一種基于混沌序列的短時猝發(fā)水聲通信方法＊

黃富良 黃華貴 蘇 軍

（91388部隊94分隊 湛江 524022）

1 引言

在海洋工程尤其是軍事領(lǐng)域，水聲通信是水下信息傳輸交互的重要手段［1～2］。傳統(tǒng)的水聲通信方式手段單一，抗干擾能力差和保密性能差，難以滿足現(xiàn)代信息安全要求。新一代水聲通信設(shè)備開始采用數(shù)字通信方式，具有一定的抗干擾能力［3］。然而由于水聲信道的時變多徑衰弱特性［4］，為保證可靠性通常在信息碼元前附加用于同步和訓(xùn)練的輔助信息，使得發(fā)射信號持續(xù)時間長達數(shù)秒，隱蔽性差。因此，研究新的水聲通信信號體制，增強通信的隱蔽性和安全性有著重要意義。

本文將混沌序列用于多進制擴頻，同時將信道劃分為并行的同步信道和信息信道兩個子信道，構(gòu)造了一種短時猝發(fā)的通信信號，大大減少了信號脈寬和發(fā)射時間。并通過理論和仿真分析了該信號的抗干擾和隱蔽性能。

2 混沌序列

擴頻序列是擴頻通信的關(guān)鍵部分，直接影響到擴頻系統(tǒng)的抗噪聲性能。傳統(tǒng)的擴頻通信采用的偽隨機序列具有周期性且正交性的擴頻碼數(shù)量有限，易于復(fù)制，在安全性和抗干擾等方面存在一定的不足。混沌擴頻采用非線性映射的混沌序列代替?zhèn)鹘y(tǒng)的偽隨機序列。由于混沌序列的寬帶、類噪聲、難以預(yù)測、數(shù)目無限多等特性，具有更好的保密安全性能［5］。另一面方面，通過優(yōu)選可以產(chǎn)生大量相關(guān)性能優(yōu)良的序列組，非常適用于多進制正交碼擴頻。

2.1 混沌序列的產(chǎn)生

Logistic映射是目前應(yīng)用較為廣泛簡單的一種混沌映射［6］。本文選用改進型的logistic映射，與傳統(tǒng)的logistic映射相比較，改進型的logistic映射更早出現(xiàn)混沌狀態(tài)［7］，其迭代方程的數(shù)學(xué)表達式為

式中r為分形參數(shù)，其取值范圍是［0，2］。當r＝2時，映射為滿映射，產(chǎn)生的結(jié)果在（－1，1）整個區(qū)間，有利于編碼對隨機性的要求［7］。因此本文取r＝2。

由于模擬值序列不適合數(shù)字通信傳輸，需要對混沌映射實值序列進行離散化，使其轉(zhuǎn)化為二值序列，從而適用于擴頻通信。

當r＝2時，xk序列平均值為0，將其設(shè)為門限值，于是通過下面公式：

得到雙極性的二元混沌序列。

混沌序列本身是非周期的，長度無限。但在實際的擴頻通信中每個信息比特所含的擴頻序列碼長是有限長的。本文通過在生成的混沌序列中截取固定長度的序列的方法，生成截短序列碼，其由參數(shù)組［rx0Nk0N］唯一確定。其中r為分形參數(shù)，x0為模擬序列初值，Nk0為序列截取的起始位置，N為序列長度。

2.2 混沌序列的優(yōu)選

為進一步提高序列的性能，需在數(shù)目眾多的序列中進行優(yōu)選，篩選出性能較好的序列（組），剔除性能較差的序列。擴頻碼的相關(guān)特性的好壞對擴頻系統(tǒng)的性能影響極大［8］，決定了擴頻系統(tǒng)的捕捉、跟蹤、多址和抗干擾的能力。同時碼元的平衡性與載波抑制有密切關(guān)系，影響頻譜特性，關(guān)系到系統(tǒng)的隱蔽性能。因此，本文把序列的平衡性、自相關(guān)性和互相關(guān)性作為序列的優(yōu)選準則。

1）平衡性：所謂平衡性，是指“－1”和“1”（或“0”和“1”）在一個序列周期內(nèi)各自的個數(shù)。設(shè)P、Q分別表示長為N的序列中“－1”和“1”的個數(shù)，定義平衡度為［9］

平衡度越小，序列的平衡性越好，越能減小調(diào)制后的載漏。

2）相關(guān)特性：

設(shè)兩個長為N的序列｛an｝和｛bn｝，定義序列｛an｝的自相關(guān)函數(shù)為

序列｛an｝和｛bn｝的互相關(guān)函數(shù)為

相關(guān)旁瓣值直接影響到序列的相關(guān)性能，考慮本文的多進制擴頻采用相關(guān)器進行解調(diào)，相關(guān)峰值附近的旁瓣值對性能影響較大，因此，本文同時對自相關(guān)和互相關(guān)的旁瓣峰值，以及主峰值附近一段的旁瓣值的均方根分別設(shè)定門限進行優(yōu)選。圖1為混沌序列優(yōu)選流程。由于混沌序列的初值敏感性可以生成大量的序列，經(jīng)過逐步篩選，可以獲得滿足條件、性能良好的序列組。

圖1 混沌序列優(yōu)選流程框圖

3 短時猝發(fā)信號設(shè)計

3.1 設(shè)計機理

水下隱蔽通信，既要保證發(fā)射信號能被我方通信聲納正常接收，又不被敵方探測聲納識別。實際上就是低截獲概率（LPI）聲納設(shè)計問題。低截獲概率特性的通信信號具有的特征，如大占空比、大時帶寬積、多元碼、多相碼、不規(guī)則脈沖重復(fù)頻率和脈沖間碼形捷變等［10］。

