孫巖博

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

隨著分布式作戰(zhàn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)、有人/無(wú)人協(xié)同等新型作戰(zhàn)概念的提出和運(yùn)用，除了對(duì)提升通信傳輸能力要求之外，更需要提升通信本身的射頻隱身能力[1-2]。參數(shù)測(cè)量是通信偵察的核心，處于信號(hào)檢測(cè)分離與類型識(shí)別之間，其中擴(kuò)頻參數(shù)測(cè)量是其重要環(huán)節(jié)，用于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻信號(hào)偽碼速率和擴(kuò)頻周期的估計(jì)，對(duì)于調(diào)制方式的識(shí)別、特定信號(hào)的搜索以及盲解調(diào)等具有重要的意義。

早期低截獲波形采用直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)技術(shù)，通過(guò)降低傳輸信號(hào)瞬時(shí)功率譜密度，使信號(hào)淹沒(méi)于噪聲之下，迫使截獲接收機(jī)難以獲取足夠多的能量，由此達(dá)到射頻隱身的效果[3]。文獻(xiàn)[4]采用多元低密度奇偶校驗(yàn)(Low Density Parity Check，LDPC)碼作為信道編碼，并結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制和DSSS技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的低截獲概率性能。文獻(xiàn)[5]研究了非量化實(shí)值混沌直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，利用其非恒包絡(luò)特性，以降低被截獲概率，但同時(shí)也帶來(lái)嚴(yán)重的非線性失真問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]采用混合擴(kuò)頻方式，將跳頻技術(shù)與傳統(tǒng)DSSS技術(shù)優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，在低信噪比下隱蔽通信的同時(shí)有效克服遠(yuǎn)近效應(yīng)。然而現(xiàn)有的低截獲技術(shù)擴(kuò)頻體制單一，主要采用固定增益定碼擴(kuò)頻體制，擴(kuò)頻信號(hào)特征具有較強(qiáng)的規(guī)律性，易被敵方偵測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)，難以滿足未來(lái)體系作戰(zhàn)的低截獲需求[7-9]。為此，研究一種抗擴(kuò)頻參數(shù)測(cè)量的低截獲波形具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文在兼容現(xiàn)有通信技術(shù)體制下，從抑制和消除通信信號(hào)中存在的可檢測(cè)、可攻擊統(tǒng)計(jì)特征的思路出發(fā)，通過(guò)引入隨機(jī)過(guò)程對(duì)跳碼擴(kuò)頻序列和擴(kuò)頻碼速率進(jìn)行隨機(jī)化控制，使輸出的碼速率和擴(kuò)頻周期時(shí)間具有非平穩(wěn)統(tǒng)計(jì)特征和非各態(tài)歷經(jīng)性質(zhì)，以增強(qiáng)低截獲波形抗擴(kuò)頻參數(shù)測(cè)量的能力。同時(shí)，輻射源擴(kuò)頻參數(shù)對(duì)于截獲方是未知的，具有很強(qiáng)的不可預(yù)測(cè)和不可重構(gòu)特征，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的物理層安全通信。

1 低截獲波形方案

將信息安全的概念從傳統(tǒng)的信息加密擴(kuò)展至信號(hào)特征加密，由于通信系統(tǒng)協(xié)作式的工作特點(diǎn)，只要通信雙方事先約定或在通信過(guò)程中重新約定，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)擴(kuò)頻特征的隨機(jī)化控制，消除波形擴(kuò)頻特征的循環(huán)平穩(wěn)性，使非合作對(duì)象的終端無(wú)法穩(wěn)定測(cè)量。

1.1 發(fā)射方案

本文低截獲波形以時(shí)隙為單位猝發(fā)通信。圖1為低截獲波形的時(shí)隙結(jié)構(gòu)，主要由控制信息和業(yè)務(wù)信息組成?？刂菩畔⒂糜趥鬏斖叫畔⒑屯ㄐ挪ㄐ翁卣鲄?shù)指示信息，后者用于指引業(yè)務(wù)信息的處理方式。業(yè)務(wù)信息用于傳輸用戶消息。為最大化擴(kuò)頻輻射特征的不確定性，同時(shí)降低截獲接收機(jī)處理累積增益，本文采用跳碼擴(kuò)頻方式，其不同擴(kuò)頻序列具備良好的互相關(guān)性?？刂菩畔⒁允孪燃s定的方式采用固定跳碼圖案進(jìn)行擴(kuò)頻且不同時(shí)隙內(nèi)控制信息的跳碼圖案是相同的。業(yè)務(wù)信息以通信過(guò)程中重新約定的方式引入混沌隨機(jī)過(guò)程對(duì)不同擴(kuò)頻序列隨機(jī)化控制實(shí)現(xiàn)對(duì)不同時(shí)隙內(nèi)用戶消息的動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻。每個(gè)時(shí)隙內(nèi)相鄰駐留時(shí)間所采用跳碼擴(kuò)頻序列的擴(kuò)頻周期時(shí)間和擴(kuò)頻碼速率是不同的。

