CN103957027A - 基于多序列组合扩频的加权分数傅里叶变换域信号传输方法 - Google Patents
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Abstract
基于多序列组合扩频的加权分数傅里叶变换域信号传输方法,涉及通信技术领域。本发明是为了解决现有采用扩频为支撑的通信系统的带宽利用率低的问题。本发明在发射端,采用正变换参数选择模块产生加权分数傅里叶变换阶数控制参数α,并采用多序列组合扩频加权分数傅里叶正变换模块该变换阶数控制参数α对两路长度分别为Npc和K的并行数据bpc和bbase进行处理;在接收端:采用反变换参数模块产生加权分数傅里叶变换反变换控制参数-α;并采用多序列组合扩频加权分数傅里叶反变换模块利用该反变换参数-α,对接收到的等效基带信号进行反变换处理得到反变换数据本发明适用于无线信号传输过程中。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域。
背景技术
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研究中,越来越多的研究者提到将其用于通信领域,并有少部分研究已将其用于保密通信的领域。
四项加权分数傅立叶变换的定义为:
其中:
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[-2,2]之间的任何实数,对于取值范围之外的实数,加权系数将随着α呈现周期性变化。X1、X2和X3分别为序列X0的1~3次DFT结果。其能量归一化DFT定义形式为:
公开号为CN103746803A、名称为《基于加权分数傅里叶变换的多序列联合扩频保密通信系统》的专利申请公开了一种基于加权分数傅里叶变换的保密通信系统,通过该系统,通信的保密性可以得到大幅的提升,然而由于上述系统中必须采用扩频为支撑技术,这使得系统的带宽利用率大幅的降低。
发明内容
本发明是为了解决现有采用扩频为支撑的通信系统的带宽利用率低的问题,从而提供一种基于多序列组合扩频的加权分数傅里叶变换域信号传输方法。
基于多序列组合扩频的加权分数傅里叶变换域信号传输方法,它由以下步骤实现:
它的信号发射方法:
步骤一、将信源数据进行基带映射处理,获得基带调制结果;
步骤二、将步骤一中产生的基带调制结果以每N个为一组,进行串/并转换,并对转换后的数据进行分组,获得两路长度分别为Npc和K的并行数据bpc和bbase,且N=Npc+K;
步骤三、采用正变换参数选择模块产生加权分数傅里叶变换阶数控制参数α;
步骤四、采用多序列组合扩频加权分数傅里叶正变换模块利用步骤三中产生的变换阶数控制参数α分别对步骤二中获得的两路长度分别为Npc和K的并行数据bpc和bbase进行处理,得到并行处理结果;
步骤五、将步骤四获得的并行处理结果进行并/串转换,获得串行输出数据Sout;
步骤六、将步骤五获得的串行输出数据Sout经等效信道影响处理后,获得等效基带信号发射至信道;
它的信号接收方法:
步骤七、接收端接收步骤六发射的等效基带信号;
步骤八、采用反变换参数模块产生加权分数傅里叶变换反变换控制参数-α;
步骤九、采用多序列组合扩频加权分数傅里叶反变换模块利用步骤八获得的反变换参数-α,对步骤七中接收到的等效基带信号进行反变换处理得到反变换数据
步骤十、采用能量检测模块对步骤九获得的反变换数据进行能量判决,并将其反变换数据及其判决结果送至接收端接收控制/存储模块进行存储;
步骤十一、接收端控制/存储模块接收到步骤十对的能量判决结果后,控制计数器加1,并判断计数器的数值是否达到如果判断结果为是,则计数器清零,并执行步骤十二;如果判断结果为否,则返回执行步骤九;
步骤十二、控制/存储模块将其存储的内容中能量判决结果最大值所对应的序列输出到基带数据解映射模块处理得到将该序列对应的当时控制/存储模块计数器的数值发送给序列信息解映射模块得到解映射结果
步骤十三、将步骤十二得到的数据组和按照先后的顺序进行打包输出,得到最终的接收解调结果,完成基于多序列组合扩频的加权分数傅里叶变换域信号传输。
