CN101917243B - 噪声超宽带数字保密通信系统 - Google Patents

Abstract

噪声超宽带数字保密通信系统，它包括噪声超宽带保密通信的发送端方法和噪声超宽带保密通信的接收端方法：(1)噪声超宽带保密通信的发送端方法包括：A.将高斯白噪声信号作为载波信号，对高斯白噪声信号进行延迟后再和待发送的数据进行调制，并将数据调制后的信号和所述的高斯白噪声信号本身作为发送端的预发送信号；B.对所述的预发送信号进行码分多址调制，在调制过程中采用伪随机PN码信号，最终得到发送端的发送信号；(2)噪声超宽带保密通信的接收端方法包括：S1.接收端采用伪随机PN码信号对收到的接收信号进行解调，并对解调后的信号再进行差分相干解调；S2.对差分相干解调之后的信号进行判决，最终解调得到待发送的数据。

Description

噪声超宽带数字保密通信系统

技术领域

本发明属于通信领域，具体地说是涉及一种噪声超宽带数字保密通信系统。

背景技术

Transmitted-reference ultra-wideband(TR-UWB)系统是当前超宽带通信研究的热点。该方式的超宽带系统利用纳秒级的窄脉冲进行通信，前半比特发送参考信号，后半比特发送经数据调制的信号。系统具有结构简单，不需信道估计，抗多径性强等优点。IEEE 802.15.4a工作组提出了混沌解决方案的低速超宽带系统，其中差分混沌键控(DCSK)方式是TR-UWB的一种特殊形式。该方式采用超宽带混沌信号作为载波，相比窄脉冲的TR-UWB系统，它具有低截获率和保密性较强的特点。

但是上述TR-UWB系统存在一些缺点：

1)由于需要传送参考信号，传输效率只有一般通信方式的一半。

2)TR-UWB通信方式占据的频段范围广阔，需要和现有绝大多数通信系统实现共存。但其所使用的窄脉冲或宽带混沌信号的频谱都极不平坦，对其它通信系统干扰较大。

3)无论窄脉冲或是DCSK方式，TR-UWB系统最终在信道中传送的参考信号和数据信号波形不是相同就是相反，系统的保密性变差。

4)对于DCSK方式的TR-UWB系统，发送端采用键控的方法使数据信号与参考信号相分离，因而无法连续工作。

噪声信号由于其频谱宽阔，用于通信具有高速率、高保密性和低截获率等优点，是解决通信速率、安全和干扰问题的理想信号。噪声技术越来越广泛地应用于通信中，特别是在信息对抗领域和保密通信领域，利用宽带噪声信号时域波形的随机性可以进行安全可靠的通信，同时干扰敌方的通信系统。

美国专利4179658提出了一个利用噪声进行保密通信的模拟通信系统，可以提高通信的保密性。然而系统有以下不足(1)要根据不同信号源的形式，例如频率、带宽等参量调整方案中的振荡器、高斯噪声产生器等器件的频率等参数，而且不易于实现不同信源的融合，例如语音、图像、文字等信号的综合处理与传输；(2)系统发射机和接收机结构中使用了多个振荡器和调制器，而且参数彼此间需保持一定的数量关系。实际系统参数总会存在误差，直接导致系统性能恶化。(3)分析系统中信源、FM调制器、各振荡器以及高斯噪声产生器之间的频率制约关系可知，所用扩频的高斯噪声的带宽应在几兆赫兹为宜。由于采用的噪信号带宽较窄，系统的保密性和抗截获性不够高。(4)由于采用了模拟通信方式，系统发送的模拟信号形式不易于实现信源编码进行数据压缩，不易于实现信道编码进行可靠通信；(5)不易于实现多址通信。

发明内容

本发明的目的是一种安全可靠、易于加密处理、且可将不同信源信号综合处理传输的噪声超宽带数字保密通信系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明包括噪声超宽带保密通信的发送端方法和噪声超宽带保密通信的接收端方法：