圖1 抗擴(kuò)頻參數(shù)測(cè)量的低截獲波形時(shí)隙結(jié)構(gòu)示意圖

低截獲波形時(shí)域表達(dá)式可表示為

x(t)=Ψ(s(t))ej(2πfct+θ)，

(1)

(2)

圖2為低截獲波形的發(fā)射結(jié)構(gòu)。首先業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)基帶調(diào)制、跳碼擴(kuò)頻等處理得到業(yè)務(wù)信息已調(diào)信號(hào)，其中擴(kuò)頻序列通過(guò)Logistic映射的混沌隨機(jī)過(guò)程，經(jīng)量化處理后從跳碼序列集合與擴(kuò)頻速率集合中隨機(jī)生成。同時(shí)將業(yè)務(wù)信息已調(diào)信號(hào)采用的跳碼序列和擴(kuò)頻速率作為波形特征參數(shù)指示信息用于控制信道傳輸，經(jīng)過(guò)格式化模塊將其與同步信息進(jìn)行組幀和基帶調(diào)制后，基于事先約定的跳碼圖案擴(kuò)頻處理得到控制信息已調(diào)信號(hào)。最后業(yè)務(wù)信息已調(diào)信號(hào)與控制信息已調(diào)信號(hào)進(jìn)行復(fù)用組幀得到已調(diào)信號(hào)，最終已調(diào)信號(hào)經(jīng)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(Digital-to-Analog Converter，DAC)及上變頻處理進(jìn)行射頻輸出。

圖2 抗擴(kuò)頻參數(shù)測(cè)量的低截獲波形發(fā)射結(jié)構(gòu)

Logistic映射是從Logistic方程演化來(lái)的，Logistic差分方程為

xk+1=uxk(1-xk),0

(3)

式中:xk是第k個(gè)混沌系統(tǒng)狀態(tài)，u為映射的控制參數(shù)。采用非線性量化，每一個(gè)混沌序列實(shí)值都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)量化后的跳碼序列或擴(kuò)頻速率索引值i，具備運(yùn)算量小且信息利用率高的特點(diǎn)。非線性量化方程為

(4)

式中：q是跳碼序列集合或擴(kuò)頻速率集合樣本數(shù)目。

1.2 接收方案

低截獲波形的接收結(jié)構(gòu)如圖3所示。接收端對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行下變頻，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)和帶通濾波器(Band-Pass Filter，BPF)處理輸出已調(diào)信號(hào)，利用接收同步信息和本地產(chǎn)生的固定跳碼圖案擴(kuò)頻序列實(shí)現(xiàn)時(shí)間和載波同步，通過(guò)控制信道、業(yè)務(wù)信道解復(fù)用模塊，將控制信息已調(diào)信號(hào)與業(yè)務(wù)信息已調(diào)信號(hào)進(jìn)行分步處理：首先將控制信息已調(diào)信號(hào)根據(jù)事先約定的跳碼圖案依次進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)等處理，恢復(fù)業(yè)務(wù)信息中波形特征參數(shù)指示信息，得到當(dāng)前業(yè)務(wù)信息的擴(kuò)頻特征參數(shù);然后跳碼生成模塊利用上述參數(shù)產(chǎn)生本地動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻序列，依次進(jìn)行業(yè)務(wù)信息已調(diào)信號(hào)的跳碼解擴(kuò)、基帶解調(diào)等處理恢復(fù)出用戶信息。

圖3 抗擴(kuò)頻參數(shù)測(cè)量的低截獲波形接收結(jié)構(gòu)

接收同步利用已知的同步信息實(shí)現(xiàn)定時(shí)同步和載波同步。定時(shí)同步用于搜索接收信號(hào)中同步信息的起始碼相位。接收到的數(shù)字信號(hào)可表示為

