CN102932306A - 一种提高tdcs信号隐蔽性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种提高TDCS信号隐蔽性能的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、获得隐蔽信号发送端和接收端的基函数频谱向量；步骤2、将基函数频谱向量B均等分为U组；步骤3、降低峰均功率比的迭代计算；步骤4、隐蔽信息的发送与接收。本发明降低了TDCS基函数峰均功率比，提高了收发两端基函数一致条件下通信的有效性与隐蔽性。

Description

一种提高TDCS信号隐蔽性能的方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种提高TDCS信号隐蔽性能的方法。 

背景技术

变换域通信系统（Transform Domain Communication System，TDCS）是指在给定频谱范围内捕获可用频谱，并根据未使用频谱分布情况，实时地改变发射信号频谱，以此避免造成与其他用户之间的相互干扰，从而可以实现动态的频谱接入。因此，TDCS被认为是一项有望成为实现认知无线电（Cognitive Radio，CR）的候选技术。 

TDCS是以基函数为基本单位进行信号的发送与接收，其基函数频域形式由一组幅度谱向量与等长度的复随机相位向量做数量积而得到，幅度谱向量由0、1组成并分别代表频谱的占用与空闲，复随机向量由伪随机相位发生器产生。频域基函数经过傅立叶反变换之后生成时域基函数，即基本调制波形（Fundamental Modulation Waveform，FMW）。根据中心极限定理，该基函数时域抽样满足复高斯分布。因此，基函数时域波形具有类噪声效果，从而具有较好的低截获（Low Probability of Intercept,LPI）特性。 

将TDCS的抗干扰能力和低截获特性结合起来可应用于军用隐蔽通信。隐蔽通信是指，通过应用TDCS将信号重叠地隐藏在己方甚至它方的通信链路上，从而借用已有的通信链路进行通信。当TDCS信号功率足够低时将不 对原有业务造成干扰，甚至不引起原业务系统的注意，并且由于TDCS具有良好的抗干扰能力，在低信号功率条件下还能满足一定的通信能力，因此将TDCS应用于隐蔽通信是可行的。由于TDCS的基函数是由具有周围电磁频谱信息的多个子载波叠加组成，并且这些子载波并不单独传输信号，而是以基函数形式传递同一个信息数据。但是TDCS在具有良好的环境适应能力，比一般多载波宽带系统的抗干扰能力更强的同时还带来峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）较高的问题。由于峰均功率比过高，在特定时刻TDCS隐蔽信号幅值将超过背景信号，这就丧失了信号的隐蔽效果，极易造成信息泄露。因此，可以通过降低TDCS信号峰均功率比以提高TDCS信号的隐蔽性能。 

针对降低信号的峰均功率比问题，在OFDM系统中已有广泛而深入的研究，在TDCS系统中也已经有了一些初步的研究结果。美国空军技术学院Richard K.Martin教授在研究已有文献的基础上结合OFDM的限幅法提出了基于APOCS的峰均比降低方法（内容详见，Richard K.Martin,Marshall Haker,“Reduction of Peak-to-Average Power Ratio in Transform Domain Communication Systems”,IEEE Transactions on Wireless Communications,Vol.8,NO.9,September 2009）。 

发明内容

本发明的目的是提供一种提高TDCS信号隐蔽性能的方法，降低了TDCS基函数峰均功率比，提高了收发两端基函数一致条件下通信的有效性与隐蔽性。 

本发明所采用的技术方案是，一种提高TDCS信号隐蔽性能的方法，具体按照以下步骤实施： 

步骤1、获得隐蔽信号发送端和接收端的基函数频谱向量： 

隐蔽信号发送端和隐蔽信号接收端通过频谱估计获取基函数幅度谱向量A，基函数幅度谱向量A均匀分布随机生成相位 

得到复随机相位序列向量P，将基函数幅度谱向量A与复随机相位序列向量P做数量积，得到基函数频谱向量B； 

步骤2、将基函数频谱向量B均等分为U组： 

将步骤1中得到的基函数频谱向量B均等分成U组互不重叠的子向量，即得到 $B=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{B}_u;$

步骤3、降低峰均功率比的迭代计算： 

1）经步骤2将基函数频谱向量B均等分为U组后，令各组调整相位θ_u取0，即得到相位调整因子为： 

其中u＝1,2，...,U； 

2）利用1）得到的每组相位调整因子{C_u＝1或-1,(u＝1,2,...,U)}分别对步骤1中隐蔽信号发送端和隐蔽信号接收端获取的每组基函数频谱向量B相位进行调整，即得到TDCS时域基函数 

