基于循環譜的隱蔽通信性能分析

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2023年8月28日 10:21

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《宇航總體技術》2023年第3期

作者簡介

燕賀云，電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室研究生，主要研究方向為隱蔽通信。

通訊作者簡介

蒯小燕，電子科技大學副教授，主要研究方向為抗干擾通信。

引用格式

燕賀云, 蒯小燕.基于循環譜的隱蔽通信性能分析［J］.宇航總體技術,2023,7(3)：27-34.

Citation

Yan H Y, Kuai X Y. Performance analysis of covert communication based on cyclic spectrum［J］. Astronautical Systems Engineering Technology, 2023,7(3)：27-34.

全文鏈接

http://yhztjs.zghtqk.com/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20230305&journal_id=yhztjs

文章導讀

摘要

研究了基于擴頻技術的隱蔽通信波形設計，采用大信號掩蓋技術和跳碼擴頻技術，其中大信號和隱蔽信號分別以直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）和隨機跳碼擴頻方式產生。對DSSS信號和隨機跳碼擴頻信號的二階循環平穩特性進行了理論分析，并通過仿真證明了循環平穩特性可用于隱蔽通信波形循環譜分析。首先，理論分析揭示DSSS信號的循環譜在與數據符號速率和碼片速率相關的循環頻率上，具有由信號的循環平穩性所產生的一系列特征峰值；然而，在隨機跳碼直擴信號中，擴頻碼帶來的循環平穩性被破壞，導致其循環譜僅在與碼片速率相關的循環頻率上存在特征峰值；最后，利用循環平穩特性，結合判決門限進行隱蔽信號檢測的仿真和分析。

主要內容

隱蔽波形設計

為了有效地應對各類非合作信號截獲技術，本文研究了隱蔽通信波形設計方法，采用大信號掩蓋技術和跳碼擴頻技術，其中大信號的“大”是指具有強功率直擴星座映射特征，該信號由直接序列擴頻方式產生，將隱蔽信號與大信號疊加獲得輸出的隱蔽通信波形。如下圖所示，將采用跳碼擴頻的非平穩隱蔽信號寄生于采用傳統直擴（Direct Spread， DS）、特征明顯的平穩大信號上。

隱蔽通信波形生成流程圖

隨機跳碼擴頻信號循環譜

對于隱蔽信息傳輸的隨機跳碼擴頻信號而言，由于跳碼直擴的擴頻碼在有限數目的數據符號內不重復，因此由擴頻碼引起的循環平穩特征會被破壞，所以在推導其循環譜的過程中，其信號建模與以碼片速率為符號速率的BPSK調制信號并無差異。

因此隨機跳碼擴頻信號的等效循環譜可以近似表示為

式中，N₀為AWGN噪聲的單邊帶功率譜密度。

隨機跳碼擴頻信號的循環譜會在f=0，α=±2f₀處和α=0，f=±f₀ 處存在4個主峰，并且在f=0，α=±2f₀+m/T_sym處和f=±f₀，α=m/T_s處存在一系列的次峰。

DSSS信號循環譜

DSSS信號的循環譜不僅在f=0，α=±2f₀處和α=0，f=±f₀處存在4個主峰，在f=0，α=±2f₀+m/T_c處和f=±f₀，α=m/T_c處存在以信號的碼片頻率為周期的次幅度峰值現象。還在f=0，α=±2f₀+n/T_b處和f=±f₀，α=n/T_b處存在以信號的符號頻率為周期的小幅度峰值現象，其中，次峰和小峰的幅度比值保持穩定，為N_c/aver_corr［b(l)］。

循環譜仿真結果與分析

本章將對隨機跳碼信號和DSSS信號的循環譜仿真結果和采用判決門限進行信號檢測的仿真結果進行分析。

隨機跳碼信號的循環譜（無噪聲）整體和主要切面如下圖所示。

下圖（a）顯示存在4個主峰和一系列次峰的位置與理論推導的結果基本一致，分別在f=0，α=±2f₀和α=0，f=±f₀。下圖（b）為f=0切面圖表示，也可以看出2個主峰的位置在f=0，α=±2f₀處與理論推導一致。

隨機跳碼直擴信號循環譜幅度圖

DSSS信號的循環譜（無噪聲）整體和主要切面如下圖所示。

DSSS信號循環譜幅度圖

4個主峰和一系列次峰的位置與理論推導的結果相符合。而小峰并不明顯，原因主要是數字成型濾波器存在、擴頻因子偏高和循環頻率分辨率不足，當通過對循環譜主帶區域的局部放大后的對比還是能夠展現小峰的存在，如下圖所示。

主帶區域局部放大的幅度圖

盡管循環譜檢測算法能夠有效地在較低SNR的情況下進行信號檢測，但是當噪聲過大時，信號的循環譜特征最終也會被噪聲所掩蓋，下圖給出了基于判決門限的循環譜檢測算法的信號截獲性檢測性能曲線。信號存在性檢測的核心是對主峰旁的第一（對）次峰進行門限檢測，當檢測到存在高于門限的次峰時，檢測算法判定存在有效信號。DSSS信號的存在性檢測是在信號存在性檢測的基礎上通過比對第一（對）次峰和主帶內循環譜的均值的插值，當插值小于判決門限時，檢測算法判定為存在DSSS信號（大信號）。而隱蔽信號的擴頻碼循環平穩性被破壞，致使其循環譜無法有效的同一般的BPSK信號進行區分；同時，功率占優的DSSS大信號的循環譜特征會將其特征完全覆蓋，因此系統只能在一定的SNR下判斷有信號的存在，但是無法識別出其為隨機跳碼直擴這一類型，故隱蔽信號的循環譜檢測概率理論上始終近似為0。從下圖中可得，采用基于判決門限的循環譜檢測方法進行存在性檢測，檢測概率會隨著SNR的不斷增大，存在一個從0%到100%的較為陡峭的迅速上升趨勢。

從下圖中可以看出，隨機跳碼信號的檢測概率為零（藍色曲線），換言之其信息無法被非合作方截獲，驗證了所設計的隱蔽信號具有優良的隱蔽性。

基于判決門限的循環譜檢測性能曲線

文章結論

本文基于大信號掩蓋的擴頻抗截獲通信系統設計，對直接擴頻大信號和隨機跳碼擴頻隱蔽信號的循環譜進行了分析。在航天領域的隱蔽通信方面具有潛在應用，如各種低軌偵察/監視/通信衛星、火箭等，這些軍事資源有著重要的戰略價值，相關的通信信息將有著較高的抗截獲需求。傳統依賴單一維度的抗截獲方法受資源限制，抗截獲的潛能有限，采用提出的大信號掩蓋技術和跳碼擴頻技術聯合的隱蔽通信波形設計具有多維度的隱蔽通信能力，克服了單一維度的抗截獲方法性能受限挑戰，對實現航天領域的隱蔽通信提供了堅實的理論基礎。