基于變時隙的潛艇短波隱蔽通信新技術?

潘 兵（北京圣非凡電子系統技術開發有限公司北京102209）

基于變時隙的潛艇短波隱蔽通信新技術?

潘 兵
（北京圣非凡電子系統技術開發有限公司北京102209）

為適應新形勢下的復雜海戰場電磁環境，我軍需要突破傳統的潛艇隱蔽通信體制，必須尋求新型隱蔽通信體制。為此，提出了一種基于變時隙（Varilab Time Slot，VTS）的抗偵察抗截獲通信新技術。擬采用線性調頻信號作為脈沖信號，發端每次瞬間發送一個窄脈沖寬帶信號（例如信號暴露時間￡0.5ms），發送N個窄脈沖代表一個數據，解決了接收端在極短猝發時間內同步解調難的難題。開創了潛艇短波隱蔽通信信號設計的新思路，通過設計窄脈沖寬帶的低截獲概率信號，使得敵方難以捕獲信號，同時通過設計發射信號脈沖時隙具有不確定性的特征，使得敵方的準確捕獲定位困難，達到防定位的目的，從而實現潛艇隱蔽通信。

變時隙；隱蔽通信；抗偵察；抗截獲

ClassNumber TN92

1 引言

目前，潛艇對外發信主要是短波和衛星通信方式［1］，采用猝發方式以期提高發信隱蔽性是普遍采用的一種技術手段［2］。但是對短波通信而言，方向性差，猝發時間長，調諧時間較長［3］，為實現遠距離通信發射功率大且信號全向輻射，已經很不安全。以美國為首的敵對力量在我周邊部署了天、空、岸、海等快速、立體、多維的對潛通信偵察體系，可對我國潛艇的短波通信進行全方位偵察。而天基、岸基和水面艦艇對潛艇無線電通信偵察的威脅是主要的，可對毫秒級的短波猝發信號進行偵察截獲，對我潛艇的安全性構成巨大威脅。為此，需要研究新型的抗偵察抗截獲性能好的潛艇短波隱蔽通信技術以對抗敵對威脅。

2 變時隙隱蔽通信思路

根據國內外潛艇短波隱蔽通信及通信對抗發展現狀，本文擬定0.5ms的通信信號猝發時間，是指發端每次瞬間發送一個窄脈沖信號，以發送5個窄脈沖代表一個數據信息，回避了接收端同步難的難題。0.5ms的猝發信號暴露時間已經超出了敵方偵察截獲的極限范圍［4］，敵方對0.5ms的潛-岸短波猝發信號無法進行有效偵察、截獲、測向、定位、干擾等一系列處理（若敵方偵測系統收到的短波信號SNR較低時，更難偵察截獲），從而消除或大幅降低對我軍遂行軍事活動的安全威脅。

猝發傳輸由于發射短促，一方面可以使用較大的脈沖功率，在功率戰方面，對干擾方來說，通信方有明顯優勢；另一方面，由于信號在空間暴露時間極短而大大降低了被偵聽的概率。因此設計的猝發信號兼有猝發通信和擴頻通信的優點，是兩者完美的結合［5］。這種結合使系統具有很強的抗偵察、抗截獲和抗干擾能力。但這種方式在大容量連續通信中不適用，適合特殊應用需求，如本文研究的潛-岸短波隱蔽通信。

如圖1所示為窄脈沖信號示意圖，為方便理解假定通常脈沖串之間時隙等間隔。

設計時脈沖串峰值功率可設定為較大（SNR> 0dB），脈沖寬度擬定為0.5ms，脈沖重復頻率為10個/秒，在1s時間內相鄰脈沖的時隙平均值為110.56ms。

圖2所示為變時隙測試方框簡圖。

由于發射脈沖較窄（0.5ms），故能將各條主徑來的脈沖信號分開，因此只需對接收的主徑信號進行測峰值時間［6］。

3 變時隙通信設計

3.1 變時隙通信方案

經研究，發射窄脈沖串擬采用線性調頻信號作為窄脈沖進行發射為宜，設計中心頻率fc=64KHz，脈沖時寬T=0.5ms，信號帶寬B=128KHz。

圖3為窄脈沖和匹配后的時域和頻域波形圖，可以看出窄脈沖波形與本地脈沖波形經過匹配濾波后，形成一個尖銳的相關峰，該峰值便于接收端提取峰值信息并同時確定該時刻信息，依次解出4個時刻信息即可確定當前5個窄脈沖代表的數據信息。

