RF链路的干扰和抗干扰措施与设备介绍

无线信号容易受到自然发生的周期性和随机现象的影响，例如背景噪声，EMI，RFI，CME和EMP等等。一些无线技术，如AM，容易受到远距离照明等冲击噪声的影响;和FM等其他设备一样，对荧光灯的某些带内噪声很敏感。作为设计师，我们会尝试并预测我们的设计将受到的情况和环境，并提供修复，解决方案或其他类型的解决方案来解决这些问题。

然而，还有另一种情况，即无线链路特别容易受到干扰，这是故意干扰。在这里，有人故意通过针对特定链接或链接系列特别有效的攻击来阻止链接的通信能力。干扰可以用于恶作剧目的，利益等动机，或者战争期间的军事优势。

带有小盒子或工具包的孩子可以制造和使用干扰器来惹恼父母，学校和类似的混乱的形式。公司可以使用干扰器来干扰竞争对手的运营，减缓或崩溃公司的网络，或阻止重要数据到达目的地。金融机构可以阻止通信，以便在完成可以利用的交易中提供甚至毫秒的优势。军事干扰可能使无人机崩溃，干扰战术通信，甚至堵塞或改变GPS信号以混淆敌人。

本文着眼于干扰技术和技术以及抗干扰措施和设备，即使在有针对性的攻击下也能继续进行无线通信。

Hooray for Hollywood

第一次使用电子对抗措施干扰可追溯到第二次世界大战。雷达控制的炮兵击落了许多盟军飞机。这些系统使用雷达信号来锁定和跟踪空中目标并引导防空火力。当进行关键的联合行动时，射频干扰器由靠近这些武器的抵抗人员放置。新闻影片片段显示榴弹炮由于干扰而疯狂地旋转并随机射击。大炮的设计者太傲慢了，不能考虑干扰的可能性，因此他们从未加入“手动超控”开关。

消除干扰不是一个新问题。女演员Hedy Lamar和作曲家George Antheil在第二次世界大战期间开发了扩频跳频技术，专门用来阻止鱼雷通过无线电频率的广播干扰，干扰他们的操作并导致鱼雷偏离航线。

他们使用钢琴演奏钢琴的原理，以“不可预测的”改变基站和鱼雷之间的基频。当同步启动时，控制中心看似随机控制频率的短暂突发使得几乎不可能卡住。值得注意的是（没有双关语意）最初使用的88个频率对应于钢琴的白键和黑键。

干扰的方法

干扰器可以通过多种方式干扰系统的正常操作。如果可以实现对控制中心的远程访问，则将盘子转向例如零点可以有效地使链路静音。随着越来越多的关键基础设施被放置在线并传输到云端，这个问题变得越来越重要，为那些寻求削减电力，重定向链路甚至关闭它们的人提供了漏洞。

本地干扰是一种更直接的方法，因为目标可能在运动中。这里，当在特定频带上传送时，比初始信号更高的功率电平可能压倒接收器并阻止通信。火花隙会发出噪声，在每个波段和每个频率都会产生能量。然而，较窄频率范围内的噪声也会造成严重破坏。作为一个例子，淘气的人设计，建造，演示，甚至提供简单的干扰器来毁掉其他人的一天。例如，在线发现的袖珍射频干扰器和噪声发生器（图1）的套件和计划可产生0到128 MHz范围内的噪声，特别是干扰无线电控制的物体，如飞机，船只，汽车和机器人< SUP> 1 。这些套件作为教育产品销售，因为有意干扰RF信号是非法的 2 。

图1：公共领域和“教育”工具包和设备随时可用于阻塞和干扰常见的频段和服务。将抗干扰技术整合到单芯片无线电中变得越来越重要。

除了基于电源和频率的干扰之外，智能干扰器也是一个问题。在这里，技术被设计为混乱无线协议操作而不是用噪声压倒接收器。例如，以802.11为中心的以太网和IP协议，您可以违反帧间间隔规则和欺骗RTS/CTS消息，使频道看起来持续繁忙。如果您可以无线访问第3层路由器，您甚至可以重定向流量，拦截流量，破坏流量，然后将其发送到路上。

