基于噪声调相干扰寄生扩频的隐蔽信息传输

石 荣 ，胡 苏 ，徐剑韬

（1.电子信息控制重点实验室，成都 610036；2.电子科技大学通信抗干扰国家重点实验室，成都 611731）

基于噪声调相干扰寄生扩频的隐蔽信息传输

石 荣1，胡 苏2，徐剑韬1

（1.电子信息控制重点实验室，成都 610036；2.电子科技大学通信抗干扰国家重点实验室，成都 611731）

在常见的各种信息隐蔽传输方法中，宿主载体大多集中于图像、音频、视频等各类多媒体信源，而通过射频信号作为载体来实施隐蔽信息传输的技术手段十分缺乏。针对这一情况，提出了一种基于噪声调相干扰寄生扩频的隐蔽信息传输方法。在干扰机对雷达、通信等目标对象发射噪声压制干扰信号的同时，将需要传输的信息寄生调制于噪声干扰的相位分量，形成一种类扩频传输信号，并有效隐藏于大功率干扰信号之中实现传输。在接收端通过解扩处理而恢复出隐藏的调制分量，最后解调出其中所隐蔽承载的数字比特流。仿真试验结果显示了该方法的可行性与有效性，这对于电子对抗设备的综合一体化应用和隐蔽通信的实施提供了新的技术途径。

噪声调相干扰，寄生扩频，隐蔽信息传输，反通信侦察，综合一体化

0 引言

近年来对信息安全与信号安全的要求日益提高，同时也带动了隐蔽通信、信息隐藏等技术的快速发展。当前在隐蔽信息传输方面的研究大多集中在基于数字多媒体信源的密写方面［1］，即在不改变对人眼和人耳等感觉器官作用特性的条件下，将需要隐蔽传输的数字比特嵌入文本、图片、音频、视频、网络流媒体等载体中［2-4］，来实现隐蔽信息的传输。除此之外，也有利用网络传输协议［5］、信道纠错编码［6］等手段来秘密承载需要传输的信息。而在利用射频信号来承载隐蔽信息方面的研究较少，而且大都局限在信号的LPI/LPD特性分析方面［7-8］，虽然文献［9］提出通过主动自加噪的方式来阻止第三方获得射频信号上承载的信息，但是这一信息传输过程对于通信侦察方来说还是知道的，隐蔽性不强。

针对上述情况，本文提出将需要传输的信息通过寄生扩频的方式，承载于电子对抗中常用的干扰机所发射的噪声调相干扰信号波形中，使得在对雷达、通信等目标对象实施射频压制干扰的同时，位于同一波束中的我方侦察接收机也能接收到上述携带有信息的干扰信号，从中提取出传输的数字比特，从而实现隐蔽信息传输。另一方面，利用电子对抗中的侦察干扰设备来实现信息的隐蔽传输也是当前电子设备多功能综合化发展的重要方向，这对于同一平台上的雷达、通信、电子对抗设备综合一体化的发展也提供了新的技术途径。下面对这一隐蔽信息传输的模型、信息承载与接收处理方法、及其特性进行详细的阐述。

1 噪声调相干扰信号模型及频谱特性

如前所述，噪声调相干扰是电子对抗中常用的一种压制性干扰，其信号波形SJ（t）如式（1）所表达：

式（1）中，A 为信号幅度，fc为载波频率，φ0为初相，KPM为相位调制指数，u（t）通常是均值为0，方差为σ2

u的高斯噪声调制信号，设其具有带限均匀谱，且频谱宽度为ΔFu，同时记为有效相移。在的条件下，噪声调相信号SJ（t）的功率谱GJ（f）如式（2）所表达［10］：

由式（2）可见，在调制函数 u（t）为带限均匀谱的高斯随机过程的条件下，噪声调相信号SJ（t）的功率谱也是一个高斯分布函数，整个干扰信号的功率等于载波功率A2/2，且干扰信号的频谱带宽ΔFj为［10］：

