一種基于fm-dcsk保密通信方法
【專利摘要】本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)一種基于改進(jìn)型DCSK的新型FM-DCSK保密通信系統(tǒng)，屬于信號(hào)傳輸【技術(shù)領(lǐng)域】。針對(duì)DCSK使信息分散在兩條信道上傳輸，且每一路信息的參考信號(hào)在另一路傳輸，同時(shí)針對(duì)“混沌”擴(kuò)頻后引起的信息比特能量變化而導(dǎo)致的估計(jì)干擾的問題，通過FM調(diào)制模塊加以解決，使混沌信號(hào)的比特能量保持恒定從而減小誤碼率。本發(fā)明在圖像，及軍事保密信息等領(lǐng)域內(nèi)將具有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】—種基于FM-DCSK保密通信方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，更具體的是涉及使用FM調(diào)制和差分混沌鍵控(DCSK)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的混沌保密通信系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]混沌信號(hào)作為一種非線性信號(hào)，其具有的對(duì)系統(tǒng)初值敏感性會(huì)導(dǎo)致信號(hào)不可預(yù)見性，同時(shí)具有的內(nèi)在隨機(jī)行為以及寬帶功率譜等特性使其在通信系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用，尤其適用于保密通信系統(tǒng)當(dāng)中。迄今已經(jīng)提出和發(fā)展的同步混沌通信主要分為:混沌掩蓋、混沌參數(shù)調(diào)制、混沌鍵控和混沌擴(kuò)頻
[0003]混沌掩蓋屬于混沌模擬通信，其余三類屬于混沌數(shù)字通信。混沌掩蓋是較早提出的一種混沌保密通信方式，它是利用非線性動(dòng)力學(xué)預(yù)測技術(shù)將掩蓋在混沌信號(hào)下的傳輸信號(hào)提取出來，它的實(shí)現(xiàn)依賴于系統(tǒng)的同步實(shí)現(xiàn)程度，因此還不能提供高質(zhì)量的通信服務(wù)，只適用于慢變信號(hào)，對(duì)快變信號(hào)和時(shí)變信號(hào)還不能很好的處理?；煦鐓?shù)調(diào)制是將發(fā)送的信息隱藏在系統(tǒng)參數(shù)內(nèi)，這種方案關(guān)鍵在于混沌系統(tǒng)參數(shù)的恢復(fù)程度，系統(tǒng)參數(shù)的解調(diào)對(duì)外界的干擾比較敏感，從而降低了通信效率。混沌擴(kuò)頻通信就是用混沌序列替代傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的偽隨機(jī)序列，從而適應(yīng)人們對(duì)未來通信的更高要求。由于混沌信號(hào)本身的一些特點(diǎn)，因此混沌擴(kuò)頻序列隨機(jī)性能好，保密性能高，具有良好的相關(guān)特性，可用數(shù)目多?；煦鐢U(kuò)頻通信的關(guān)鍵在于混沌擴(kuò)頻序列的選擇，對(duì)混沌序列的研究也是目前對(duì)混沌通信研究的一個(gè)重要的方面?；煦珂I控是在發(fā)送端有多個(gè)混沌系統(tǒng)，根據(jù)要傳送的碼值，選擇不同的混沌系統(tǒng)。這樣發(fā)送信號(hào)由一段段代表不同混沌吸引子的混沌信號(hào)組成，發(fā)送端的各個(gè)混沌系統(tǒng)在接收端有對(duì)應(yīng)的同步系統(tǒng)。將接收的信號(hào)驅(qū)動(dòng)各個(gè)同步系統(tǒng)，根據(jù)一個(gè)碼元周期內(nèi)各個(gè)同步系統(tǒng)達(dá)到同步的情況來判斷這個(gè)周期內(nèi)所傳送的碼值。在混沌數(shù)字通信體制中，混沌鍵控有很強(qiáng)的抗干擾能力，并能有效的抑制多徑干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，它在通信方案中占有重要的地位，廣大學(xué)者認(rèn)為其具有較好的發(fā)展前景與應(yīng)用價(jià)值。
