CN101222326A - 一种基于四项加权分数傅立叶变换的通信保密和解密方法 - Google Patents

Abstract

一种基于四项加权分数傅立叶变换的通信保密和解密方法，本发明涉及通信的保密和解密方法。它打乱原基带信号星座分布，使得非通信目的者难于截获和检测通信信号。在发射机端，数据源经过基带调制后送给加密模块，加密模块在动态加密参数α的控制下对数据进行四项加权分数傅立叶变换，经过数字载波调制后的加密数据再经D/A转换及上变频后送入信道传送；在接收机端，经过下变频和A/D采样后的数据送往解密模块，在解密模块中首先进行数字载波相干解调，接着再经过动态解密参数－α控制的四项加权分数傅立叶变换之后，接收数据得到解密，然后进行基带解调工作。

Description

一种基于四项加权分数傅立叶变换的通信保密和解密方法

技术领域

本发明涉及通信的保密和解密方法，属于通信技术领域。

背景技术

现代通信技术的广泛应用，成了窃密者的理想目标。在通信领域，窃密与反窃密的斗争异常激烈。通信窃密技术在发展，通信保密技术也在发展。造成通信泄密的主要原因是通信保密技术落后。

所谓保密通信，就是为了防止通信技术被窃取，在通信过程中对秘密信息及其传输方式采取隐蔽的手段，从而达到保密的目的。保密技术主要分两个方面，即信道保密技术和信息保密技术。信道保密技术，就是将信息的传输途径隐蔽或保护起来，使外人不能从信道上截获所需要的秘密信息。信息保密技术就是对传输的信息加以变化、伪装和隐藏，这样即使这种信息被截获，也无法得知其真实内容。

典型的保密通信可分为三个环节：一是信源保护，在信息源信息以原始形式裸露着的时候十分脆弱，容易被盗取，对它的保护称为信源保护；二是信息保护，即采取措施将原始信息经过处理并加密，使得它面目全非、不能辨认，处理和加密后的信号即使被非法的接收者收到，但要拿出信息所表示的原始内容是很难的；三是信号保护，即加密后的信息进入传输介质的全过程，对这个环节进行保护就是隐藏信号，使对方难以捕捉到，从而失掉解密的可能性。

分数傅立叶变换是一种将时频域有效整合的新型数学工具，四项加权分数傅立叶变换，又是有别于经典分数傅立叶变换的一种更新的数学变换方法。目前，在国内外有关四项加权分数傅立叶变换的文献中，未见将其应用于通信领域的任何报道。

四项加权分数傅立叶变换的定义为：

F^α[f](t)＝a₀(α)f(t)+a₁(α)F(t)+a₂(α)f(-t)+a₃(α)F(-t)

其中a₀～a₃为由动态加密参数α控制的加权系数，具体表达形式为：

$a_l\left(\mathrm{\α}\right)=\cos \left(\frac{(\mathrm{\α}-l)\mathrm{\π}}{4}\right)\cos \left(\frac{2(\mathrm{\α}-l)\mathrm{\π}}{4}\right)\exp \left(\frac{3(\mathrm{\α}-l)\mathrm{\πi}}{4}\right),$ (l＝0，1，2，3)

动态加密参数α的取值周期为4，这里设定α的取值范围为[0，4]或[-2，2]之间的任何实数，对于取值范围之外的实数，加权系数a_l(l＝0，1，2，3)将随着α呈现周期性变化。当α＝0时四项加权分数傅立叶变换的结果为f(t)，当α＝1时四项加权分数傅立叶变换的结果为F(t)。其中f(t)为被变换的函数，f(-t)为f(t)以原点为中心的反转函数；F(t)为与f(t)成傅立叶变换对的函数，F(-t)为F(t)以原点为中心的反转函数。傅立叶变换采用以下的定义：

$X\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}x\left(t\right)e^{-\mathrm{j\ωt}}\mathrm{dt},$ -∞＜ω＜∞

发明内容

本发明的目的是提供一种基于四项加权分数傅立叶变换的通信保密和解密方法，以打乱原基带信号星座分布，使得非通信目的者难于截获和检测通信信号。本发明的方法通过下述步骤实现：在发射机端，数据源经过基带调制后送给加密模块，加密模块在动态加密参数α的控制下对数据进行四项加权分数傅立叶变换，经过数字载波调制后的加密数据再经D/A转换及上变频后送入信道传送；在接收机端，经过下变频和A/D采样后的数据送往解密模块，在解密模块中首先进行数字载波相干解调，接着再经过动态解密参数-α控制的四项加权分数傅立叶变换之后，接收数据得到解密，然后进行基带解调工作。