由式（3）可见，干扰信号的带宽与有效相移和调D制函数的频谱宽度ΔFu的乘积成正比。所以在噪声调相干扰信号的设计中，一般事先设计好高斯噪声产生函数 u（t），其均值为0，方差为频谱宽度为ΔFu。在此基础上，根据干扰目标对象的要求，通过调节相位调制指数KPM来控制噪声干扰信号的带宽ΔFj，通过调节信号幅度A来控制噪声干扰信号的功率，从而实现针对不同干扰目标对象具有不同的干扰压制带宽和不同的干扰压制功率。

通常为了简化干扰源的设计，相位调制指数KPM一般设计为一系列的离散取值，形成一个离散数值的集合，在干扰波形合成过程中直接从集合CPM中选择合适的数值即可。

2 基于寄生扩频的隐蔽承载与接收

在噪声调相干扰信号中利用相位调制进行寄生扩频的信号模型如下：

由式（4）可见，新的信号模型在噪声调相干扰信号的相位部分，增加了一个MPSK类型信息调制项P（t），该调制项由需要传输的二进制信息比特序列bn来控制。当M=2时表示二相数字调制信号，当M=4时表示四相数字调制信号，后续以此类推。

当M=2时，比特序列中每一比特为一组，调制信号如式（5）所表达：

式（5）中，为每一数字调制符号持续的时间。

当M=4时，比特序列中每两比特为一组，且n取偶数，调制信号如式（6）所表达：

当M为其他数值时，调制信号形式可以此类推，在此就不再重复展开阐述了。

为了实现信息的隐蔽传输，通常要求调制信号的带宽远小于噪声调相信号的带宽，即有式（7）成立：

由式（7）与式（4）可知，上述调制过程实际上等效于一个通信传输中的频谱扩展过程。在这一过程中我方在使用干扰机发射噪声调相干扰信号的同时，附带地将需要传输的信息一起包含在了其中。在我方的信息接收端通过电子侦察设备对此干扰信号进行接收，按照如下流程提取出干扰信号中所隐含的信息。

由于发送端使用的是我方的电子干扰设备，而接收端使用的是我方的电子侦察设备，双方对相位调制指数的离散数值集合CPM，以及高斯噪声产生函数u（t）是事先约定好的，且是相互已知的。也就是说，我方电子侦察接收机在接收到噪声调相干扰信号后对信号SC（t）的带宽进行估计即可确定相位调制指数KPM的取值。在此基础上我方的电子侦察接收机即可在本地生成纯粹的没有携带信息的噪声调相基带信号SJ，r（t）如下：

然后通过式（9）即可恢复出携带有信息的数字相位调制信号SP（t）：

式（9）中，bpfilter[·]表示带通滤波处理算子，且滤波器中心频率为fc，带宽与隐蔽传输信息P（t）的带宽保持一致，即接收端将接收到的信号与本地合成的参考信号相乘并带通滤波，即可恢复出隐藏于干扰信号中的调制分量。上述处理过程实际上等效于一个解扩过程，经过处理所得到的信号SP（t）是一个载波频率为fc的标准数字相位调制信号，通过常规的MPSK解调处理即可获得传输的二进制信息比特序列bn，从而完成隐蔽信息的有效接收。当然在上述处理中有一个同步过程，这一过程与常规的扩频码同步捕获处理类似，在此就不再展开讨论了。

3 寄生扩频信号特性分析与应用讨论

3.1 对噪声调相干扰的影响

在噪声调相干扰信号中，原有的相位调制项KPM·u（t）服从均值为0，标准差为KPM·σu的高斯分布。携带了信息的噪声调相信号SC（t）相对于原信号SJ（t）来讲，在相位上增加了一个调制项P（t）。由于P（t）的均值为0，所以新调制项的加入对原有调制相位的均值不会产生影响。另一方面，由前述设计过程可知，的最大取值为π，在此条件下，新调制项的加入对原有调制相位的标准差的影响非常小，可忽略不计。由此可见，携带有隐蔽传输信息的噪声调相干扰信号的相位统计特性基本上与原信号的特性一致。这样从信号波形上将难以对二者进行有效区分，从而增强了信息传输的隐蔽性；另一方面，在电子对抗中将携带有隐蔽信息的噪声调相干扰信号用于对雷达、通信等目标对象实施大功率压制干扰时，所获得的干扰效果与纯粹噪声调相信号所产生的干扰效果基本相同。