(1)噪声超宽带保密通信的发送端方法包括以下步骤：

A、将高斯白噪声信号作为载波信号，对高斯白噪声信号进行延迟后再和待发送的数据进行调制，并将数据调制后的信号和所述的高斯白噪声信号本身作为发送端的预发送信号；

B、对所述的预发送信号进行码分多址调制，在调制过程中采用伪随机PN码信号，最终得到发送端的发送信号；

(2)噪声超宽带保密通信的接收端方法包括以下步骤：

S1、接收端采用伪随机PN码信号对收到的接收信号进行解调，并对解调后的信号再进行差分相干解调；

S2、对差分相干解调之后的信号进行判决，最终解调得到待发送的数据。

在噪声超宽带保密通信的发送端方法的步骤A中，将数据调制后的信号和所述的高斯白噪声信号本身进行求和，得到发送端的预发送信号。

在发送端采用SUINGSU4300噪声信号发生器。

在噪声超宽带保密通信的接收端方法的步骤S1中，接收端首先对收到的接收信号进行滤波处理，然后再采用伪随机PN码信号对收到的接收信号进行解调。

采用上述技术方案的本发明，提出了一种利用高斯白噪声作为载波的超宽带数字保密通信系统可以解决上述现有TR-UWB方式和美国专利4179658模拟通信体制存在的缺陷，主要优点有：

1)噪声超宽带系统发送的信号既包含参考噪声信号也包含经过数据调制后噪声信号，当前比特的参考噪声信号包含在前一比特的数据调制的信号中，无需专门的时间传送参考信号，传送效率比TR-UWB方式高。

2)由于噪声具有平坦宽阔的频谱，所以对其它通信系统干扰少，有利于和其它通信系统实现共存。

3)该系统不像TR-UWB方式每比特信号中前半比特信号和后半比特信号要么相同，要么相反，而是具有随机的波形，所以具有更高的抗截获性和保密性。

4)对比DCSK方式的TR-UWB系统，该噪声超宽带系统信号采用求和的形式，发送端避免键控可以连续工作。

5)随着数字技术的发展，数字电路的处理速度不断提高，信号处理的频率、带宽不断提高，和美国专利4179658相比，本发明采用了数字通信方式，(1)发送数据可以是不同信源信号的融合；(2)结构更加简单，可以减少系统误差。(3)采用的高斯噪声的带宽可达数百兆赫兹，大大提高了系统的保密性和抗截获性。(4)发送数据可以直接添加信源编码和信道编码模块，增加系统的效率和可靠性；(5)系统可以利用CDMA方式实现多址通信，与此同时进一步提高系统的保密性。

附图说明

图1为本发明中发射机的原理图；

图2为本发明中接收机的原理图；

图3为本发明和DCSK方式TR-UWB系统采用差分解调的误码率对比图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明包括噪声超宽带保密通信的发送端方法和噪声超宽带保密通信的接收端方法：

(1)噪声超宽带保密通信的发送端方法包括以下步骤：

A、将高斯白噪声信号作为载波信号，对高斯白噪声信号进行延迟τ后再和待发送的数据b_j进行调制，并将数据调制后的信号和所述的高斯白噪声信号本身作为发送端的预发送信号s(t)。在本实施例中，将数据调制后的信号和高斯白噪声信号本身进行求和，得到发送端的预发送信号。需要说明的是，在发送端采用国产的SUINGSU4300噪声信号发生器，其产生的噪声带宽可达数百兆赫兹。

具体地说，噪声超宽带保密通信系统的发射机原理图如图1所示，码元周期是T，预发送信号s(t)是两路信号的和信号：一路是高斯白噪声信号本身，另一路是高斯白噪声信号本身自身延迟时间τ，并经过数据调制后的信号。τ对于确定的发射机来说是固定不变的，但对于不同的系统或用户来说是可变的。正因为如此τ的可变性增加了系统的保密性，非授权用户不知道τ的信息时无法实现解调。系统采用码分多址的多用户通信方式，所以最后发送端发送的信号是预发送信号s(t)和p(t)的乘积，其中p(t)是该用户的伪随机PN码信号，每个不同的用户分配不同的伪随机PN码。作用有两个：一个是根据PN码的低互相关性进行多址通信；另外PN码本身也加强了系统的保密性，非授权用户不知道PN码的信息时无法实现解调。