本发明的方法，能够在不占用额外频谱资源的条件下对数据信号进行加密；其实现的复杂度与快速傅立叶变换算法相当，占用系统硬件资源较少，易于实现；加密与解密的核心单元相同，都是四项加权分数傅立叶变换模块，故易于双工通信时的复用；可以根据实际情况选择加密参数，实现动态加密，可靠性高、加密效果好，不易被现有的算法检测到正在使用的调制制度，使得非通信目的者难于截获和检测通信信号。

附图说明

图1是基于四项加权分数傅立叶变换的保密通信装置结构示意图，图2是并行处理方式的加密模块结构示意图，图3是串行处理方式的加密模块结构示意图，图4是并行处理方式的解密模块结构示意图，图5是串行处理方式的解密模块结构结构示意图，图6是串行处理方式的反转模块结构示意图，图7是并行处理方式的反转模块结构示意图，图8是加密参数α＝0.7的BPSK信号经解密后解调及未解密直接解调的AWGN信道误码特性比较示意图，图9是加密参数α＝0.7的QPSK信号经解密后解调及未解密直接解调的AWGN信道误码特性比较示意图，图10是加密参数α＝0.7的16QAM信号经解密后解调及未解密直接解调的AWGN信道误码特性比较示意图，图11至图14是BPSK信号加密前后的星座图，其中图11是未经加密的BPSK信号星座图，图12是BPSK信号经过加密参数为0.3的加密后的星座图，图13是BPSK信号经过加密参数为0.8的加密后的星座图，图14是BPSK信号经过加密参数为1.3的加密后的星座图，图15至图18是QPSK信号加密前后的星座图，其中图15是未经加密的QPSK信号星座图，图16是QPSK信号经过加密参数为0.3的加密后的星座图，图17是QPSK信号经过加密参数为0.8的加密后的星座图，图18是QPSK信号经过加密参数为1.3的加密后的星座图，图19至图22是16QAM信号加密前后的星座图，其中图19是未经加密的16QAM信号星座图，图20是16QAM信号经过加密参数为0.3的加密后的星座图，图21是16QAM信号经过加密参数为0.8的加密后的星座图，图22是16QAM信号经过加密参数为1.3的加密后的星座图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式通过下述步骤实现：在发射机端，数据源经过基带调制后送给加密模块，加密模块在动态加密参数α的控制下对数据进行四项加权分数傅立叶变换，经过数字载波调制后的加密数据再经D/A转换及上变频后送入信道传送；在接收机端，经过下变频和A/D采样后的数据送往解密模块，在解密模块中首先进行数字载波相干解调，接着在经过动态解密参数-α控制的四项加权分数傅立叶变换之后，接收数据得到解密，然后进行基带解调工作。

加密的具体步骤为：一、数据源提供的二进制数据经过基带调制后变为复数形式的待加密信号交予加密模块进行加密，其中基带调制方式可以为MPSK、MQAM等数字调制方式。二、加密模块逐帧对数据进行加密，帧长为离散傅立叶变换的长度，通常选取2的整数次幂，使用者可以根据实际情况灵活选择。加密的核心即对数据序列进行加权求和。四个被加权的序列依次为：输入的待加密数据序列、待加密数据序列经过离散傅立叶变换后的序列、待加密数据序列经过反转模块后的序列、待加密数据序列依次经过离散傅立叶变换和反转模块后的序列。使用者动态选择加密参数α，并由系数产生模块产生加权系数a₀、a₁、a₂、a₃对被加权序列进行加权求和。三、对加权后的复数序列进行数字载波调制后输出，即为加密后的信号。

解密的具体步骤为：一、经过A/D采样后的数据首先进行数字载波的相干解调得到同相分量和正交分量，并以同相分量作为实部、正交分量作为虚部对应相加后进行序列的同步处理，同步输出序列即为待解密的信息序列。二、对待解密的复数序列做参数为-α的四项加权分数傅立叶变换，具体过程与加密过程相同。变换后的序列即为解密后的序列，可交由基带解调模块进行下一步的工作。

