調(diào)制解調(diào)方式偽隨機(jī)跳變的數(shù)字保密通信

1、探 測(cè) 與 控 制 學(xué) 報(bào)journal of detect ion & controlvol1 32 no1 2ap r1 2010第 32 卷 第 2 期2010 年 4 月調(diào)制解調(diào)方式偽隨機(jī)跳變的數(shù)字保密通信馮建利(西安石油大學(xué) ,陜西 西安710065)摘要 :針對(duì)以往保密通信系統(tǒng)復(fù)雜度高 、物理實(shí)現(xiàn)難的不足 ,提出了一種調(diào)制解調(diào)方式基于偽隨機(jī)序列跳變的數(shù)字保密通信新方法 。該方法中 ,通信雙方采用同步 n 階 m 序列控制調(diào)制解調(diào)方式的跳變 ,使第三方難以捕 獲有效信息 ,實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信的保密 。在 matlab 仿真平臺(tái)上對(duì)二階 m 序列控制三種簡(jiǎn)單調(diào)制解調(diào)方式的跳變進(jìn) 行性能仿真表

2、明 :采用非同步跳變的解調(diào)方式無法可靠通信 ,該方法具有一定的保密性并且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 。 關(guān)鍵詞 :調(diào)制解調(diào)方式 ;跳變 ;誤碼率 ;通信保密性中圖分類號(hào) : tn918 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :a文章編號(hào) :100821194( 2010) 0220034204pseudo2random hopping based secure communication appl ied to modem methodf en g j ia nli( xia n shiyo u u niver sit y , xia n 710065 ,china)abstract :a gainst t he sho rtco mi

3、 ng of p revio us secure co mmunicatio n syst em such a s high co mplexit y a nd diffi2 cult p hysical implementatio n , t he p seudo2ra ndo m sequence hopping ba sed secure co mmunicatio n i s p ropo sed. in t hi s met ho d , bo t h of t he co mmunicatio n sides use synchro no us n2o r der m2sequen

4、ce to co nt rol t he mo dem hopping , so t hat it i s difficult fo r t he t hi r d p a rt y to cap t ure t he eff ective info r matio n and t he secure co mmunica2 tio n i s realized. o n matla b simulatio n platfo r m ,t he seco nd2o r der m2sequence i s used to co nt rol t hree kinds of sim2 ple m

5、o dem hopping. the simulatio n re sult sho w s t hat relia ble co mmunicatio n can no t be achieved by using no n2 synchro no us demo dulatio n w hile t he p ropo sed co mmunicatio n met ho d i s simple and secure.key words :mo dem met ho ds ; hopping ; bit er ro r rate ;co mmunicatio ns co nfidenti

6、alit ym 序列是最長(zhǎng)線性反饋移存器的簡(jiǎn)稱 , 它是由帶線性反饋的移位寄存器產(chǎn)生的周期最長(zhǎng)的一種序 列。一個(gè) n 級(jí)反饋移位寄存器可能產(chǎn)生的最長(zhǎng)周期等于 ( 2 n - 1) 。n 級(jí) m 序列的產(chǎn)生框圖如圖 1 所示。在圖 1 中示出一個(gè)一般的線性反饋移存器的組引言0隨著通信技術(shù)的日趨完善和快速發(fā)展 ,人們對(duì)通信的保密性要求越來越高。由此 ,保密通信便成 為一個(gè)專門的研究領(lǐng)域 。軍事保密通信中擴(kuò)展頻譜理論 ,如直接序列擴(kuò)頻 、跳頻、跳時(shí)的方式在目前已 經(jīng)得到快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用 1 。除此之外 ,混沌理 論在保密通信中的應(yīng)用也是一個(gè)非?；钴S的研究方向 223 。這些通信系統(tǒng)較為復(fù)雜 , 物

