一種噪聲調制技術及其性能分析

李仁珅，王永斌，付天暉

(海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033)

一種噪聲調制技術及其性能分析

李仁珅，王永斌，付天暉

(海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033)

隱蔽通信對信號的隱蔽性能提出了很高的要求，為提高信號傳輸的隱蔽性能，適應現代隱蔽通信的發展需求，提出了一種噪聲調制技術。噪聲調制不同于傳統的調制技術，利用噪聲波形代替正弦波形，信號以真正的噪聲波形進行傳輸，并具備一定的帶寬優勢；設計了一種直接采用噪聲調制的通信系統方案，并分別與BPSK調制技術和直接序列擴頻技術在抗噪聲性能與隱蔽性能上進行了仿真對比，驗證了噪聲通信的可行性。

噪聲調制；隱蔽；BPSK；直接序列擴頻

0 引言

擴頻通信系統具有抗干擾、低截獲率、可實現碼分多址以及抗多徑效應等特點，被廣泛應用于通信中，國內外關于軍事隱蔽通信[1-4]的研究也主要在擴頻通信方面，但如果采用當下先進的偵察技術仍然可以檢測到擴頻信號。噪聲通信，即以噪聲為信號載體的通信方式。通過噪聲調制用噪聲將基帶信號擴展到一個更寬的頻帶內，使其在信道中以噪聲的形式傳輸，因此系統更具隱蔽性和抗干擾性。接收端采用相同的噪聲進行相關解調，從而恢復出原始數據[5]。噪聲通信能夠顯著地提高通信信號的隱蔽性，可應用于軍事通信、電子對抗領域[6]。

文獻[5]提出了2種噪聲通信體制，在理論上分析了噪聲通信的可行性，但在實際操作上還存在問題，仿真效果并不理想。本文提出了一種噪聲調制技術，設計了相應的通信系統，并對其性能進行了仿真分析。

1 噪聲調制工作原理

噪聲調制通信就是直接用基帶信息鍵控特定帶寬內的噪聲信號，在接收端也用相同的濾波器濾波后的噪聲進行解調，把基帶信號解調出來，噪聲調制系統圖如圖1和圖2所示。

圖1 噪聲調制系統發射端

圖2 噪聲調制系統接收端

1.1 發射端

噪聲發生器產生高斯白噪聲，經過帶通濾波器變為帶限噪聲nA(t)，并利用反相器產生與nA(t)反向的帶限噪聲nB(t)，帶寬為Bs；信源產生二進制數據0與1，帶寬為Bm，分別調制2路波形。當其為0時，使控制器輸出nA(t)；當其為1時，使控制器輸出nB(t)。經噪聲調制后的信息波形的瞬時頻率和波形具備噪聲特性，與一般的正弦載波調制相比沒有明顯的周期性。

1.2 接收端

接收的信號no(t)=n1(t)+nr(t)，式中,n1(t)為調制信號，nr(t)為信道噪聲。經寬帶放大后與接收端本振噪聲no(t)進行相關解調，因不同噪聲間相關系數極低，但相同噪聲的相關系數為1，且波形相反的噪聲之間的相關系數為-1；由此可在接收端經過比較器將信息解調出來。

2 噪聲調制解調系統性能分析

2.1 相關性分析

噪聲幅度相對值Ar,噪聲平均幅度An與信號平均幅度As的關系，如式(1)所示：

(1)

選擇2路波形相差180°的噪聲作為本振噪聲A、本振噪聲B，接收端A路信號與本振噪聲的相關系數θ。利用Matlab軟件仿真了噪聲幅度相對值Ar與θ的關系曲線,如圖3所示。

相關系數θ的取值范圍為-1～1。θ值為0.00～±0.30時為微相關，±0.30～±0.50為實相關，±0.50～±0.80時為顯著相關，±0.80～±1.00為高度相關。如圖3所示，隨著噪聲幅度相對值的增加，A路接收信號與本振噪聲的相關系數不斷下降，當噪聲幅度相對值Ar<2時，相關系數θ>0.4，屬于實相關以上范疇，即使在Ar=5時，依然具有較強的微相關屬性，接收信號與本振B噪聲的相關系數為-θ。理論上，在接收端進行解調時2路信號進行相關，連接比較器對2路數值進行比較后，將得到很好的解調效果。

圖3 相關系數曲線

2.2 直接噪聲調制與BPSK調制系統仿真比較

噪聲調制選用的調制波形是相位相差180°的噪聲波形。噪聲調制信號與BPSK信號在AWGN信道下的性能如圖4所示，在相同的信道條件下，噪聲調制與BPSK系統在誤碼率性能上基本處于同一水平。經過選取不同的噪聲信號進行仿真發現，噪聲調制的誤碼率曲線基本與BPSK調制的誤碼率曲線[7]保持一致，且波動很小，可以忽略不計。綜上可見，噪聲調制具備優良的誤碼率性能。

圖4 誤碼率曲線

2.3 噪聲調制與BPSK調制的頻域、時域特征比較

取Eb/N0=10 dB，對2種調制信號分別做FFT運算。由圖5(a)和圖5(b)可以看出，BPSK調制波形選用單一頻率為f1=100 Hz的正弦波，加入高斯白噪聲后，頻域上在f1處出現尖峰，特征明顯易識別；圖5(c)和圖5(d)中噪聲調制后的波形，頻譜得到展寬，加入高斯白噪聲后，信號隱藏在噪聲中，在頻域上難以被發現。