本实施方式的加密模块和解密模块均可由DSP、FPGA或FPGA+DSP实现。

本实施方式的加密模块和解密模块都可以采用并行或串行的系统结构，其中并行结构更适合于FPGA，串行结构更适合于DSP；若采用FPGA+DSP或其他硬件架构，则可根据实际情况适当调整系统结构。

具体实施方式二：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：加密模块包括串并转换模块1、一号反转模块2、傅立叶变换模块3、系数产生模块4、二号反转模块5、并串转换模块7、求和模块或加法器6和数字载波调制模块8，串并转换模块1接收串行数据流输入，串并转换模块1的输出端分别连接一号反转模块2的输入端、傅立叶变换模块3的输入端和系数产生模块4的一个输入端，一号反转模块2的输出端连接系数产生模块4的另一个输入端，傅立叶变换模块3的输出端连接系数产生模块4的又一个输入端和二号反转模块5的输入端，二号反转模块5的输出端连接系数产生模块4的再一个输入端，加密控制参数α输入到系数产生模块4中以产生加权系数a₀、a₁、a₂、a₃，系数产生模块4的四个输出端分别连接求和模块或加法器6的一个输入端，求和模块或加法器6的输出端连接数字载波调制模块8的输入端，数字载波调制模块8的输出端连接并串转换模块7的输入端，并串转换模块7完成串行数据流输出。本实施方式是保密通信发射机加密模块并行处理方式的结构。

加密模块用来产生基于四项加权的分数傅立叶变换信号，其中傅立叶变换模块3应用离散傅立叶变换的快速算法实现。如图2和图3。其中离散傅立叶变换采用如下定义：

$X\left(k\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kn}}$

解密模块与加密模块相比，用数字载波相干解调模块替换了加密模块当中的数字载波调制模块，并且增加了序列同步模块用以进行信息序列的同步，其余模块均相同。如图4和图5。

一号反转模块2和二号反转模块5用来实现输入序列的时间反转处理。具体过程为：输入序列第一个元素位置不变，其他元素按照由后到前的顺序重新排列后作为输出序列的第二至最后的元素。如图6和图7。

动态加密参数α的选择原则上为任意实数，但由于周期性的存在，α通常选取[0，4]或[-2，2]之间的实数。对于固定的α，理论上只有一个最优的准则可以从加密后的信号恢复出原始信息信号，即对加密后的信号做参数为-α的四项加权分数傅立叶变换。如图8～图10，未经解密的信号无法根据原基带调制方式进行正确解调。若对接收信号做参数为-β的四项加权分数傅立叶变换，则随着β趋近于α，误码率特性也会随之趋近理论最优。由于α选择的灵活性，使得系统用户可以根据实际情况动态选择不同的加密参数对信号进行加密。

输入加密模块的基带数据可以是MPSK或MQAM等数字调制信号。基带调制/解调模块可以和加密/解密模块同时集成在一块DSP或FPGA芯片中实现。

具体实施方式三：下面结合图3具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：加密模块包括串并转换模块1、一号反转模块2、傅立叶变换模块3、系数产生模块4、二号反转模块5、并串转换模块7、求和模块或加法器6和数字载波调制模块8，串行数据流输入到一号反转模块2的输入端、串并转换模块1的输入端和系数产生模块4的一个输入端，串并转换模块1的输出端连接傅立叶变换模块3的输入端，一号反转模块2的输出端连接系数产生模块4的另一个输入端，傅立叶变换模块3的输出端连接并串转换模块7的输入端，并串转换模块7的输出端连接系数产生模块4的又一个输入端和二号反转模块5的输入端，二号反转模块5的输出端连接系数产生模块4的再一个输入端，加密控制参数α输入到系数产生模块4中以产生加权系数a₀、a₁、a₂、a₃，系数产生模块4的四个输出端分别连接求和模块或加法器6的一个输入端，求和模块或加法器6的输出端连接数字载波调制模块8的输入端，数字载波调制模块8的输出端完成串行数据流输出。本实施方式是保密通信发射机加密模块串行处理方式的结构。

