衛(wèi)星隱蔽信號波形設(shè)計(jì)與仿真

何其恢，朱立東

(電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731)

0 引言

由于具有良好的抗干擾性，擴(kuò)頻通信技術(shù)在軍事抗干擾技術(shù)研究中占有很大的比重。直接序列擴(kuò)頻具有譜密度低、抗干擾性能好及抗截獲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。其中采用的擴(kuò)頻序列性質(zhì)對通信系統(tǒng)性能起到?jīng)Q定性的作用和影響。主流的擴(kuò)頻碼有m序列、GOLD序列及R-S序列等，作為標(biāo)準(zhǔn)的偽隨機(jī)碼，它們都具有良好的偽隨機(jī)性，但是也有數(shù)量少、復(fù)雜度低的缺點(diǎn)[2]。

在軍事方面的大量使用使得直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)得到了大量研究，信號盲檢測技術(shù)作為其中的熱點(diǎn)取得了巨大進(jìn)展，對傳統(tǒng)直擴(kuò)技術(shù)的安全性能提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著W.A.Gardner提出周期平穩(wěn)隨機(jī)過程數(shù)字模型及譜相關(guān)理論[3-5]，利用統(tǒng)計(jì)譜方法進(jìn)行研究，避開了復(fù)雜的概率運(yùn)算，建立了譜分析的統(tǒng)一框架，低概率截獲(Low Probability of Interception,LPI)技術(shù)的工作流程大大簡化,這就使得對傳統(tǒng)衛(wèi)星擴(kuò)頻通信技術(shù)的改進(jìn)迫在眉睫。

目前的隱蔽信號波形設(shè)計(jì)工作主要集中在信息隱藏和信息置亂算法上[6]，通過對信息本身形式的變換來達(dá)到加密和隱蔽的效果。其中主要的隱蔽手段有圖像置亂算法、數(shù)字水印技術(shù)、基于混沌序列理論的隱蔽通信技術(shù)等。這幾種主要的方向相互結(jié)合又產(chǎn)生了很多新興的隱蔽信號設(shè)計(jì)方法，這些技術(shù)多數(shù)著眼于信息本身，還可以通過結(jié)合不同種類通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)來完成一定的優(yōu)化。

就衛(wèi)星通信方面而言,有2個(gè)比較重要的研究成果，一是采用混沌擴(kuò)頻技術(shù)的衛(wèi)星隱蔽通信系統(tǒng)，二是應(yīng)用變換域通信系統(tǒng) (TDCS)技術(shù)的衛(wèi)星隱蔽通信系統(tǒng)。它們分別從宏觀和微觀2個(gè)方面增加了系統(tǒng)本身的非平穩(wěn)性，雖然能夠一定程度上提高通信系統(tǒng)的隱蔽性能，但是還有一些缺點(diǎn)，混沌擴(kuò)頻技術(shù)天生具有難同步、對硬件要求高等缺點(diǎn)，變換域通信系統(tǒng)雖然宏觀上可行，但還缺少細(xì)節(jié)方面的優(yōu)化與設(shè)計(jì)。

本文結(jié)合這2個(gè)研究方向，并引入大信號隱蔽技術(shù)[7]對衛(wèi)星信號波形進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，得到了具有理想抗截獲性能的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)模型

基于大信號隱蔽技術(shù)和跳碼擴(kuò)頻技術(shù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)較于傳統(tǒng)直接擴(kuò)頻系統(tǒng)具有抗截獲性能方面的優(yōu)勢，其設(shè)計(jì)原理如圖1所示。圖中，隱蔽信號首先經(jīng)過跳碼擴(kuò)頻，再進(jìn)行大信號隱蔽，保證自相關(guān)特征能夠得到隱蔽，以達(dá)到抗截獲性能要求。接收方通過大信號攜帶的信息先對大信號進(jìn)行捕獲和重構(gòu)，再使用重構(gòu)后的大信號將接收信號中的大信號分量抵消，以降低接收方接收隱蔽信號的設(shè)備性能要求。最后對抵消后的信號進(jìn)行捕獲和解擴(kuò)，最終完成接收。

圖1 衛(wèi)星隱蔽通信原理

2 基于跳碼擴(kuò)頻的隱蔽信號設(shè)計(jì)

跳碼擴(kuò)頻系統(tǒng)提供了隱蔽直接擴(kuò)頻系統(tǒng)時(shí)域自相關(guān)函數(shù)周期性的手段，抗檢測性能較為優(yōu)秀，對于非合作方，信號也更加難以察覺，在針對日益完善的基于自相關(guān)性質(zhì)的直擴(kuò)信號盲檢測技術(shù)方面有很好的效果。