(5)

(6)

(7)

按照中國(guó)2013胃腸胰神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[2]，根據(jù)核分裂象計(jì)數(shù)和Ki67增殖指數(shù)將P-NENs分為NET G1級(jí)(核分裂數(shù) ≤1個(gè)/10HPF，Ki67≤2%)、NET G2級(jí)(核分裂數(shù)2～20個(gè)/10HPF，Ki67為3%～20%)、NET G3級(jí)(核分裂數(shù)>20個(gè)/10HPF，Ki67>20%)、NEC G3級(jí)(核分裂數(shù)>20個(gè)/10HPF，Ki67>20%)。

載波同步是在定時(shí)同步的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)多普勒頻率和載波相位的準(zhǔn)確估計(jì)。由于本文低截獲通信系統(tǒng)采用猝發(fā)工作體制，需要載波同步快速鎖定，為此可采用基于數(shù)據(jù)輔助的開(kāi)環(huán)載波同步方法。由于同步信息是已知的，可通過(guò)本地再生的方法消除接收同步信息段內(nèi)調(diào)制信號(hào)的影響。其中接收同步信息段信號(hào)可表示為

(8)

將r′(k)與本地同步信息復(fù)數(shù)域調(diào)制信號(hào)共軛相乘，得到

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

2 仿真與分析

在電子對(duì)抗領(lǐng)域，敵偵收方對(duì)輻射源擴(kuò)頻參數(shù)的估計(jì)主要包括碼速率和擴(kuò)頻周期。本節(jié)將對(duì)比分析所提出的低截獲波形與傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形的參數(shù)估計(jì)性能。不失一般性，載波中頻設(shè)為20.46 MHz，擴(kuò)頻速率集合為[2.048 MHz,4.096 MHz,8.192 MHz,16.384 MHz]，跳碼序列擴(kuò)頻增益集合為[16,32,64,128]，調(diào)制方式為二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)。

2.1 擴(kuò)頻周期時(shí)間估計(jì)

圖4和圖5分別對(duì)比了未加噪聲下所提出的低截獲波形與傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形的平均自相關(guān)二階距和二次功率譜，其中傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形的擴(kuò)頻速率與擴(kuò)頻增益分別為8.192 MHz和64，所提出的低截獲波形采用不同擴(kuò)頻速率與擴(kuò)頻增益組合的跳碼擴(kuò)頻方式，且滿足相鄰駐留時(shí)間內(nèi)跳碼擴(kuò)頻序列的擴(kuò)頻周期時(shí)間和碼速率是不同的，駐留時(shí)間設(shè)為62.5 μs。由圖4可知，傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形的平均自相關(guān)二階矩尖峰呈周期分布，其峰值間隔可準(zhǔn)確估計(jì)出擴(kuò)頻周期時(shí)間;相反，所提出的低截獲波形由于采用了變周期跳碼擴(kuò)頻，不同駐留時(shí)間內(nèi)的擴(kuò)頻序列具備良好的互相關(guān)特性，很大程度上降低了若干段信號(hào)二階矩疊加后帶來(lái)的累積增益，除了延時(shí)為零時(shí)刻的峰值外，導(dǎo)致其他峰值處幅值較低，同時(shí)也破壞了平均自相關(guān)二階矩尖峰的周期性。與圖4的現(xiàn)象相類似，由圖5可知，傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形的二次功率譜在偽碼周期整數(shù)倍處出現(xiàn)一系列的周期性尖峰脈沖，峰值間距即為擴(kuò)頻周期時(shí)間，而所提出的低截獲波形顯著抑制了二次功率譜可統(tǒng)計(jì)的周期特征。

圖4 傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形和本文低截獲波形的平均自相關(guān)二階矩

圖5 傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形和本文低截獲波形的二次功率譜

采用二次功率譜算法和平均自相關(guān)二階矩算法，圖6分別對(duì)比了所提出的低截獲波形與傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形的擴(kuò)頻周期時(shí)間估計(jì)精度。由圖可知，隨著信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)的增加，傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形的擴(kuò)頻周期時(shí)間估計(jì)精度提高，在高信噪比時(shí)，傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形在二次功率譜算法和平均自相關(guān)二階矩算法下的擴(kuò)頻周期時(shí)間估計(jì)精度分別在約10-4和10-5數(shù)量級(jí)，而所提出的低截獲波形由于其平均自相關(guān)二階矩和二次功率譜不具備周期循環(huán)平穩(wěn)性，同時(shí)也很大程度上降低了平均累積處理增益，導(dǎo)致擴(kuò)頻周期時(shí)間估計(jì)精度較差，在高信噪比下仍存在約0.6的相對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差。