具体实施方式四：下面结合图4具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：解密模块包括串并转换模块1、数字载波相干解调模块18、一号反转模块2、傅立叶变换模块3、系数产生模块4、二号反转模块5、并串转换模块7和求和模块或加法器6，串行数据流输入到串并转换模块1的输入端，串并转换模块1的输出端连接数字载波相干解调模块18的输入端，数字载波相干解调模块18的输出端连接傅立叶变换模块3的输入端、一号反转模块2的输入端和系数产生模块4的一个输入端，一号反转模块2的输出端连接系数产生模块4的另一个输入端，傅立叶变换模块3的输出端连接系数产生模块4的又一个输入端和二号反转模块5的输入端，二号反转模块5的输出端连接系数产生模块4的再一个输入端，解密控制参数-α输入到系数产生模块4中以产生加权系数a₀、a₁、a₂、a₃，系数产生模块4的四个输出端分别连接求和模块或加法器6的输入端，求和模块或加法器6的输出端连接并串转换模块7的输入端，并串转换模块7的输出端完成串行数据流输出。本实施方式是保密通信发射机解密模块并行处理方式的结构。

具体实施方式五：下面结合图5具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：解密模块包括串并转换模块1、数字载波相干解调模块18、一号反转模块2、傅立叶变换模块3、系数产生模块4、二号反转模块5、并串转换模块7和求和模块或加法器6，串行数据流输入到数字载波相干解调模块18的输入端，数字载波相干解调模块18的输出端连接序列同步模块19的输入端，序列同步模块19的输出端连接串并转换模块1的输入端、一号反转模块2的输入端和系数产生模块4的一个输入端，一号反转模块2的输出端连接系数产生模块4的另一个输入端，串并转换模块1的输出端连接傅立叶变换模块3的输入端，傅立叶变换模块3的输出端连接并串转换模块7的输入端，并串转换模块7的输出端连接系数产生模块4的又一个输入端和二号反转模块5的输入端，二号反转模块5的输出端连接系数产生模块4的再一个输入端，系数产生模块4的四个输出端分别连接求和模块或加法器6的一个输入端，求和模块或加法器6的输出端完成串行数据流输出。本实施方式是保密通信发射机解密模块串行处理方式的结构。

Claims (6)

1.一种基于四项加权分数傅立叶变换的通信保密和解密方法，其特征在于在发射机端，数据源经过基带调制后送给加密模块，加密模块在动态加密参数α的控制下对数据进行四项加权分数傅立叶变换，经过数字载波调制后的加密数据再经D/A转换及上变频后送入信道传送；在接收机端，经过下变频和A/D采样后的数据送往解密模块，在解密模块中首先进行数字载波相干解调，接着再经过动态解密参数-α控制的四项加权分数傅立叶变换之后，接收数据得到解密，然后进行基带解调工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于四项加权分数傅立叶变换的通信保密和解密方法，其特征在于加密的具体步骤为：一、数据源提供的二进制数据经过基带调制后变为复数形式的待加密信号交予加密模块进行加密；二、加密模块逐帧对数据进行加密，帧长为离散傅立叶变换的长度；加密的核心即对数据序列进行加权求和，四个被加权的序列依次为：输入的待加密数据序列、待加密数据序列经过离散傅立叶变换后的序列、待加密数据序列经过反转模块后的序列、待加密数据序列依次经过离散傅立叶变换和反转模块后的序列；使用者动态选择加密参数α，并由系数产生模块产生加权系数a₀、a₁、a₂、a₃对被加权序列进行加权求和；三、对加权后的复数序列进行数字载波调制后输出，即为加密后的信号；解密的具体步骤为：一、经过A/D采样后的数据首先进行数字载波的相干解调得到同相分量和正交分量，并以同相分量作为实部、正交分量作为虚部对应相加后进行序列的同步处理，同步输出序列即为待解密的信息序列；二、对待解密的复数序列做参数为-α的四项加权分数傅立叶变换，变换后的序列即为解密后的序列。

3.根据权利要求1所述的一种基于四项加权分数傅立叶变换的通信保密和解密方法，其特征在于加密模块包括串并转换模块(1)、一号反转模块(2)、傅立叶变换模块(3)、系数产生模块(4)、二号反转模块(5)、并串转换模块(7)、求和模块或加法器(6)和数字载波调制模块(8)，串并转换模块(1)接收串行数据流输入，串并转换模块(1)的输出端分别连接一号反转模块(2)的输入端、傅立叶变换模块(3)的输入端和系数产生模块(4)的一个输入端，一号反转模块(2)的输出端连接系数产生模块(4)的另一个输入端，傅立叶变换模块(3)的输出端连接系数产生模块(4)的又一个输入端和二号反转模块(5)的输入端，二号反转模块(5)的输出端连接系数产生模块(4)的再一个输入端，加密控制参数α输入到系数产生模块(4)中以产生加权系数a₀、a₁、a₂、a₃，系数产生模块(4)的四个输出端分别连接求和模块或加法器(6)的一个输入端，求和模块或加法器(6)的输出端连接数字载波调制模块(8)的输入端，数字载波调制模块(8)的输出端连接并串转换模块(7)的输入端，并串转换模块(7)完成串行数据流输出。