跳碼系統(tǒng)的信號自相關(guān)特征隨著時(shí)間不停變化，實(shí)現(xiàn)了碼域的非平穩(wěn)處理。跳碼系統(tǒng)隨著時(shí)間的推進(jìn)會為不同用戶分配不同的控制參數(shù)，從而采用不同的序列進(jìn)行擴(kuò)頻。要確保不同用戶間具有足夠的差異，可以通過引入不同的跳碼圖案和跳碼集合的方式來防止出現(xiàn)碼字的沖突。

可以看出，對采用跳碼擴(kuò)頻技術(shù)的波形設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)元素：

① 擴(kuò)頻序列

應(yīng)該采用包含了盡可能豐富的擴(kuò)頻周期的擴(kuò)頻碼集合，集合中擴(kuò)頻碼周期的選擇越多樣，信號的自相關(guān)函數(shù)周期性被改變得越徹底。

② 跳碼圖案

擴(kuò)頻碼跳變的方式就是跳碼圖案，跳碼圖案應(yīng)該具有足夠的隨機(jī)性以保證弱信號不會被非合作方檢測出來。采用混沌序列作為跳碼圖案一般來說需要極高的傳輸精度而難以實(shí)現(xiàn)，但是在采用大信號隱蔽技術(shù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中可以通過傳輸輔助數(shù)據(jù)的方式讓接收方自行產(chǎn)生跳碼圖案，在確保隨機(jī)性的同時(shí)降低了傳輸精度的要求。輔助數(shù)據(jù)可以通過加密的方式放在大信號中傳輸，大信號對非合作方基本透明，可以起到一定的迷惑作用。

③ 跳碼同步

使用跳碼擴(kuò)頻技術(shù)可以打亂擴(kuò)頻碼的周期自相關(guān)性質(zhì)，雖然這樣可以有效防備非合作方截獲我方機(jī)密信息，但是自相關(guān)性質(zhì)的隱蔽也加大了合作方進(jìn)行信號同步的難度，但是在采用大信號隱蔽技術(shù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，大信號作為起隱蔽作用的信號，應(yīng)該是易于接收和同步的，可以利用大信號的這一特性，將小信號和大信號的速率對齊，一旦采用大信號完成同步也就完成了經(jīng)過處理的隱蔽信號的同步，通過大信號中接收到的隱蔽信號擴(kuò)頻序列特征信息，合作方解調(diào)隱蔽信號的難度大大降低。

衛(wèi)星隱蔽通信系統(tǒng)采用如圖2所示的跳碼直擴(kuò)方式，實(shí)現(xiàn)碼域非平穩(wěn)化處理。直接序列擴(kuò)頻隨機(jī)跳碼的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

不同擴(kuò)頻碼的碼長保持一致，但是其周期隨時(shí)間變化而變化，在改變了自相關(guān)特性的同時(shí)并不影響合作方對信號的正常接收。

圖4是對2種擴(kuò)頻方式在2個(gè)碼元周期內(nèi)的自相關(guān)仿真，傳統(tǒng)擴(kuò)頻方式使用的是周期為256的gold序列，跳碼擴(kuò)頻采用的是碼字長度為256的擴(kuò)頻碼集合，其中包含了周期為64,128,256的不同擴(kuò)頻序列。從圖4的對比中可以發(fā)現(xiàn)，圖4(a)自相關(guān)函數(shù)在單個(gè)碼元周期內(nèi)表現(xiàn)出了4個(gè)呈周期性的相關(guān)峰值，其中擴(kuò)頻碼的自相關(guān)特性表現(xiàn)得比較清楚，其抗干擾性能不夠理想；而圖4(b)序列的自相關(guān)函數(shù)雖然存在一些明顯的自相關(guān)峰值，但是其中峰值的大小不同，且不具有周期性，非合作方無法通過該自相關(guān)函數(shù)獲得擴(kuò)頻序列周期的有用信息，具有更加理想的抗截獲性能。

圖2 跳碼直擴(kuò)技術(shù)原理

圖3 直接擴(kuò)頻隨機(jī)跳碼結(jié)構(gòu)

圖4 自相關(guān)檢測性能對比

3 大信號設(shè)計(jì)

大信號作為掩蓋信號，其設(shè)計(jì)方向應(yīng)該與弱信號相反。大信號要能掩蓋住弱信號，必須具有循環(huán)平穩(wěn)特性，誘導(dǎo)非合作方的截獲工作，干擾其對弱信號相關(guān)參數(shù)的檢測和估計(jì)，所以大信號應(yīng)該具有與經(jīng)過跳碼擴(kuò)頻后的弱信號相近的性質(zhì)，以最大化大信號的迷惑性。同時(shí)，大載波信號需要攜帶弱信號中的一次隨機(jī)跳碼編號，輔助合作方接收弱信號，從弱信號中提取重要數(shù)據(jù)。

