一種基于fm-dcsk保密通信方法
【專利摘要】本發(fā)明請求保護一種基于改進型DCSK的新型FM-DCSK保密通信系統(tǒng)，屬于信號傳輸【技術領域】。針對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在另一路傳輸，同時針對“混沌”擴頻后引起的信息比特能量變化而導致的估計干擾的問題，通過FM調制模塊加以解決，使混沌信號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域內將具有廣泛的應用前景。
【專利說明】—種基于FM-DCSK保密通信方法

【技術領域】
[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】
[0002]混沌信號作為一種非線性信號，其具有的對系統(tǒng)初值敏感性會導致信號不可預見性，同時具有的內在隨機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)當中。迄今已經提出和發(fā)展的同步混沌通信主要分為:混沌掩蓋、混沌參數(shù)調制、混沌鍵控和混沌擴頻
[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?；煦缪谏w是較早提出的一種混沌保密通信方式，它是利用非線性動力學預測技術將掩蓋在混沌信號下的傳輸信號提取出來，它的實現(xiàn)依賴于系統(tǒng)的同步實現(xiàn)程度，因此還不能提供高質量的通信服務，只適用于慢變信號，對快變信號和時變信號還不能很好的處理?；煦鐓?shù)調制是將發(fā)送的信息隱藏在系統(tǒng)參數(shù)內，這種方案關鍵在于混沌系統(tǒng)參數(shù)的恢復程度，系統(tǒng)參數(shù)的解調對外界的干擾比較敏感，從而降低了通信效率。混沌擴頻通信就是用混沌序列替代傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的偽隨機序列，從而適應人們對未來通信的更高要求。由于混沌信號本身的一些特點，因此混沌擴頻序列隨機性能好，保密性能高，具有良好的相關特性，可用數(shù)目多。混沌擴頻通信的關鍵在于混沌擴頻序列的選擇，對混沌序列的研究也是目前對混沌通信研究的一個重要的方面。混沌鍵控是在發(fā)送端有多個混沌系統(tǒng)，根據(jù)要傳送的碼值，選擇不同的混沌系統(tǒng)。這樣發(fā)送信號由一段段代表不同混沌吸引子的混沌信號組成，發(fā)送端的各個混沌系統(tǒng)在接收端有對應的同步系統(tǒng)。將接收的信號驅動各個同步系統(tǒng)，根據(jù)一個碼元周期內各個同步系統(tǒng)達到同步的情況來判斷這個周期內所傳送的碼值。在混沌數(shù)字通信體制中，混沌鍵控有很強的抗干擾能力，并能有效的抑制多徑干擾對系統(tǒng)的影響，它在通信方案中占有重要的地位，廣大學者認為其具有較好的發(fā)展前景與應用價值。
[0004]混沌鍵控調制技術具有較強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，基于這個技術衍生出了混沌移位鍵控(CSK)、混沌開關鍵控(C00K)、差分混沌鍵控(DCSK)、調頻差分混沌鍵控(FM-DCSK)等等。其中CSK和COOK技術使系統(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)會有較高的誤碼率導致系統(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，同時在接收端不需要同步，結構簡單。DCSK系統(tǒng)解決了 CSK系統(tǒng)判決門限嚴重依賴Eb/NQ (信號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制技術簡化了系統(tǒng)結構，是目前研究最多的一種混沌鍵控調制，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。針對這些問題提出一種改進型DCSK系統(tǒng)，把傳統(tǒng)DCSK系統(tǒng)在一條信道傳輸信號的方案改進為在兩條信道傳輸，并且把調制信息交叉到對方信道上傳輸，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，都由兩段混沌信號組成，第一段為“參考信號”，第二段攜帶有用信息，當傳輸信息為“I”時發(fā)送兩段一樣的同相信號，而傳輸信息為“O”時發(fā)送端兩段信號反相，即參考信號之后是一段與之反相的信號，兩段信號連續(xù)的發(fā)送出去。在接收端接收了信息信號和參考信號后，送入相關接收機，計算這兩段信號的相關特性，根據(jù)相關特性的正負進行信息恢復，相關特性大于零，則信息信號為“ I ”，相關特性小于零則信息信號為“O”。DCSK的輸出信號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技術，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。但由此可看到缺點比較明顯，只使用一個信道導致信息傳輸效率低下。信號被截獲后通過觀察傳輸信號的頻譜，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。同時經過混沌系統(tǒng)調制后的信號的比特能量不恒定會引起估計干擾ζ，這會造成系統(tǒng)誤碼率的提高。DCSK系統(tǒng)的調制解調原理圖如圖1、2所示。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術在混沌鍵控通信上的缺點，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的方案改進為在兩條信道傳輸，并且把調制信息交叉到對方信道上傳輸，這樣可以改善DCSK系統(tǒng)的保密性能和傳輸率。
