石 榮 ，胡 蘇 ，徐劍韜

（1.電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610036；2.電子科技大學(xué)通信抗干擾國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611731）

基于噪聲調(diào)相干擾寄生擴(kuò)頻的隱蔽信息傳輸

石 榮1，胡 蘇2，徐劍韜1

（1.電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610036；2.電子科技大學(xué)通信抗干擾國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611731）

在常見的各種信息隱蔽傳輸方法中，宿主載體大多集中于圖像、音頻、視頻等各類多媒體信源，而通過射頻信號作為載體來實(shí)施隱蔽信息傳輸?shù)募夹g(shù)手段十分缺乏。針對這一情況，提出了一種基于噪聲調(diào)相干擾寄生擴(kuò)頻的隱蔽信息傳輸方法。在干擾機(jī)對雷達(dá)、通信等目標(biāo)對象發(fā)射噪聲壓制干擾信號的同時(shí)，將需要傳輸?shù)男畔⒓纳{(diào)制于噪聲干擾的相位分量，形成一種類擴(kuò)頻傳輸信號，并有效隱藏于大功率干擾信號之中實(shí)現(xiàn)傳輸。在接收端通過解擴(kuò)處理而恢復(fù)出隱藏的調(diào)制分量，最后解調(diào)出其中所隱蔽承載的數(shù)字比特流。仿真試驗(yàn)結(jié)果顯示了該方法的可行性與有效性，這對于電子對抗設(shè)備的綜合一體化應(yīng)用和隱蔽通信的實(shí)施提供了新的技術(shù)途徑。

噪聲調(diào)相干擾，寄生擴(kuò)頻，隱蔽信息傳輸，反通信偵察，綜合一體化

0 引言

近年來對信息安全與信號安全的要求日益提高，同時(shí)也帶動(dòng)了隱蔽通信、信息隱藏等技術(shù)的快速發(fā)展。當(dāng)前在隱蔽信息傳輸方面的研究大多集中在基于數(shù)字多媒體信源的密寫方面［1］，即在不改變對人眼和人耳等感覺器官作用特性的條件下，將需要隱蔽傳輸?shù)臄?shù)字比特嵌入文本、圖片、音頻、視頻、網(wǎng)絡(luò)流媒體等載體中［2-4］，來實(shí)現(xiàn)隱蔽信息的傳輸。除此之外，也有利用網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議［5］、信道糾錯(cuò)編碼［6］等手段來秘密承載需要傳輸?shù)男畔?。而在利用射頻信號來承載隱蔽信息方面的研究較少，而且大都局限在信號的LPI/LPD特性分析方面［7-8］，雖然文獻(xiàn)［9］提出通過主動(dòng)自加噪的方式來阻止第三方獲得射頻信號上承載的信息，但是這一信息傳輸過程對于通信偵察方來說還是知道的，隱蔽性不強(qiáng)。

針對上述情況，本文提出將需要傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^寄生擴(kuò)頻的方式，承載于電子對抗中常用的干擾機(jī)所發(fā)射的噪聲調(diào)相干擾信號波形中，使得在對雷達(dá)、通信等目標(biāo)對象實(shí)施射頻壓制干擾的同時(shí)，位于同一波束中的我方偵察接收機(jī)也能接收到上述攜帶有信息的干擾信號，從中提取出傳輸?shù)臄?shù)字比特，從而實(shí)現(xiàn)隱蔽信息傳輸。另一方面，利用電子對抗中的偵察干擾設(shè)備來實(shí)現(xiàn)信息的隱蔽傳輸也是當(dāng)前電子設(shè)備多功能綜合化發(fā)展的重要方向，這對于同一平臺上的雷達(dá)、通信、電子對抗設(shè)備綜合一體化的發(fā)展也提供了新的技術(shù)途徑。下面對這一隱蔽信息傳輸?shù)哪Ｐ?、信息承載與接收處理方法、及其特性進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

1 噪聲調(diào)相干擾信號模型及頻譜特性

如前所述，噪聲調(diào)相干擾是電子對抗中常用的一種壓制性干擾，其信號波形SJ（t）如式（1）所表達(dá)：

式（1）中，A 為信號幅度，fc為載波頻率，φ0為初相，KPM為相位調(diào)制指數(shù)，u（t）通常是均值為0，方差為σ2

u的高斯噪聲調(diào)制信號，設(shè)其具有帶限均勻譜，且頻譜寬度為ΔFu，同時(shí)記為有效相移。在的條件下，噪聲調(diào)相信號SJ（t）的功率譜GJ（f）如式（2）所表達(dá)［10］：

由式（2）可見，在調(diào)制函數(shù) u（t）為帶限均勻譜的高斯隨機(jī)過程的條件下，噪聲調(diào)相信號SJ（t）的功率譜也是一個(gè)高斯分布函數(shù)，整個(gè)干擾信號的功率等于載波功率A2/2，且干擾信號的頻譜帶寬ΔFj為［10］：

