黄富良 黄华贵 苏 军

（91388部队94分队 湛江 524022）

1 引言

在海洋工程尤其是军事领域，水声通信是水下信息传输交互的重要手段［1～2］。传统的水声通信方式手段单一，抗干扰能力差和保密性能差，难以满足现代信息安全要求。新一代水声通信设备开始采用数字通信方式，具有一定的抗干扰能力［3］。然而由于水声信道的时变多径衰弱特性［4］，为保证可靠性通常在信息码元前附加用于同步和训练的辅助信息，使得发射信号持续时间长达数秒，隐蔽性差。因此，研究新的水声通信信号体制，增强通信的隐蔽性和安全性有着重要意义。

本文将混沌序列用于多进制扩频，同时将信道划分为并行的同步信道和信息信道两个子信道，构造了一种短时猝发的通信信号，大大减少了信号脉宽和发射时间。并通过理论和仿真分析了该信号的抗干扰和隐蔽性能。

2 混沌序列

扩频序列是扩频通信的关键部分，直接影响到扩频系统的抗噪声性能。传统的扩频通信采用的伪随机序列具有周期性且正交性的扩频码数量有限，易于复制，在安全性和抗干扰等方面存在一定的不足。混沌扩频采用非线性映射的混沌序列代替传统的伪随机序列。由于混沌序列的宽带、类噪声、难以预测、数目无限多等特性，具有更好的保密安全性能［5］。另一面方面，通过优选可以产生大量相关性能优良的序列组，非常适用于多进制正交码扩频。

2.1 混沌序列的产生

Logistic映射是目前应用较为广泛简单的一种混沌映射［6］。本文选用改进型的logistic映射，与传统的logistic映射相比较，改进型的logistic映射更早出现混沌状态［7］，其迭代方程的数学表达式为

式中r为分形参数，其取值范围是［0，2］。当r＝2时，映射为满映射，产生的结果在（－1，1）整个区间，有利于编码对随机性的要求［7］。因此本文取r＝2。

由于模拟值序列不适合数字通信传输，需要对混沌映射实值序列进行离散化，使其转化为二值序列，从而适用于扩频通信。

当r＝2时，xk序列平均值为0，将其设为门限值，于是通过下面公式：

得到双极性的二元混沌序列。

混沌序列本身是非周期的，长度无限。但在实际的扩频通信中每个信息比特所含的扩频序列码长是有限长的。本文通过在生成的混沌序列中截取固定长度的序列的方法，生成截短序列码，其由参数组［rx0Nk0N］唯一确定。其中r为分形参数，x0为模拟序列初值，Nk0为序列截取的起始位置，N为序列长度。

2.2 混沌序列的优选

为进一步提高序列的性能，需在数目众多的序列中进行优选，筛选出性能较好的序列（组），剔除性能较差的序列。扩频码的相关特性的好坏对扩频系统的性能影响极大［8］，决定了扩频系统的捕捉、跟踪、多址和抗干扰的能力。同时码元的平衡性与载波抑制有密切关系，影响频谱特性，关系到系统的隐蔽性能。因此，本文把序列的平衡性、自相关性和互相关性作为序列的优选准则。

1）平衡性：所谓平衡性，是指“－1”和“1”（或“0”和“1”）在一个序列周期内各自的个数。设P、Q分别表示长为N的序列中“－1”和“1”的个数，定义平衡度为［9］

平衡度越小，序列的平衡性越好，越能减小调制后的载漏。

2）相关特性：

设两个长为N的序列｛an｝和｛bn｝，定义序列｛an｝的自相关函数为

序列｛an｝和｛bn｝的互相关函数为

相关旁瓣值直接影响到序列的相关性能，考虑本文的多进制扩频采用相关器进行解调，相关峰值附近的旁瓣值对性能影响较大，因此，本文同时对自相关和互相关的旁瓣峰值，以及主峰值附近一段的旁瓣值的均方根分别设定门限进行优选。图1为混沌序列优选流程。由于混沌序列的初值敏感性可以生成大量的序列，经过逐步筛选，可以获得满足条件、性能良好的序列组。

图1 混沌序列优选流程框图

3 短时猝发信号设计

3.1 设计机理

水下隐蔽通信，既要保证发射信号能被我方通信声纳正常接收，又不被敌方探测声纳识别。实际上就是低截获概率（LPI）声纳设计问题。低截获概率特性的通信信号具有的特征，如大占空比、大时带宽积、多元码、多相码、不规则脉冲重复频率和脉冲间码形捷变等［10］。