3.2 信息传输的性能

按照前一小节所提出的方法流程，其信息传输速率为1/，按照式（7）所示的条件，如果在隐蔽信息传输设计中使得式（10）成立：

即意味着有效信息传输带宽与高斯噪声产生函数u（t）的频谱宽度ΔFu基本相同。而实际的调制带宽由式（3）决定，于是可以得到本方法所获得的等效扩频处理增益G如式（11）所表达。

3.3 该传输方式的应用场景与优势分析

基于噪声调相干扰寄生扩频的隐蔽信息传输的应用场景如图1所示。我方干扰机M1向对方的雷达、通信等目标对象Z实施大功率压制干扰，在干扰天线波束覆盖范围内有我方的平台M2，该平台上的电子侦察接收机同时也可接收到该干扰信号，即可从该干扰信号中提取出其中所隐蔽传输的信息。图1中干扰发射端同时也是隐蔽信息发送端；侦察接收端同时也是隐蔽信息接收端。

上述基于噪声调相干扰寄生扩频的隐蔽信息传输在实际工程应用中具有如下优点：

1）极强的隐蔽性。将要传输的信息寄生调制于噪声调相干扰信号中，在干扰机对雷达、通信等目标对象实施干扰的同时实现了信息的传输，即使第三方截获到信号，也无法辨别和提取干扰信号中隐藏的调制信息，因为在没有噪声相位信号原始调制样本的条件下，第三方无法完成对该信号的解扩处理，而且该信号在时域波形上与典型的噪声调相干扰信号几乎没有区别。

2）多功能一体化。传统的信息传输通常采用专用的通信设备来完成，而基于噪声调相干扰寄生扩频的隐蔽信息传输的发射端是电子对抗中的干扰设备，接收端是电子对抗中的侦察设备。利用侦察干扰设备来完成通信功能，这使得同一平台上的电子设备具有了多功能的特点，为通信、雷达、电子战设备的一体化发展提供了新的技术手段。

3）具有天然的抗干扰能力。一方面本传输方式具有扩频通信的特点，在信号接收端解扩处理时具有较大的扩频处理增益，这对于消除被干扰目标对象的信号对信息接收端的影响具有重要作用。另一方面，需要传输的信息是寄生于干扰信号上的，而我方发射干扰信号是为了干扰对方的雷达、通信等目标对象，而在干扰的同时在同频点上传输信息，从而使得我方在干扰波束覆盖范围内的信息接收端也可以接收到该信息。如果对方要对这一传输链路实施干扰，必然需要在同一频点上发射更强的射频干扰信号，而这样反过来又会对自己的雷达、通信等设备形成新的自我干扰。所以利用该方式进行隐蔽信息传输，对方将处于一种两难的境地。从而为我方获取战场信息优势奠定坚实的技术基础。

4 仿真验证

下面以中频采样率100MHz，载波频率fc=20MHz为例进行仿真。干扰方采用均值为0，方差为1，带宽ΔFu=100 kHz的高斯随机函数作为噪声调相信号的调制函数u（t），相位调制指数KPM=1 000，然后按照式（1）生成噪声调相干扰信号，该信号的幅度谱如图2所示。

如果对上述噪声调相干扰信号的任意连续1E6个采样点的相位值进行统计，统计直方图如图3所示。

由图3可见，噪声调相干扰信号采样点的相位基本服从[0,2π]范围的均匀分布。

如果干扰方将需要隐蔽传输的数字比特采用BPSK调制生成相位调制项P（t），其中每一数字调制符号持续的时间 =10 us，于是满足·ΔFu=1的式（10）的条件。在此条件下等效的扩频处理增益按式（11）计算，约为31 dB。然后按照式（4）将该信息隐蔽承载于噪声调相信号之中，则携带有隐蔽信息的噪声调相干扰信号的幅度谱如图4所示。