由式（3）可見，干擾信號的帶寬與有效相移和調(diào)D制函數(shù)的頻譜寬度ΔFu的乘積成正比。所以在噪聲調(diào)相干擾信號的設(shè)計(jì)中，一般事先設(shè)計(jì)好高斯噪聲產(chǎn)生函數(shù) u（t），其均值為0，方差為頻譜寬度為ΔFu。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)干擾目標(biāo)對象的要求，通過調(diào)節(jié)相位調(diào)制指數(shù)KPM來控制噪聲干擾信號的帶寬ΔFj，通過調(diào)節(jié)信號幅度A來控制噪聲干擾信號的功率，從而實(shí)現(xiàn)針對不同干擾目標(biāo)對象具有不同的干擾壓制帶寬和不同的干擾壓制功率。

通常為了簡化干擾源的設(shè)計(jì)，相位調(diào)制指數(shù)KPM一般設(shè)計(jì)為一系列的離散取值，形成一個(gè)離散數(shù)值的集合，在干擾波形合成過程中直接從集合CPM中選擇合適的數(shù)值即可。

2 基于寄生擴(kuò)頻的隱蔽承載與接收

在噪聲調(diào)相干擾信號中利用相位調(diào)制進(jìn)行寄生擴(kuò)頻的信號模型如下：

由式（4）可見，新的信號模型在噪聲調(diào)相干擾信號的相位部分，增加了一個(gè)MPSK類型信息調(diào)制項(xiàng)P（t），該調(diào)制項(xiàng)由需要傳輸?shù)亩M(jìn)制信息比特序列bn來控制。當(dāng)M=2時(shí)表示二相數(shù)字調(diào)制信號，當(dāng)M=4時(shí)表示四相數(shù)字調(diào)制信號，后續(xù)以此類推。

當(dāng)M=2時(shí)，比特序列中每一比特為一組，調(diào)制信號如式（5）所表達(dá)：

式（5）中，為每一數(shù)字調(diào)制符號持續(xù)的時(shí)間。

當(dāng)M=4時(shí)，比特序列中每兩比特為一組，且n取偶數(shù)，調(diào)制信號如式（6）所表達(dá)：

當(dāng)M為其他數(shù)值時(shí)，調(diào)制信號形式可以此類推，在此就不再重復(fù)展開闡述了。

為了實(shí)現(xiàn)信息的隱蔽傳輸，通常要求調(diào)制信號的帶寬遠(yuǎn)小于噪聲調(diào)相信號的帶寬，即有式（7）成立：

由式（7）與式（4）可知，上述調(diào)制過程實(shí)際上等效于一個(gè)通信傳輸中的頻譜擴(kuò)展過程。在這一過程中我方在使用干擾機(jī)發(fā)射噪聲調(diào)相干擾信號的同時(shí)，附帶地將需要傳輸?shù)男畔⒁黄鸢诹似渲?。在我方的信息接收端通過電子偵察設(shè)備對此干擾信號進(jìn)行接收，按照如下流程提取出干擾信號中所隱含的信息。

由于發(fā)送端使用的是我方的電子干擾設(shè)備，而接收端使用的是我方的電子偵察設(shè)備，雙方對相位調(diào)制指數(shù)的離散數(shù)值集合CPM，以及高斯噪聲產(chǎn)生函數(shù)u（t）是事先約定好的，且是相互已知的。也就是說，我方電子偵察接收機(jī)在接收到噪聲調(diào)相干擾信號后對信號SC（t）的帶寬進(jìn)行估計(jì)即可確定相位調(diào)制指數(shù)KPM的取值。在此基礎(chǔ)上我方的電子偵察接收機(jī)即可在本地生成純粹的沒有攜帶信息的噪聲調(diào)相基帶信號SJ，r（t）如下：

然后通過式（9）即可恢復(fù)出攜帶有信息的數(shù)字相位調(diào)制信號SP（t）：

式（9）中，bpfilter[·]表示帶通濾波處理算子，且濾波器中心頻率為fc，帶寬與隱蔽傳輸信息P（t）的帶寬保持一致，即接收端將接收到的信號與本地合成的參考信號相乘并帶通濾波，即可恢復(fù)出隱藏于干擾信號中的調(diào)制分量。上述處理過程實(shí)際上等效于一個(gè)解擴(kuò)過程，經(jīng)過處理所得到的信號SP（t）是一個(gè)載波頻率為fc的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字相位調(diào)制信號，通過常規(guī)的MPSK解調(diào)處理即可獲得傳輸?shù)亩M(jìn)制信息比特序列bn，從而完成隱蔽信息的有效接收。當(dāng)然在上述處理中有一個(gè)同步過程，這一過程與常規(guī)的擴(kuò)頻碼同步捕獲處理類似，在此就不再展開討論了。

