CN103905365B - 一种基于时频扩展的低截获水声遥控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水声通信、低截获信息传输技术等领域，具体涉及一种基于时频扩展的低截获水声遥控方法。本发明包括：基于多载波技术的扩时调制，扩频调制，扩频解调，基于子载波解调的扩时码解调。本发明具有低的瞬时功率及谱密度，使得截获方难以发现通信的存在。使用扩时码与扩频码对信息进行加密处理，使得截获方难以对信息进行正确解调。对于匹配接收机具有较大的处理增益，使得应用该技术的系统能在低信噪比下正常工作，进一步提高了低截获性能。

Description

一种基于时频扩展的低截获水声遥控方法

技术领域

本发明涉及水声通信、低截获信息传输技术等领域，具体涉及一种基于时频扩展的低截获水声遥控方法。

背景技术

国防建设和海洋资源开发对水声遥控技术的需求日益迫切，对水声遥控技术的研究也备受关注。水声遥控技术可以用于控制水中兵器，同时，在海上石油钻井平台、水下输油管道的铺设等民用设施上也有很多应用。由于水声遥控技术特殊的应用背景，低截获概率的水声遥控技术更是研究热点。低截获水声遥控技术在保证系统通信性能的前提下，可以实现水声信息的隐蔽传输。

扩频信号具有安全保密的特性。扩频信号将信息码经过扩频码调制，使得发送信号展宽在一个很宽的频带上，其谱密度较低，且扩频系统处理增益高，可在极低信噪比下工作，使得扩频信号难以侦测，从而达到保密通信的目的。

扩时技术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。匹配接收端通过相关处理，使得扩展在时域上的能量重新聚集，达到正确解调的目的。对于低的瞬时功率信号，截获接收机难以发现通信的存在，且在未知系统参数的前提下，不能匹配处理以获得处理增益，难以正确解码。

多载波技术是将信息加载到各个不同的子载波上，并将各个子载波在时域上进行叠加。由于该调制过程可用IFFT实现，从而具有实现简单的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于时频二维扩展技术的低截获信号设计，利用多载波技术完成扩时调制的低截获水声遥控方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一：基于多载波技术的扩时调制。首先，将信息序列与扩时码相乘，使得信息序列被调制为相位不同的扩时序列；然后，将该扩时序列视为多载波信号的基带信号，对其进行反快速傅里叶变换（IFFT）以完成多载波调制。设信息码为d_i，N位扩时码为t_s(N),则此时的信号形式可写作：

$\begin{array}{c}s\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i{t}_s\left(N\right)\exp (j2\mathrm{\πi}\×\frac{1}{\mathrm{NT}}\×k\frac{\mathrm{NT}}{\mathrm{NM}}),\\ =\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i{t}_s\left(N\right)\exp \left(j\frac{2\mathrm{\πik}}{\mathrm{NM}}\right),\end{array}$

式中，s(k)为第k个采样点的值，Δf为未扩时信号的频率间隔，其时域宽度T＝1/Δf， M为信息码个数，N为扩时码位数，d_i'为经过扩时序列调制后的信息序列，k为采样点序号，0≤k≤NM-1，i为调制后的信息序列的序号。在不增加总的频带宽度的前提下，经过扩时码调制的信号作IFFT后频率间隔变为Δf/N，时域宽度增加为NT，若信号总能量一定，则同样的能量分布在更宽的时域区间上，瞬时功率也随之降低。

步骤二：扩频调制。将扩时调制后的序列与扩频码相乘。设扩频序列采样信号为c(k)，宽度为T_c，则经过扩频调制后，信号频宽扩展为1/T_c，信号能量分布在宽的频带范围内，谱密度大大降低。此时的信号形式ss(k)变为：

$\begin{array}{c}\mathrm{ss}\left(k\right)=c\left(k\right)s\left(k\right)\\ =c\left(k\right)\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i{t}_s\left(N\right)\exp \left(j\frac{2\mathrm{\πik}}{\mathrm{NM}}\right);\end{array}$

步骤三：扩频解调。将接收信号与扩频码相乘以完成相关解扩。此时能量在频率域内重新聚集，匹配接收机将获得较大的处理增益。

步骤四：基于子载波解调的扩时码解调。对解扩后的信号进行快速傅里叶变换（FFT），使得基带信号从各个子载波上解调，再与扩时码相乘，恢复出发送的信息码。

本发明的有益效果在于：具有低的瞬时功率及谱密度，使得截获方难以发现通信的存在。使用扩时码与扩频码对信息进行加密处理，使得截获方难以对信息进行正确解调。对于匹配接收机具有较大的处理增益，使得应用该技术的系统能在低信噪比下正常工作，进一步提高了低截获性能。