根据IDFT的线性性质即得到 $B^{\′}=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{C}_u\·\mathrm{IDFT}\left\{B_u\right\};$

3）根据PAPR₀＝max(|B'|²)/E|B'|²计算出TDCS的峰均功率比P4PR₀，令u＝1； 

4）令θ_u＝π，即得到相位调整因子C_u＝-1，更新TDCS时域基函数B'的值，将更新的后B'代入PAPR＝max(|B′|)/E|B′|²计算得到PAPR，其中E为求数学期望； 

5）将3）中计算出的PAPR₀与4）中计算出的PAPR进行比较，当 PAPR₀＞PAPR时，则θ_u＝0，即C_u＝1； 

否则，更新PAPR₀＝PAPR； 

6）令u＝u+1，如果u＜U+1，则返回步骤4），继续进行迭代计算； 

否则，终止迭代； 

步骤4、隐蔽信息的发送与接收： 

将经步骤3得到的时域基函数B'存储后进行信号调制，经调制的信号被转发器发射，调制信号被送入隐蔽信号接收端，隐蔽信号接收端的TDCS时域基函数B'取隐蔽信号发送端的TDCS时域基函数B'的共轭，隐蔽信号接收端接收信号，并对接收到的信号进行解调，输出解调信号。 

本发明的特点还在于， 

步骤1具体按照以下步骤实施： 

1）隐蔽信号接收端和发送端分别对周围电磁环境进行频谱感知与门限判决后，隐蔽信号接收端和发送端分别得到基函数幅度谱向量A，基函数幅度谱向量A＝[A₀,A₁，...,A_N-1]在[0,2π]内均匀分布随机生成相位 

得到与基函数幅度谱向量A等长度的复随机相位序列向量 

2）将1）中的到基函数幅度谱向量A与复随机相位序列向量P做数量积，即得到基函数频谱向量 

步骤4按照以下步骤实施： 

1）将经步骤3得到的TDCS时域基函数B'存储在基函数存储器中； 

2）对1）中存储的TDCS时域基函数B'进行MPSK调制，可获取调制信号 

其中M为调制阶数，m_i为第i次发送的 整数数据，0≤m_i≤M-1； 

3）隐蔽通信发射机将2）中获取的调制信号 

调整到指定的转发器频带上进行发射，调制信号S通过信息通道被传送至隐蔽信号接收端； 

在无外界干扰条件下，隐蔽信号接收端和发送端检测的背景电磁环境相同，隐蔽信号接收端的TDCS时域基函数B'的获取步骤与隐蔽信号发送端的TDCS时域基函数B'的获取步骤相同，隐蔽信号接收端的TDCS时域基函数B'取隐蔽信号发送端的TDCS时域基函数B'的共轭； 

4）隐蔽信号接收端接收的信号： 

隐蔽信号接收端接收的信号包括有隐蔽信号、原系统业务信号以及噪声；隐蔽信号接收端经过下变频，接收到的信号为：R＝S+J+N，其中J表示原系统业务信号，N表示均值为0，方差为N₀/2的高斯随机变量； 

隐蔽信号接收端对接收到的所有信号进行相关解调： 

MPSK调制，隐蔽信号接收端需要产生M个参考信号即 

其中，M为调制阶数，0≤m_i≤M-1；相关解调后得到的相关信号值y为： 

y＝∫_TR(t)B’_i ^*(t)dt 

5）判断相关解调信号，选择相关信号值最大的那个为对应符号的估计值，并输出数据输出数据。 

隐蔽信号的相关解调方式可以采用M-CSK或MPSK调制方式。 

本发明的有益效果在于， 

（1）本发明方法只是分别对每组基函数频谱向量做调整，既可以降低 基函数的峰均比，加强系统的隐蔽效果，又不影响基函数的相关性能，保证了系统的误码性能。 

（2）由于收发两端基函数的初始值是一致的，因此，经过相同步骤计算后得到的相位调整向量也是一致的，避免了类似OFDM系统相位调整因子需要额外进行传递的问题。 

（3）本发明采用迭代方法只需要计算U步就可以得到相位调整因子，一共只需要U个IDFT计算，并且每次IDFT计算只有N/U个数据，因此计算量较小。 

（4）降低基函数的峰均比不仅可以加强系统的隐蔽性能，还可以降低A/D和D/A转换器的复杂度，提高射频功率放大器的有效性。 

附图说明

图1为本发明方法的原理框图； 

图2为本发明方法中使用的收发端降低峰均功率比迭代方法流程图；。 

图3为本方法与未进行降低PAPR处理系统的CCDF比较图； 

图4为本方法与未进行降低PAPR处理系统的误码率比较图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。 

