A method of multichannel chaotic phase modulation spread spectrum and its application in underwater acoustic communication

Direct-sequence spread spectrum(DSSS) communication possesses low probability of detection and has been widely used in confidential communications.However,pseudo-noise(PN) sequences,used as spreading code in conventional DSSS communications,possess periodic character and binary value.In hostile environments,these distinct characters may lead to some important parameters of signals being estimated accurately,and then lead to the leakage of transmitted information.To solve the problem,we propose the chaotic phase modulation(CPM) sequence alternating the PN sequences.CPM sequence has complex values and constant envelope,and also possesses large quantity and good correlation characteristics.Moreover,it has more hidden features than conventional sequences by modulating its phases using chaotic sequence.To improve the data rate,we apply it into the technique of multichannel communication.Simulation results show this scheme's superior bit error ratio(BER) performance,which demonstrates its feasibility in underwater acoustic communications.     

混沌直接序列扩频信号盲解调的硬件电路实现

提出了基于现场可编程门阵列 (FPGA) 技术的混沌直接序列扩频信号盲解调的硬件电路实现方法. 设计了混沌直接序列扩频信号发射机与接收机. 发射机可产生10种不同的混沌直接序列扩频信号. 为方便接收机的硬件电路实现, 对无先导卡尔曼滤波混沌拟合盲解调算法进行了简化, 在简化模型的基础上设计了接收机硬件结构. 提出了一种动态调整偏移因子的新方法, 使接收机能实时适应混沌映射的变化. 通过高斯白噪声信道及多径信道条件下的盲解调实验, 验证了盲解调算法硬件实现的抗噪声与抗多径性能, 以及对10种不同的混沌直接序列扩频信号的自适应破译效果. 关键词： FPGA 混沌直接序列扩频通信 盲解调     

多径衰落信道下混沌直扩通信的可破解性

本文在文献[1]的基础上,研究多径衰落信道条件下采用无先导卡尔曼滤波混沌拟合对混沌直扩通信的可破解性.由针对混沌直扩信号的无先导卡尔曼滤波混沌拟合的状态空间方程出发,分析了多径衰落信道对于无先导卡尔曼滤波混沌拟合过程中的跟踪误差的影响,得到了信息码状态估计的值域范围,从而提出了多径衰落信道下混沌直扩信号可被破解的充分条件定理.仿真结果表明,在满足充分条件下,混沌直扩信号无论是通过时不变信道还是时变信道,都可以被成功破解,并且具有良好的误码率性能. 关键词： 混沌通信 破解 多径衰落信道 无先导卡尔曼滤波     

Chaotic modulations and performance analysis for digital underwater acoustic communications

Two modulation schemes, M-ary phase shift keying (MPSK) and M-ary frequency shift keying (MFSK), are commonly used for coherent and incoherent digital communications, respectively. Despite wide applications in underwater acoustic (UWA) communications, they are not suitable for confidential applications for their well-known generating processes and signal features. In this paper, two corresponding chaotic modulation methods are proposed to improve their security, namely chaotic MPSK (CMPSK) and chaotic MFSK (CMFSK). By application of chaotic sequences into the modulation procedures, they can prevent the unauthorized receivers from extracting information from the intercepted signals even with high SNR. The confidential performance of chaotic modulations is evaluated by a designed automatic modulation classification (AMC) system. Simulation results indicate a success identification rate of more than 90% for the MPSK and MFSK signal at the SNR from −10 dB to 40 dB, but only an identification rate of nearly zero for the CMPSK and CMFSK signal. Therefore, chaotic modulations have lower available probability and can achieve higher confidential performance. Also, an experiment was conducted to verify the performance of chaotic modulations in actual UWA communications. The experimental results show that chaotic modulations can achieve similar bit error ratio (BER) compared with conventional digital modulations, which verifies potential applications of chaotic modulations in confidential UWA communications.     