步骤四中采用多序列组合扩频加权分数傅里叶正变换模块利用步骤三中产生的变换阶数控制参数α分别对步骤二中获得的两路长度分别为Npc和K的并行数据bpc和bbase进行处理的具体方法为:
步骤A1、多序列组合扩频加权分数傅里叶正变换模块接收到两组长度分别为获得两路长度分别为Npc和K的并行数据bpc和bbase;
步骤A2、多序列组合扩频加权分数傅里叶正变换模块内部伪随机码生成模块根据bpc生成4个长度为M的伪随机序列PN0~PN3;
步骤A3、输入数据bbase分为4个路分别进行处理:
在支路0,bbase直接利用PN0进行扩频后与加权系数w0相乘,得到矩阵形状为K*M的支路0处理数据
在支路1,bbase首先在反转模块进行数据位置反转后利用PN1进行扩频,进而与加权系数w1相乘,得到矩阵形状为K*M的支路1处理数据
在支路2,bbase首先进行一次FFT变换后利用PN2进行扩频,进而与加权系数w2相乘,得到矩阵形状为K*M的支路2处理数据
在支路3,bbase首先进行一次FFT变换然后再经过反转模块处理后利用PN3进行扩频,进而与加权系数w3相乘,得到矩阵形状为K*M的支路3处理数据
步骤A4、将步骤A3中得到的各支路处理数据进行加和处理得到并行处理结果。
步骤九中采用多序列组合扩频加权分数傅里叶反变换模块利用步骤八获得的反变换参数-α,对步骤七中接收到的等效基带信号进行反变换处理得到反变换数据的具体方法为:
步骤B1、伪随机码生成模块在控制信号的控制下生成4个伪随机码
步骤B2、接收数据在多序列组合扩频的加权分数傅里叶反变换模块内分为四个支路处理:
在支路0,接收数据利用进行解扩处理后,与加权系数相乘,得到支路0的处理数据;
在支路1,接收数据在利用进行解扩处理后进行FFT变换,并将变换结果与加权系数相乘,得到支路1的处理数据;
在支路2,接收数据首先利用进行解扩处理,而后在反转模块实现序列位置反转后与加权系数相乘,得到支路2的处理数据;
在支路3,接收数据在利用进行解扩处理后首先进行FFT变换,进而进行位置序列反转,最后将变换并反转后的结果与加权系数相乘,得到支路3的处理数据;
步骤B3、将步骤B2中得到的支路0至支路3的处理数据进行加和处理得到反变换结果。
步骤A2所述多序列组合扩频加权分数傅里叶正变换模块内部伪随机码生成模块根据bpc生成4个长度为M的伪随机序列PN0~PN3的具体方法为:
首先在发送端建立一个伪随机码选择集合,该集合由4个子集构成,且各子集满足以下条件:
(1)、各个子集中的伪随机码元素两两互不相同,且码元长度一致;
(2)、不同子集中的伪随机码元素同样两两互不相同,码元长度一致;
(3)、每个子集中元素的个数为
(4)、每个子集中的伪随机码均有一个编号l,
其次将输入数据bpc包含的比特信息按照从高位到低位的顺序按比特平均分为4组;然后将每组分好的比特信息转换成十进制数据di(i=0,1,2,3)且
则将发射端接收到的数据bpc与个伪随机码组合{PN0,PN1,PN2,PN3}建立起了一一对应关系。
步骤B1所述伪随机码生成模块在控制信号的控制下生成4个伪随机码的具体方法为:
控制/存储模块输出的控制反馈信号为其模块内部计数器数值,该数值采用二进制表示,且数据位数固定为NPC位;接收端伪随机码组合的映射索引信息应该和发射端所对应的伪随机码组合{PN0,PN1,PN2,PN3}的映射索引数值一致;
在接收端的伪随机序列生成模块建立和发送端相同的伪随机码选择集合,然后将接收端的控制信号反馈信号进行如下操作:
(1)、将反馈信号从高位到低位平均分为4组;
(2)、将分好的各组比特信息转换为十进制表示;
(3)、接收端伪随机序列生成模块根据这4个十进制数据选择相应的伪随机码输出。
本发明为了克服上述“基于加权分数傅里叶变换的多序列联合扩频保密通信系统”所固有的带宽利用率低的缺点提出一种“基于多序列组合扩频的加权分数傅里叶变换通信系统”,提出系统在保证“基于加权分数傅里叶变换的多序列联合扩频保密通信系统”所具有的保密特性上,大大提升了系统的带宽利用率,提升了系统的传输效率。
附图说明
图1是多序列组合扩频的加权分数傅里叶变换通信系统的原理示意图;
