王燕，韓成龍，范展，梁國龍

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一種低截獲水聲遙控信號的設(shè)計方法及性能分析

王燕1,2，韓成龍1,2，范展1,2，梁國龍1,2

(1. 哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

提出了一種基于時頻擴(kuò)展技術(shù)的低截獲水聲遙控信號設(shè)計方法，分別采用多載波技術(shù)和直序擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)水聲遙控信號的擴(kuò)時調(diào)制和頻譜擴(kuò)展。分析了信號的時寬帶寬對低截獲性能的影響，采用Wigner-Ville分布對時頻擴(kuò)展前后信號的能量分布進(jìn)行了對比研究，利用可檢測距離的概念定量分析了信號時頻擴(kuò)展前后的低截獲性能。理論分析和仿真結(jié)果表明，該時頻擴(kuò)展信號具有低的瞬時功率及譜密度，處理增益大，可檢測距離小，能夠高可靠地實(shí)現(xiàn)信息的隱蔽傳輸。

低截獲；擴(kuò)時；擴(kuò)頻；多載波；可檢測距離

0 引言

低截獲水聲遙控系統(tǒng)要求在高可靠信息傳輸?shù)耐瑫r，降低被截獲的概率，從而保證指令的保密性及發(fā)射平臺的隱蔽性。提高低截獲性能的手段主要有[1,2]：(1) 中繼發(fā)射技術(shù)，將需要大功率發(fā)射的遠(yuǎn)程通信通過中繼臺的轉(zhuǎn)發(fā)形成多個低功率、隱蔽性高的近程通信；(2) 長時間積累技術(shù)，在不降低信號總能量的同時，將能量散布到長時間區(qū)間內(nèi)以降低瞬時功率，從而減小被截獲概率；(3) 擴(kuò)譜通信技術(shù)，通過頻譜的展寬來分散信號能量在頻域上的分布，降低譜密度，同時增加敵方接收機(jī)的頻域匹配難度；(4) 復(fù)合調(diào)制技術(shù)，通過不同調(diào)制方式的組合隱藏信號和增加解調(diào)難度。近年來，低截獲信號的設(shè)計成為研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]使用混沌擴(kuò)頻序列對信號進(jìn)行調(diào)制，并研究了直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的低截獲性能。文獻(xiàn)[4]提出了一種相位隨機(jī)化技術(shù)，通過降低混沌調(diào)制信號之間的關(guān)聯(lián)性來降低被截獲的概率。在對低截獲性能的定量研究中，文獻(xiàn)[5]給出了可檢測距離的概念，并對若干系統(tǒng)的低截獲性能進(jìn)行了定量研究?，F(xiàn)今對基于擴(kuò)譜技術(shù)的低截獲信號設(shè)計研究得較多，而忽視了信號的時域擴(kuò)展對低截獲性能的影響。本文提出了一種基于時頻二維擴(kuò)展技術(shù)的低截獲水聲遙控信號設(shè)計方法，并利用WVD(Wigner-Ville Distribution)和可檢測距離的概念對該信號的低截獲性能進(jìn)行了分析研究。

1 低截獲水聲遙控信號設(shè)計方法

由香農(nóng)定理知，在傳輸最大熵一定時，可以通過增加信號帶寬和持續(xù)時間來降低對信噪比的要求，從而降低被截獲的概率。

對于期望接收機(jī)而言，信號的時間帶寬積越大，經(jīng)過匹配濾波后的輸出增益越大，由截獲因子方程，低截獲性得到了提高。若限制發(fā)射能量，則大時間帶寬積的信號相當(dāng)于將原來傳統(tǒng)波形在時頻空間內(nèi)相對集中的能量沿時頻軸擴(kuò)散開去，有利于低截獲性能的提高[1]。

擴(kuò)頻技術(shù)利用偽隨機(jī)碼對信息的調(diào)制，將待發(fā)信號擴(kuò)展到一個很寬的頻帶上，其發(fā)射信號具有寬頻譜、低譜密度的特點(diǎn)。擴(kuò)時技術(shù)[6]可看作擴(kuò)頻技術(shù)的對偶實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)利用信號在時域上的擴(kuò)展，降低了瞬時功率。

在擴(kuò)時調(diào)制中，與擴(kuò)時序列相乘是在頻域中進(jìn)行，因而在擴(kuò)時調(diào)制前后需要將信息信號分別進(jìn)行傅里葉變換和反變換。若將信息碼視為頻域數(shù)據(jù)，直接與擴(kuò)時序列相乘，再進(jìn)行反傅里葉變換同樣可以完成擴(kuò)時調(diào)制，此時，擴(kuò)時調(diào)制可通過圖1實(shí)現(xiàn)。

圖1 擴(kuò)時調(diào)制的實(shí)現(xiàn)框圖

在多載波系統(tǒng)中，信息被調(diào)制到各個子載波上，每個符號是經(jīng)過調(diào)制的子載波之和，其載波調(diào)制過程可以通過IFFT完成。由圖1可以看到，該擴(kuò)時調(diào)制的實(shí)現(xiàn)可以視為多載波調(diào)制，其基帶信號為與擴(kuò)時序列相乘后的信息序列，即信息序列被調(diào)制為相位不同的擴(kuò)時序列。