一种多通道混沌调相扩频方式及其在水声通信中的应用

直接序列扩频通信是一种低检测概率通信方式,在保密通信中得到了广泛的应用。但该通信方式仍存在缺陷,其采用伪随机序列作为扩频码,而伪随机序列具有周期性和二值性等较为明显的特征,在敌对环境下这些特征可能被利用,使得直扩信号重要的特征参数被估计出来,进而引发信息泄露。针对这个问题,本文提出采用混沌调相序列代替伪随机序列,混沌调相序列是恒包络的复数值序列,可用数量多,相关特性好,而且克服了伪随机序列周期性和二值性的不足,具有更高的保密性。为了提高通信速率,将混沌调相序列与多通道技术相结合,数值仿真结果显示了该通信方式优异的误码率性能,表明该通信方式在水声通信中应用的可行性。      

正交码元移位键控扩频水声通信

码元移位键控(CSK)作为一种广义的M元扩频技术被广泛应用于水声通信领域来克服扩频增益对通信速率的限制.为了获得更高的通信速率, 减少通道间干扰, 并充分利用 CSK的冗余信息, 本文提出联合利用码元相位信息的正交双通道CSK扩频水声通信技术.首先, 推导了正交CSK每符号积分输出的表达式; 然后, 研究了正交CSK的性能及与传统CSK和双通道CSK对比仿真的误码率; 最后, 通过实验验证了仿真对比的正确性. 实现了正交CSK在10⁴ bits, 4 kHz带宽下580.6 bps通信速率的有效传输. 通过公式推导、 仿真分析和实验研究, 得到正交CSK提供了优良的性能的结论. 关键词： 水声通信 扩频 正交 CSK     

Orthogonal M-ary code shift keying spread spectrum underwater acoustic communication

M-ary and code shift keying（CSK）spread spectrum is generally applied to overcoming the spreading gain versus data rate limitation in underwater acoustic（UWA）communications.In addition,the concept of orthogonal M-ary CSK is introduced to UWA communication to gain higher rates.We propose a scheme employing dual-orthogonal-channel M-ary and CSK spread spectrum UWA communication based on Gold sequences owing large code set and good self and cross correlation.The modulation and demodulation scheme of the orthogonal M-ary CSK is derived algebraically and the factors critical to its performance are discussed.Furthermore,its bit error rate（BER）curve is evaluated via simulations and compared with the dual-channel M-ary CSK.Finally,the validity of the simulations is verified in tank experiments.1096.8 bps data rate of the proposed communication scheme is realized for 10 kbits data volume with no error.Overall through deduction,numerical simulation,and experiment,it is shown that the proposed method offers significantly improved performance.     

一种破译混沌直接序列扩频保密通信的方法

提出了一种新型的混沌保密通信破译方法,并破译了混沌直接序列扩频保密通信(简称混沌直扩).针对混沌直扩信号中只有一个混沌吸引子的特点,基于混沌系统广义同步的思想,提出了混沌拟合方法;针对混沌直扩中混沌实值序列和数字信号相乘的特点,充分利用混沌直扩的基本原理和信息码是慢变信号的特性,提出了用无先导卡尔曼滤波混沌拟合的方法估计信息码的破译方法;进一步针对无先导卡尔曼滤波的过程噪声和混沌拟合的拟合误差共同导致的跟踪误差,提出了跟踪误差控制因子的方法,从而将跟踪误差转变成有利因素并加以利用,根据跟踪误差的值域范围破     

Breaking a chaotic secure communication scheme

The chaotic direct sequence spread spectrum (CD3S) has been extensively studied and accepted as an approach of chaotic secure communication. However, we find that CD3S is insecure and present the results of breaking CD3S. A modified unscented-Kalman-filter chaos fitting method is proposed. With the proposed method, an intruder can use a different chaotic system to fit the transmitter's chaotic system and break the CD3S scheme without any knowledge of the chaotic transmitter's structure, parameters or initial value, even under the following conditions: (A) the chaotic spreading sequence is complex and generated by two chaotic maps; (B) there exists noise in the CD3S signal; (C) the CD3S signal is constructed in frames. Simulation results verify the method.     