[0004]混沌鍵控調(diào)制技術(shù)具有較強(qiáng)的抗噪聲干擾和參數(shù)失配能力，功率譜密度較低，因此廣泛應(yīng)用于數(shù)字保密通信系統(tǒng)。Parlitz等率先提出了混沌鍵控技術(shù)，基于這個(gè)技術(shù)衍生出了混沌移位鍵控(CSK)、混沌開關(guān)鍵控(C00K)、差分混沌鍵控(DCSK)、調(diào)頻差分混沌鍵控(FM-DCSK)等等。其中CSK和COOK技術(shù)使系統(tǒng)接收端的門限判決需要根據(jù)信噪比的變化而改變，否則系統(tǒng)會(huì)有較高的誤碼率導(dǎo)致系統(tǒng)的性能降低。為解決這一問題，G.Kolumban等又提出了基于非相干解調(diào)的差分混沌鍵控(DCSK)，具有固有的寬頻特性以及抗噪聲特性，它克服了 CSK和COOK判決門限值依賴于信噪比的缺點(diǎn)，同時(shí)在接收端不需要同步，結(jié)構(gòu)簡單。DCSK系統(tǒng)解決了 CSK系統(tǒng)判決門限嚴(yán)重依賴Eb/NQ (信號(hào)功率與噪聲功率之比，簡稱信噪比)的問題，其接收端采用非相干調(diào)制技術(shù)簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是目前研究最多的一種混沌鍵控調(diào)制，但其存在保密性差和傳輸速率和系統(tǒng)誤碼率較低等缺陷。針對(duì)這些問題提出一種改進(jìn)型DCSK系統(tǒng)，把傳統(tǒng)DCSK系統(tǒng)在一條信道傳輸信號(hào)的方案改進(jìn)為在兩條信道傳輸，并且把調(diào)制信息交叉到對(duì)方信道上傳輸，這樣可以改善DCSK系統(tǒng)的保密性能和傳輸率。
[0005]G.Kolumban提出差分混沌鍵控方案(DCSK)解決了 CSK判決門限值依賴于信噪比的問題。DCSK方案中每一比特的信息通過變換，都由兩段混沌信號(hào)組成，第一段為“參考信號(hào)”，第二段攜帶有用信息，當(dāng)傳輸信息為“I”時(shí)發(fā)送兩段一樣的同相信號(hào)，而傳輸信息為“O”時(shí)發(fā)送端兩段信號(hào)反相，即參考信號(hào)之后是一段與之反相的信號(hào)，兩段信號(hào)連續(xù)的發(fā)送出去。在接收端接收了信息信號(hào)和參考信號(hào)后，送入相關(guān)接收機(jī)，計(jì)算這兩段信號(hào)的相關(guān)特性，根據(jù)相關(guān)特性的正負(fù)進(jìn)行信息恢復(fù)，相關(guān)特性大于零，則信息信號(hào)為“ I ”，相關(guān)特性小于零則信息信號(hào)為“O”。DCSK的輸出信號(hào)具有固有的寬頻特性以及抗噪聲特性，由于其采用非相干解調(diào)技術(shù)，不必在收發(fā)兩端建立同步，相比傳統(tǒng)通信系統(tǒng)有很多優(yōu)勢。但由此可看到缺點(diǎn)比較明顯，只使用一個(gè)信道導(dǎo)致信息傳輸效率低下。信號(hào)被截獲后通過觀察傳輸信號(hào)的頻譜，很容易找出規(guī)律，易于破解出原始信息，因此很難有較好的保密性。同時(shí)經(jīng)過混沌系統(tǒng)調(diào)制后的信號(hào)的比特能量不恒定會(huì)引起估計(jì)干擾ζ，這會(huì)造成系統(tǒng)誤碼率的提高。DCSK系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)原理圖如圖1、2所示。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)在混沌鍵控通信上的缺點(diǎn)，提出了一種新型FM-DCSK系統(tǒng)。
[0007]首先把傳統(tǒng)DCSK系統(tǒng)在一條信道傳輸信號(hào)的方案改進(jìn)為在兩條信道傳輸，并且把調(diào)制信息交叉到對(duì)方信道上傳輸，這樣可以改善DCSK系統(tǒng)的保密性能和傳輸率。
[0008]經(jīng)過混沌系統(tǒng)調(diào)制后的信號(hào)的比特能量不恒定會(huì)引起估計(jì)干擾ζ，這會(huì)造成系統(tǒng)誤碼率的提高。為了解決這一問題，本發(fā)明加入FM調(diào)制器到經(jīng)過改進(jìn)后的DCSK系統(tǒng)的發(fā)送端，這樣使混沌信號(hào)的比特能量保持恒定從而減小誤碼率。
[0009]鑒于此，本發(fā)明提出一種新型FM-DCSK保密通信系統(tǒng)。