將信息信號進(jìn)行擴(kuò)時與擴(kuò)頻的二重調(diào)制，從而可以在瞬時功率與譜密度上均表現(xiàn)出良好的低截獲性能。綜上所述，本文設(shè)計的低截獲水聲遙控信號的調(diào)制框圖如圖2所示。

圖2 低截獲水聲遙控信號實(shí)現(xiàn)框圖

2 性能分析

研究經(jīng)過時頻擴(kuò)展調(diào)制后信號的瞬時功率與譜密度的變化，并以此分析信號的低截獲性能。擴(kuò)頻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是擴(kuò)頻序列優(yōu)良的自相關(guān)特性，以m序列為例，其功率譜為[8]

文獻(xiàn)[9]和[10]通過不同方法研究了擴(kuò)時前后信號瞬時功率的變化，并得到擴(kuò)時后信號瞬時功率的上限值

若將擴(kuò)時系統(tǒng)看作濾波器，則未經(jīng)擴(kuò)時的信號可視為經(jīng)過一個理想低通濾波器，其瞬時功率上限為

圖3 信號檢測器原理框圖

時頻擴(kuò)展信號在不降低通信可靠性的前提下，其時頻平面上的能量密度較未經(jīng)時頻擴(kuò)展時小得多。同時，若接收機(jī)希望截獲全部的信號能量，需要設(shè)置更寬的頻帶范圍及更大的觀測時間，此時進(jìn)入接收機(jī)的噪聲能量也隨之增大，在保持虛警概率不變時，檢測概率會降低?？梢钥吹剑瑫r頻擴(kuò)展信號利用寬的時間和頻率分布區(qū)間使可檢測距離減小，低截獲性能隨之提高。

3 仿真研究

利用WVD對比分析經(jīng)時頻擴(kuò)展調(diào)制前后信號能量的分布。傳送信息碼20bit，采用QPSK映射，多載波符號寬度為2.58ms，頻寬為3.88kHz，時頻擴(kuò)展后符號寬度為80ms，頻寬為25.6kHz，擴(kuò)時擴(kuò)頻序列均為31位m序列，擴(kuò)時31倍，擴(kuò)頻6.6倍。圖4為原始信號、擴(kuò)頻信號及時頻擴(kuò)展信號的Wigner分布。由圖4可以看到，經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制后，信號能量分布到寬的頻率區(qū)間內(nèi)，能量密度有所降低，經(jīng)過時頻擴(kuò)展調(diào)制后，能量分布區(qū)間在時間和頻率軸上均得到擴(kuò)展，能量密度相對于僅經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制的信號進(jìn)一步降低。

圖4 原始信號、擴(kuò)頻信號及時頻擴(kuò)展信號的Wigner分布

4 結(jié)論

本文提出了一種基于時頻擴(kuò)展技術(shù)的低截獲水聲遙控信號的實(shí)現(xiàn)方法，并對其低截獲性能進(jìn)行了定量分析。通過對比分析表明，將信號能量擴(kuò)展到寬的時間和頻率區(qū)間，不僅可降低瞬時功率及譜密度，還可提高期望接收機(jī)的處理增益，時頻擴(kuò)展后信號的可檢測距離降為擴(kuò)展前的0.3倍，大大提高了低截獲性能。此外，該方法實(shí)現(xiàn)簡單，性能良好，具有較好的應(yīng)用前景。

圖5 三種系統(tǒng)的誤碼率曲線

圖6 檢測概率與相對距離的關(guān)系曲線

需要指出的是，時頻擴(kuò)展技術(shù)在提高系統(tǒng)低截獲性能的同時，會帶來頻帶利用率和通信速率的損失。所以，在低截獲水聲遙控系統(tǒng)的設(shè)計中，還需要綜合考量低截獲性、通信可靠性以及通信效率等重要指標(biāo)。但時頻擴(kuò)展技術(shù)仍不啻為構(gòu)建低截獲水聲遙控系統(tǒng)的有效途徑。

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The design and performance analysis of a low intercept probability signal for underwater acoustic remote control

WANG Yan1,2, HAN Cheng-long1,2, FAN Zhan1,2, LIANG Guo-long1,2

(1.Science and Technology on Underwater Acoustic Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang,China; 2.College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China)

A low probability of intercept (LPI) signal for underwater acoustic remote control，which is obtained by utilizing time-frequency spreading technique, is proposed in this paper. Both the Multi-carrier technique for time spreading modulation and the direct sequence spreading spectrum technique (DSSS) are used in the signal design. The relationship between Time-Band width and LPI performance is analyzed, and the comparisons of the energy distribution between original signal and modulated signal are also made. The concept of detectable distance is applied to quantifying the LPI performance. Theoretical analysis and computer simulation indicate that this LPI signal has advantages in lower instantaneous power and spectral density, higher processing gain, and closer detectable distance, and so it can be used reliably to achieve the information transmission with a low probability of intercept.

low probability of intercept; spreading-time; spreading-spectrum; multi-carrier; detectable distance

TB567

A

1000-3630(2014)-03-0260-05

10.3969/j.issn1000-3630.2014.03.015

2013-06-02;

2013-10-16

國家自然科學(xué)基金(51279043, 51209059)、國家“863”計劃 (2013AA09A503)資助項(xiàng)目。

王燕(1973－), 女, 哈爾濱人, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向?yàn)樗?聲信號處理。

范展, E-mail: fanzhan@hrbeu.edu.cn