發射時，將中心頻率為64KHz的窄脈沖信號調制到1.5MHz~30MHz短波段［7］，采用“定頻”定向發射（通常按照晝夜時間約定收發短波頻率），接收時根據預先已知的“定頻”頻率，調整本振，將射頻信號搬移至基帶，然后經高精度AD采樣，采用FPGA進行前端預處理，后續采用先進的DSP進行數字信號處理并及時解調出當前發送的數據信息，圖4為整體設計結構框圖。

發射脈沖時使用軟件定義的隨機時隙，依次發送5個脈沖（代表數據0-F）。接收機收到Chirp脈沖后，通過脈沖壓縮即可檢測相關峰［8］，每檢測一個相關峰后，同時記錄相關峰時間，將5個相關峰全部接受完畢后，從而得出5個峰值之間的4個時隙，再從時隙表中查找出對應的數據（0-F），即可恢復原始信息。

3.2 變時隙通信設計

本文設計的潛艇短波VTS隱蔽通信系統信號處理流程如圖5所示。

為進一步提高收信可靠性，可采用海上潛艇一點發信，岸上多點接收（空間分集）［9］，另外還可以采用時間分集發送，每個數據發送N遍，岸上同樣多點接收，解調時間約增加N倍，達到多維分集處理效果。

定最大約500ms發4bit有用信息，相鄰脈沖時隙平均間隔約124ms，信息速率約為8bps，依然滿足短波最低限度保障通信要求。

從信息速率上看，通信有效性低，但隱蔽性提高了，這是以有效性換取可靠性為代價的，這時候其他通信手段可能會被敵方偵察、截獲、測向、定位等，但新型隱蔽通信方式可更安全通信，將重要信息傳遞指揮所，使其有效指揮作戰，提升整體作戰效能。

收信時，檢測5個脈沖的不同時隙，根據預先存儲16張時隙表可解調出發送的數據信息，表1所示為時隙表。由表1可知脈沖時隙1模式，若長期使用，容易被敵方發現規律和破解信息，具體使用時可將該最簡模式刪去，只保留其余4095種模式，表1中的脈沖時隙2為隨機時隙模式。

表1 時隙表

隨機時隙模式增大敵方發現規律和解析信息。若采用全部排列組合方式最多可達65536種，每個數據均有4096種時隙代表，采用偽隨機方式選擇其中一種，可采用m序列確定，由于m序列初始寄存器不能全為0，因此，12位移位寄存器最多可確定4095個1~4095范圍內的隨機數據，在此可以將特殊時隙（4個時隙均相同）去掉，每個數據（0~F）均有4095種時隙代表。

具體實現時可創建16張時隙表（16進制數0~F對應的查找表），圖6為發送端簡化過程圖。發送數據時，從發送寄存器中取一個數據（0~F）時，同時從4095種隨機時隙選其一進行時隙映射、基帶調制、射頻調制、天線輻射等，每次發送5個chirp脈沖。