本发明一种提高TDCS信号隐蔽性能的方法，如图1及图2所示，具体按照以下步骤实施： 

步骤1、获得隐蔽信号发送端和接收端的基函数频谱向量： 

1）隐蔽信号接收端和发送端分别对周围电磁环境进行频谱感知与门限判决后，隐蔽信号接收端和发送端分别得到基函数幅度谱向量A，基函数幅度谱向量A＝[A₀,A₁，...,A_N-1]在[0,2π]内均匀分布随机生成相位 

得到与基函数幅度谱向量A等长度的复随机相位序列向量 

2）将1）中的到基函数幅度谱向量A与复随机相位序列向量P做数量积，即得到基函数频谱向量 

步骤2、将基函数频谱向量B均等分为U组： 

将步骤1中得到的基函数频谱向量B均等分成U组互不重叠的子向量，即得到 $B=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{B}_u;$

步骤3、降低峰均功率比的迭代计算： 

降低峰均功率比的迭代计算步骤如图2所示： 

1）经步骤2将基函数频谱向量B均等分为U组后，令各组调整相位θ_u取0，即得到相位调整因子为： 

其中u＝1,2，...,U； 

2）利用1）得到的每组相位调整因子{C_u＝1或-1,(u＝1,2,...,U)}分别对步骤1中隐蔽信号发送端和隐蔽信号接收端获取的每组基函数频谱向量B相位进行调整，即得到TDCS时域基函数 

根据IDFT的线性性质即得到 $B^{\′}=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{C}_u\·\mathrm{IDFT}\left\{B_u\right\};$

3）根据PAPR₀＝max(|B'|²)/E|B'|²计算出TDCS的峰均功率比PAPR₀，令u＝1； 

这里令u＝1是初始化作用，算法后面每一次循环都在计算C_u的值等于+1或-1使得总的峰均比最小，每一次循环u的值都在递增，直到等于U，并且循环前需要初始化。 

4）令θ_u＝π，即得到相位调整因子C_u＝-1，更新TDCS时域基函数B' 的值，将更新的后B'代入PAPR＝max(|B'|)/E|B′|²计算得到PAPR，其中E为求数学期望； 

E表示数学期望，PAPR＝max(|B'|)/E|B′|²是峰均比的定义式。 

5）将3）中计算出的PAPR₀与4）中计算出的PAPR进行比较，当PAPR₀＞PAPR时，则θ_u＝0，即C_u＝1； 

否则，更新PAPR₀＝PAPR； 

6）令u＝u+1，如果u＜U+1，则返回步骤4），继续进行迭代计算； 

否则，终止迭代； 

步骤4、隐蔽信息的发送与接收： 

1）将经步骤3得到的TDCS时域基函数B'存储在基函数存储器中； 

2）对1）中存储的TDCS时域基函数B'进行MPSK调制，可获取调制信号 

其中M为调制阶数，m_i为第i次发送的整数数据，0≤m_i≤M-1； 

TDCS有多种调制方式，可以采用M-CSK或MPSK调制方式。 

3）隐蔽通信发射机将2）中获取的调制信号 

调整到指定的转发器频带上进行发射，调制信号S通过信息通道被传送至隐蔽信号接收端； 

在无外界干扰条件下，隐蔽信号接收端和发送端检测的背景电磁环境相同，隐蔽信号接收端的TDCS时域基函数B'的获取步骤与隐蔽信号发送端的TDCS时域基函数B'的获取步骤相同，隐蔽信号接收端的TDCS时域基函数B'取隐蔽信号发送端的TDCS时域基函数B'的共轭； 

4）隐蔽信号接收端接收的信号： 

隐蔽信号接收端接收的信号包括有隐蔽信号、原系统业务信号以及噪声；隐蔽信号接收端经过下变频，接收到的信号为：R＝S+J+N，其中J表示原系统业务信号，N表示均值为0，方差为N₀/2的高斯随机变量； 

