潘 兵（北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司北京102209）

基于變時(shí)隙的潛艇短波隱蔽通信新技術(shù)?

潘 兵
（北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司北京102209）

為適應(yīng)新形勢(shì)下的復(fù)雜海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境，我軍需要突破傳統(tǒng)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(shí)隙（Varilab Time Slot，VTS）的抗偵察抗截獲通信新技術(shù)。擬采用線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)作為脈沖信號(hào)，發(fā)端每次瞬間發(fā)送一個(gè)窄脈沖寬帶信號(hào)（例如信號(hào)暴露時(shí)間￡0.5ms），發(fā)送N個(gè)窄脈沖代表一個(gè)數(shù)據(jù)，解決了接收端在極短猝發(fā)時(shí)間內(nèi)同步解調(diào)難的難題。開(kāi)創(chuàng)了潛艇短波隱蔽通信信號(hào)設(shè)計(jì)的新思路，通過(guò)設(shè)計(jì)窄脈沖寬帶的低截獲概率信號(hào)，使得敵方難以捕獲信號(hào)，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)發(fā)射信號(hào)脈沖時(shí)隙具有不確定性的特征，使得敵方的準(zhǔn)確捕獲定位困難，達(dá)到防定位的目的，從而實(shí)現(xiàn)潛艇隱蔽通信。

變時(shí)隙；隱蔽通信；抗偵察；抗截獲

ClassNumber TN92

1 引言

目前，潛艇對(duì)外發(fā)信主要是短波和衛(wèi)星通信方式［1］，采用猝發(fā)方式以期提高發(fā)信隱蔽性是普遍采用的一種技術(shù)手段［2］。但是對(duì)短波通信而言，方向性差，猝發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，調(diào)諧時(shí)間較長(zhǎng)［3］，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信發(fā)射功率大且信號(hào)全向輻射，已經(jīng)很不安全。以美國(guó)為首的敵對(duì)力量在我周邊部署了天、空、岸、海等快速、立體、多維的對(duì)潛通信偵察體系，可對(duì)我國(guó)潛艇的短波通信進(jìn)行全方位偵察。而天基、岸基和水面艦艇對(duì)潛艇無(wú)線(xiàn)電通信偵察的威脅是主要的，可對(duì)毫秒級(jí)的短波猝發(fā)信號(hào)進(jìn)行偵察截獲，對(duì)我潛艇的安全性構(gòu)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(shù)以對(duì)抗敵對(duì)威脅。

2 變時(shí)隙隱蔽通信思路

根據(jù)國(guó)內(nèi)外潛艇短波隱蔽通信及通信對(duì)抗發(fā)展現(xiàn)狀，本文擬定0.5ms的通信信號(hào)猝發(fā)時(shí)間，是指發(fā)端每次瞬間發(fā)送一個(gè)窄脈沖信號(hào)，以發(fā)送5個(gè)窄脈沖代表一個(gè)數(shù)據(jù)信息，回避了接收端同步難的難題。0.5ms的猝發(fā)信號(hào)暴露時(shí)間已經(jīng)超出了敵方偵察截獲的極限范圍［4］，敵方對(duì)0.5ms的潛-岸短波猝發(fā)信號(hào)無(wú)法進(jìn)行有效偵察、截獲、測(cè)向、定位、干擾等一系列處理（若敵方偵測(cè)系統(tǒng)收到的短波信號(hào)SNR較低時(shí)，更難偵察截獲），從而消除或大幅降低對(duì)我軍遂行軍事活動(dòng)的安全威脅。

猝發(fā)傳輸由于發(fā)射短促，一方面可以使用較大的脈沖功率，在功率戰(zhàn)方面，對(duì)干擾方來(lái)說(shuō)，通信方有明顯優(yōu)勢(shì)；另一方面，由于信號(hào)在空間暴露時(shí)間極短而大大降低了被偵聽(tīng)的概率。因此設(shè)計(jì)的猝發(fā)信號(hào)兼有猝發(fā)通信和擴(kuò)頻通信的優(yōu)點(diǎn)，是兩者完美的結(jié)合［5］。這種結(jié)合使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗偵察、抗截獲和抗干擾能力。但這種方式在大容量連續(xù)通信中不適用，適合特殊應(yīng)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(hào)示意圖，為方便理解假定通常脈沖串之間時(shí)隙等間隔。