4.根据权利要求1所述的一种基于四项加权分数傅立叶变换的通信保密和解密方法，其特征在于加密模块包括串并转换模块(1)、一号反转模块(2)、傅立叶变换模块(3)、系数产生模块(4)、二号反转模块(5)、并串转换模块(7)、求和模块或加法器(6)和数字载波调制模块(8)，串行数据流输入到一号反转模块(2)的输入端、串并转换模块(1)的输入端和系数产生模块(4)的一个输入端，串并转换模块(1)的输出端连接傅立叶变换模块(3)的输入端，一号反转模块(2)的输出端连接系数产生模块(4)的另一个输入端，傅立叶变换模块(3)的输出端连接并串转换模块(7)的输入端，并串转换模块(7)的输出端连接系数产生模块(4)的又一个输入端和二号反转模块(5)的输入端，二号反转模块(5)的输出端连接系数产生模块(4)的再一个输入端，加密控制参数α输入到系数产生模块(4)中以产生加权系数a₀、a₁、a₂、a₃，系数产生模块(4)的四个输出端分别连接求和模块或加法器(6)的一个输入端，求和模块或加法器(6)的输出端连接数字载波调制模块(8)的输入端，数字载波调制模块(8)的输出端完成串行数据流输出。

5.根据权利要求1所述的一种基于四项加权分数傅立叶变换的通信保密和解密方法，其特征在于解密模块包括串并转换模块(1)、数字载波相干解调模块(18)、一号反转模块(2)、傅立叶变换模块(3)、系数产生模块(4)、二号反转模块(5)、并串转换模块(7)和求和模块或加法器(6)，串行数据流输入到串并转换模块(1)的输入端，串并转换模块(1)的输出端连接数字载波相干解调模块(18)的输入端，数字载波相干解调模块(18)的输出端连接傅立叶变换模块(3)的输入端、一号反转模块(2)的输入端和系数产生模块(4)的一个输入端，一号反转模块(2)的输出端连接系数产生模块(4)的另一个输入端，傅立叶变换模块(3)的输出端连接系数产生模块(4)的又一个输入端和二号反转模块(5)的输入端，二号反转模块(5)的输出端连接系数产生模块(4)的再一个输入端，解密控制参数-α输入到系数产生模块(4)中以产生加权系数a₀、a₁、a₂、a₃，系数产生模块(4)的四个输出端分别连接求和模块或加法器(6)的输入端，求和模块或加法器(6)的输出端连接并串转换模块(7)的输入端，并串转换模块(7)的输出端完成串行数据流输出。

6.根据权利要求1所述的一种基于四项加权分数傅立叶变换的通信保密和解密方法，其特征在于解密模块包括串并转换模块(1)、数字载波相干解调模块(18)、一号反转模块(2)、傅立叶变换模块(3)、系数产生模块(4)、二号反转模块(5)、并串转换模块(7)和求和模块或加法器(6)，串行数据流输入到数字载波相干解调模块(18)的输入端，数字载波相干解调模块(18)的输出端连接序列同步模块(19)的输入端，序列同步模块(19)的输出端连接串并转换模块(1)的输入端、一号反转模块(2)的输入端和系数产生模块(4)的一个输入端，一号反转模块(2)的输出端连接系数产生模块(4)的另一个输入端，串并转换模块(1)的输出端连接傅立叶变换模块(3)的输入端，傅立叶变换模块(3)的输出端连接并串转换模块(7)的输入端，并串转换模块(7)的输出端连接系数产生模块(4)的又一个输入端和二号反转模块(5)的输入端，二号反转模块(5)的输出端连接系数产生模块(4)的再一个输入端，系数产生模块(4)的四个输出端分别连接求和模块或加法器(6)的一个输入端，求和模块或加法器(6)的输出端完成串行数据流输出。

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