏度。
-
根据时频域特性，频域压缩会带来时域的拓展，产生码间串扰。在工程实现中，一般将滤波带宽、抗干扰性能与接收机灵敏度进行折中考虑。实测结果证明，当通道滤波带宽为信号带宽的70%时，码间串扰对灵敏度的影响即可忽略。
-
2.3 自动增益控制
-
采用自动增益控制可以增大接收通道工作在线性区的信号功率范围，改善系统在强干扰场景下的小信号通信能力。
-
自动增益控制可在强干扰、大信号条件下减小接收通道增益，在强干扰、小信号条件下增大接收通道增益，即实现系统可变增益接收。可变增益接收通道原理框图如图3所示。
-
图3 可变增益接收通道原理框图
-
在强干扰场景下，系统根据检测到的信号幅度，自动调整数控衰减器的衰减量，使得后级低噪放仍工作在线性区，小信号被逐级放大，强干扰被逐级衰减，实现正常通信；若系统没有自动增益控制功能，则小信号和强干扰将同增益放大，这会导致低噪放饱和，有用小信号无法被有效放大，进入A/D的信号的信噪比降低，接收机灵敏度恶化。
-
例如，在接收通道增益为40 dB、输出信号功率不大于0 dBm的情况下，系统的输入功率1 dB压缩点（P-1）为-40 dBm，即在干扰信号功率大于-40 dBm时，低噪放饱和会导致信噪比恶化；若系统增益的可控衰减量为30 dB，则系统的输入P-1变成-10 dBm，即在强干扰功率不大于-10 dBm的条件下，小信号仍可被逐级线性放大。综上，根据接收信号功率大小进行自动增益控制，可实现信号的可变增益接收，从而提高系统抗强功率干扰的能力。
-
2.4 抗混叠
-
模拟信号被采样后，其频谱会以采样率FS为周期进行周期拓展。若系统存在宽带干扰，则宽带干扰的信号频谱也会以FS为周期进行周期拓展。当采样率设计不合适时，干扰信号频谱会发生混叠，并折叠到有用信号带宽内，这会大幅降低信噪比并严重影响接收机性能。采样率对接收信号混叠的影响如图4所示，图中频率单位为兆赫兹。
-
图4 采样率对接收信号混叠的影响
-
宽带干扰随有用信号被混频到基带，有用信号中心频点被混频到零频，干扰信号频谱在10~50MHz范围内，如图4（a）所示。当采样率FS大于60MHz时，模拟信号经采样，信号频谱发生周期拓展，但信号频谱未出现混叠，如图4（b）所示。当采样率FS小于50MHz时，因采样率较低不能满足带通采样定理，采样后的干扰信号发生周期拓展，拓展信号被折叠在有用信号带宽内，两者在频域混叠，有用信号严重失真，进而影响后续处理，如图4（c）所示。
-
由上述分析可知，针对不同类型、不同带宽的干扰，可通过设计合适的采样率来降低信号混叠对系统的影响。在硬件资源允许的条件下，提高采样率可以提高系统的抗干扰能力。
-
3 仿真试验与分析
-
3.1 干扰对数据链系统的影响
-
在测试环境中通过干扰源释放宽带干扰，对数据链系统进行灵敏度测试。设数据链系统信号中心频率为f0，信号的最高和最低频率分别为fH和fL，即信号频率范围为fL~fH；干扰源释放的干扰带宽为40MHz，干扰的最高和最低频率分别为fJH和fJL，即干扰频率范围为fJL~fJH；干扰最低频率fJL距信号中心频率f0的间隔为8MHz。
-
调整干扰源的输出功率，测试不同干扰功率对接收机灵敏度的影响，结果如表1所示。
-
从表1可以看出：功率为-40 dBm的阻塞式干扰会导致通信中断；功率为-50 dBm左右的强功率干扰导致的接收机灵敏度恶化超过20 dBm；干扰功率降低，干扰对接收机灵敏度的影响变小；当干扰功率降低到-80 dBm以下时，干扰对接收机灵敏度的影响可以忽略。
-
3.2 频域隔离性能分析
-
（1） 滤波特性仿真分析
-
设采样率为80MHz，滤波器带宽为8MHz，阶数为32阶，对滤波器的频谱响应特性进行仿真，结果如图5所示。可以看出，干扰的最低频率fJL与有用信号的中心频率f0的间隔若能增加5MHz，经过相同滤波器，则抗干扰性能可改善24 dB。因此在频段选用时增加对已知干扰的频域隔离，可提升通信系统的抗干扰性能。
-
图5 滤波器频谱响应特性
-
（2） 频域隔离试验分析
-
采用和3.1节相同的试验方法，将干扰的最低频率fJL与信号的中心频率f0的频率间隔设为18MHz，测试干扰对接收机灵敏度的影响，并将测试结果与频率间隔为8MHz的情况进行对比。频域隔离对接收机灵敏度的影响如表2所示。
-
从表2可以看出：将有用信号与干扰信号之间的频率间隔增加10MHz，接收机的抗干扰性能有明显提升；功率为-40 dBm的阻塞式干扰导致数据链无法建链，但当干扰功率降低到-50 dBm时，干扰仅使接收机灵敏度降低了3 dBm；当干扰功率降低到-65 dBm以下时，干扰对接收机灵敏度的影响可以忽略。
-
3.3 抗干扰性能影响因素仿真分析
-
（1） 滤波带宽
-
设信号带宽为8MHz，数字滤波器带宽分别为8MHz和6MHz，干扰为高斯白噪声。在两种滤波带宽下进行误码率仿真试验，仿真结果如图6所示。可知，在高斯白噪声环境中，适当减小滤波器带宽可降低通带内噪声功率，当满足误码率不大于10-6的指标要求时，系统灵敏度可获得约2 dB的提升。
-
图6 不同滤波带宽对误码率性能的影响
-
（2） 采样率
-
采样率分别设置为40MHz和80MHz，其他仿真条件与滤波带宽仿真相同。在两种采样率下进行误码率仿真试验，结果如图7所示。