設(shè)計(jì)時(shí)脈沖串峰值功率可設(shè)定為較大（SNR> 0dB），脈沖寬度擬定為0.5ms，脈沖重復(fù)頻率為10個(gè)/秒，在1s時(shí)間內(nèi)相鄰脈沖的時(shí)隙平均值為110.56ms。

圖2所示為變時(shí)隙測(cè)試方框簡(jiǎn)圖。

由于發(fā)射脈沖較窄（0.5ms），故能將各條主徑來(lái)的脈沖信號(hào)分開(kāi)，因此只需對(duì)接收的主徑信號(hào)進(jìn)行測(cè)峰值時(shí)間［6］。

3 變時(shí)隙通信設(shè)計(jì)

3.1 變時(shí)隙通信方案

經(jīng)研究，發(fā)射窄脈沖串?dāng)M采用線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)作為窄脈沖進(jìn)行發(fā)射為宜，設(shè)計(jì)中心頻率fc=64KHz，脈沖時(shí)寬T=0.5ms，信號(hào)帶寬B=128KHz。

圖3為窄脈沖和匹配后的時(shí)域和頻域波形圖，可以看出窄脈沖波形與本地脈沖波形經(jīng)過(guò)匹配濾波后，形成一個(gè)尖銳的相關(guān)峰，該峰值便于接收端提取峰值信息并同時(shí)確定該時(shí)刻信息，依次解出4個(gè)時(shí)刻信息即可確定當(dāng)前5個(gè)窄脈沖代表的數(shù)據(jù)信息。

發(fā)射時(shí)，將中心頻率為64KHz的窄脈沖信號(hào)調(diào)制到1.5MHz~30MHz短波段［7］，采用“定頻”定向發(fā)射（通常按照晝夜時(shí)間約定收發(fā)短波頻率），接收時(shí)根據(jù)預(yù)先已知的“定頻”頻率，調(diào)整本振，將射頻信號(hào)搬移至基帶，然后經(jīng)高精度AD采樣，采用FPGA進(jìn)行前端預(yù)處理，后續(xù)采用先進(jìn)的DSP進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理并及時(shí)解調(diào)出當(dāng)前發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，圖4為整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。

發(fā)射脈沖時(shí)使用軟件定義的隨機(jī)時(shí)隙，依次發(fā)送5個(gè)脈沖（代表數(shù)據(jù)0-F）。接收機(jī)收到Chirp脈沖后，通過(guò)脈沖壓縮即可檢測(cè)相關(guān)峰［8］，每檢測(cè)一個(gè)相關(guān)峰后，同時(shí)記錄相關(guān)峰時(shí)間，將5個(gè)相關(guān)峰全部接受完畢后，從而得出5個(gè)峰值之間的4個(gè)時(shí)隙，再?gòu)臅r(shí)隙表中查找出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)（0-F），即可恢復(fù)原始信息。

3.2 變時(shí)隙通信設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的潛艇短波VTS隱蔽通信系統(tǒng)信號(hào)處理流程如圖5所示。

為進(jìn)一步提高收信可靠性，可采用海上潛艇一點(diǎn)發(fā)信，岸上多點(diǎn)接收（空間分集）［9］，另外還可以采用時(shí)間分集發(fā)送，每個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送N遍，岸上同樣多點(diǎn)接收，解調(diào)時(shí)間約增加N倍，達(dá)到多維分集處理效果。