為實現(xiàn)低截獲概率的水聲通信，同時又要保證其具有一定的抗干擾能力。本文將混沌與擴頻技術(shù)相結(jié)合，同時采用并行信道設(shè)計，設(shè)了一種短時猝發(fā)通信方法。其設(shè)計主要基于如下策略：

1）采用混沌擴頻通信。擴頻系統(tǒng)具有大時帶寬積特性，具有很強的抗干擾能力和保密性［11］?；煦缧蛄斜瘸Ｒ?guī)的擴頻碼具有更好的隨機特性。將擴頻與混沌結(jié)合，能大大提高通信的抗擾、多址和安全性能。

2）采用多進制編碼。具有復(fù)合碼特性，信息分布在不同的擴頻序列中，敵方探測聲納難以獲得信號完整的碼、頻特征。同時多進制擴頻能在相同帶寬下提高處理增益［11］，在保證信息速率的前提下，能大大減少信號時長。

3）降低發(fā)射聲功率。使設(shè)計的信號能在較低信噪比環(huán)境下正常通信，這樣降低發(fā)射功率，在保證一定的通信距離前提下，又不至于暴露。

4）采用猝發(fā)通信。在多進制編碼壓縮信號時長的基礎(chǔ)上，將同步信息和數(shù)據(jù)信息同時放置在不同的子信道上同時發(fā)射，進一步減小信號的脈寬。這樣通信在非常短的時間內(nèi)完成，而其它時間處于靜止狀態(tài)，使敵探測聲納難以對目標獲得長時間的積分處理而截獲信號。

3.2 信號設(shè)計

圖2為信號的調(diào)制與解調(diào)框圖。同步信息和數(shù)據(jù)信息經(jīng)優(yōu)選的混沌序列擴頻后，分別經(jīng)正交的載波調(diào)制后，將兩信道信號相加同時發(fā)射。

信息信道采用多進制（M元）擴頻方式，用一個擴頻碼傳輸k＝log2M位信息。設(shè)優(yōu)選后的混沌擴頻序列組C，包含C0，C1，…Cj…，CM－1共M條序列碼，與k位信息的M個狀態(tài)一一對應(yīng)。將二進制信息碼分段，每k位為一段，共分為P段，對于第i（i＝0，1，…，P－1）段信息碼｛ail｝，可得其對應(yīng)的序列碼在序列組中的編號為

設(shè)Tc為序列碼（切普）寬度，N為序列長度，可以得到第i段對應(yīng)的擴頻碼函數(shù)：

式中cjn為第j條序列碼的碼元，gc（t）為門函數(shù)，即

根據(jù)i和j的對應(yīng)關(guān)系，進而可以求得所有信息碼擴展后的擴頻序列為

擴頻序列經(jīng)過載波調(diào)制后得到M元擴頻信號為

對同步信道，為便于敘述，這里只涉及同步頭以及結(jié)束標識信息的調(diào)制。設(shè)用于同步頭的序列為b1，長度為Nb1；用于標識結(jié)束的序列為b2，長度Nb2，可求得同步信道擴展序列為

經(jīng)過載波調(diào)制后，得到同步信道信號為

信息和同步兩個通道信號相加，可得到發(fā)射信號為

在接收端，接收信號先送入滑動相關(guān)器進行信號檢測，并進行信號載頻和相位跟蹤。一旦捕獲信號和同步后，將信號和信道估計信息送入拷貝相關(guān)器組，由于已經(jīng)獲得同步，這里相關(guān)器只需在一個切普寬度Tc內(nèi)作相關(guān)，可以大大減少運算量，并降低誤碼率。經(jīng)最大值判決器輸出為j，將j轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)即可解調(diào)出信息碼元。一旦同步信道相關(guān)器獲得結(jié)束標志，結(jié)束本次信息的解調(diào)。

4 仿真測試

4.1 仿真條件

圖3 2013年4月南海1.3km實測海洋信道響應(yīng)

為測試設(shè)計的短時猝發(fā)通信性能，在Lab－VIEW 2012軟件中進行仿真。假設(shè)系統(tǒng)頻帶8kHz～12kHz，帶寬4kHz。采樣頻率80kHz，載波頻率10kHz，切普速率2kHz，采用16進制擴頻編碼。假設(shè)發(fā)射信號經(jīng)圖3所示的2013年4月南海某實測的信道響應(yīng)后，附加帶通高斯噪聲，多譜勒頻偏20Hz。根據(jù)碼元速率大小和是否交織糾錯編碼（BCH編碼）分為四個對照組，具體參數(shù)如表1所示。采用蒙特卡羅方法測試各組誤比特率。

表1 四個對照組仿真參數(shù)表

4.2 測試結(jié)果

仿真結(jié)果繪制如圖4。

圖4 誤比特率曲線

5 結(jié)語

本文設(shè)計的短時猝發(fā)通信方法，綜合了混沌和擴頻技術(shù)優(yōu)點，并采用了多進制編碼和劃分并行信道的方法大大壓縮信號時長，獲得了一種具有低截獲特性的通信信號。仿真測試表明在低信噪比條件下，即在低發(fā)射功率、短時、遠距離通信條件下仍具有較好的可靠性。因此本文設(shè)計的短時猝發(fā)通信具有較強的隱蔽性和低截獲概率，能較好地實現(xiàn)水下隱蔽通信。

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