7、理實(shí)現(xiàn)成本高。 本文提出了 n 階 m 序列控制調(diào)制解調(diào)方式跳變的一種簡(jiǎn)單數(shù)字保密通信方法。成。圖中各級(jí)移存器的狀態(tài)用 ai 表示 , ai= 0 或 1 , i為整數(shù)。反饋線的連接狀態(tài)用 ci 表示 , ci= 1 表示此線接通 ( 參加反饋) , ci= 0 表示此線斷開 ( 不參加反饋) 。如果移位寄存器的初始狀態(tài)是 a aan , 經(jīng)過 1an- 1 , 經(jīng)1 2次移位后移位寄存器便輸出序列 a0 a1 a2 a3過 n 次移位后移位寄存器便輸出序列 a1 - n a2 - na0 ,m 序列是最后一級(jí)移位寄存器的各次移位所得的序列。而這 ( 2 n - 1) 種不同狀態(tài)的變化則是調(diào)制

8、解調(diào)方 式的跳變規(guī)則 , 即如果選用 5 級(jí)移位寄存器生成 m1 m 序列基本原理3 收稿日期 :2009207209修回日期 :2009212230作者簡(jiǎn)介 :馮建利 (1981 - ) ,女 ,陜西寶雞人 ,碩士 ,講師 ,研究方向 :通信工程 。e2mail :fjl nwp u xsyu. edu. cn 。序列 , 則可控制 ( 25 - 1 = 31) 種調(diào)制方式對(duì)應(yīng)跳變。方式受偽隨機(jī)碼的控制 ,按一定規(guī)律跳變。對(duì)于接收端而言 ,接收到的信號(hào)是一調(diào)制方式跳變信號(hào) ,跳 變規(guī)律是相同的 。只要收發(fā)雙方的偽隨機(jī)碼同步 , 就可使收發(fā)雙方的調(diào)制解調(diào)方式同步 ,以此便可恢 復(fù)出發(fā)送的信息

9、。而對(duì)于干擾信號(hào)而言 ,由于不知 道發(fā)送端采用的調(diào)制方式的跳變規(guī)律 ,因而不能以 同步跳變的解調(diào)方式正確解調(diào) ,無法獲知通信內(nèi)容 或干擾雙方通信 ,這樣就達(dá)到了抗干擾、增強(qiáng)系統(tǒng)保 密性的目的 6 。圖 1n 級(jí) m 序列產(chǎn)生框圖fig. 1n 2o r der m sequence block diagram generated選用 m 序列作為偽隨機(jī)序列 ,主要是由于 m 序列具有良好的均衡性及游程分布 ,尤其具有非常好 的自相關(guān)性。m 序列的自相關(guān)函數(shù)滿足式1 ,-j = 0j = 1 , 2 ,r ( j) =1 ,( 1), n - 1n式中 , n 是 m 序列的周期 ,即 m 序列

10、的自相關(guān)函數(shù)只有兩種取值 1 和 - 1/ n ; 在移位 0 次 ,即序列完全重 合時(shí) ,自相關(guān)值最大 ;序列的自相關(guān)特性隨長(zhǎng)度的增 加越來越好 ,抗多徑干擾能力就越強(qiáng) 4 。圖 2 調(diào)制解調(diào)方式偽隨機(jī)跳變系統(tǒng)框圖fig. 2 mo dem way of p seudo2rando m hopping system block diagra m若選用 n 級(jí)線性反饋移位寄存器產(chǎn)生 m 序列 ,則可控制 2 n示。- 1 種調(diào)制解調(diào)方式跳變 7 ,如圖 3 所調(diào)制解調(diào)方式偽隨機(jī)跳變?cè)?一般的通信系統(tǒng)中在發(fā)送端往往只采用某一種調(diào)制方式 ,對(duì)應(yīng)的接收端采用相對(duì)應(yīng)地單一解調(diào)方 式 ,所以這種通信系

11、統(tǒng)中只能以其他的方式來對(duì)抗 第三方人為干擾。本文將以往單一的調(diào)制解調(diào)方式 以某種規(guī)律變換為多種調(diào)制解調(diào)方式跳變 ,以此增 強(qiáng)通信系統(tǒng)保密性。假定系統(tǒng)擬采用的調(diào)制方式存放于調(diào)制/ 解調(diào) 方式列表 ,用 pn 碼來控制發(fā)送端在某一時(shí)間段具 體采用何種調(diào)制方式 ,相對(duì)應(yīng)地 ,在解調(diào)端用同步的 pn 碼產(chǎn)生器選擇相應(yīng)地解調(diào)方式進(jìn)行正確解調(diào) 5 。 如圖 2 所示。在通信系統(tǒng)中使得發(fā)送端采用的調(diào)制圖 3 調(diào)制方式跳變規(guī)律fig. 3 mo dulatio n syst em hopping r ule圖 3 中陰影部分表示該時(shí)間段選擇的調(diào)制方式。由此形成的系統(tǒng)框圖如圖 4 所示 。探 測(cè) 與 控 制 學(xué)