附图说明

图1为低截获水声遥控技术实现框图。

图2为未经过时频扩展的原始信号的Wigner分布图，其中，横坐标分别为时间和频率，纵坐标为谱值幅度。

图3为经过频域扩展的信号的Wigner分布图。

图4为经过时频二维扩展的信号的Wigner分布图。

图5为原始系统，扩频调制系统以及应用本发明技术的时频扩展系统的误码率曲线，其中，SNR为带限信噪比，BER为误码率。

图6为三种系统的检测概率与相对距离的关系曲线。其中，d/d_o为相对距离，P_D为检测概率。

具体实施方式

为验证应用该低截获水声遥控技术的系统的性能，进行以下仿真试验：传送信息码20bit， 选用两条31位m序列作为扩时码与扩频码。

步骤一：基于子载波调制的扩时调制

基于多载波技术的扩时调制。先将信息码与31位m码形成的扩时码相乘，再利用QPSK（四相相移键控）完成星座映射，然后进行多载波调制，多载波符号宽度2.58ms。此时，信号的时域宽度由1个OFDM（正交频分复用）符号宽度变为为31个OFDM符号宽度，即80ms。

步骤二：扩频调制

将步骤1得到的信号进行扩频调制，扩频码为31位m序列，则扩频后信号的频宽由3.88kHz展宽为25.6kHz。此时信号的Wigner分布图如图4所示。

步骤三：

接收端按与发送端相同的扩频码对信号进行相关解扩，即完成码片同步后与扩频码相乘。

步骤四：

对完成直序扩频解扩的信号做FFT，将基带信号从各个子载波上解调下来，然后乘以与发送端相同的扩时码序列。 

为验证本发明专利的优势，我们对未经过时频扩展调制的原始系统、扩频调制系统以及应用本发明技术的系统的性能进行了对比分析。图2、图3与图4给出了三种系统中信号的Wigner分布。显然，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，能量密度相对于未经过调制和仅经过扩频调制的信号进一步降低。图5给出了三种系统的误码率曲线。由图可知，应用本发明技的系统的正常工作信噪比能进一步降低至-12dB，信号完全湮没在噪声中，在未匹配时不易检测，具有较好的低截获性能。利用Weeks G.D.和Townsend J.K.等人提出的可检测距离的概念对低截获性能进行定量研究。假定截获接收机对系统特性有足够的了解，即信号检测器的观测时间与符号宽度相同，带宽与期望接收机带宽相同。仿真中设置路径损耗指数n＝4，若选择检测概率P_D＝0.5，则由图6可知，多载波信号的可检测距离为0.282，扩频信号的可检测距离为0.141，时频扩展信号的可检测距离为0.086，与仅进行频谱扩展的信号相比进一步降低。对于时频扩展信号，当遥控距离为10km时，截获接收机距发射机距离需小于0.86km才能发现存在信息传输，可检测距离降为时频扩展前的约0.3倍。

Claims (1)

1.一种基于时频扩展的低截获水声遥控方法，其特征在于：

步骤一：基于多载波技术的扩时调制：将信息序列与扩时码相乘，使得信息序列被调制为相位不同的扩时序列；将该扩时序列视为多载波信号的基带信号，对其进行反快速傅里叶变换以完成多载波调制，设信息码为d_i，N位扩时码为t_s(N)，则此时的信号形式：

$\begin{array}{c}s\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i{t}_s\left(N\right)\exp (j2\mathrm{\πi}\×\frac{1}{\mathrm{NT}}\×k\frac{\mathrm{NT}}{\mathrm{NM}}),\\ =\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i{t}_s\left(N\right)\exp \left(j\frac{2\mathrm{\πik}}{\mathrm{NM}}\right),\end{array}$

式中，s(k)为第k个采样点的值，Δf为未扩时信号的频率间隔，其时域宽度T＝1/Δf，M为信息码个数，N为扩时码位数，d′_i为经过扩时序列调制后的信息序列，k为采样点序号，0≤k≤NM-1，i为调制后的信息序列的序号，在不增加总的频带宽度的前提下，经过扩时码调制的信号作IFFT后频率间隔变为Δf/N，时域宽度增加为NT，若信号总能量一定，则同样的能量分布在更宽的时域区间上，瞬时功率也随之降低；

步骤二：扩频调制：将扩时调制后的序列与扩频码相乘，设扩频序列采样信号为c(k)，宽度为T_c，则经过扩频调制后，信号频宽扩展为1/T_c，信号能量分布在宽的频带范围内，谱密度大大降低，此时的信号形式ss(k)变为：

$\begin{array}{c}\mathrm{ss}\left(k\right)=c\left(k\right)s\left(k\right)\\ =c\left(k\right)\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i{t}_s\left(N\right)\exp \left(j\frac{2\mathrm{\πik}}{\mathrm{NM}}\right)\end{array};$

步骤三：扩频解调：将接收信号与扩频码相乘以完成相关解扩，此时能量在频率域内重新聚集，匹配接收机将获得较大的处理增益；

步骤四：基于子载波解调的扩时码解调：对解扩后的信号进行快速傅里叶变换，使得基带信号从各个子载波上解调，再与扩时码相乘，恢复出发送的信息码。