一种噪声调制技术及其性能分析

李仁珅，王永斌，付天晖

(海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033)

一种噪声调制技术及其性能分析

李仁珅，王永斌，付天晖

(海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033)

隐蔽通信对信号的隐蔽性能提出了很高的要求，为提高信号传输的隐蔽性能，适应现代隐蔽通信的发展需求，提出了一种噪声调制技术。噪声调制不同于传统的调制技术，利用噪声波形代替正弦波形，信号以真正的噪声波形进行传输，并具备一定的带宽优势；设计了一种直接采用噪声调制的通信系统方案，并分别与BPSK调制技术和直接序列扩频技术在抗噪声性能与隐蔽性能上进行了仿真对比，验证了噪声通信的可行性。

噪声调制；隐蔽；BPSK；直接序列扩频

0 引言

扩频通信系统具有抗干扰、低截获率、可实现码分多址以及抗多径效应等特点，被广泛应用于通信中，国内外关于军事隐蔽通信[1-4]的研究也主要在扩频通信方面，但如果采用当下先进的侦察技术仍然可以检测到扩频信号。噪声通信，即以噪声为信号载体的通信方式。通过噪声调制用噪声将基带信号扩展到一个更宽的频带内，使其在信道中以噪声的形式传输，因此系统更具隐蔽性和抗干扰性。接收端采用相同的噪声进行相关解调，从而恢复出原始数据[5]。噪声通信能够显著地提高通信信号的隐蔽性，可应用于军事通信、电子对抗领域[6]。

文献[5]提出了2种噪声通信体制，在理论上分析了噪声通信的可行性，但在实际操作上还存在问题，仿真效果并不理想。本文提出了一种噪声调制技术，设计了相应的通信系统，并对其性能进行了仿真分析。

1 噪声调制工作原理

噪声调制通信就是直接用基带信息键控特定带宽内的噪声信号，在接收端也用相同的滤波器滤波后的噪声进行解调，把基带信号解调出来，噪声调制系统图如图1和图2所示。

图1 噪声调制系统发射端

图2 噪声调制系统接收端

1.1 发射端

噪声发生器产生高斯白噪声，经过带通滤波器变为带限噪声nA(t)，并利用反相器产生与nA(t)反向的带限噪声nB(t)，带宽为Bs；信源产生二进制数据0与1，带宽为Bm，分别调制2路波形。当其为0时，使控制器输出nA(t)；当其为1时，使控制器输出nB(t)。经噪声调制后的信息波形的瞬时频率和波形具备噪声特性，与一般的正弦载波调制相比没有明显的周期性。

1.2 接收端

接收的信号no(t)=n1(t)+nr(t)，式中,n1(t)为调制信号，nr(t)为信道噪声。经宽带放大后与接收端本振噪声no(t)进行相关解调，因不同噪声间相关系数极低，但相同噪声的相关系数为1，且波形相反的噪声之间的相关系数为-1；由此可在接收端经过比较器将信息解调出来。

2 噪声调制解调系统性能分析

2.1 相关性分析

噪声幅度相对值Ar,噪声平均幅度An与信号平均幅度As的关系，如式(1)所示：

(1)

选择2路波形相差180°的噪声作为本振噪声A、本振噪声B，接收端A路信号与本振噪声的相关系数θ。利用Matlab软件仿真了噪声幅度相对值Ar与θ的关系曲线,如图3所示。

相关系数θ的取值范围为-1～1。θ值为0.00～±0.30时为微相关，±0.30～±0.50为实相关，±0.50～±0.80时为显著相关，±0.80～±1.00为高度相关。如图3所示，随着噪声幅度相对值的增加，A路接收信号与本振噪声的相关系数不断下降，当噪声幅度相对值Ar<2时，相关系数θ>0.4，属于实相关以上范畴，即使在Ar=5时，依然具有较强的微相关属性，接收信号与本振B噪声的相关系数为-θ。理论上，在接收端进行解调时2路信号进行相关，连接比较器对2路数值进行比较后，将得到很好的解调效果。

图3 相关系数曲线

2.2 直接噪声调制与BPSK调制系统仿真比较

噪声调制选用的调制波形是相位相差180°的噪声波形。噪声调制信号与BPSK信号在AWGN信道下的性能如图4所示，在相同的信道条件下，噪声调制与BPSK系统在误码率性能上基本处于同一水平。经过选取不同的噪声信号进行仿真发现，噪声调制的误码率曲线基本与BPSK调制的误码率曲线[7]保持一致，且波动很小，可以忽略不计。综上可见，噪声调制具备优良的误码率性能。

图4 误码率曲线

2.3 噪声调制与BPSK调制的频域、时域特征比较

取Eb/N0=10 dB，对2种调制信号分别做FFT运算。由图5(a)和图5(b)可以看出，BPSK调制波形选用单一频率为f1=100 Hz的正弦波，加入高斯白噪声后，频域上在f1处出现尖峰，特征明显易识别；图5(c)和图5(d)中噪声调制后的波形，频谱得到展宽，加入高斯白噪声后，信号隐藏在噪声中，在频域上难以被发现。