定最大約500ms發(fā)4bit有用信息，相鄰脈沖時(shí)隙平均間隔約124ms，信息速率約為8bps，依然滿(mǎn)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(jià)的，這時(shí)候其他通信手段可能會(huì)被敵方偵察、截獲、測(cè)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(zhàn)，提升整體作戰(zhàn)效能。

收信時(shí)，檢測(cè)5個(gè)脈沖的不同時(shí)隙，根據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)16張時(shí)隙表可解調(diào)出發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，表1所示為時(shí)隙表。由表1可知脈沖時(shí)隙1模式，若長(zhǎng)期使用，容易被敵方發(fā)現(xiàn)規(guī)律和破解信息，具體使用時(shí)可將該最簡(jiǎn)模式刪去，只保留其余4095種模式，表1中的脈沖時(shí)隙2為隨機(jī)時(shí)隙模式。

表1 時(shí)隙表

隨機(jī)時(shí)隙模式增大敵方發(fā)現(xiàn)規(guī)律和解析信息。若采用全部排列組合方式最多可達(dá)65536種，每個(gè)數(shù)據(jù)均有4096種時(shí)隙代表，采用偽隨機(jī)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(gè)1~4095范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)據(jù)，在此可以將特殊時(shí)隙（4個(gè)時(shí)隙均相同）去掉，每個(gè)數(shù)據(jù)（0~F）均有4095種時(shí)隙代表。

具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可創(chuàng)建16張時(shí)隙表（16進(jìn)制數(shù)0~F對(duì)應(yīng)的查找表），圖6為發(fā)送端簡(jiǎn)化過(guò)程圖。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從發(fā)送寄存器中取一個(gè)數(shù)據(jù)（0~F）時(shí)，同時(shí)從4095種隨機(jī)時(shí)隙選其一進(jìn)行時(shí)隙映射、基帶調(diào)制、射頻調(diào)制、天線(xiàn)輻射等，每次發(fā)送5個(gè)chirp脈沖。

16張表，每張表對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)（0~F），可以預(yù)先用FPGA的內(nèi)部ROM存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)，每張表4095個(gè)時(shí)隙組合。

表2為數(shù)據(jù)0對(duì)應(yīng)的表1，共計(jì)4095種不同時(shí)隙組合代表十六進(jìn)制數(shù)0，1~F對(duì)應(yīng)的表依次類(lèi)推。

表2 數(shù)據(jù)0對(duì)應(yīng)表1

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)每來(lái)一個(gè)數(shù)據(jù)（0~F）時(shí)，從查找表中隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙（如72 64 64 64），依次發(fā)送窄脈沖，可通過(guò)計(jì)數(shù)器依次發(fā)送窄脈沖波形（時(shí)寬0.5ms）。

圖7為產(chǎn)生1~4095的隨機(jī)數(shù)框圖，它是通過(guò)m序列設(shè)計(jì)的，還可以拓展其他序列，如Gold序列、Kasami序列、混沌序列等可進(jìn)一步增強(qiáng)序列的偽隨機(jī)性。

3.3 變時(shí)隙通信可行性分析

短波通信環(huán)境惡劣，設(shè)計(jì)時(shí)避不開(kāi)多普勒頻移、多徑時(shí)延、多徑衰落等分析和論證。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(duì)接收端的匹配濾波影響（不考慮多徑時(shí)延影響），以常用短波最大頻偏±75Hz為例［11］，圖8為接收機(jī)收到的窄脈沖無(wú)頻偏和頻偏±75Hz的匹配輸出結(jié)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(wú)影響。

短波多徑時(shí)延在0.5ms~5ms占據(jù)99.5%以上，而多徑個(gè)數(shù)3條最多，本文以典型時(shí)延和路徑個(gè)數(shù)為參數(shù)。

取典型路徑3條，典型時(shí)延2.5ms，由于發(fā)射脈沖較窄（￡0.5ms），接收端能將各條主徑來(lái)的脈沖信號(hào)分開(kāi)，對(duì)接收的主徑信號(hào)進(jìn)行測(cè)峰值時(shí)刻，并且相鄰脈沖峰值設(shè)計(jì)的間隔差為8ms，經(jīng)過(guò)分析，此時(shí)幾乎可忽略多徑效應(yīng)影響。