(1)

式中，A為弱信號載波幅度；fc為弱信號載波頻率；φ0為初始相位；cm是弱信號擴(kuò)頻碼序列，d?m/k」為cm所在的信息數(shù)據(jù)值，符號持續(xù)時(shí)間為Tc；Td=kTc，k為擴(kuò)頻增益。

大信號波形可表示為：

(2)

①A′遠(yuǎn)大于弱信號幅度A(在合作方可解調(diào)弱信號前提下設(shè)計(jì))，大信號采用與弱信號相同的調(diào)制方式，相同的中心頻率和初始相位；

③ 大信號中攜帶的數(shù)據(jù)符號周期Td′滿足jTd′=Td，j≥2且j∈Ζ；

對大信號隱蔽系統(tǒng)的原理進(jìn)行推導(dǎo),將大信號掩蓋到弱信號上，得到如下的混合信號：

(3)

分析s(t)對應(yīng)的αm系數(shù)：

(4)

(5)

發(fā)射信號s(t)的αm系數(shù)是s(t)的自相關(guān)函數(shù)在τ=mTp處的三角峰幅度值，αm越大，則容易被檢測出來。從式(5)可以看出，發(fā)射信號s(t)的αm系數(shù)主要受y(t)的特性影響，弱信號w(t)的特性對αm系數(shù)的影響可以忽略不計(jì)。因此，在自由空間傳播中，大信號可以實(shí)現(xiàn)對弱信號的掩蓋，增加非合作方對弱信號檢測和參數(shù)估計(jì)的難度。

圖5是采用大信號隱蔽技術(shù)后得到的仿真結(jié)果，其所包含的弱信號與圖4完全相同。對比圖4與圖5可以發(fā)現(xiàn)，從圖5中基本只能發(fā)現(xiàn)疊加大信號的自相關(guān)特征，可以說隱蔽信號的自相關(guān)特征峰被很好地遮蔽，大信號隱蔽技術(shù)很好地發(fā)揮了它的作用。與大信號相關(guān)峰相比，隱蔽信號的相關(guān)特征不明顯。圖5的仿真結(jié)果并沒有考慮到噪聲干擾的情況，如果將噪聲干擾的情況也加入考慮，如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)弱信號相關(guān)峰幾乎全部被噪聲淹沒，達(dá)到了十分理想的效果。

圖5 大信號疊加自相關(guān)檢測

圖6 信噪比為-6 dB大信號疊加自相關(guān)檢測

4 誤碼性能與抗截獲性能仿真分析

接下來對設(shè)計(jì)系統(tǒng)和傳統(tǒng)直擴(kuò)信號的誤碼性能進(jìn)行仿真。對誤碼率的統(tǒng)計(jì)采用蒙特卡羅方法，傳輸100 000個(gè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。仿真系統(tǒng)符號速率為1 kbps,采用周期長度為256的擴(kuò)頻碼/擴(kuò)頻碼集合，載頻頻率為5.12 MHz。

從圖7中可以看出，當(dāng)強(qiáng)弱信號功率比為6 dB時(shí)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)誤碼性能曲線和傳統(tǒng)直擴(kuò)系統(tǒng)誤碼率曲線比較接近。當(dāng)強(qiáng)弱信號功率比為12 dB時(shí)，憑借當(dāng)前長度的擴(kuò)頻碼已經(jīng)無法抵消大信號帶來的噪聲干擾，雖然伴有由于采用不同周期擴(kuò)頻碼產(chǎn)生的誤碼率波動(周期較長的擴(kuò)頻碼對窄帶干擾有更好的抵抗效果)，但仍可看出設(shè)計(jì)系統(tǒng)誤碼性能在信噪比為-15 dB左右時(shí)趨于穩(wěn)定，由此可判斷出此穩(wěn)定值即為大信號帶來的性能下降。

圖7 誤碼性能對比仿真結(jié)果

在-25 dB～-20 dB的信噪比區(qū)間內(nèi)，強(qiáng)弱信號功率比為12 dB時(shí)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的解調(diào)損失在2 dB內(nèi)，但在更好的信噪比條件下，由于傳統(tǒng)直接擴(kuò)頻系統(tǒng)可以做到零誤碼，而12 dB功率比的設(shè)計(jì)信號無法排除大信號的干擾，其性能差距逐漸拉開。當(dāng)功率比<12 dB時(shí)，大信號干擾可以被直擴(kuò)技術(shù)有效降低，隨著大小信號功率比的降低，系統(tǒng)誤碼性能越接近傳統(tǒng)系統(tǒng)，誤碼性能差距逐漸控制在可以接受的范圍內(nèi)。