[0010]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的方案是，針對(duì)DCSK保密性不強(qiáng)以及信道利用率低，誤碼率較高等問題，提出了一種結(jié)合頻率調(diào)制FM和雙信道傳輸?shù)男碌念l率調(diào)制-差分混沌鍵控(FM-DCSK)保密通信系統(tǒng)，從傳統(tǒng)的單信道傳輸方式改為將信息分散到兩個(gè)信道中傳輸。本發(fā)明提出一種基于FM-DCSK保密通信方法，包括以下主要步驟:步驟1:在發(fā)送端采用不同初值的Logistic混沌映射系統(tǒng)產(chǎn)生不同混沌信號(hào)，兩路混沌信號(hào)經(jīng)過FM調(diào)制，獲得兩路不同調(diào)制混沌信號(hào)Xl，n、x2,? ;步驟2:兩路已調(diào)制信號(hào)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，分別與兩路經(jīng)過M延遲后的混沌信號(hào)相乘得第一路信號(hào)、第二路信號(hào)，兩路信號(hào)分別在兩條信道中傳輸，使得各自的參考信號(hào)和調(diào)制信號(hào)分離處于兩個(gè)不同信道中傳輸；步驟3:接收端收到信號(hào)后，取信號(hào)的前M位作為接收信號(hào)的前部，后M位作為接收信號(hào)的后部，并交換信道；步驟4:在接收端重新調(diào)整順序后，兩路信號(hào)分別進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，并由相關(guān)器輸出；步驟5:相關(guān)器輸出經(jīng)再解碼運(yùn)算后，把兩個(gè)信道中的信號(hào)由并行傳輸轉(zhuǎn)換為串行傳輸。兩條信道中的其中一條信道前半個(gè)周期信道傳輸?shù)氖堑谝宦沸盘?hào)的參考信號(hào)，后半個(gè)周期信道傳輸?shù)氖堑诙沸盘?hào)的調(diào)制信號(hào)，另一條信道前半個(gè)周期信道傳輸?shù)氖堑诙沸盘?hào)的參考信號(hào)，后半個(gè)周期信道傳輸?shù)氖堑谝宦沸盘?hào)的調(diào)制信號(hào)。所述自相關(guān)運(yùn)算具體為:把接收到的信號(hào)r(n)同延時(shí)M位的信號(hào)r(n+M)在擴(kuò)頻系數(shù)M區(qū)間進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。根據(jù)第一路所攜帶的信息為=ElXJM、由每比特能量所引起的干擾項(xiàng)C = ΣΖιΧ1 — Αι、信道噪聲產(chǎn)生的干擾項(xiàng)/7 = Xf=1 xuu2^n+M +\iY^i=lxu+MuXn + Yj^lUlnU2n+M，根據(jù)公式:S =bi’A+bu ζ + n計(jì)算一路相關(guān)器輸出S10
[0011]本發(fā)明加入FM調(diào)制器到改進(jìn)型DCSK系統(tǒng)的發(fā)送端，使混沌信號(hào)的比特能量保持恒定從而減小誤碼率。本發(fā)明不僅保證了傳輸速率而且提高了安全性，其保密性得到極大增強(qiáng)，不易被破解，并且誤碼性能也有所提高，提高了利用率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1 DCSK系統(tǒng)的調(diào)制原理圖；
[0013]圖2 DCSK系統(tǒng)的解調(diào)原理圖；
[0014]圖3本發(fā)明調(diào)制原理圖；
[0015]圖4本發(fā)明解調(diào)原理圖；
[0016]圖5本發(fā)明接受信息交換順序圖；
[0017]圖6傳統(tǒng)DCSK和本發(fā)明誤碼率比較；
[0018]圖7本發(fā)明不同M值下誤碼率；
[0019]圖8本發(fā)明不同Eb/NQ下誤碼率。

【具體實(shí)施方式】
[0020]現(xiàn)結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明提出的保密通信技術(shù)方案進(jìn)行具體描述如下:
[0021 ] DCSK是目前研究最多的混沌鍵控保密通信系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，誤碼率較低，抗干擾能力較強(qiáng)，但在實(shí)際應(yīng)用中存在一個(gè)問題:在一個(gè)碼元周期中，發(fā)送端發(fā)送的參考信號(hào)和信息信號(hào)相同或相反，所以信道保密性較低，發(fā)送的信息被截獲后通過分析很容易破譯出傳輸信號(hào)，且一個(gè)周期內(nèi)只能傳輸Ibit的信息導(dǎo)致信道利用率和傳輸速度較低。針對(duì)DCSK的保密性問題，經(jīng)過改進(jìn)，首先經(jīng)過FM調(diào)制，隨后使信息分散在兩條信道上傳輸，且每一路信息的參考信號(hào)在另一路傳輸，這樣即使某一路信息在傳輸過程中被截獲，也無法破譯原始信號(hào)，同時(shí)也解決信道利用率低的問題，而且提高了誤碼率。