[0008]經過混沌系統(tǒng)調制后的信號的比特能量不恒定會引起估計干擾ζ，這會造成系統(tǒng)誤碼率的提高。為了解決這一問題，本發(fā)明加入FM調制器到經過改進后的DCSK系統(tǒng)的發(fā)送端，這樣使混沌信號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)明解決上述技術問題的方案是，針對DCSK保密性不強以及信道利用率低，誤碼率較高等問題，提出了一種結合頻率調制FM和雙信道傳輸?shù)男碌念l率調制-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)產生不同混沌信號，兩路混沌信號經過FM調制，獲得兩路不同調制混沌信號Xl，n、x2,? ;步驟2:兩路已調制信號經過串并轉換后，分別與兩路經過M延遲后的混沌信號相乘得第一路信號、第二路信號，兩路信號分別在兩條信道中傳輸，使得各自的參考信號和調制信號分離處于兩個不同信道中傳輸；步驟3:接收端收到信號后，取信號的前M位作為接收信號的前部，后M位作為接收信號的后部，并交換信道；步驟4:在接收端重新調整順序后，兩路信號分別進行自相關運算，并由相關器輸出；步驟5:相關器輸出經再解碼運算后，把兩個信道中的信號由并行傳輸轉換為串行傳輸。兩條信道中的其中一條信道前半個周期信道傳輸?shù)氖堑谝宦沸盘柕膮⒖夹盘?，后半個周期信道傳輸?shù)氖堑诙沸盘柕恼{制信號，另一條信道前半個周期信道傳輸?shù)氖堑诙沸盘柕膮⒖夹盘?，后半個周期信道傳輸?shù)氖堑谝宦沸盘柕恼{制信號。所述自相關運算具體為:把接收到的信號r(n)同延時M位的信號r(n+M)在擴頻系數(shù)M區(qū)間進行相關運算。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C = ΣΖιΧ1 — Αι、信道噪聲產生的干擾項/7 = Xf=1 xuu2^n+M +\iY^i=lxu+MuXn + Yj^lUlnU2n+M，根據(jù)公式:S =bi’A+bu ζ + n計算一路相關器輸出S10
[0011]本發(fā)明加入FM調制器到改進型DCSK系統(tǒng)的發(fā)送端，使混沌信號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，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)的調制原理圖；
[0013]圖2 DCSK系統(tǒng)的解調原理圖；
[0014]圖3本發(fā)明調制原理圖；
[0015]圖4本發(fā)明解調原理圖；
[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。

【具體實施方式】
[0020]現(xiàn)結合附圖及【具體實施方式】對實現(xiàn)本發(fā)明提出的保密通信技術方案進行具體描述如下:
[0021 ] DCSK是目前研究最多的混沌鍵控保密通信系統(tǒng)，系統(tǒng)結構簡單，誤碼率較低，抗干擾能力較強，但在實際應用中存在一個問題:在一個碼元周期中，發(fā)送端發(fā)送的參考信號和信息信號相同或相反，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，且一個周期內只能傳輸Ibit的信息導致信道利用率和傳輸速度較低。針對DCSK的保密性問題，經過改進，首先經過FM調制，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，同時也解決信道利用率低的問題，而且提高了誤碼率。
[0022]結合實例，本發(fā)明實現(xiàn)新型FM-DCSK保密通信系統(tǒng)包括:
[0023]混沌理論開始應用到保密通信中，其中用得最多的是利用Logistic系統(tǒng)(混沌系統(tǒng))產生偽隨機數(shù)序列，其理論依據(jù)是混沌動力系統(tǒng)對于初值和參數(shù)的敏感性.。然而，Logistic系統(tǒng)僅當初值和參數(shù)取某些特定范圍內的值時才是混沌的，并非對任意的初值和參數(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)下所產生的偽隨機序列的隨機性也有很大差別。本發(fā)明考慮具有以下形式的Logistic系統(tǒng)表達式為:
[0024]χη+ι 二/(? = 1-/“(I)