采用能量檢測法和循環(huán)譜法進(jìn)行抗截獲性能檢測。仿真分析能量檢測法的載波頻率范圍檢測情況，其中隱蔽信號發(fā)送速度為1 kbps，擴(kuò)頻碼采用周期為256的gold序列。設(shè)計(jì)系統(tǒng)隱蔽數(shù)據(jù)傳輸速率依然為1 kbps，擴(kuò)頻集合采用長度為256的擴(kuò)頻碼集合，強(qiáng)弱信號功率比為12 dB。

圖8(a)具有明顯的峰值，圖8(b)中隱蔽部分峰值完全抑制，只能檢測到屬于大信號的峰值，經(jīng)過多次嘗試，當(dāng)強(qiáng)弱信號功率比>6 dB時(shí)設(shè)計(jì)信號的抗截獲性能足夠優(yōu)秀，無法通過一般的次波峰門限判決方法檢測出隱蔽信號。

圖8 能量檢測法仿真結(jié)果對比

接下來使用循環(huán)譜法進(jìn)行抗截獲性能仿真，分為未處理、傳統(tǒng)直擴(kuò)、跳碼擴(kuò)頻和設(shè)計(jì)信號4種情況，載頻為5.12 MHz，采樣率為20.48 MHz，信噪比為12 dB，擴(kuò)頻采用長度為256的擴(kuò)頻碼或擴(kuò)頻碼集合，信號經(jīng)過擴(kuò)頻處理后發(fā)送速率均為256 kbps。

對比圖9(a)和圖9(b)，可看出在靠近主峰處，直擴(kuò)序列出現(xiàn)一個(gè)明顯的峰值，而非直擴(kuò)序列的循環(huán)譜除了主峰處基本保持穩(wěn)定。根據(jù)循環(huán)譜分析相關(guān)理論，直擴(kuò)序列0 Hz切片循環(huán)譜2次高峰值間頻率間隔為2倍信號發(fā)送頻率，可以由此得出檢測信號的符號速率。從圖9(c)中可以看出，與傳統(tǒng)直接擴(kuò)頻序列相比，設(shè)計(jì)弱信號循環(huán)譜多了2個(gè)譜峰，加大了非合作方檢測出有效信息的難度。這是由于跳碼擴(kuò)頻的弱信號采用不同周期的擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻，如果采用可用周期更多的擴(kuò)頻碼集合，在較長的時(shí)間周期內(nèi)可以出現(xiàn)更多的譜峰，取得更好的隱蔽效果。觀察圖9(d)，可看出弱信號的周期自相關(guān)特性峰值被大信號完全掩蓋，非合作方無法從這樣的循環(huán)譜中得到有關(guān)隱蔽信號存在與否以及其他重要信息。仿真證明基于大信號隱蔽技術(shù)的跳碼擴(kuò)頻通信系統(tǒng)對循環(huán)譜法具有很好的隱蔽性能。

圖9 不同信號0 Hz切片循環(huán)譜仿真

5 結(jié)束語

從大信號和弱信號2個(gè)方面設(shè)計(jì)了新型衛(wèi)星通信信號波形。大信號設(shè)計(jì)從其掩蓋功能出發(fā)，分析了可以達(dá)到最好掩蓋效果的方法。弱信號設(shè)計(jì)主要是結(jié)合實(shí)際，討論了如何才能使整個(gè)系統(tǒng)的可行性達(dá)到最大。之后對整個(gè)通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，給出傳統(tǒng)直擴(kuò)系統(tǒng)安全性問題的解決方案，并從誤碼性能和抗截獲性能2方面進(jìn)行測試，對解決方案進(jìn)行優(yōu)化。利用能量檢測法和循環(huán)譜法測試了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的抗截獲性能，證明了該系統(tǒng)能夠很好地應(yīng)對基于擴(kuò)頻序列時(shí)域自相關(guān)性質(zhì)的檢測方法，在傳統(tǒng)直擴(kuò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上極大地提高了抗截獲性能。

考慮到傳統(tǒng)直接擴(kuò)頻技術(shù)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域中的大量使用這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)是對無法滿足安全性能的舊有系統(tǒng)進(jìn)行升級。該升級主要基于波形的設(shè)計(jì)，并不需要硬件方面的更新，所以具有較大的應(yīng)用價(jià)值，對于電子對抗和信息安全領(lǐng)域都具有重要的意義。