信息跳时架构下分层捷变低截获概率通信波形_宁晓燕.pdf

哈尔滨工程大学学报 Journal of Harbin Engineering University ISSN 1006-7043,CN 23-1390/U 哈尔滨工程大学学报网络首发论文哈尔滨工程大学学报网络首发论文 题目：信息跳时架构下分层捷变低截获概率通信波形 作者：宁晓燕，李书凯，孙志国，毛慧敏 收稿日期：2021-06-30 网络首发日期：2022-11-23 引用格式：宁晓燕，李书凯，孙志国，毛慧敏信息跳时架构下分层捷变低截获概率通信波形J/OL哈尔滨工程大学学报.https:/ 网络首发网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认出版确认：纸质期刊编辑部通过与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司签约，在中国学术期刊（网络版）出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为中国学术期刊（网络版）是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。第 31 卷第 4 期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vol.31 No.4 2010 年 4 月 Journal of Harbin Engineering University Apr.2010 信息跳时架构下分层捷变低截获概率通信波形 宁晓燕,李书凯,孙志国,毛慧敏（哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）摘 要：针对周期信号抗破译性能较差及非周期聚敛性带来的误码性能下降的问题，本文提出一种时宽-信息跳时-调频率分层波形架构。通过构建信息跳时，掩护时宽随机化的模式，解决了误码性能变时宽下降问题，加强了波形的低截获概率特征。本文以数学推导和仿真分析的方法，探究了此分层波形架构下的误码性能、功率谱类噪声性能、二次谱域周期聚敛性及先验信息抗破译性。理论分析和仿真验证表明：时宽-信息跳时-调频率分层波形可以保证与定时宽信号相比，在不降低误码性能的条件下，降低了波形的周期聚敛性，从而提高了波形的截获概率性能。关键词：分层波形架构；低截获概率；误码性能；周期聚敛特性 Doi：10.11990/jheu.202106083 中图分类号：TN911.6 文献标识码：A Layered agile low probability of intercept communication waveform based on information time hopping architecture NING Xiaoyan，LI Shukai，SUN Zhiguo，MAO Huimin(College of Information and Communication Engineering,Harbin Engineering University,Harbin,150001,China)Abstract：Aiming at the problem of poor anti decoding performance of periodic signals and the degradation of bit error rate(BER)performance caused by aperiodic convergence,a layered waveform architecture of time width-information time hopping-frequency modulation rate(TIF)is proposed in this paper.The problem of aperiodic degradation of BER performance is solved by constructing a randomized mode of information hopping and covering time width,The feature of low probability of intercept(LPI)is enhanced.By means of mathematical derivation and simulation analysis,this paper explores the bit error performance,power spectrum noise performance,secondary spectral domain period convergence and prior information anti deciphering performance of this layered waveform architecture.Theoretical analysis and simulation results show that TIF layered waveform can reduce the period convergence of waveform and improve the LPI performance of waveform compared with timing wide signal without attenuation of bit error performance.Keywords：layered waveform architecture;low probability of intercept;bit error rate;periodic convergence property在军事通信中，通信波形的低截获概率特征一直是信息对抗的主要诉求。