12、 報(bào)36設(shè)信息源發(fā)出的是由二進(jìn)制符號(hào) 0 、1 組成的序列 ,且假定 0 符號(hào)出現(xiàn)的概率為 p , 1 符號(hào)出現(xiàn)的概 率為 1 - p , 它們彼此獨(dú)立 ,即表示為 :對(duì)于其他的數(shù)據(jù)而言解調(diào)方式完全失效 ,不能對(duì)發(fā)送端發(fā)出的整個(gè)信息正確解調(diào) ,從而造成極大的誤 碼。發(fā)送端采用的調(diào)制方式的跳變速率越高 ,第三 方正確解調(diào)的概率越小。這樣對(duì)于通信雙方而言 , 就可以達(dá)到極高的通信保密性。x ( t) = a n g ( t -n t s )( 2)n0 , 概率為 p1 , 概率為 ( 1 -an =( 3)p)matla b 仿真3式中 , g ( t) 是寬度為 ts 的單個(gè)矩形脈沖 , x

13、( t) 為單極性非歸零信號(hào)。仿真 條 件 : 采 用 mat la b 仿 真 軟 件 隨 機(jī) 產(chǎn) 生30 000個(gè)二進(jìn)制信息碼元 ,且“0”、“1 ”等概出現(xiàn) ,碼將 x ( t) 以 m 序列狀態(tài)輸出規(guī)律劃分為 2 n-1段 , 分別為 x1 ( t) , x2 ( t) , x3 ( t) ,x ( t) =x1 ( t) + x2 ( t) + x3 ( t) +, x2 n - 1 ( t) 即2元周期 0 . 01 s ;選用二階 m 序列控制 2 - 1n= 2 - 1= 3 種調(diào)制解調(diào)方式的跳變 ,仿真中選用的調(diào)制解調(diào)方式為 2a s k、2 f s k、2 ps k ; m

14、 序列跳變周期為0 . 03 s ;系統(tǒng)采樣頻率 10 000 hz ; 噪聲為高斯白噪 聲 ;2a s k 系統(tǒng)載頻為 4 000 hz ,2 ps k 系統(tǒng)載波頻 率為 3 000 hz , 2 f s k 系統(tǒng)載頻頻率分別為 1 000hz 、2 000 hz ; 二階 m 序列碼元速率 100 b/ s ; 系統(tǒng)信噪比從 - 2020 db 以步進(jìn) 1 db 變化 ; 對(duì)應(yīng)一個(gè) 信噪比系統(tǒng)樣本量為 10 。部分已調(diào)信號(hào)波形及接 收端信號(hào)波形如圖 5 所示。+ x2 n - 1 ( t)( 4)按照如圖 2 所示的 m 序列狀態(tài)輸出規(guī)律對(duì) x1 ( t) , x2 n - 1 ( t)

15、分別調(diào)制方式、調(diào)制方x2 ( t) , x3 ( t) ,調(diào)制方式 2 n - 1 進(jìn)行調(diào)制 ,式 , 調(diào)制方式 形 成 已 調(diào) 信 號(hào) 以 此 為s1 ( t) , s2 ( t) , s3 ( t) ,s2 n - 1 ( t) 。此時(shí) ,已調(diào)信號(hào)是經(jīng)過三種調(diào)制方式調(diào)制后形成的合成信號(hào) ,表達(dá)式為 :s ( t)= s1 ( t) + s2 ( t) + s3 ( t)+ s2 n - 1 ( t)( 5)+如果接收端事先獲悉發(fā)送端調(diào)制方式的跳變規(guī)律 ,對(duì)應(yīng)地將跳變的接收信號(hào)按照調(diào)制方式的不同 劃分成幾路信號(hào) ,此處 ,按照調(diào)制方式的跳變規(guī)律將 接收信號(hào)劃分為 2 n - 1 段 ,即p