3 寄生擴(kuò)頻信號特性分析與應(yīng)用討論

3.1 對噪聲調(diào)相干擾的影響

在噪聲調(diào)相干擾信號中，原有的相位調(diào)制項(xiàng)KPM·u（t）服從均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為KPM·σu的高斯分布。攜帶了信息的噪聲調(diào)相信號SC（t）相對于原信號SJ（t）來講，在相位上增加了一個(gè)調(diào)制項(xiàng)P（t）。由于P（t）的均值為0，所以新調(diào)制項(xiàng)的加入對原有調(diào)制相位的均值不會(huì)產(chǎn)生影響。另一方面，由前述設(shè)計(jì)過程可知，的最大取值為π，在此條件下，新調(diào)制項(xiàng)的加入對原有調(diào)制相位的標(biāo)準(zhǔn)差的影響非常小，可忽略不計(jì)。由此可見，攜帶有隱蔽傳輸信息的噪聲調(diào)相干擾信號的相位統(tǒng)計(jì)特性基本上與原信號的特性一致。這樣從信號波形上將難以對二者進(jìn)行有效區(qū)分，從而增強(qiáng)了信息傳輸?shù)碾[蔽性；另一方面，在電子對抗中將攜帶有隱蔽信息的噪聲調(diào)相干擾信號用于對雷達(dá)、通信等目標(biāo)對象實(shí)施大功率壓制干擾時(shí)，所獲得的干擾效果與純粹噪聲調(diào)相信號所產(chǎn)生的干擾效果基本相同。

3.2 信息傳輸?shù)男阅?/h3>

按照前一小節(jié)所提出的方法流程，其信息傳輸速率為1/，按照式（7）所示的條件，如果在隱蔽信息傳輸設(shè)計(jì)中使得式（10）成立：

即意味著有效信息傳輸帶寬與高斯噪聲產(chǎn)生函數(shù)u（t）的頻譜寬度ΔFu基本相同。而實(shí)際的調(diào)制帶寬由式（3）決定，于是可以得到本方法所獲得的等效擴(kuò)頻處理增益G如式（11）所表達(dá)。

3.3 該傳輸方式的應(yīng)用場景與優(yōu)勢分析

基于噪聲調(diào)相干擾寄生擴(kuò)頻的隱蔽信息傳輸?shù)膽?yīng)用場景如圖1所示。我方干擾機(jī)M1向?qū)Ψ降睦走_(dá)、通信等目標(biāo)對象Z實(shí)施大功率壓制干擾，在干擾天線波束覆蓋范圍內(nèi)有我方的平臺M2，該平臺上的電子偵察接收機(jī)同時(shí)也可接收到該干擾信號，即可從該干擾信號中提取出其中所隱蔽傳輸?shù)男畔?。圖1中干擾發(fā)射端同時(shí)也是隱蔽信息發(fā)送端；偵察接收端同時(shí)也是隱蔽信息接收端。

上述基于噪聲調(diào)相干擾寄生擴(kuò)頻的隱蔽信息傳輸在實(shí)際工程應(yīng)用中具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）極強(qiáng)的隱蔽性。將要傳輸?shù)男畔⒓纳{(diào)制于噪聲調(diào)相干擾信號中，在干擾機(jī)對雷達(dá)、通信等目標(biāo)對象實(shí)施干擾的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了信息的傳輸，即使第三方截獲到信號，也無法辨別和提取干擾信號中隱藏的調(diào)制信息，因?yàn)樵跊]有噪聲相位信號原始調(diào)制樣本的條件下，第三方無法完成對該信號的解擴(kuò)處理，而且該信號在時(shí)域波形上與典型的噪聲調(diào)相干擾信號幾乎沒有區(qū)別。

2）多功能一體化。傳統(tǒng)的信息傳輸通常采用專用的通信設(shè)備來完成，而基于噪聲調(diào)相干擾寄生擴(kuò)頻的隱蔽信息傳輸?shù)陌l(fā)射端是電子對抗中的干擾設(shè)備，接收端是電子對抗中的偵察設(shè)備。利用偵察干擾設(shè)備來完成通信功能，這使得同一平臺上的電子設(shè)備具有了多功能的特點(diǎn)，為通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)設(shè)備的一體化發(fā)展提供了新的技術(shù)手段。