接收機(jī)需要快速捕獲空中￡0.5ms的窄脈沖信號(hào)，捕獲后接收端擬采用1.024MHz采樣頻率采集0.5ms的Chirp信號(hào)，共計(jì)512個(gè)采樣數(shù)據(jù)，對(duì)采樣得到的512個(gè)數(shù)據(jù)與本地匹配濾波數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)運(yùn)算，相關(guān)運(yùn)算后數(shù)據(jù)增加為1023個(gè)，當(dāng)滑動(dòng)到理想情況時(shí)峰值脈沖時(shí)刻應(yīng)在0.5ms時(shí)刻。

1）快速捕獲

通過(guò)研究比較，滑動(dòng)相關(guān)法是最簡(jiǎn)單、最實(shí)用的方法［12］。收信端將接收信號(hào)做滑動(dòng)相關(guān)處理，當(dāng)接收信號(hào)的相關(guān)度足夠大時(shí)，判定信號(hào)的捕獲；同時(shí)通過(guò)相關(guān)算法提取各窄脈沖數(shù)據(jù)波形的峰值信息。

相關(guān)處理雖然思路清晰，但運(yùn)算量頗大。實(shí)際相關(guān)法捕獲的實(shí)現(xiàn)如圖9所示。

連續(xù)流入的解調(diào)數(shù)據(jù)，與參考的本地匹配序列（稱(chēng)為參考序列）相關(guān)后，相關(guān)值形成一條時(shí)域上具有尖銳峰值的連續(xù)曲線(xiàn)。

2）捕獲能力

理論分析表明：信號(hào)的信噪比越高，對(duì)信號(hào)的捕獲能力越強(qiáng)；窄脈沖的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)信號(hào)的捕獲能力越強(qiáng)。仿真測(cè)試的數(shù)據(jù)舉例如下：

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

（2）窄脈沖信號(hào)長(zhǎng)度每提高一倍，獲得相同的信號(hào)的捕獲概率，對(duì)信號(hào)的信噪比要求降低約3dB。

由此可見(jiàn)，加長(zhǎng)窄脈沖信號(hào)長(zhǎng)度是提高信號(hào)捕獲能力的有效辦法。加長(zhǎng)窄脈沖時(shí)寬帶來(lái)了處理的運(yùn)算量的提高和隱蔽性能的下降，因此窄脈沖信號(hào)長(zhǎng)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(wú)高斯白噪聲情況和有無(wú)偏移情況的相關(guān)運(yùn)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(gè)相關(guān)峰并且峰值最大。

無(wú)高斯白噪聲情況：相關(guān)峰比較干凈。

如圖11所示，當(dāng)接收機(jī)捕獲的信號(hào)還未進(jìn)入滑動(dòng)相關(guān)時(shí)，即沒(méi)有進(jìn)入相關(guān)處理的窄脈沖數(shù)據(jù)，此時(shí)相關(guān)值均為0，進(jìn)入32個(gè)數(shù)據(jù)和64個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，均未見(jiàn)明顯相關(guān)峰值，當(dāng)進(jìn)入的數(shù)據(jù)大于64個(gè)時(shí)，具有明顯相關(guān)的相關(guān)峰值。

下面分別給出不同信噪比SNR情況下的相關(guān)峰值。

SNR=0dB時(shí)，有明顯的相關(guān)峰！

SNR=-6dB時(shí)，依然具有一定的相關(guān)峰！

以上全部采取0.5ms數(shù)據(jù)漸進(jìn)式進(jìn)入滑動(dòng)相關(guān)處理的輸出結(jié)果圖。分析可知當(dāng)信噪比為0dB~ 3dB時(shí)，即使存在多徑效應(yīng)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理可以確定峰值及當(dāng)前峰值的時(shí)刻信息。