B、对所述的预发送信号进行码分多址调制，在调制过程中采用伪随机PN码信号，最终得到发送端的发送信号。

(2)噪声超宽带保密通信的接收端方法包括以下步骤：

S1、接收端采用伪随机PN码信号对收到的接收信号进行解调，即接收端首先乘以各自用户的伪随机PN码，然后对解调后的信号再进行差分相干解调。为更好地实施本发明，接收端首先对收到的接收信号进行滤波处理，然后再采用伪随机PN码信号对收到的接收信号进行解调。

S2、对差分相干解调之后的信号进行判决，最终解调得到待发送的数据。

本发明系统采用等效低通离散时间模型来分析，假设系统的带宽为2B，则等效低通系统带宽为B，根据抽样定理，抽样频率至少为等效低通带宽的两倍，取

比特周期为T，定义为扩频因子。

设高斯白噪声超宽带系统的第j比特发送信号为

s(k)＝x(k)+b_j-1x(k-M)    jL≤k＜jL+L-1    (1)

式(1)中x(k)是噪声信号，b_j∈(-1，1)为待发送的数据，j∈(-∞，+∞)。M是离散域分析时参考噪声的延迟，

最终发送信号s₀(k)＝s(k)p(k)，p(k)∈(-1，1)，是该用户的伪随机PN码。

设信道是加性高斯白噪声信道，信道中加性白噪声方差为

经过信道，接收信号通过带通滤波器的接收信号为r₀(k)，带通滤波器的目的是滤除系统通带以外的噪声，则

r₀(k)＝s₀(k)+n₀(k)

令r(k)＝r₀(k)p(k)＝s(k)p²(k)+n₀(k)p(k)＝s(k)+n₀(k)p(k)

且n(k)＝n₀(k)p(k)

则r(k)＝s(k)+n(k)    (2)

第j个码元的判决量为

$Y_j=\underset{k=(j+1)L}{\overset{(j+2)L-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(k\right)r(k-M)$

$=\underset{k=(j+1)L}{\overset{(j+2)L-1}{\mathrm{\Σ}}}(x\left(k\right)+b_{j}x(k-M)+n\left(k\right))(x(k-M)+b_{j-1}x(k-2M)+n(k-M))$

$=\underset{k=(j+1)L}{\overset{(j+2)L-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_j{x}^2(k-M)+\underset{k=(j+1)L}{\overset{(j+2)L-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k\right)x(k-M)+\underset{k=(j+1)L}{\overset{(j+2)L-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{j-1}x\left(k\right)x(k-2M)$

$+\underset{k=(j+1)L}{\overset{(j+2)L-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{j-1}{b}_{j}x(k-M)x(k-2M)+\underset{k=(j+1)L}{\overset{(j+2)L-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k\right)n(k-M)+\underset{k=(j+1)L}{\overset{(j+2)L-1}{\mathrm{\Σ}}}x(k-M)n\left(k\right)$

$+\underset{k=(j+1)L}{\overset{(j+2)L-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{j-1}x(k-2M)n\left(k\right)+\underset{k=(j+1)L}{\overset{(j+2)L-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{j}x(k-M)n(k-M)+\underset{k=(j+1)L}{\overset{(j+2)L-1}{\mathrm{\Σ}}}n\left(k\right)n(k-M)$

$=Z_1+Z_2+Z_3+Z_4+Z_5+Z_6+Z_7+Z_8+Z_9---\left(3\right)$

式(3)中的Z₁是有用的噪声信号项，Z₂、Z₃和Z₄是发送的相邻比特噪声信号间的互干扰项，Z₅、Z₆、Z₇和Z₈是发送的噪声信号和信道噪声间的互干扰项，Z₉是信道噪声的互干扰项。则此时系统误码率为