-
图7 不同采样率对接收机误码率性能的影响
-
由图7可知：当采样率为40MHz时，干扰信号频谱经周期拓展后与有用信号频谱混叠，在信噪比很大时，接收机误码率仍很高，通信质量差；将采样率提高到80MHz，在信噪比为14.5 dB时，接收机误码率满足10-6指标要求。可见，提高采样率可增加系统在宽带干扰条件下通信的鲁棒性。
-
4 结束语
-
目前数据链系统工作的电磁环境复杂，干扰呈现出多样化、强功率、宽频带等特性。为提高数据链系统的抗干扰性能，实现复杂电磁环境下稳定可靠的信息传输，本文在采用扩跳频调制、空域波束形成等抗干扰技术的基础上，进行了提高系统抗干扰性能的工程实现方法研究。采用频域隔离、通道滤波、自动增益控制、抗混叠等抗干扰技术，在不增加系统硬件复杂度的前提下，通过改变系统的设计参数，提高了系统在强干扰信号下的小信号通信能力。仿真试验结果表明：采用本文所提抗干扰工程实现方法，数据链系统在干扰环境下的可靠通信性能得到有效提升。
-
参考文献
-
[1] 张涛． 无线通信抗干扰关键技术研究[D]． 天津：天津大学，2016.
-
[2] 邹佳龙． 无线通信接收机与天线抗干扰设计与实现[D]． 成都：电子科技大学，2020.
-
[3] 杨光，周经伦，罗鹏程，等． 数据链抗干扰性能分析[J]． 计算机科学，2009，36(6)：108-111.
-
[4] 黄长富． 基于波束形成的通信抗干扰算法与FPGA实现[D]． 成都：电子科技大学，2016.
-
[5] 刘立恒． 某通信抗干扰系统的应用研究[D]． 成都：电子科技大学，2013.
-
[6] 赵梦韵． 航天测控通信链路抗干扰接收关键技术研究[D]． 成都：电子科技大学，2021.
-
[7] 王宇． 卫星导航系统中高性能干扰抑制新方法研究及实现[D]． 成都：电子科技大学，2014.
-
[8] 殷璐，严建钢，樊严． Link-16战术数据链抗干扰性能评估与仿真[J]． 航天电子对抗，2007，23(3)：40-42.
-
[9] 耿腊元，毛玉泉，丁笑亮，等． 基于扩频的数据链抗干扰性能研究[J]． 信息通信，2009(6)：12-15.
-
[10] 吕卫华，徐大专． 弹载数据链抗干扰性能分析[J]． 南京航空航天大学学报，2015，47(3)：392-396.
-
[11] 杨丽． 卫星移动通信系统中的抗干扰技术研究[D]． 南京：东南大学，2021.
-
[12] 贾龙龙，赵波． 基于共形相控阵天线的弹载数据链抗干扰研究[J]． 电子质量，2020(3)：71-74.
-
[13] 张春晓，孟晓锋． 数据链抗干扰策略探讨[J]． 信息通信，2011(6)：41-42.
-
摘要
针对人为干扰、民用通信干扰以及电磁信号串扰对数据链系统性能的影响,开展了提高数据链系统抗干扰性能的工程实现方法研究。在不增加系统硬件复杂度的前提下，采用频域隔离、通道滤波、自动增益控制、抗混叠等抗干扰技术，通过改变系统的工程设计参数，提高数据链系统在强干扰、小信号条件下的通信能力。仿真试验结果表明：采用所提工程实现方法，数据链系统在干扰环境下的可靠通信性能得到了有效提升。
Abstract
Aiming at the effects of man-made interference, civilian communication interference and strong electronic signal crosstalk for data link system, the engineering implementation methods of improving anti-interference performance for data link system were studied .Without increasing hardware complexity, the technologies such as frequency domain isolation, channel filtering, automatic gain control, anti-aliasing were used to change the engineering design parameters of data link system, and improve the communication ability of data link system under strong interference. The simulation experimental results show that the communication reliability of the data link system in complex electromagnetic environments is effectively improved by using the proposed engineering implementation methods.
Keywords
data link ； anti-interference ； channel filtering ； automatic gain control ； anti-aliasing