由圖6可以看出，取Eb/N0=10 dB時，2種調制信號在時域上差距并不明顯，而經過多次仿真發現，當Eb/N0的值增大時，BPSK信號波形較噪聲調制信號波形的時域更明顯。

綜上可以看出，噪聲通信因調制的波形是具有一定寬帶的噪聲，因而信號帶寬展寬，隱藏于噪聲中，頻域特征不明顯；又因其以真正的噪聲作為傳輸信號，時域特征與噪聲基本一致，故在隱蔽性上效果更好。

圖5 BPSK調制與噪聲調制信號頻域圖

圖6 BPSK調制與噪聲調制信號時域圖

2.4 噪聲通信與直擴通信的抗截獲性能比較

直擴信號的振幅是固定不變的，信號的相位隨擴頻碼的變化而變化[8-10]。對于BPSK調制直擴信號的檢測，由于信號相位只有0和π，可以對信號平方，消除相變，產生二倍頻載波，對其進行包絡檢波，可求出原始載頻，即為直擴信號的平方倍頻檢波。

信噪比設為-6 dB，圖7(a)中直擴信號的載頻為2 kHz，信號速率為1 kHz，擴頻倍數為511，經過平方倍頻檢測后，載波的二倍頻在頻譜上得到一個峰值(由于沒有對平方后的信號進行濾波處理，所以直流分量保留，但對本實驗沒有影響)；圖7(b)中噪聲調制信號的速率為1 kHz，噪聲因子(采用的是隨機數來表示噪聲，噪聲因子為一比特信息鍵控的隨機數的個數)為1 000，噪聲調制信號由于是一段寬頻信號，且無載頻，頻譜上沒有明顯變化。可以發現采用直擴信號常規的平方倍頻檢測方法不能檢測出噪聲調制信號，說明噪聲調制比直擴信號具有更高的抗截獲性能。

圖7 平方倍頻檢測

3 結束語

根據噪聲通信的基本原理，提出了一種噪聲調制技術，通過理論分析以及仿真實現驗證了噪聲通信的抗噪聲與隱蔽性能。與文獻[5]中的2路噪聲有所不同，本文提出的噪聲調制技術所選擇的2路噪聲是波形相差180°的噪聲，通過仿真驗證了其良好的解調性能。對直接噪聲調制解調系統與BPSK調制解調系統進行仿真比較，發現兩者性能幾乎沒有差別；比較兩者在時域與頻域上的隱蔽性特征,發現噪聲調制在時域和頻域上特征不明顯，具有很強的隱蔽性；與直擴通信平方倍頻檢測時的性能進行對比發現，噪聲調制信號更難被檢測，說明其具有更好的隱蔽效果。隱蔽通信的本質就是使信號無限接近于噪聲進而隱藏在噪聲里，噪聲通信理論上正是隱蔽通信的最終目的。噪聲通信研究的難點在于噪聲的產生與濾波器的設計，這是目前噪聲通信所面臨的問題，但隨著技術的進步，噪聲通信將成為未來隱蔽通信研究的主要方向。

[1] 劉翠海,王文清.外軍潛艇通信關鍵技術及發展趨勢[J].電訊技術,2011(7):1-2.

[2] 張建華,孫衛華.潛艇水下隱蔽通信技術研究[J].艦船電子工程,2010(2):1-2.

[3] 張華熊,張朝陽,仇佩亮.一種新的隱蔽通信算法[J].電子學報,2003(4):2-3.

[4] 蘇育挺，張春田.隱蔽通信中的數據偽裝技術[J].天津通信技術,1998(9):1-2.

[5] 徐穆洵.噪聲通信[J].軍事通信技術,1995(9):1-3.

[6] 張 杰.短波低速數據傳輸性能提升技術研究[D].西安：西安電子科技大學，2012.

[7] 樊昌信,曹麗娜.通信原理[M].北京:國防工業出版社,1995.[8] 董珊珊.混沌直擴技術的研究及其在隱蔽信道的應用[D].成都：電子科技大學，2008.

[9] 沈琪琪，朱德生.短波通信[M].西安：西安電子科技大學出版社，1990.

[10]馬 根，孫浩茗，孫 靜.自編碼擴頻序列的性能研究[J].山東輕工業學院學報,2008(9):2-3.

Analysis on a Noise Modulation Technology and Its Performances

LI Ren-shen,WANG Yong-bin,FU Tian-hui

(College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan Hubei 430033,China)

The covert communication has high requirements on covert performance of signal.In order to improve the covert performance of signal transmission and meet the development of modern covert communication,this paper puts forward a noise communication technology.Different from the traditional modulation technology,the noise modulation technology replaces noise waveform with sine waveform and transmits the signals by using real noise waveform,which has some advantage on bandwidth.A communication system solution using noise modulation is designed,which is compared with BPSK and DSSS,on anti-noise performance and covert performance.The simulation and comparison results prove the feasibility of noise communication.

noise modulation;covert performance;BPSK;DSSS

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.10

李仁珅，王永斌，付天暉.一種噪聲調制技術及其性能分析[J].無線電通信技術,2017,43(2):41-43.

2016-12-26

李仁珅(1991―)，男，碩士研究生，主要研究方向：數字信號處理。王永斌(1961―)，男，教授，碩士生導師，主要研究方向：水下通信、長波通信。

TN911.3

A

1003-3114(2017)02-41-3