[0022]結(jié)合實(shí)例，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)新型FM-DCSK保密通信系統(tǒng)包括:
[0023]混沌理論開始應(yīng)用到保密通信中，其中用得最多的是利用Logistic系統(tǒng)(混沌系統(tǒng))產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)序列，其理論依據(jù)是混沌動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)于初值和參數(shù)的敏感性.。然而，Logistic系統(tǒng)僅當(dāng)初值和參數(shù)取某些特定范圍內(nèi)的值時(shí)才是混沌的，并非對(duì)任意的初值和參數(shù)都是混沌的。其次，即使Logistic系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)，在不同的初值和參數(shù)下所產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列的隨機(jī)性也有很大差別。本發(fā)明考慮具有以下形式的Logistic系統(tǒng)表達(dá)式為:
[0024]χη+ι 二/(? = 1-/“(I)
[0025]采用不同的Logistic映射調(diào)節(jié)參數(shù)值,產(chǎn)生的混沛信號(hào)不同。
[0026]輸入信號(hào)被調(diào)制，調(diào)制系統(tǒng)的特性就被輸入信號(hào)所更改。例如當(dāng)輸入信號(hào)由余弦波變成矩形波時(shí)，系統(tǒng)就不是一個(gè)混沌系統(tǒng)了。因此，為了保密的目的，就要保持調(diào)制后的信號(hào)的混沌特性。在此本系統(tǒng)可采用兩個(gè)不同的系數(shù)產(chǎn)生兩個(gè)不同的混沌信號(hào)。
[0027]傳統(tǒng)DCSK傳輸方案中，參考信號(hào)和調(diào)制信號(hào)在同一條信道上傳輸，發(fā)送的信息被截獲后通過分析很容易破譯出傳輸信號(hào)。本發(fā)明再引入一條信道和兩個(gè)信號(hào)源，且信號(hào)源經(jīng)過FM調(diào)制。
[0028]圖3為本發(fā)明調(diào)制原理圖。從附圖3發(fā)送端可以看出，信息首先經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換變成兩路雙極性信號(hào)bu和b2，k，然后分別與兩路經(jīng)過M延遲后兩個(gè)不同的混沌信號(hào)和進(jìn)行相乘得信號(hào)和b2,kx2,n_M，分別放到兩條信道中進(jìn)行傳輸，使得各自的參考信號(hào)和調(diào)制信號(hào)分離處于不同信道中傳輸。
[0029]在發(fā)送端采用混沛發(fā)生器為Logistic混沛映射,兩個(gè)不同初值的Logistic混沛映射系統(tǒng)產(chǎn)生兩個(gè)不同的混沌信號(hào)。兩個(gè)不同的混沌信號(hào)各自經(jīng)過FM調(diào)制后獲得調(diào)節(jié)參數(shù)不同的混沌信號(hào)Xl，n、X2，n，第一路、第二路調(diào)制混沌信號(hào)Xl，n、X2，n經(jīng)過M(擴(kuò)頻系數(shù))時(shí)間延遲后獲得第一路、第二路延遲混沌信號(hào)Xl，n_M和x2，n_M ;發(fā)送端發(fā)送的信息m(i)串并轉(zhuǎn)換成兩個(gè)雙極性信號(hào)bu和b2，k,兩路混沛信號(hào)X^m和x2，n-M分別與第一、第二雙極性信號(hào)bu和b2，k相乘得信號(hào)buXujP b2，kx2，n_M，信號(hào)buXujP b2，kx2，n_M分別發(fā)送到兩信道中進(jìn)行傳輸，輸出信號(hào)設(shè)為Sl，n和s2’n0每個(gè)信道前半個(gè)周期傳輸參考信號(hào)，后半個(gè)周期傳輸另一路的調(diào)制信號(hào)。在接收端信號(hào)重新恢復(fù)為發(fā)送端被擾亂的信息順序。