$p_e=\frac{1}{2}\mathrm{prob}(Y_j\≤0|b_j=+1)+\frac{1}{2}\mathrm{prob}(Y_j\≥0|b_j=-1)$

$=\mathrm{prob}(Y_j\≤0|b_j=+1)=\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\mathrm{erf}\left(\frac{E\[Y_j|b_j=+1\]}{\sqrt{2D\[Y_j|b_j=+1\]}}\right)---\left(4\right)$

根据高斯白噪声的特性可知

E[b_j]＝E[x(k)]＝E[n(k)]＝0，D[b_j]＝1， $D\left[n\left(k\right)\right]=\frac{N_o}{2},$

E[x(k-iM)x(k-jM)]＝E[x(k-iM)]E[x(k-jM)]＝0，i≠j  ，E[x(k)n(k)]＝E[x(k)]E[n(k)]＝0。对式(3)中的9项简单计算可得

E[Y_j|b_j＝+1]＝L·D[x(k)]                               (5)

D[Z₁|b_j＝+1]＝0                                        (6)

D[Z₂|b_j＝+1]＝D[Z₃|b_j＝+1]＝D[Z₄|b_j＝+1]＝L·D²[x(k)]  (7)

$D\[Z_5|b_j=+1\]=D\[Z_6|b_j=+1\]=D\[Z_7|b_j=+1\]=D\[Z_8|b_j=+1\]=L\·D\[x\left(k\right)\]\·\frac{N_o}{2}$ (8)

$D\[Z_9|b_j=+1\]=L\frac{N_o^2}{4}---\left(9\right)$

根据E_b＝L·D[x(k)]，E_b是每比特信号的能量。将式(5)至式(9)代入式(4)误码率为

$p_e=\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\mathrm{erf}\sqrt{\frac{{\left(\frac{E_b}{N_o}\right)}^2}{\frac{6}{L}{\left(\frac{E_b}{N_o}\right)}^2+4\frac{E_b}{N_o}+\frac{L}{2}}}---\left(10\right)$

对式(10)进行仿真，取L＝256，使用差分解调，得高斯白噪声超宽带系统和DCSK方式TR-UWB超宽带系统误码率随信噪比变化的两条曲线如图3所示。可以看出本发明的噪声超宽带系统的误码率要明显低于DCSK方式TR-UWB超宽带系统。

Claims (4)

1.一种噪声超宽带数字保密通信方法，其特征在于，它包括噪声超宽带保密通信的发送端方法和噪声超宽带保密通信的接收端方法：

(1)噪声超宽带保密通信的发送端方法包括以下步骤：

A、将高斯白噪声信号作为载波信号，对高斯白噪声信号进行延迟后再和待发送的数据进行调制，并将数据调制后的信号和所述的高斯白噪声信号本身作为发送端的预发送信号；

B、对所述的预发送信号进行码分多址调制，在调制过程中采用伪随机PN码信号，最终得到发送端的发送信号；

(2)噪声超宽带保密通信的接收端方法包括以下步骤：

S1、接收端采用伪随机PN码信号对收到的接收信号进行解调，并对解调后的信号再进行差分相干解调；

S2、对差分相干解调之后的信号进行判决，最终解调得到待发送的数据。

2.根据权利要求1所述的噪声超宽带数字保密通信方法，其特征在于：在噪声超宽带保密通信的发送端方法的步骤A中，将数据调制后的信号和所述的高斯白噪声信号本身进行求和，得到发送端的预发送信号。

3.根据权利要求1所述的噪声超宽带数字保密通信方法，其特征在于：在发送端采用SUINGSU4300噪声信号发生器。

4.根据权利要求1～3任一所述的噪声超宽带数字保密通信方法，其特征在于：在噪声超宽带保密通信的接收端方法的步骤S1中，接收端首先对收到的接收信号进行滤波处理，然后再采用伪随机PN码信号对收到的接收信号进行解调。

Images