一種基于混沌序列的短時猝發水聲通信方法＊

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域，水聲通信是水下信息傳輸交互的重要手段［1～2］。傳統的水聲通信方式手段單一，抗干擾能力差和保密性能差，難以滿足現代信息安全要求。新一代水聲通信設備開始采用數字通信方式，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練的輔助信息，使得發射信號持續時間長達數秒，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，構造了一種短時猝發的通信信號，大大減少了信號脈寬和發射時間。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鍵部分，直接影響到擴頻系統的抗噪聲性能。傳統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量有限，易于復制，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傳統的偽隨機序列。由于混沌序列的寬帶、類噪聲、難以預測、數目無限多等特性，具有更好的保密安全性能［5］。另一面方面，通過優選可以產生大量相關性能優良的序列組，非常適用于多進制正交碼擴頻。

2.1 混沌序列的產生

Logistic映射是目前應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，與傳統的logistic映射相比較，改進型的logistic映射更早出現混沌狀態［7］，其迭代方程的數學表達式為

式中r為分形參數，其取值范圍是［0，2］。當r＝2時，映射為滿映射，產生的結果在（－1，1）整個區間，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字通信傳輸，需要對混沌映射實值序列進行離散化，使其轉化為二值序列，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，其由參數組［rx0Nk0N］唯一確定。其中r為分形參數，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 混沌序列的優選

為進一步提高序列的性能，需在數目眾多的序列中進行優選，篩選出性能較好的序列（組），剔除性能較差的序列。擴頻碼的相關特性的好壞對擴頻系統的性能影響極大［8］，決定了擴頻系統的捕捉、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系，影響頻譜特性，關系到系統的隱蔽性能。因此，本文把序列的平衡性、自相關性和互相關性作為序列的優選準則。

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

平衡度越小，序列的平衡性越好，越能減小調制后的載漏。

2）相關特性：

設兩個長為N的序列｛an｝和｛bn｝，定義序列｛an｝的自相關函數為

序列｛an｝和｛bn｝的互相關函數為

相關旁瓣值直接影響到序列的相關性能，考慮本文的多進制擴頻采用相關器進行解調，相關峰值附近的旁瓣值對性能影響較大，因此，本文同時對自相關和互相關的旁瓣峰值，以及主峰值附近一段的旁瓣值的均方根分別設定門限進行優選。圖1為混沌序列優選流程。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 混沌序列優選流程框圖

3 短時猝發信號設計

3.1 設計機理

水下隱蔽通信，既要保證發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、不規則脈沖重復頻率和脈沖間碼形捷變等［10］。

為實現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相結合，同時采用并行信道設計，設了一種短時猝發通信方法。其設計主要基于如下策略：

1）采用混沌擴頻通信。擴頻系統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幍臄U頻碼具有更好的隨機特性。將擴頻與混沌結合，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）降低發射聲功率。使設計的信號能在較低信噪比環境下正常通信，這樣降低發射功率，在保證一定的通信距離前提下，又不至于暴露。

4）采用猝發通信。在多進制編碼壓縮信號時長的基礎上，將同步信息和數據信息同時放置在不同的子信道上同時發射，進一步減小信號的脈寬。這樣通信在非常短的時間內完成，而其它時間處于靜止狀態，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 信號設計

圖2為信號的調制與解調框圖。同步信息和數據信息經優選的混沌序列擴頻后，分別經正交的載波調制后，將兩信道信號相加同時發射。

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。設優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個狀態一一對應。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｝，可得其對應的序列碼在序列組中的編號為

設Tc為序列碼（切普）寬度，N為序列長度，可以得到第i段對應的擴頻碼函數：

式中cjn為第j條序列碼的碼元，gc（t）為門函數，即

根據i和j的對應關系，進而可以求得所有信息碼擴展后的擴頻序列為

擴頻序列經過載波調制后得到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束標識信息的調制。設用于同步頭的序列為b1，長度為Nb1；用于標識結束的序列為b2，長度Nb2，可求得同步信道擴展序列為

經過載波調制后，得到同步信道信號為

信息和同步兩個通道信號相加，可得到發射信號為

在接收端，接收信號先送入滑動相關器進行信號檢測，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器組，由于已經獲得同步，這里相關器只需在一個切普寬度Tc內作相關，可以大大減少運算量，并降低誤碼率。經最大值判決器輸出為j，將j轉化為二進制數即可解調出信息碼元。一旦同步信道相關器獲得結束標志，結束本次信息的解調。

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

為測試設計的短時猝發通信性能，在Lab－VIEW 2012軟件中進行仿真。假設系統頻帶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。假設發射信號經圖3所示的2013年4月南海某實測的信道響應后，附加帶通高斯噪聲，多譜勒頻偏20Hz。根據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表

4.2 測試結果

仿真結果繪制如圖4。

圖4 誤比特率曲線

5 結語

本文設計的短時猝發通信方法，綜合了混沌和擴頻技術優點，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。因此本文設計的短時猝發通信具有較強的隱蔽性和低截獲概率，能較好地實現水下隱蔽通信。

［1］涂書敏，程峻，余暉，等.水聲通信及其在潛艇通信中的應用［J］.艦船電子工程，2011，31（4）：86.

［2］吳清華，肖奇偉，夏至軍.水聲通信及其軍事應用研究［J］.聲學技術，2009，28（2）：228－230.

［3］寧國強，張衛東，侯波，等.通信中干擾及抗干擾技術綜述［J］.四川兵工學報，2011，32（5）：117－119.

［4］惠俊英.水下聲信道［M］.北京：國防工業出版社，1992：23－26，30－33.

［5］何世彪，羅冬梅，谷誠.優化混沌擴頻序列的抗干擾性能分析［J］.計算機應用，2010，30（12）：2843－2844.

［6］何世彪，譚曉衡.擴頻技術及其實現［M］.北京：電子工業出版社，2007：37.

［7］魏金成，魏巍.改進型Logistic－Map混沌序列分析［J］.電子設計工程，2011，19（4）：21－23.

［8］廖旎煥，高金峰.廣義映射混沌擴頻序列及其特性分析［J］.電子與信息學報.2006，28（7）：1255－1257.

［9］于銀輝，馬生中，劉衛東.chebyshev二相混沌擴頻序列平衡性［J］.吉林大學學報，2004，22（3）：228－231.

［10］何惠江，劉軍凱，劉雪辰，等.聲納低載獲技術與策略研究［J］.魚雷技術，2010，18（2）：99－103.

［11］曾興雯，劉乃安，孫獻璞.擴展頻譜通信技術及其多址技術［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2004：3－4，109－110.