16張表，每張表對應一個數據（0~F），可以預先用FPGA的內部ROM存儲器進行存儲，每張表4095個時隙組合。

表2為數據0對應的表1，共計4095種不同時隙組合代表十六進制數0，1~F對應的表依次類推。

表2 數據0對應表1

發送數據時每來一個數據（0~F）時，從查找表中隨機選擇一個時隙（如72 64 64 64），依次發送窄脈沖，可通過計數器依次發送窄脈沖波形（時寬0.5ms）。

圖7為產生1~4095的隨機數框圖，它是通過m序列設計的，還可以拓展其他序列，如Gold序列、Kasami序列、混沌序列等可進一步增強序列的偽隨機性。

3.3 變時隙通信可行性分析

短波通信環境惡劣，設計時避不開多普勒頻移、多徑時延、多徑衰落等分析和論證。據統計，短波信道中2～4條路徑約占85%，3條最多，2條、4條次之，5條以上可以忽略［10］。

在此分析多普勒頻移對接收端的匹配濾波影響（不考慮多徑時延影響），以常用短波最大頻偏±75Hz為例［11］，圖8為接收機收到的窄脈沖無頻偏和頻偏±75Hz的匹配輸出結果圖。

從圖8可以看出即使在-3dB信噪比下，考慮短波最大的頻率偏移情況也幾乎無影響。

短波多徑時延在0.5ms~5ms占據99.5%以上，而多徑個數3條最多，本文以典型時延和路徑個數為參數。

取典型路徑3條，典型時延2.5ms，由于發射脈沖較窄（￡0.5ms），接收端能將各條主徑來的脈沖信號分開，對接收的主徑信號進行測峰值時刻，并且相鄰脈沖峰值設計的間隔差為8ms，經過分析，此時幾乎可忽略多徑效應影響。

接收機需要快速捕獲空中￡0.5ms的窄脈沖信號，捕獲后接收端擬采用1.024MHz采樣頻率采集0.5ms的Chirp信號，共計512個采樣數據，對采樣得到的512個數據與本地匹配濾波數據進行滑動相關運算，相關運算后數據增加為1023個，當滑動到理想情況時峰值脈沖時刻應在0.5ms時刻。

1）快速捕獲

通過研究比較，滑動相關法是最簡單、最實用的方法［12］。收信端將接收信號做滑動相關處理，當接收信號的相關度足夠大時，判定信號的捕獲；同時通過相關算法提取各窄脈沖數據波形的峰值信息。

相關處理雖然思路清晰，但運算量頗大。實際相關法捕獲的實現如圖9所示。

連續流入的解調數據，與參考的本地匹配序列（稱為參考序列）相關后，相關值形成一條時域上具有尖銳峰值的連續曲線。

2）捕獲能力

理論分析表明：信號的信噪比越高，對信號的捕獲能力越強；窄脈沖的持續時間越長，對信號的捕獲能力越強。仿真測試的數據舉例如下：

（1）窄脈沖信號長度為0.5ms，信號的信噪比SNR=-10dB時，信號的捕獲概率大于99%；

（2）窄脈沖信號長度每提高一倍，獲得相同的信號的捕獲概率，對信號的信噪比要求降低約3dB。

由此可見，加長窄脈沖信號長度是提高信號捕獲能力的有效辦法。加長窄脈沖時寬帶來了處理的運算量的提高和隱蔽性能的下降，因此窄脈沖信號長度需做合適的選擇，在此擬選定￡0.5ms為宜。

下面依次分析有無高斯白噪聲情況和有無偏移情況的相關運算，理想情況下接收采集的序列與本地序列完全匹配，僅有一個相關峰并且峰值最大。

無高斯白噪聲情況：相關峰比較干凈。

如圖11所示，當接收機捕獲的信號還未進入滑動相關時，即沒有進入相關處理的窄脈沖數據，此時相關值均為0，進入32個數據和64個數據時，均未見明顯相關峰值，當進入的數據大于64個時，具有明顯相關的相關峰值。

下面分別給出不同信噪比SNR情況下的相關峰值。

SNR=0dB時，有明顯的相關峰！

SNR=-6dB時，依然具有一定的相關峰！

以上全部采取0.5ms數據漸進式進入滑動相關處理的輸出結果圖。分析可知當信噪比為0dB~ 3dB時，即使存在多徑效應，對采集的數據進行相關處理可以確定峰值及當前峰值的時刻信息。