这已成为一种越来越有效的技术。它可能是隐身的，因为它使用更少的能量，对受害者来说不那么明显。随着前瞻性的军事和防御系统越来越依赖射频链路，单独加密和跳频可能还不够好。

即使没有提取或更改数据，遇到干扰频段的干扰信号也可能导致发射机比通常情况下停留更长时间。累积效应将比预期更快地耗尽电池，从而降低远程或埋藏的链路。

由于这些原因，国防高级研究计划局（DARPA）正在寻找创新的抗干扰解决方案，并正在根据其超宽带启用射频信息（HERMES）计划征求请求 3 。整个联邦政府，包括执法，军事，通信和控制，只有1.4％的权利。这可能使军事频谱管理变得困难，特别是在信号自相残杀或干扰的威胁日益增加的情况下。这与2010年总统令相吻合，即到2020年将另外500 MHz的频谱用于商业用途，并更有效地使用频谱并使其更具抗干扰性。

抗干扰设计

设计人员在他们的技巧包中有更宽的频段，更窄的带宽和动态重新配置。其他专有技术也将被采用，因为正如你可能想象的那样，这项技术就像桑德斯上校的秘诀一样：非常谨慎。

DARPA提议在20 GHz以下工作时寻找超过10 GHz的瞬时带宽。将需要硬件和DSP技术来采用编码增益和使用频谱滤波来动态地移位信号以及补偿大气吸收。总体目标是实现超过70 dB的干扰抑制。像ADI公司的ADSP-BF609BBCZ-5 Blackfin双核处理器这样的部件可能是一个不错的选择，因为每个500 MHz核心都包含MAC，ALU和桶形移位器，用于实现专有的基于DSP的加密和跳频算法。

德州仪器还提供混合双核解决方案TMS320C6727BZDH350，该解决方案结合了DSP和ARM，可使用复杂的代数和差分跳频算法动态生成重新加密的加密密钥。

< p>另一种技术是使用大量窄带信号和短数据突发，这些信号不会让干扰器检测到或阻止传输。例如，以2,414,012 MHz和2,414,013 MHz为中心的1 Kbit/sec传输很容易让干扰器通过将其功率集中在该频率来找到并压缩该传输。但是，如果您的设计在2,410 Mhz至2,420 MHz范围内的5,000个不同的2 KHz宽频带中的一个中使用100位突发数据，则干扰器需要使用500倍的功率，并且仅需要10％的效率在这里和那里点击几下来让接收器烦人。编码的前向纠错也可以减少或消除重新传输的需要。

频段越多，跳频越快（甚至可变跳频），就越容易堵塞一旦发送器和接收器同步。

加密帮助

加密也将在这里发挥作用。任何可以减缓智能干扰或防止数据拦截的事情都是一件好事。同样，基于硬件的实时加密和解密技术的性能优于单独的软件加密。

用于Xpress加密模块的Digi-International XEB-AW140-DK等开发套件可能是一个很好的起点（图2）。它不仅可以快速开发NIST认证，还可以作为嵌入式微控制器的PCI从外设，用于快速测试有线或无线链路。性能可调低低延迟或吞吐量，两个独立的受密码保护的用户模式 - 加密官和用户 - 确保可以测试安全的日常操作。

图2：专用加密模块和开发系统可以帮助设计人员开发专有加密或跳频算法，使查找和阻塞无线通信变得更加困难。

现实世界的应用程序可能要求使用基于ASIC或FPGA的密钥和算法来实现安全和专有的跳频和频谱使用。在本文中，我们研究了干扰技术和技术以及抗干扰方法，即使在有针对性的攻击下也能继续进行通信。然而，无论使用哪种抗干扰技术，该领域的设计者一开始就知道这是一种猫捉老鼠的游戏，而老鼠有时会获胜。