图2是多序列组合扩频的加权分数傅里叶正变换模块结构示意图;
图3是接收端多序列组合扩频的加权分数傅里叶反变换模块结构示意图;
图4是本发明的系统在为bpc所包含比特数目为4,8,12...24时bpc的误码曲线系统误码性能仿真示意图;曲线41包含比特数目为4时的误码曲线;曲线42包含比特数目为8时的误码曲线;曲线43包含比特数目为12时的误码曲线;曲线44包含比特数目为16时的误码曲线;曲线45包含比特数目为20时的误码曲线;曲线46包含比特数目为24时的误码曲线;
图5本发明的系统在为bpc所包含比特数目为0,4,8,12...24时bbase的误码曲线系统误码性能仿真示意图,其中bpc=0时bbase的误码曲线即为QPSK信号在高斯白噪声信道条件下的标准误码曲线;
图6是本发明的系统的安全性能仿真示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、基于多序列组合扩频的加权分数傅里叶变换域信号传输方法,它由以下步骤实现:
步骤一、信源数据经基带调制模块处理后得到基带调制结果;
步骤二、将步骤一中产生的基带调制结果每N个为一组,进行串并转换以及数据分组,获得两路长度分别为Npc和K的并行数据bpc和bbase,且N=Npc+K;
步骤三、正变换参数选择模块产生加权分数傅里叶变换阶数控制参数α;
步骤四、发送端多序列组合扩频加权分数傅里叶正变换模块利用步骤三中产生的变换阶数控制参数α对步骤二中获得的两路长度分别为Npc和K的并行数据bpc和bbase进行处理,得到并行处理结果S。Npc和K以及N表示数据所包含的比特信息数目;
步骤五、步骤四中得到并行处理结果S经过并串转换处理后获得串行输出数据Sout;
步骤六、步骤五得到的串行输出数据Sout经等效信道影响后,传递至接收端,接收端接收到的等效基带信号为R;
步骤七、接收端反变换参数模块产生加权分数傅里叶变换反变换控制参数-α;
步骤八、接收端的多序列组合扩频加权分数傅里叶反变换模块在接收端控制/存储模块的控制下,利用步骤七获得的反变换参数-α,对步骤六中接收到的等效基带信号为R进行反变换处理得到反变换数据
步骤九、接收端的能量检测模块对步骤八得到的反变换数据进行能量判决,并将其反变换数据及其判决结果送至接收端接收控制/存储模块进行存储;
步骤十、接收端控制/存储模块接收到步骤九对的能量判决结构后其控制计数器加1,当计数器数值达到时,计数器清零进入步骤十一,否则将计数器数值作为控制信号重复步骤八和九;
步骤十一、控制/存储模块将挑选其存储的内容中能量判决结果最大值所对应的序列输出到基带数据解映射模块处理得到而该序列对应的当时控制/存储模块计数器的数值发送给序列信息解映射模块得到解映射结果
步骤十二、数据重组模块将步骤十一得到的数据组和按照先后的顺序进行打包输出,得到最终的接收解调结果。
发送端多序列组合扩频加权分数傅里叶正变换信号处理过程为:
步骤1、模块接收到两组长度分别为获得两路长度分别为Npc和K的并行数据bpc和bbase。
步骤2、模块内部伪随机码生成模块根据bpc按照相应的生成策略,生成4个长度为M的伪随机序列PN0~PN3。
步骤3、输入数据bbase分为4个路分别进行处理:
在支路0,bbase直接利用PN0进行扩频后与加权系数w0相乘,得到矩阵形状为K*M的支路0处理数据
在支路1,bbase首先在反转模块进行数据位置反转后利用PN1进行扩频,进而与加权系数w1相乘,得到矩阵形状为K*M的支路1处理数据
在支路2,bbase首先进行一次FFT变换后利用PN2进行扩频,进而与加权系数w2相乘,得到矩阵形状为K*M的支路2处理数据
在支路3,bbase首先进行一次FFT变换然后再经过反转模块处理后利用PN3进行扩频,进而与加权系数w3相乘,得到矩阵形状为K*M的支路3处理数据
步骤4将步骤3中得到的各支路处理数据进行加和处理得到并行处理结果S,并送入发送端下一级处理模块(即并串转换模块)进行处理。
接收端多序列组合扩频的加权分数傅里叶反变换信号处理过程为:
步骤1、伪随机码生成模块在控制信号的控制下生成4个伪随机码