從圖10~圖12中可以看出當(dāng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)入一半（256個(gè)）數(shù)據(jù)時(shí)，其余256個(gè)數(shù)據(jù)未進(jìn)入，此時(shí)有一半數(shù)據(jù)為高斯白噪聲，即錯(cuò)位一半情況，時(shí)間偏差大約為0.25ms，若收發(fā)端同時(shí)出現(xiàn)上述兩種極端情況，即最大時(shí)間偏差約為0.5ms。而當(dāng)信號(hào)全部沒(méi)有采集到，此時(shí)相當(dāng)于無(wú)窄脈沖數(shù)據(jù)的情況，也就是說(shuō)此時(shí)是最差的情況，但這種情況出現(xiàn)可能性不大（只有接收的數(shù)據(jù)全部出現(xiàn)深度衰落，當(dāng)然也存在這種情況，此時(shí)采用分集接收方法提高收信可信度），當(dāng)采取進(jìn)入滑動(dòng)一半數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)長(zhǎng)度1.5ms，有效的數(shù)據(jù)為0.5ms，其余的均為噪聲）依次滑動(dòng)0.5ms~1.5ms，當(dāng)出現(xiàn)的峰值數(shù)據(jù)>250時(shí)，此時(shí)的定時(shí)信息最佳，記錄當(dāng)前時(shí)刻信息，后續(xù)脈沖串?dāng)?shù)據(jù)同樣可以進(jìn)行類(lèi)似處理，當(dāng)前后脈沖的定時(shí)信息有前后挪動(dòng)0.5ms的偏差，總計(jì)偏差1ms時(shí)刻，而預(yù)先設(shè)計(jì)的8ms時(shí)隙間隔，對(duì)其構(gòu)成不了太大誤差，只要接收端匹配濾波輸出相鄰時(shí)隙差限制±1ms內(nèi)，均可正確判決，例如兩個(gè)相鄰脈沖間隔若為63ms~65ms內(nèi)，均可認(rèn)為時(shí)隙值為64ms。

此外，借鑒經(jīng)典莫爾斯碼思想，可形成二維變時(shí)寬-變時(shí)隙猝發(fā)通信技術(shù)。

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

從17種時(shí)寬中選擇4個(gè)進(jìn)行組合，可重復(fù)選。共有17×17×17×17=83521種組合方式，接收時(shí)需要同時(shí)檢測(cè)窄脈沖時(shí)寬和時(shí)隙，從通信的安全角度看，這時(shí)候的通信抗偵察抗截獲能力將顯著提升，從工程實(shí)現(xiàn)角度看較定時(shí)寬脈沖實(shí)現(xiàn)更難。

例如每次發(fā)4個(gè)脈沖，4個(gè)脈沖相鄰間隔100ms~300ms之間隨機(jī)時(shí)隙，為使接收端區(qū)別相鄰數(shù)據(jù)，相鄰的兩個(gè)4個(gè)脈沖間隔31s，以達(dá)到數(shù)據(jù)同步目的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前潛艇短波隱蔽通信及敵方通信偵察的發(fā)展現(xiàn)狀，提出一種基于變時(shí)隙的短波隱蔽通信新技術(shù)，它比一般的跳時(shí)擴(kuò)頻和單一猝發(fā)通信系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗偵察抗截獲能力，作為一種新隱蔽通信體制，只是進(jìn)行了基本的原理理論分析，其抗偵察抗截獲問(wèn)題還需要進(jìn)行定量研究，在工程實(shí)現(xiàn)中還有許多要考慮的問(wèn)題，如核心難題的是對(duì)極短時(shí)間內(nèi)的短波猝發(fā)信號(hào)進(jìn)行有效的檢測(cè)問(wèn)題還要有待研究，隨著對(duì)極窄脈沖的短波信號(hào)檢測(cè)技術(shù)不斷深入研究，未來(lái)可以將新的隱蔽體制工程實(shí)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(hào)處理。