3）具有天然的抗干擾能力。一方面本傳輸方式具有擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)，在信號接收端解擴(kuò)處理時(shí)具有較大的擴(kuò)頻處理增益，這對于消除被干擾目標(biāo)對象的信號對信息接收端的影響具有重要作用。另一方面，需要傳輸?shù)男畔⑹羌纳诟蓴_信號上的，而我方發(fā)射干擾信號是為了干擾對方的雷達(dá)、通信等目標(biāo)對象，而在干擾的同時(shí)在同頻點(diǎn)上傳輸信息，從而使得我方在干擾波束覆蓋范圍內(nèi)的信息接收端也可以接收到該信息。如果對方要對這一傳輸鏈路實(shí)施干擾，必然需要在同一頻點(diǎn)上發(fā)射更強(qiáng)的射頻干擾信號，而這樣反過來又會(huì)對自己的雷達(dá)、通信等設(shè)備形成新的自我干擾。所以利用該方式進(jìn)行隱蔽信息傳輸，對方將處于一種兩難的境地。從而為我方獲取戰(zhàn)場信息優(yōu)勢奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

4 仿真驗(yàn)證

下面以中頻采樣率100MHz，載波頻率fc=20MHz為例進(jìn)行仿真。干擾方采用均值為0，方差為1，帶寬ΔFu=100 kHz的高斯隨機(jī)函數(shù)作為噪聲調(diào)相信號的調(diào)制函數(shù)u（t），相位調(diào)制指數(shù)KPM=1 000，然后按照式（1）生成噪聲調(diào)相干擾信號，該信號的幅度譜如圖2所示。

如果對上述噪聲調(diào)相干擾信號的任意連續(xù)1E6個(gè)采樣點(diǎn)的相位值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)直方圖如圖3所示。

由圖3可見，噪聲調(diào)相干擾信號采樣點(diǎn)的相位基本服從[0,2π]范圍的均勻分布。

如果干擾方將需要隱蔽傳輸?shù)臄?shù)字比特采用BPSK調(diào)制生成相位調(diào)制項(xiàng)P（t），其中每一數(shù)字調(diào)制符號持續(xù)的時(shí)間 =10 us，于是滿足·ΔFu=1的式（10）的條件。在此條件下等效的擴(kuò)頻處理增益按式（11）計(jì)算，約為31 dB。然后按照式（4）將該信息隱蔽承載于噪聲調(diào)相信號之中，則攜帶有隱蔽信息的噪聲調(diào)相干擾信號的幅度譜如圖4所示。

對比圖4與圖2可見，在將隱蔽信息承載于噪聲調(diào)相干擾信號之中后，觀察不到干擾信號幅度譜的明顯改變。同樣對攜帶有隱蔽信息的噪聲調(diào)相干擾信號的任意連續(xù)1E6個(gè)采樣點(diǎn)的相位值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)直方圖如圖5所示。

對比圖5與圖3，在將隱蔽信息承載于噪聲調(diào)制干擾信號之中后，相位的統(tǒng)計(jì)特性并沒有發(fā)生改變，由此可見該方法具有較好的隱蔽特性。即使第三方截獲了該信號，也難以發(fā)現(xiàn)其中所攜帶的隱藏信息。而我方的電子偵察設(shè)備在接收到上述信號之后，利用式（8）在本地產(chǎn)生同樣的調(diào)相干擾信號，通過相關(guān)峰捕獲之后，即可按照式（9）對己方發(fā)射的攜帶有隱蔽信息的噪聲調(diào)相干擾信號實(shí)施類似于解擴(kuò)的處理，處理之后的信號幅度譜及其局部放大圖如下頁圖6所示。

由圖6（a）可見，經(jīng)過處理之后，隱蔽調(diào)制信號的頻譜已經(jīng)從噪聲調(diào)相干擾信號中突顯出來，由圖6（b）所顯示的局部放大圖可見，該信號為典型的BPSK調(diào)制信號的幅度譜，從幅度譜中兩個(gè)零點(diǎn)之間的間隔可知：該BPSK信號的符號速率為100 kbps。接下來通過普通的BPSK信號解調(diào)即可獲得傳輸?shù)臄?shù)字比特流。

5 結(jié)論

本文所提出的基于噪聲調(diào)相干擾寄生擴(kuò)頻的隱蔽信息傳輸方法利用電子對抗中的噪聲壓制干擾信號作為信息隱蔽寄生的宿主載體，在不改變原有信號用于大功率壓制干擾這一特性的條件下，巧妙地實(shí)現(xiàn)了信息的隱蔽承載與提取，而且該信號還具有擴(kuò)頻傳輸信號的抗干擾特性。仿真結(jié)果顯示了該方法的可行性與有效性。這一方面為信息隱蔽傳輸應(yīng)用提供了新的方法；另一方面也為偵察干擾設(shè)備的多功能應(yīng)用提供了新的手段，這對于電子對抗設(shè)備綜合一體化和隱蔽通信的發(fā)展都具有重要參考意義。

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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

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目（6142105040116210XXXX）

石 榮（1974- ），男，四川岳池人，博士，研究員。研究方向：電子對抗，通信與雷達(dá)系統(tǒng)。