对比图4与图2可见，在将隐蔽信息承载于噪声调相干扰信号之中后，观察不到干扰信号幅度谱的明显改变。同样对携带有隐蔽信息的噪声调相干扰信号的任意连续1E6个采样点的相位值进行统计，统计直方图如图5所示。

对比图5与图3，在将隐蔽信息承载于噪声调制干扰信号之中后，相位的统计特性并没有发生改变，由此可见该方法具有较好的隐蔽特性。即使第三方截获了该信号，也难以发现其中所携带的隐藏信息。而我方的电子侦察设备在接收到上述信号之后，利用式（8）在本地产生同样的调相干扰信号，通过相关峰捕获之后，即可按照式（9）对己方发射的携带有隐蔽信息的噪声调相干扰信号实施类似于解扩的处理，处理之后的信号幅度谱及其局部放大图如下页图6所示。

由图6（a）可见，经过处理之后，隐蔽调制信号的频谱已经从噪声调相干扰信号中突显出来，由图6（b）所显示的局部放大图可见，该信号为典型的BPSK调制信号的幅度谱，从幅度谱中两个零点之间的间隔可知：该BPSK信号的符号速率为100 kbps。接下来通过普通的BPSK信号解调即可获得传输的数字比特流。

5 结论

本文所提出的基于噪声调相干扰寄生扩频的隐蔽信息传输方法利用电子对抗中的噪声压制干扰信号作为信息隐蔽寄生的宿主载体，在不改变原有信号用于大功率压制干扰这一特性的条件下，巧妙地实现了信息的隐蔽承载与提取，而且该信号还具有扩频传输信号的抗干扰特性。仿真结果显示了该方法的可行性与有效性。这一方面为信息隐蔽传输应用提供了新的方法；另一方面也为侦察干扰设备的多功能应用提供了新的手段，这对于电子对抗设备综合一体化和隐蔽通信的发展都具有重要参考意义。

［1］孔祥维，王波，李晓龙.多媒体信息安全研究综述［J］.信息安全研究，2015，1（1）：44-53.

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［5］王勇，张思发，黄永峰.基于网络协议的隐蔽通信［J］.数据通信，2009，36（5）：27-29.

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［7］石荣，阎剑，刘畅.调相扩频信号的相位随机性及其LPI特性分析［J］.无线电通信技术，2015，41（4）：56-60.

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［9］石荣，李潇，刘畅.主动自加噪传输技术及其反通信侦察效能分析［J］.无线电通信技术，2016，42（5）：42-47.

［10］赵国庆.雷达对抗原理［M］.1版.西安：西安电子科技大学出版社，1999.

Concealed Information Transmission Based on Spread Spectrum Parasitizing on Noise Phase Modulated Jamming Signal

SHI Rong1，HU Su2，XU Jian-tao1
（1.Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory，Chengdu 610036，China；2.National Key Lab of Communication，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Currently，a majority of hosts are almost all kinds of multimedia sources，such as image，audio，video and so on，for concealed information transmission.The radio signal is infrequently considered as the carrier in this application.The new method about concealed information transmission based on spread spectrum parasitizing on noise phase modulated jamming signal is put forward in this paper.When the noise oppressive jamming signals are transmitted to the objects，such as telecommunication station，radar，and so on，the information bits parasitize on noise phase modulated jamming signal，which is like the spread spectrum.They efficiently conceal in the high power jamming signals.The concealed component can be recovered by de-spread process at the receiver and the digital bits are demodulated in the end.The simulation results show the feasibility and validity of this method.Itisa new technique forelectronic warfare equipmentintegration and concealed communication.

noise phase modulated jamming，parasitizing spread spectrum，concealed information transmission，anti communication reconnaissance，integration，concealed communication

TN925；TN973

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.11.14

1002-0640（2017）11-0060-05

2016-09-28

2016-11-13

重点实验室基金资助项目（6142105040116210XXXX）

石 荣（1974- ），男，四川岳池人，博士，研究员。研究方向：电子对抗，通信与雷达系统。