硬件加密的扩频通信方案

提出了一个利用混沌激光源产生1 Gbit/s的随机序列作为扩频码的方案.理论分析表明,该随机序列克服了伪随机序列的周期性,在扩大扩频码容量的同时实现了扩频码可变,提高了通信安全性. 利用Simulink软件对该扩频系统进行仿真.结果表明,当信息速率一定时,扩频增益越大,误码率越低,与理论结果相符.与传统的扩频系统相比,该方案在提高系统抗干扰能力的同时也增强了保密性. 关键词： 扩频通信 随机序列 混沌激光源     

基于单矢量差分能量检测器的扩频水声通信

通过获得扩频处理增益, 直接序列扩频水声通信系统具有较高的稳定性, 是高质量水声通信及远程水声通信的首选通信方式. 但复杂的海洋环境使得直扩系统在解扩时受到载波相位跳变的影响, 这将导致直扩系统的扩频处理增益下降. 为此, 本文针对直扩系统提出了差分能量检测器算法, 通过比较接收端相关器输出能量完成解码, 并与有源平均声强器算法相结合, 提出单矢量差分能量检测器算法. 该算法具有很好的抗载波相位跳变和多途扩展干扰的能力, 并可对信号方位信息实时跟踪估计, 利用估计方位进行矢量组合可获得矢量处理增益, 从而保证直扩系统可以在低信噪比、时变信道条件下稳定工作. 通过仿真分析和大连海试试验, 验证了本文提出的单矢量差分能量检测器算法的有效性和稳健性.     

基于状态估计的混沌直扩信号联合均衡与解调

针对混沌直接序列扩频信号(以下称混沌直扩信号)通过非理想信道,利用信道和混沌直扩信号的状态方程及其均衡和解调的关联性,提出一种基于状态估计的联合均衡与解调算法.算法采用多扩展卡尔曼滤波(extended kalman filter,EKF)结构,一边对信道均衡,一边估计二进制信息码,二者互为因果,同时进行,不仅可以有效克服非理想信道所带来的多径信道畸变、加性噪声等对信号的影响,还可将掩藏在混沌直扩信号中的原始二进制信息码解调出来,比均衡和解调分离的做法更有效地利用信息,有更好的实时性.仿真结果表明,所提出的算法收敛速度快,能在信道特性未知情况下较好地抵御多径效应和噪声影响,实现了混沌直扩信号在非理想信道条件下的有效可靠传输. 关键词： 混沌直扩通信 非理想信道 联合均衡与解调算法 扩展卡尔曼滤波     

Covert underwater acoustic communications

Low probability of detection (LPD) communications are conducted at a low received signal-to-noise ratio (SNR) to deter eavesdroppers to sense the presence of the transmitted signal. Successful detection at intended receiver heavily relies on the processing gain achieved by employing the direct-sequence spread-spectrum (DSSS) technique. For scenarios that lack a sufficiently low SNR to maintain LPD, another metric, referred to as low probability of interception (LPI), is of interest to protect the privacy of the transmitted information. If covert communications take place in underwater acoustic (UWA) environments, then additional challenges are present. The time-varying nature of the UWA channel prevents the employment of a long spreading waveform. Furthermore, UWA environments are frequency-selective channels with long memory, which imposes challenges to the design of the spreading waveform. In this paper, a covert UWA communication system that adopts the DSSS technique and a coherent RAKE receiver is investigated. Emphasis is placed on the design of a spreading waveform that not only accounts for the transceiver structure and frequency-selective nature of the UWA channel, but also possesses a superior LPI. The proposed techniques are evaluated using both simulated and SPACE'08 in-water experimental data.     

基于OFDM的雷达通信一体化共波形设计

为了减小通信信息对一体化波形模糊函数的影响,以连续波信号为基础,提出了一种基于扩频的多OFDM符号调制的雷达通信一体化信号模型,并分别从波形以及雷达模糊函数的角度对其进行分析。通过对通信信息预扩频后采用OFDM调制的方法,可显著改善一体化信号的模糊函数性能,降低距离维旁瓣。理论分析表明,一体化信号的距离旁瓣由所用伪随机编码序列的自相关、互相关特性及调制的通信信息共同决定,为波形的性能改进提供了指导方向。仿真结果表明扩频因子、子载波数目、数据长度的不同取值对雷达通信一体化信号的距离维模糊函数的旁瓣的影响,为优化一体化信号的性能提供依据。设计的雷达通信一体化信号模型可有效改善对通信信息和多普勒频移的敏感性,满足雷达探测波形要求。     