为实现低截获概率的水声通信，同时又要保证其具有一定的抗干扰能力。本文将混沌与扩频技术相结合，同时采用并行信道设计，设了一种短时猝发通信方法。其设计主要基于如下策略：

1）采用混沌扩频通信。扩频系统具有大时带宽积特性，具有很强的抗干扰能力和保密性［11］。混沌序列比常规的扩频码具有更好的随机特性。将扩频与混沌结合，能大大提高通信的抗扰、多址和安全性能。

2）采用多进制编码。具有复合码特性，信息分布在不同的扩频序列中，敌方探测声纳难以获得信号完整的码、频特征。同时多进制扩频能在相同带宽下提高处理增益［11］，在保证信息速率的前提下，能大大减少信号时长。

3）降低发射声功率。使设计的信号能在较低信噪比环境下正常通信，这样降低发射功率，在保证一定的通信距离前提下，又不至于暴露。

4）采用猝发通信。在多进制编码压缩信号时长的基础上，将同步信息和数据信息同时放置在不同的子信道上同时发射，进一步减小信号的脉宽。这样通信在非常短的时间内完成，而其它时间处于静止状态，使敌探测声纳难以对目标获得长时间的积分处理而截获信号。

3.2 信号设计

图2为信号的调制与解调框图。同步信息和数据信息经优选的混沌序列扩频后，分别经正交的载波调制后，将两信道信号相加同时发射。

信息信道采用多进制（M元）扩频方式，用一个扩频码传输k＝log2M位信息。设优选后的混沌扩频序列组C，包含C0，C1，…Cj…，CM－1共M条序列码，与k位信息的M个状态一一对应。将二进制信息码分段，每k位为一段，共分为P段，对于第i（i＝0，1，…，P－1）段信息码｛ail｝，可得其对应的序列码在序列组中的编号为

设Tc为序列码（切普）宽度，N为序列长度，可以得到第i段对应的扩频码函数：

式中cjn为第j条序列码的码元，gc（t）为门函数，即

根据i和j的对应关系，进而可以求得所有信息码扩展后的扩频序列为

扩频序列经过载波调制后得到M元扩频信号为

对同步信道，为便于叙述，这里只涉及同步头以及结束标识信息的调制。设用于同步头的序列为b1，长度为Nb1；用于标识结束的序列为b2，长度Nb2，可求得同步信道扩展序列为

经过载波调制后，得到同步信道信号为

信息和同步两个通道信号相加，可得到发射信号为

在接收端，接收信号先送入滑动相关器进行信号检测，并进行信号载频和相位跟踪。一旦捕获信号和同步后，将信号和信道估计信息送入拷贝相关器组，由于已经获得同步，这里相关器只需在一个切普宽度Tc内作相关，可以大大减少运算量，并降低误码率。经最大值判决器输出为j，将j转化为二进制数即可解调出信息码元。一旦同步信道相关器获得结束标志，结束本次信息的解调。

4 仿真测试

4.1 仿真条件

图3 2013年4月南海1.3km实测海洋信道响应

为测试设计的短时猝发通信性能，在Lab－VIEW 2012软件中进行仿真。假设系统频带8kHz～12kHz，带宽4kHz。采样频率80kHz，载波频率10kHz，切普速率2kHz，采用16进制扩频编码。假设发射信号经图3所示的2013年4月南海某实测的信道响应后，附加带通高斯噪声，多谱勒频偏20Hz。根据码元速率大小和是否交织纠错编码（BCH编码）分为四个对照组，具体参数如表1所示。采用蒙特卡罗方法测试各组误比特率。

表1 四个对照组仿真参数表

4.2 测试结果

仿真结果绘制如图4。

图4 误比特率曲线

5 结语

本文设计的短时猝发通信方法，综合了混沌和扩频技术优点，并采用了多进制编码和划分并行信道的方法大大压缩信号时长，获得了一种具有低截获特性的通信信号。仿真测试表明在低信噪比条件下，即在低发射功率、短时、远距离通信条件下仍具有较好的可靠性。因此本文设计的短时猝发通信具有较强的隐蔽性和低截获概率，能较好地实现水下隐蔽通信。

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