從圖10~圖12中可以看出當采集的數據進入一半（256個）數據時，其余256個數據未進入，此時有一半數據為高斯白噪聲，即錯位一半情況，時間偏差大約為0.25ms，若收發端同時出現上述兩種極端情況，即最大時間偏差約為0.5ms。而當信號全部沒有采集到，此時相當于無窄脈沖數據的情況，也就是說此時是最差的情況，但這種情況出現可能性不大（只有接收的數據全部出現深度衰落，當然也存在這種情況，此時采用分集接收方法提高收信可信度），當采取進入滑動一半數據做判斷處理可提高處理速度，但為了使接收的可信度更高，可以將采集的數據（數據長度1.5ms，有效的數據為0.5ms，其余的均為噪聲）依次滑動0.5ms~1.5ms，當出現的峰值數據>250時，此時的定時信息最佳，記錄當前時刻信息，后續脈沖串數據同樣可以進行類似處理，當前后脈沖的定時信息有前后挪動0.5ms的偏差，總計偏差1ms時刻，而預先設計的8ms時隙間隔，對其構成不了太大誤差，只要接收端匹配濾波輸出相鄰時隙差限制±1ms內，均可正確判決，例如兩個相鄰脈沖間隔若為63ms~65ms內，均可認為時隙值為64ms。

此外，借鑒經典莫爾斯碼思想，可形成二維變時寬-變時隙猝發通信技術。

例如設T=［200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900］us

從17種時寬中選擇4個進行組合，可重復選。共有17×17×17×17=83521種組合方式，接收時需要同時檢測窄脈沖時寬和時隙，從通信的安全角度看，這時候的通信抗偵察抗截獲能力將顯著提升，從工程實現角度看較定時寬脈沖實現更難。

例如每次發4個脈沖，4個脈沖相鄰間隔100ms~300ms之間隨機時隙，為使接收端區別相鄰數據，相鄰的兩個4個脈沖間隔31s，以達到數據同步目的。

4 結語

本文針對當前潛艇短波隱蔽通信及敵方通信偵察的發展現狀，提出一種基于變時隙的短波隱蔽通信新技術，它比一般的跳時擴頻和單一猝發通信系統具有更強的抗偵察抗截獲能力，作為一種新隱蔽通信體制，只是進行了基本的原理理論分析，其抗偵察抗截獲問題還需要進行定量研究，在工程實現中還有許多要考慮的問題，如核心難題的是對極短時間內的短波猝發信號進行有效的檢測問題還要有待研究，隨著對極窄脈沖的短波信號檢測技術不斷深入研究，未來可以將新的隱蔽體制工程實踐化，豐富和完善我潛艇短波隱蔽通信體系。

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New Technology of Submarine HFCovert Comm unication Based on Variable Tim e Slot

PAN Bing
（Beijing Shengfeifan Electronic System Technology DevelopmentCo.，Ltd，Beijing 102209）

In order to adapt to the complex electromagnetic environment of the sea battlefield under the new situation，the traditional submarine covert communication system need to be broken through.For this reason，this paper proposes a new anti reconnaissance and anti interception communication technology based on variable time slot（VTS-Varilab Time Slot）.The LFM signal is a pulse signal，start every time sends a narrow pulse signal（such as broadband signal exposure time is less than 0.5ms），sends N narrow pulse to represent a data，solves the problem of receiving end in a short burst time synchronous demodulation difficult.A new idea of submarine covert communication shortwave signal design is created，by designing the low probability of intercept signal of narrow pulse broadband，it's difficult to capture signals for enemy，at the same time through the design of signal pulse slot has the characteristics of uncertainty，the enemy captured positioning is difficult，so the purpose of anti-positioning is achieved，and the security of the submarine communication is realized.

VTS，covertcommunication，anti-reconnaissance，anti-interception

TN92 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.013

2016年11月11日，

2016年12月24日

潘兵，男，碩士，工程師，研究方向：通信信號處理。