时变信道下的被动时间反转扩频水声通信

本文研究了时变信道条件下采用被动时间反转的直接序列扩频水声通信方案。多通道被动时间反转可通过对信道多径进行时间、空间聚焦实现信道匹配,但低信噪比、时变特性造成的信道特性失配对被动时间反转处理的性能造成严重影响。在垂直阵接收的基础上,本文采用码片级信道估计获取水声信道特性并进行周期性更新,并采用已判决码元产生的扩频码片作为信道估计训练序列,结合应用稀疏信道估计算法抑制零值抽头上的估计噪声,从而可有效改善时变、低信噪比条件下的被动时间反转处理的时、空多径聚焦效果,提高扩频通信性能。通过湖试实验比较了采用稀疏信道估计、传统信道估计算法的时反扩频接收机,以及经典直扩接收机的通信性能,实验结果表明：本文方案可在低信噪比获得较好的性能,并有效抑制时变信道对时反扩频通信性能的影响。     

正交M元码元移位键控扩频水声通信

M元和码元移位键控(CSK)扩频在水声通信中被广泛采用来克服扩频增益对通信速率的限制。为了获得更高的通信速率,文章基于Gold序列较大的码本数量、良好的自相关和互相关特性,提出正交双通道的M元和CSK相结合的水声通信方法。通过公式推导描述了正交M元CSK的调制和解调流程及影响其性能的因素。并且,通过与双通道M元CSK的仿真比较,得到正交M元CSK的误码率曲线。最后,通过实验验证了仿真的有效性。并实现了10 kbits数据量下1096.8 bps通信速率的无误码传输。通过推导、仿真和实验,可以得到这样的结论:正交M元CSK提供了优良的通信性能。      

水声通信实验信道仿真研究

水声信道的时变多途特性对其中通信信号传输构成严重影响，为了分析评估现实实验信道条件下水声通信系统的性能，给出了一种基于实验测量的水声信道仿真方法。此方法通过发射线性调频脉冲以检测信道多径结构，同时分别采用自回归模型与多普勒时间压扩来仿真信道中各路径的时变幅度与时变延迟。通过一个具体的直接序列扩频水声通信系统，表明在仿真与实验信道条件下系统性能具有较好的一致性。     

循环移位扩频水声通信

针对常规直接序列扩频水声通信数据传输速率低及M元扩频水声通信接收机复杂度高的问题,基于扩频序列优良的相关特性,提出循环移位扩频水声通信方法.在发射端,根据输入信息对基本波形进行循环移位编码;在接收端,利用快速相关技术进行时延估计及译码.进行了中远程湖上实验研究,在15 km距离,2 kHz带宽内,总数据传输速率可达438 bit/s, 误码率为10^-2—10^-5.实验结果表明该方法具有带宽利用率高、复杂度低的特点,适用于中远程及多用户水声通信. 关键词： 水声通信 扩频 循环移位 时延估计     

M元混沌扩频多通道Pattern时延差编码水声通信

Pattern时延差编码水声通信体制利用信息码元的时延值调制信息，他的抗多途扩展干扰能力与码型种类及码型脉宽有关. 扩频通信可获得扩频增益，可胜任远程水声通信，但其通信速率低是使用受限的重要原因. 提出将扩频通信与Pattern时延差编码水声通信体制相结合，并采用M元扩频、多通道工作方式，构成一种新的适用于水声环境的通信方案，既可获得扩频通信的优良性能，又可提高通信速率. 湖试结果验证了本文提出的M元混沌扩频多通道Pattern时延差编码水声通信方案的鲁棒性及可行性.     

基于重复混沌扩频序列的差分混沌键控系统

提出一种基于可重复混沌扩频序列的差分混沌键控保密通信系统, 并对该系统的误码率进行分析。通过复制差分混沌键控调制信号的参考信号产生重复的混沌扩频序列, 再和经串并转换后的部分数据流相乘, 其余并行数据流按照传统差分混沌键控进行调制, 两部分信号相加后发送到信道中进行传输。在接收端进行相关解调恢复出原信息。理论分析和仿真结果表明: 在多径衰落信道下, 该系统的误码率低于DCSK、CDSK和CD-DCSK系统, 且扩频因子越小, 误码率越低。信道中叠加服从高斯分布噪声时的系统误码率相比叠加服从瑞利分布噪声时的小。