[0030]從附圖3發(fā)送端可以看出，信息首先經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換變成兩路雙極性信號(hào)，兩路雙極性信號(hào)分別與兩路經(jīng)過M延遲后經(jīng)過FM調(diào)制后的混沌信號(hào)進(jìn)行相乘得信號(hào)bu Xl，n_M和b2,k x2，n_M，兩路輸出信號(hào)Sl，n和82，?分別放到兩條信道中進(jìn)行傳輸，使得各自的參考信號(hào)和調(diào)制信號(hào)分離處于不同信道中傳輸。由于混沌信號(hào)特殊的正交性，兩條發(fā)送信道中的信號(hào)是正交的。在一個(gè)碼元周期T(其中T = M)中解調(diào)方式信息的順序簡化為如附圖2所示。信息在傳輸過程中分散在兩條信道上，頻譜得到極大擴(kuò)展，且保密性大大加強(qiáng)。即使監(jiān)聽者截獲到信號(hào)序列，也無法將其破譯，這樣，就能夠?qū)崿F(xiàn)完全的保密通信。
[0031]兩條信道輸出的信號(hào)，分別如式(2) (3):

【權(quán)利要求】
1.一種基于FM-DCSK保密通信方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟1:在發(fā)送端采用不同初值的混沌映射系統(tǒng)產(chǎn)生不同混沌信號(hào)，不同混沌信號(hào)經(jīng)過FM調(diào)制，獲得第一路、第二路調(diào)制混沌信號(hào)Xl，n、x2,? ;步驟2:兩路調(diào)制混沌信號(hào)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，分別與兩路經(jīng)過M延遲后的混沌信號(hào)相乘得第一路信號(hào)、第二路信號(hào)，兩路信號(hào)分別在兩條信道中傳輸，使得各自的參考信號(hào)和調(diào)制信號(hào)分離處于兩個(gè)不同信道中傳輸；步驟3:接收端收到信號(hào)后，取信號(hào)的前M位作為接收信號(hào)的前部，信號(hào)的后M位作為接收信號(hào)的后部，并交換信道；步驟4:在接收端重新調(diào)整順序后，兩路信號(hào)分別進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)器輸出；步驟5:相關(guān)器輸出再解碼運(yùn)算后，把兩個(gè)信道中的信號(hào)由并行傳輸轉(zhuǎn)換為串行傳輸，其中，M為擴(kuò)頻系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，兩條信道中的其中一條信道前半個(gè)周期信道傳輸?shù)氖堑谝宦沸盘?hào)的參考信號(hào)，后半個(gè)周期信道傳輸?shù)氖堑诙沸盘?hào)的調(diào)制信號(hào)，另一條信道前半個(gè)周期信道傳輸?shù)氖堑诙沸盘?hào)的參考信號(hào)，后半個(gè)周期信道傳輸?shù)氖堑谝宦沸盘?hào)的調(diào)制信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述自相關(guān)運(yùn)算具體為:把接收到的信號(hào)r(n)同延時(shí)M位的信號(hào)r(n+M)在擴(kuò)頻系數(shù)M區(qū)間進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)第一路信號(hào)所攜帶的信息 EixlJM、由每比特能量所引起的干擾項(xiàng)? =4 、信道噪聲產(chǎn)生的干擾項(xiàng) I = Σ二++T,tlUUnU2,n+M，根據(jù)公式=S1 =b^A+b^ ζ + η計(jì)算第一路相關(guān)器輸出SI，Ε[.]表示求均值，Χ1；η, Χ2；η為第一路、第二路調(diào)制混沛信號(hào)，Ul n, u2，n+M代表第一路、第二路信道噪聲，b1；k為第一路雙極性信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H04L9/00GK104202148SQ201410464588
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】張剛, 王源, 李澤金, 崔妮婷, 張?zhí)祢U, 賀利芳 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)