由图6可以看出，取Eb/N0=10 dB时，2种调制信号在时域上差距并不明显，而经过多次仿真发现，当Eb/N0的值增大时，BPSK信号波形较噪声调制信号波形的时域更明显。

综上可以看出，噪声通信因调制的波形是具有一定宽带的噪声，因而信号带宽展宽，隐藏于噪声中，频域特征不明显；又因其以真正的噪声作为传输信号，时域特征与噪声基本一致，故在隐蔽性上效果更好。

图5 BPSK调制与噪声调制信号频域图

图6 BPSK调制与噪声调制信号时域图

2.4 噪声通信与直扩通信的抗截获性能比较

直扩信号的振幅是固定不变的，信号的相位随扩频码的变化而变化[8-10]。对于BPSK调制直扩信号的检测，由于信号相位只有0和π，可以对信号平方，消除相变，产生二倍频载波，对其进行包络检波，可求出原始载频，即为直扩信号的平方倍频检波。

信噪比设为-6 dB，图7(a)中直扩信号的载频为2 kHz，信号速率为1 kHz，扩频倍数为511，经过平方倍频检测后，载波的二倍频在频谱上得到一个峰值(由于没有对平方后的信号进行滤波处理，所以直流分量保留，但对本实验没有影响)；图7(b)中噪声调制信号的速率为1 kHz，噪声因子(采用的是随机数来表示噪声，噪声因子为一比特信息键控的随机数的个数)为1 000，噪声调制信号由于是一段宽频信号，且无载频，频谱上没有明显变化。可以发现采用直扩信号常规的平方倍频检测方法不能检测出噪声调制信号，说明噪声调制比直扩信号具有更高的抗截获性能。

图7 平方倍频检测

3 结束语

根据噪声通信的基本原理，提出了一种噪声调制技术，通过理论分析以及仿真实现验证了噪声通信的抗噪声与隐蔽性能。与文献[5]中的2路噪声有所不同，本文提出的噪声调制技术所选择的2路噪声是波形相差180°的噪声，通过仿真验证了其良好的解调性能。对直接噪声调制解调系统与BPSK调制解调系统进行仿真比较，发现两者性能几乎没有差别；比较两者在时域与频域上的隐蔽性特征,发现噪声调制在时域和频域上特征不明显，具有很强的隐蔽性；与直扩通信平方倍频检测时的性能进行对比发现，噪声调制信号更难被检测，说明其具有更好的隐蔽效果。隐蔽通信的本质就是使信号无限接近于噪声进而隐藏在噪声里，噪声通信理论上正是隐蔽通信的最终目的。噪声通信研究的难点在于噪声的产生与滤波器的设计，这是目前噪声通信所面临的问题，但随着技术的进步，噪声通信将成为未来隐蔽通信研究的主要方向。

[1] 刘翠海,王文清.外军潜艇通信关键技术及发展趋势[J].电讯技术,2011(7):1-2.

[2] 张建华,孙卫华.潜艇水下隐蔽通信技术研究[J].舰船电子工程,2010(2):1-2.

[3] 张华熊,张朝阳,仇佩亮.一种新的隐蔽通信算法[J].电子学报,2003(4):2-3.

[4] 苏育挺，张春田.隐蔽通信中的数据伪装技术[J].天津通信技术,1998(9):1-2.

[5] 徐穆洵.噪声通信[J].军事通信技术,1995(9):1-3.

[6] 张 杰.短波低速数据传输性能提升技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2012.

[7] 樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].北京:国防工业出版社,1995.[8] 董珊珊.混沌直扩技术的研究及其在隐蔽信道的应用[D].成都：电子科技大学，2008.

[9] 沈琪琪，朱德生.短波通信[M].西安：西安电子科技大学出版社，1990.

[10]马 根，孙浩茗，孙 静.自编码扩频序列的性能研究[J].山东轻工业学院学报,2008(9):2-3.

Analysis on a Noise Modulation Technology and Its Performances

LI Ren-shen,WANG Yong-bin,FU Tian-hui

(College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan Hubei 430033,China)

The covert communication has high requirements on covert performance of signal.In order to improve the covert performance of signal transmission and meet the development of modern covert communication,this paper puts forward a noise communication technology.Different from the traditional modulation technology,the noise modulation technology replaces noise waveform with sine waveform and transmits the signals by using real noise waveform,which has some advantage on bandwidth.A communication system solution using noise modulation is designed,which is compared with BPSK and DSSS,on anti-noise performance and covert performance.The simulation and comparison results prove the feasibility of noise communication.

noise modulation;covert performance;BPSK;DSSS

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.10

李仁珅，王永斌，付天晖.一种噪声调制技术及其性能分析[J].无线电通信技术,2017,43(2):41-43.

2016-12-26

李仁珅(1991―)，男，硕士研究生，主要研究方向：数字信号处理。王永斌(1961―)，男，教授，硕士生导师，主要研究方向：水下通信、长波通信。

TN911.3

A

1003-3114(2017)02-41-3