16、( t) =p1 ( t) + p2 ( t) + p3 ( t)式中 , p ( t) = s ( t) 。對(duì) p1 ( t) , p2 ( t) , p3 ( t) ,+ p2 n - 1 ( t)( 6), p2 n - 1 ( t) 。分別采用對(duì)應(yīng)地解調(diào)方式進(jìn)行解調(diào) ,得到的解調(diào)信號(hào)為 :y ( t) =y1 ( t) + y2 ( t) + y3 ( t)+ y2 n - 1 ( t)( 7)+由于系統(tǒng)接收端采用的解調(diào)方式的跳變規(guī)律和發(fā)送端采用的調(diào)制方式的跳變規(guī)律完全同步 ,所以 可以完全正確地對(duì)收到的信號(hào)以該規(guī)律進(jìn)行解調(diào) , 從而以極高的準(zhǔn)確度得到發(fā)端信息。反過來說 ,對(duì) 于通信第

17、三方而言 ,由于不知道調(diào)制方式的跳變規(guī) 律 ,所以即使在通信過程中截獲了信號(hào) ,且接收端采 用的解調(diào)方式恰好是某段數(shù)據(jù)適用的解調(diào)方式 ,這 樣只有這段數(shù)據(jù)的已調(diào)信號(hào)能夠通過帶通濾波器正 確地解調(diào) ,同樣由于帶通濾波器的作用則會(huì)將其他 頻段的已調(diào)信號(hào)濾除 ,即對(duì)于這些數(shù)據(jù)而言必然得 到錯(cuò)誤的解調(diào)結(jié)果 。換句話說 ,這種解調(diào)方式最大 程度只能對(duì)接收數(shù)據(jù)中某段數(shù)據(jù)進(jìn)行正確解調(diào) ,而圖 5 部分信號(hào)波形圖fig. 5 part of t he signal wavefo r m仿真過程中遇到的最主要問題是不同調(diào)制解調(diào)方式下濾波器造成的延時(shí)問題 ,這在系統(tǒng)進(jìn)行誤碼 率分析時(shí)尤為重要 ,只有接收數(shù)據(jù)和發(fā)送

18、數(shù)據(jù)在時(shí) 序上完全同步時(shí) ,才能正確地進(jìn)行誤碼率分析 。本 文中采用的解決方法為在發(fā)送信息以前先給系統(tǒng)加 長(zhǎng)度為 10 的已知的訓(xùn)練序列 ,通過軟件循環(huán)的方式序上的延遲 ,經(jīng)仿真 ,我們得到 2a s k、2 f s k、2 ps k系統(tǒng)的延遲分別為 283 、226 、226 個(gè)采樣點(diǎn) 。這樣我 們?cè)趯?shí)際的系統(tǒng)中根據(jù)采用的調(diào)制解調(diào)方式下測(cè)得 的延遲采樣點(diǎn)數(shù)人為地抵消接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的 延遲再計(jì)算系統(tǒng)誤碼率 ,就得到了合理的仿真結(jié)果 。 當(dāng)系統(tǒng)調(diào)制方式按照某種規(guī)律跳變而解調(diào)方式不變 時(shí)不能達(dá)到收發(fā)信息之間的完全同步 ,這也是造成誤碼率很高的原因之一?？朔搜舆t問題后 ,我們 得到仿真結(jié)果如圖

19、 6 所示。通過對(duì)二階 m 序列控制 2a s k、2 f s k、2 p s k調(diào)制解調(diào)方式跳變的通信系統(tǒng)性能仿真 ,表明采用 調(diào)制解調(diào)方式基于偽隨機(jī)序列跳變的數(shù)字通信方 法 ,第三方低誤碼率偵收難以實(shí)現(xiàn) ,提高了通信系統(tǒng) 的保密性 ,是一種非擴(kuò)譜型保密通信方式。該方法 較擴(kuò)譜型通信方法而言 ,系統(tǒng)復(fù)雜度較低 ,較容易實(shí) 現(xiàn)。當(dāng)然 ,不同應(yīng)用背景下本方法的實(shí)施細(xì)節(jié)尚有待于進(jìn)一步探討。參 考 文 獻(xiàn) : 1 曾興雯. 擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù) m . 西安 : 西安電子科技大學(xué)出版社 ,2004 . 2 l iu f ,m u z l ,q iu z l . a synchro nizatio

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