一种低截获水声遥控信号的设计方法及性能分析

王燕，韩成龙，范展，梁国龙



一种低截获水声遥控信号的设计方法及性能分析

王燕1,2，韩成龙1,2，范展1,2，梁国龙1,2

(1. 哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，黑龙江哈尔滨 150001；2. 哈尔滨工程大学水声工程学院，黑龙江哈尔滨 150001)

提出了一种基于时频扩展技术的低截获水声遥控信号设计方法，分别采用多载波技术和直序扩频技术实现水声遥控信号的扩时调制和频谱扩展。分析了信号的时宽带宽对低截获性能的影响，采用Wigner-Ville分布对时频扩展前后信号的能量分布进行了对比研究，利用可检测距离的概念定量分析了信号时频扩展前后的低截获性能。理论分析和仿真结果表明，该时频扩展信号具有低的瞬时功率及谱密度，处理增益大，可检测距离小，能够高可靠地实现信息的隐蔽传输。

低截获；扩时；扩频；多载波；可检测距离

0 引言

低截获水声遥控系统要求在高可靠信息传输的同时，降低被截获的概率，从而保证指令的保密性及发射平台的隐蔽性。提高低截获性能的手段主要有[1,2]：(1) 中继发射技术，将需要大功率发射的远程通信通过中继台的转发形成多个低功率、隐蔽性高的近程通信；(2) 长时间积累技术，在不降低信号总能量的同时，将能量散布到长时间区间内以降低瞬时功率，从而减小被截获概率；(3) 扩谱通信技术，通过频谱的展宽来分散信号能量在频域上的分布，降低谱密度，同时增加敌方接收机的频域匹配难度；(4) 复合调制技术，通过不同调制方式的组合隐藏信号和增加解调难度。近年来，低截获信号的设计成为研究热点。文献[3]使用混沌扩频序列对信号进行调制，并研究了直序扩频系统的低截获性能。文献[4]提出了一种相位随机化技术，通过降低混沌调制信号之间的关联性来降低被截获的概率。在对低截获性能的定量研究中，文献[5]给出了可检测距离的概念，并对若干系统的低截获性能进行了定量研究。现今对基于扩谱技术的低截获信号设计研究得较多，而忽视了信号的时域扩展对低截获性能的影响。本文提出了一种基于时频二维扩展技术的低截获水声遥控信号设计方法，并利用WVD(Wigner-Ville Distribution)和可检测距离的概念对该信号的低截获性能进行了分析研究。

1 低截获水声遥控信号设计方法

由香农定理知，在传输最大熵一定时，可以通过增加信号带宽和持续时间来降低对信噪比的要求，从而降低被截获的概率。

对于期望接收机而言，信号的时间带宽积越大，经过匹配滤波后的输出增益越大，由截获因子方程，低截获性得到了提高。若限制发射能量，则大时间带宽积的信号相当于将原来传统波形在时频空间内相对集中的能量沿时频轴扩散开去，有利于低截获性能的提高[1]。

扩频技术利用伪随机码对信息的调制，将待发信号扩展到一个很宽的频带上，其发射信号具有宽频谱、低谱密度的特点。扩时技术[6]可看作扩频技术的对偶实现，该技术利用信号在时域上的扩展，降低了瞬时功率。

在扩时调制中，与扩时序列相乘是在频域中进行，因而在扩时调制前后需要将信息信号分别进行傅里叶变换和反变换。若将信息码视为频域数据，直接与扩时序列相乘，再进行反傅里叶变换同样可以完成扩时调制，此时，扩时调制可通过图1实现。

图1 扩时调制的实现框图

在多载波系统中，信息被调制到各个子载波上，每个符号是经过调制的子载波之和，其载波调制过程可以通过IFFT完成。由图1可以看到，该扩时调制的实现可以视为多载波调制，其基带信号为与扩时序列相乘后的信息序列，即信息序列被调制为相位不同的扩时序列。

将信息信号进行扩时与扩频的二重调制，从而可以在瞬时功率与谱密度上均表现出良好的低截获性能。综上所述，本文设计的低截获水声遥控信号的调制框图如图2所示。

图2 低截获水声遥控信号实现框图

2 性能分析

研究经过时频扩展调制后信号的瞬时功率与谱密度的变化，并以此分析信号的低截获性能。扩频技术的实现基础是扩频序列优良的自相关特性，以m序列为例，其功率谱为[8]

文献[9]和[10]通过不同方法研究了扩时前后信号瞬时功率的变化，并得到扩时后信号瞬时功率的上限值

若将扩时系统看作滤波器，则未经扩时的信号可视为经过一个理想低通滤波器，其瞬时功率上限为

图3 信号检测器原理框图

时频扩展信号在不降低通信可靠性的前提下，其时频平面上的能量密度较未经时频扩展时小得多。同时，若接收机希望截获全部的信号能量，需要设置更宽的频带范围及更大的观测时间，此时进入接收机的噪声能量也随之增大，在保持虚警概率不变时，检测概率会降低。可以看到，时频扩展信号利用宽的时间和频率分布区间使可检测距离减小，低截获性能随之提高。

3 仿真研究

利用WVD对比分析经时频扩展调制前后信号能量的分布。传送信息码20bit，采用QPSK映射，多载波符号宽度为2.58ms，频宽为3.88kHz，时频扩展后符号宽度为80ms，频宽为25.6kHz，扩时扩频序列均为31位m序列，扩时31倍，扩频6.6倍。图4为原始信号、扩频信号及时频扩展信号的Wigner分布。由图4可以看到，经过扩频调制后，信号能量分布到宽的频率区间内，能量密度有所降低，经过时频扩展调制后，能量分布区间在时间和频率轴上均得到扩展，能量密度相对于仅经过扩频调制的信号进一步降低。

图4 原始信号、扩频信号及时频扩展信号的Wigner分布

4 结论

本文提出了一种基于时频扩展技术的低截获水声遥控信号的实现方法，并对其低截获性能进行了定量分析。通过对比分析表明，将信号能量扩展到宽的时间和频率区间，不仅可降低瞬时功率及谱密度，还可提高期望接收机的处理增益，时频扩展后信号的可检测距离降为扩展前的0.3倍，大大提高了低截获性能。此外，该方法实现简单，性能良好，具有较好的应用前景。

图5 三种系统的误码率曲线

图6 检测概率与相对距离的关系曲线

需要指出的是，时频扩展技术在提高系统低截获性能的同时，会带来频带利用率和通信速率的损失。所以，在低截获水声遥控系统的设计中，还需要综合考量低截获性、通信可靠性以及通信效率等重要指标。但时频扩展技术仍不啻为构建低截获水声遥控系统的有效途径。

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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

国家自然科学基金(51279043, 51209059)、国家“863”计划 (2013AA09A503)资助项目。

王燕(1973－), 女, 哈尔滨人, 教授, 博士生导师, 研究方向为水 声信号处理。

范展, E-mail: fanzhan@hrbeu.edu.cn