隐蔽信号接收端对接收到的所有信号进行相关解调： 

MPSK调制，隐蔽信号接收端需要产生M个参考信号即 

(M为调制阶数，0≤m_i≤M-1)与接收信号进行相关解调，解调后得到的相关信号值y为： 

y＝∫_TR(t)B’_i ^*(t)dt 

5）判断相关解调信号，选择相关信号值最大的那个为对应符号的估计值，并输出数据输出数据。 

隐蔽信号的相关解调方式可以采用M-CSK或MPSK调制方式。 

隐蔽信号发送端与隐蔽信号接收端频谱环境相同，峰均功率比降低方法步骤相同。

本发明提出一种不需要额外信息传递的降低TDCS基函数峰均比的方法，通过对TDCS基函数进行分组，使用一种迭代方法对每组的相位进行微调，以此降低基函数峰均比，实现信号隐蔽性又保证系统误码性能，其原理图如图1虚线所标注框图。重复步骤1至步骤31×10⁴次，每次使用的基函数幅度谱向量A保持不变，而相位则是随机生成的，在此条件下分别计算初始基函数的PAPR与本方法改进后基函数的PAPR和系统误码率，并进行统计，得到如图3所示的CCDF比较图以及图4所示的系统误码率比较图，由图3及图4可知，使用本发明方法之后系统CCDF为10^-4时峰均比可降低近7dB，而系统误码率却几乎保持不变。 

本发明的前提条件是隐蔽信号收、发两端电磁环境频谱估计生成的基函数幅度谱是相等的，并且随机序列发生器产生的复随机相位是可以提前预知的。与OFDM相同，TDCS基函数的高峰均比主要由相位引起，对于OFDM可以通过在各频点加入扰码，对相位进行重置，从而达到降低峰均比的目的。但这些方法实现的前提是接收端需要精确地了解发射机所采用的辅助信息。而作为隐蔽应用的TDCS在双方通信之前信息是无法传递的，其通信系统如图1所示，收发两端各自进行频谱感知，生成基函数，并以此为单位进行信息发送与接收。 

实施例： 

隐蔽信号接收端和发送端分别对周围电磁环境进行频谱感知与门限判决后，隐蔽信号接收端和发送端分别得到基函数幅度谱向量A_t＝[A_t0，A_t1，...,A_t31]，基函数幅度谱向量在[0,2π]内随机生成相位 

得到复随机相位序列向量 

将基函数幅度谱向量A与复随机相位序列向量P做数量积，得到基函数频谱向量 

将隐蔽信号发送端和接收端的基函数频谱向量B均等分成8组互不重叠的子向量，得到 

令各组调整相位θ_u值取为0，相位调整因子C_u＝1,(u＝1,2，...，8)；利用得到的每组相位调整因子{C_u＝1或-1,(u＝1,2，...，8)}对每组基函数频谱向量B相位进行调整，即得到TDCS时域基函数 

计算出PAPR₀＝max(|B'|²)/E|B'|²，令i＝1；令θ_i＝π，即C_i＝-1，更新TDCS时域基函数B'的值，再计算出PAPR＝max(|B'|)/E|B′|²；若PAPR₀＞PAPR，则 C_i＝1,；否则，PAPR₀＝PAPR；令i＝i+1若i＜9，则返回继续进行迭代计算，否则，终止迭代； 

将获取的TDCS时域基函数B'存储在基函数存储器中；对存储的TDCS时域基函数B'进行MPSK调制，获取调制信号 

隐蔽通信发射机将获取的调制信号S调整到指定的转发器频带上进行发射，调制信号S通过信息通道将传送至隐蔽信号接收端；在无外界干扰条件下，隐蔽信号接收端和发送端检测的背景电磁环境相同，隐蔽信号接收端的TDCS时域基函数B'取发送端的TDCS时域基函数B'的共轭；隐蔽信号接收端经过下变频，接收到的信号为：R＝S+J+N； 

隐蔽信号接收端对接收到的所有信号进行相关解调，解调信号y＝∫_TR(t)B’_i ^*(t)dt。 

判断相关解调信号，选择相关解调信号值最大的那个为对应符号的估计值，并输出数据。 

Claims (4)

1.一种提高TDCS信号隐蔽性能的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、获得隐蔽信号发送端和接收端的基函数频谱向量：