圖6 擴(kuò)頻周期時(shí)間估計(jì)精度分析

2.2 碼速率估計(jì)

由于碼速率是影響信號(hào)時(shí)頻特征的重要因素，在相同分析條件下，首先分析對(duì)比傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形與所提出的低截獲波形的時(shí)頻特征曲線，如圖7所示。由圖可知，傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形具備非常規(guī)律的時(shí)頻特征;相反，所提出的低截獲波形由于其相鄰駐留時(shí)間內(nèi)跳碼擴(kuò)頻序列的碼速率是不同的，導(dǎo)致其時(shí)頻特征動(dòng)態(tài)變化，不具備平穩(wěn)的統(tǒng)計(jì)特征。同時(shí)，圖8比較了未加噪聲下傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形與所提出的低截獲波形的循環(huán)譜特性。由圖可知，傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形在零頻時(shí)的循環(huán)譜切面表現(xiàn)出非常顯著的載頻特征和碼速率特征，其中譜峰可準(zhǔn)確估計(jì)2倍載頻，譜峰和次峰間隔可準(zhǔn)確估計(jì)碼速率，而所提出的低截獲波形很大程度上抑制了循環(huán)譜可統(tǒng)計(jì)的碼速率特征。

(a)傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形的時(shí)頻特征

(b)本文低截獲波形的時(shí)頻特征圖7 傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形和本文低截獲波形的時(shí)頻特征

圖8 零頻時(shí)傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形和本文低截獲波形的循環(huán)譜切面

由于截獲信號(hào)往往具有比較低的信噪比，而延時(shí)相乘功率譜法[13]和循環(huán)譜算法[14]對(duì)噪聲具有良好的抑制效果，可有效地估計(jì)擴(kuò)頻偽碼速率。圖9對(duì)比了上述兩種算法下所提出的低截獲波形與傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形的擴(kuò)頻碼速率估計(jì)精度。由圖可知，隨著SNR的增加，傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形的碼速率估計(jì)精度提高，在高信噪比時(shí)兩種算法下的碼速率估計(jì)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差分別在約10-3和10-5數(shù)量級(jí)，而所提出的低截獲波形由于其具有非循環(huán)平穩(wěn)統(tǒng)計(jì)特征，導(dǎo)致其碼速率估計(jì)精度較差，在高信噪比下仍存在約0.5的相對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差。

圖9 碼速率估計(jì)精度分析

3 結(jié) 論

為增強(qiáng)低截獲波形抗擴(kuò)頻參數(shù)測(cè)量的能力，本文提出了一種抗擴(kuò)頻參數(shù)測(cè)量的低截獲波形實(shí)現(xiàn)方案，通過(guò)引入隨機(jī)過(guò)程對(duì)跳碼擴(kuò)頻序列和碼速率進(jìn)行隨機(jī)化控制，使輸出的碼速率和擴(kuò)頻周期時(shí)間具有非循環(huán)平穩(wěn)統(tǒng)計(jì)特征和非各態(tài)歷經(jīng)性質(zhì)。最后采用工程上常用的平均自相關(guān)二階矩算法和二次功率譜算法以及循環(huán)譜算法和延時(shí)相乘功率譜法分別分析對(duì)比了傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形與所提出的低截獲波形在擴(kuò)頻周期時(shí)間和碼速率方面的測(cè)量精度。仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)擴(kuò)頻體制波形在高信噪比下可準(zhǔn)確估計(jì)擴(kuò)頻周期時(shí)間和碼速率，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差為10-3～10-5數(shù)量級(jí)；反之，所提出的低截獲波形的擴(kuò)頻特征參量具有非循環(huán)平穩(wěn)性，其擴(kuò)頻周期和碼速率估計(jì)精度較差，在高信噪比下存在0.5～0.6的相對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差，呈現(xiàn)出優(yōu)越的抗擴(kuò)頻參數(shù)測(cè)量的能力，同時(shí)該技術(shù)也可與其他低截獲技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多域特征參數(shù)的不可預(yù)測(cè)和不可重構(gòu)，增強(qiáng)射頻輻射源的低截獲性能。