低截获信号因其低功率，频率捷变及大时宽带宽积等特点，具有良好的抗干扰及抗截获性能1-2。Siefker 针对雷达隐蔽特性，提出了低截获概率的概念3。Forest4发表了“低截获概率雷达技术”，促进了低截获波形在雷达领域的 收稿日期收稿日期：2021-06-30.基金项目基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（3072021CF0809）；先进船舶通信与信息技术工业和信息化部重点实验室（AMCIT2101-05）；黑龙江省高精度卫星导航及海洋应用重点实验室开放基金（HKL-2021-Y02）.作者简介作者简介：宁晓燕,女,副教授,；孙志国,男,教授,博士生导师.通信作者：通信作者：孙志国，E-mail: 发展。同时，低截获信号在军事通信领域也得到了发展。ZHOU 等5-6中提出了一种时域猝发信号，从极 小 时 间 猝 发 的 角 度 提 升(low probability of intercept,LPI)性能；Wang7-8以降低功率谱为目的，通过扩展频谱的手段，降低频谱截获率，提升 LPI特性。其中，典型的扩频信号如直扩信号，线性调频信号利用其在频域扩展频谱特征，丰富了 LPI 通信体系。作为 LPI 技术的对应技术，通信侦察技术一直促进着LPI通信技术的发展。对非合作方而言，实现非合作方通信是利用待检测波形的特征差异实现的9。对常见的 LPI 信号，直扩信号及线性调频信号的周期性特征是一个重要的检测指标。谢岸宏等10-12通过二次功率谱法对信号周期进行分析，网络首发时间：2022-11-23 18:16:38网络首发地址：https:/ 尔 滨 工 程 大 学 学 报 检测得到信号速率。金艳等13提出了一种相关熵扩频周期估算方法。针对常见的 LPI 波形，现有检测算法的多样性对 LPI 波形提出了新的挑战，为突破周期循环限制，张晓彤等14-15利用线性调频信号的时宽带宽的独立特性，提出了变时宽线性调频架构；并利用线性和非线性波形的同构性，建立了变时宽混合波形架构。文献14，15虽然解决了一定的周期循环特性，但还存在以下问题：1）因短周期局限降低了误码特性；2）因 m 序列的时宽选取规律顺序性，在信息层面易通过调频率进行顺序解调，降低了信息层面的抗破译性。针对上述问题，本文通过构建时宽-信息跳时-调频率(time hopping-frequency modulation rate,TIF)分层架构波形，在降低通信波形谱域周期特性同时优化通信性能。通过信息跳跃，改变携带信息策略，加大非合作方破译正确信息的难度。1 时宽时宽-信息跳时信息跳时-调频率调频率分层波形的数分层波形的数学模型学模型 1.11.1 波形基介绍波形基介绍 本文选取波形基为 Chirp 信号，即线性调频信号，因其自身的扫频特性广泛应用于隐蔽通信体系中。其波形有很好的鲁棒性，不易受到信道的影响16。基于二进制正交键控(binary orthogonal keying，BOK)提出的 Chirp-BOK 调制方式具有结构简单，低复杂度，抗干扰等特点成为调制解调优选17。本文以调频率为的上扫频信号(Up-Chirp)表示“1”，其信号波形为：210()cos 2s tf tt (1)以调频率为的下扫频信号(Down-Chirp)表示“0”。其信号波形为：200()cos 2s tf tt (2)波形图如图 1 所示：(a)上扫频信号 (b)下扫频信号 图 1 Chirp-BOK 调制示意图 Fig.1 Modulation diagram of chirp-BOK signal Chirp 信号因其扫频特性，不同于其他常用波形，如 BPSK 波形，其带宽与时宽是相互独立的，因环境的需要，其比值形成了调频率，受调频率的制约，故可以做到等带宽，变时宽特性，使变时宽理论的发展具有可行性。1.2 分层分层波形生成方法波形生成方法 为增加信号的 LPI 特性，增加时宽维度的随机性，设B T，可以得到以时宽为变量的变时宽Chirp 扩频波形(Varied of time width Chirp Spread Spectrum,VTW-CSS)为：2,0()cos 2i bibBstAf ttT (3)式中：A为波形幅度；iT为波形的随机时宽；B为信号的扫频带宽；1b 为信息数据，当T为定值时，为定时宽 Chirp 扩频波形（fixed time width chirp spread spectrum,FTW-CSS）。对于长信号序列，其不同信息承载波形对应的时宽是不同的，设置时宽样本集VTWT为：VTW123,.,nTT T TT (4)用 m 序列控制VTWT集合的时宽选取，得到VTW-CSS 波形样本：2,0VTW1,2,3,()cos 2()(),(),(),.,()i bbbbn bbBstAf ttTim tst st stst (5)式中：A为信号幅值，b 为信息数据，n为时宽样本集个数,一般取 2 的指数幂，i为 m 序列控制字，1,2,.,in。对信息进行跳时映射，即对特定序列映射的波形作承载信息处理，其余波形不承载信息，作掩护波形，从而达到信息跳时的效果。调制框如图 2 所示。通过控制生成字控制时宽集选择，时宽集可用伪随机码进行映射，其中，根据掩护信息和二进制信息来确定映射关系，如，“00”映射信息“0