隐蔽信号发送端和隐蔽信号接收端通过频谱估计获取基函数幅度谱向量A，基函数幅度谱向量A均匀分布随机生成相位

得到复随机相位序列向量P，将基函数幅度谱向量A与复随机相位序列向量P做数量积，得到基函数频谱向量B；

步骤2、将基函数频谱向量B均等分为U组：

将步骤1中得到的基函数频谱向量B均等分成U组互不重叠的子向量，即得到 $B=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{B}_u;$

步骤3、降低峰均功率比的迭代计算：

1）经步骤2将基函数频谱向量B均等分为U组后，令各组调整相位θ_u取0，即得到相位调整因子为：

其中u＝1,2，...,U；

2）利用1）得到的每组相位调整因子{C_u＝1或-1,(u＝1,2,...,U)}分别对步骤1中隐蔽信号发送端和隐蔽信号接收端获取的每组基函数频谱向量B相位进行调整，即得到TDCS时域基函数

根据IDFT的线性性质即得到 $B^{\′}=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{C}_u\·\mathrm{IDFT}\left\{B_u\right\};$

3）根据PAPR₀＝max(|B'|²)/E|B'|²计算出TDCS的峰均功率比PAPR₀，令u＝1；

4）令θ_u＝π，即得到相位调整因子C_u＝-1，更新TDCS时域基函数B'的值，将更新的后B'代入PAPR＝max(|B′|)/E|B′|²计算得到PAPR，其中E为求数学期望；

5）将3）中计算出的PAPR₀与4）中计算出的PAPR进行比较，当PAPR₀＞PAPR时，则θ_u＝0，即C_u＝1；

否则，更新PAPR₀＝PAPR；

6）令u＝u+1，如果u＜U+1，则返回步骤4），继续进行迭代计算；

否则，终止迭代；

步骤4、隐蔽信息的发送与接收：

将经步骤3得到的时域基函数B'存储后进行信号调制，经调制的信号被转发器发射，调制信号被送入隐蔽信号接收端，隐蔽信号接收端的TDCS时域基函数B'取隐蔽信号发送端的TDCS时域基函数B'的共轭，隐蔽信号接收端接收信号，并对接收到的信号进行解调，输出解调信号。

2.按照权利要求1所述的提高TDCS信号隐蔽性能的方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：

1）隐蔽信号接收端和发送端分别对周围电磁环境进行频谱感知与门限判决后，隐蔽信号接收端和发送端分别得到基函数幅度谱向量A，基函数幅度谱向量A＝[A₀,A₁，...,A_N-1]在[0,2π]内均匀分布随机生成相位

得到与基函数幅度谱向量A等长度的复随机相位序列向量

2）将1）中的到基函数幅度谱向量A与复随机相位序列向量P做数量积，即得到基函数频谱向量

3.按照权利要求1所述的提高TDCS信号隐蔽性能的方法，其特征在于，提高TDCS信号隐蔽性能的方法，其特征在于，所述的步骤4按照以下步骤实施：

1）将经步骤3得到的TDCS时域基函数B'存储在基函数存储器中；

2）对1）中存储的TDCS时域基函数B'进行MPSK调制，可获取调制信号

其中M为调制阶数，m_i为第i次发送的整数数据，0≤m_i≤M-1；

3）隐蔽通信发射机将2）中获取的调制信号

调整到指定的转发器频带上进行发射，调制信号S通过信息通道被传送至隐蔽信号接收端；

隐蔽信号接收端的TDCS时域基函数B'的获取步骤与隐蔽信号发送端的TDCS时域基函数B'的获取步骤相同，隐蔽信号接收端的TDCS时域基函数B'取隐蔽信号发送端的TDCS时域基函数B'的共轭；

4）隐蔽信号接收端接收的信号并进行信号相关解调：

隐蔽信号接收端接收的信号包括有隐蔽信号、原系统业务信号以及噪声；隐蔽信号接收端经过下变频，接收到的信号为：R＝S+J+N，其中J表示原系统业务信号，N表示均值为0，方差为N₀/2的高斯随机变量；

隐蔽信号接收端对接收到的所有信号进行相关解调：

MPSK调制，隐蔽信号接收端需要产生M个参考信号即

其中，M为调制阶数，0≤m_i≤M-1；相关解调后得到的相关信号值y为：

y＝∫_TR(t)B’_i ^*(t)dt

5）判断相关解调信号，选择相关信号值最大的那个为对应符号的估计值，并输出数据输出数据。

4.按照权利要求3所述的提高TDCS信号隐蔽性能的方法，其特征在于，所述的隐蔽信号的相关解调方式可以采用M-CSK或MPSK调制方式。

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