[0025]采用不同的Logistic映射調節(jié)參數(shù)值,產生的混沛信號不同。
[0026]輸入信號被調制，調制系統(tǒng)的特性就被輸入信號所更改。例如當輸入信號由余弦波變成矩形波時，系統(tǒng)就不是一個混沌系統(tǒng)了。因此，為了保密的目的，就要保持調制后的信號的混沌特性。在此本系統(tǒng)可采用兩個不同的系數(shù)產生兩個不同的混沌信號。
[0027]傳統(tǒng)DCSK傳輸方案中，參考信號和調制信號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。本發(fā)明再引入一條信道和兩個信號源，且信號源經過FM調制。
[0028]圖3為本發(fā)明調制原理圖。從附圖3發(fā)送端可以看出，信息首先經過串并轉換變成兩路雙極性信號bu和b2，k，然后分別與兩路經過M延遲后兩個不同的混沌信號和進行相乘得信號和b2,kx2,n_M，分別放到兩條信道中進行傳輸，使得各自的參考信號和調制信號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,兩個不同初值的Logistic混沛映射系統(tǒng)產生兩個不同的混沌信號。兩個不同的混沌信號各自經過FM調制后獲得調節(jié)參數(shù)不同的混沌信號Xl，n、X2，n，第一路、第二路調制混沌信號Xl，n、X2，n經過M(擴頻系數(shù))時間延遲后獲得第一路、第二路延遲混沌信號Xl，n_M和x2，n_M ;發(fā)送端發(fā)送的信息m(i)串并轉換成兩個雙極性信號bu和b2，k,兩路混沛信號X^m和x2，n-M分別與第一、第二雙極性信號bu和b2，k相乘得信號buXujP b2，kx2，n_M，信號buXujP b2，kx2，n_M分別發(fā)送到兩信道中進行傳輸，輸出信號設為Sl，n和s2’n0每個信道前半個周期傳輸參考信號，后半個周期傳輸另一路的調制信號。在接收端信號重新恢復為發(fā)送端被擾亂的信息順序。
[0030]從附圖3發(fā)送端可以看出，信息首先經過串并轉換變成兩路雙極性信號，兩路雙極性信號分別與兩路經過M延遲后經過FM調制后的混沌信號進行相乘得信號bu Xl，n_M和b2,k x2，n_M，兩路輸出信號Sl，n和82，?分別放到兩條信道中進行傳輸，使得各自的參考信號和調制信號分離處于不同信道中傳輸。由于混沌信號特殊的正交性，兩條發(fā)送信道中的信號是正交的。在一個碼元周期T(其中T = M)中解調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，頻譜得到極大擴展，且保密性大大加強。即使監(jiān)聽者截獲到信號序列，也無法將其破譯，這樣，就能夠實現(xiàn)完全的保密通信。
[0031]兩條信道輸出的信號，分別如式(2) (3):

【權利要求】
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)產生不同混沌信號，不同混沌信號經過FM調制，獲得第一路、第二路調制混沌信號Xl，n、x2,? ;步驟2:兩路調制混沌信號經過串并轉換后，分別與兩路經過M延遲后的混沌信號相乘得第一路信號、第二路信號，兩路信號分別在兩條信道中傳輸，使得各自的參考信號和調制信號分離處于兩個不同信道中傳輸；步驟3:接收端收到信號后，取信號的前M位作為接收信號的前部，信號的后M位作為接收信號的后部，并交換信道；步驟4:在接收端重新調整順序后，兩路信號分別進行自相關運算，得到相關器輸出；步驟5:相關器輸出再解碼運算后，把兩個信道中的信號由并行傳輸轉換為串行傳輸，其中，M為擴頻系數(shù)。
2.根據(jù)權利要求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周期信道傳輸?shù)氖堑谝宦沸盘柕膮⒖夹盘?，后半個周期信道傳輸?shù)氖堑诙沸盘柕恼{制信號，另一條信道前半個周期信道傳輸?shù)氖堑诙沸盘柕膮⒖夹盘枺蟀雮€周期信道傳輸?shù)氖堑谝宦沸盘柕恼{制信號。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述自相關運算具體為:把接收到的信號r(n)同延時M位的信號r(n+M)在擴頻系數(shù)M區(qū)間進行相關運算。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)第一路信號所攜帶的信息 EixlJM、由每比特能量所引起的干擾項? =4 、信道噪聲產生的干擾項 I = Σ二++T,tlUUnU2,n+M，根據(jù)公式=S1 =b^A+b^ ζ + η計算第一路相關器輸出SI，Ε[.]表示求均值，Χ1；η, Χ2；η為第一路、第二路調制混沛信號，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。
【文檔編號】H04L9/00GK104202148SQ201410464588
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權日: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 申請人:重慶郵電大學