一種低截獲水聲遙控信號的設計方法及性能分析

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. 哈爾濱工程大學水聲技術重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學水聲工程學院，黑龍江哈爾濱 150001)

提出了一種基于時頻擴展技術的低截獲水聲遙控信號設計方法，分別采用多載波技術和直序擴頻技術實現水聲遙控信號的擴時調制和頻譜擴展。分析了信號的時寬帶寬對低截獲性能的影響，采用Wigner-Ville分布對時頻擴展前后信號的能量分布進行了對比研究，利用可檢測距離的概念定量分析了信號時頻擴展前后的低截獲性能。理論分析和仿真結果表明，該時頻擴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，能夠高可靠地實現信息的隱蔽傳輸。

低截獲；擴時；擴頻；多載波；可檢測距離

0 引言

低截獲水聲遙控系統要求在高可靠信息傳輸的同時，降低被截獲的概率，從而保證指令的保密性及發射平臺的隱蔽性。提高低截獲性能的手段主要有[1,2]：(1) 中繼發射技術，將需要大功率發射的遠程通信通過中繼臺的轉發形成多個低功率、隱蔽性高的近程通信；(2) 長時間積累技術，在不降低信號總能量的同時，將能量散布到長時間區間內以降低瞬時功率，從而減小被截獲概率；(3) 擴譜通信技術，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的頻域匹配難度；(4) 復合調制技術，通過不同調制方式的組合隱藏信號和增加解調難度。近年來，低截獲信號的設計成為研究熱點。文獻[3]使用混沌擴頻序列對信號進行調制，并研究了直序擴頻系統的低截獲性能。文獻[4]提出了一種相位隨機化技術，通過降低混沌調制信號之間的關聯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[5]給出了可檢測距離的概念，并對若干系統的低截獲性能進行了定量研究。現今對基于擴譜技術的低截獲信號設計研究得較多，而忽視了信號的時域擴展對低截獲性能的影響。本文提出了一種基于時頻二維擴展技術的低截獲水聲遙控信號設計方法，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行了分析研究。

1 低截獲水聲遙控信號設計方法

由香農定理知，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。

對于期望接收機而言，信號的時間帶寬積越大，經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。若限制發射能量，則大時間帶寬積的信號相當于將原來傳統波形在時頻空間內相對集中的能量沿時頻軸擴散開去，有利于低截獲性能的提高[1]。

擴頻技術利用偽隨機碼對信息的調制，將待發信號擴展到一個很寬的頻帶上，其發射信號具有寬頻譜、低譜密度的特點。擴時技術[6]可看作擴頻技術的對偶實現，該技術利用信號在時域上的擴展，降低了瞬時功率。

在擴時調制中，與擴時序列相乘是在頻域中進行，因而在擴時調制前后需要將信息信號分別進行傅里葉變換和反變換。若將信息碼視為頻域數據，直接與擴時序列相乘，再進行反傅里葉變換同樣可以完成擴時調制，此時，擴時調制可通過圖1實現。

圖1 擴時調制的實現框圖

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

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

圖2 低截獲水聲遙控信號實現框圖

2 性能分析

研究經過時頻擴展調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。擴頻技術的實現基礎是擴頻序列優良的自相關特性，以m序列為例，其功率譜為[8]

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

若將擴時系統看作濾波器，則未經擴時的信號可視為經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時頻擴展時小得多。同時，若接收機希望截獲全部的信號能量，需要設置更寬的頻帶范圍及更大的觀測時間，此時進入接收機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。可以看到，時頻擴展信號利用寬的時間和頻率分布區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對比分析經時頻擴展調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，時頻擴展后符號寬度為80ms，頻寬為25.6kHz，擴時擴頻序列均為31位m序列，擴時31倍，擴頻6.6倍。圖4為原始信號、擴頻信號及時頻擴展信號的Wigner分布。由圖4可以看到，經過擴頻調制后，信號能量分布到寬的頻率區間內，能量密度有所降低，經過時頻擴展調制后，能量分布區間在時間和頻率軸上均得到擴展，能量密度相對于僅經過擴頻調制的信號進一步降低。

圖4 原始信號、擴頻信號及時頻擴展信號的Wigner分布

4 結論

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

圖5 三種系統的誤碼率曲線

圖6 檢測概率與相對距離的關系曲線

需要指出的是，時頻擴展技術在提高系統低截獲性能的同時，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的設計中，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。但時頻擴展技術仍不啻為構建低截獲水聲遙控系統的有效途徑。

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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

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

王燕(1973－), 女, 哈爾濱人, 教授, 博士生導師, 研究方向為水 聲信號處理。

范展, E-mail: fanzhan@hrbeu.edu.cn