步骤2、接收数据在多序列组合扩频的加权分数傅里叶反变换模块内分为四个支路处理,在支路0,接收数据利用进行解扩处理后,与加权系数相乘,得到支路0的处理数据;
在支路1,接收数据在利用进行解扩处理后进行FFT变换,并将变换结果与加权系数相乘,得到支路1的处理数据;
在支路2,接收数据首先利用进行解扩处理,而后在反转模块实现序列位置反转后与加权系数相乘,得到支路2的处理数据;
在支路3,接收数据在利用进行解扩处理后首先进行FFT变换,进而进行位置序列反转,最后将变换并反转后的结果与加权系数相乘,得到支路3的处理数据;
步骤3:将步骤2中得到的支路0~支路3的处理数据进行加和处理得到反变换结果,并输出至接收端下一模块进行处理。
伪随机码生成策略:
根据《基于加权分数傅里叶变换的多序列联合扩频保密通信系统》内的分析当且仅当接收机采用的4路伪随机码与发送端采用的伪随机码完全一致,且其采用的加权分数傅里叶反变换阶数与发送端采用的加权分数傅里叶变换阶数相对应时才能正常解调数据。
为满足以上条件,现对本系统收发端伪随机码生成策略进行举例说明:
发送端:
首先在发送端建立一个伪随机码选择集合,该集合由4个子集构成,且各子集满足以下条件:
(1)、各个子集中的伪随机码元素两两互不相同,且码元长度一致;
(2)、不同子集中的伪随机码元素同样两两互不相同,码元长度一致;
(3)、每个子集中元素的个数为
(4)、每个子集中的伪随机码均有一个编号l,
其次将输入数据bpc包含的比特信息按照从高位到低位的顺序按比特平均分为4组;(此处要求输入数据bpc所包含的比特信息为4的整数倍)。然后将每组分好的比特信息转换成十进制数据di(i=0,1,2,3)且这样就将发射端接收到的数据bpc与个伪随机码组合{PN0,PN1,PN2,PN3}建立起了一一对应关系。
接收端:
为了能有效解调该映射数据bpc,接收端的控制/存储模块输出的控制反馈信号与解调时采用的伪随机码采用以下映射方案:
接收端的控制/存储模块输出的控制反馈信号为其模块内部计数器数值,此数值可以采用任何的数制表示形式,此处为分析方便,我们默认此信号采用二进制表示,且数据位数固定为NPC位。为正确解调数据,在接收端伪随机码组合的映射索引信息应该和发送端所对应的伪随机码组合{PN0,PN1,PN2,PN3}的映射索引数值一致。故接收端反馈信号的映射方式与发送端的映射方式类似。
在接收端的伪随机序列生成模块建立和发送端一样的伪随机码选择集合,然后将接收端的控制信号反馈信号进行和发送端类似操作:
(1)、将反馈信号从高位到低位平均分为4组;
(2)将分好的各组比特信息转换为十进制表示;
(3)、接收端伪随机序列生成模块根据这4个十进制数据选择相应的伪随机码输出。
图4和图5给出了系统的误码系统,左图为bpc所包含比特数目为4,8,12…24时的误码曲线右图为相应条件下的bbase的误码曲线。其中bbase包含64bit数据。
从图4和图5中可以看出,相同的带宽和时隙开销的情况下本发明提出系统能额外传输更多的数据,并且对原始系统所传输的数据性能的影响微乎其微(仅仅在低信噪比的时候略有下降);
图6中给出了假设在通信过程中信号被非合作方截获后,截获方的解码性能。其中Ψ代表非合作方对通信过程中采用的扩频码组合{PN0,PN1,PN2,PN3}选取一致的概率。从图中可以看出当该概率为1时,即目的接收机的性能和标准QPSK误码曲线一致,当该概率Ψ降低时,其解码性能大幅降低。考虑实际通信中扩频码资源的丰富性,因此,非目的接收机实际中所能达到的概率Ψ是非常小的,即使非目的接收机对该扩频码组合进行穷举搜索,其硬件开销在现实中也是无法实现的,因此该系统的安全性能也是可以保障的。
Claims (5)
1.基于多序列组合扩频的加权分数傅里叶变换域信号传输方法,其特征是:它由以下步骤实现:
它的信号发射方法:
步骤一、将信源数据进行基带映射处理,获得基带调制结果;
步骤二、将步骤一中产生的基带调制结果以每N个为一组,进行串/并转换,并对转换后的数据进行分组,获得两路长度分别为Npc和K的并行数据bpc和bbase,且N=Npc+K;
步骤三、采用正变换参数选择模块产生加权分数傅里叶变换阶数控制参数α;
步骤四、采用多序列组合扩频加权分数傅里叶正变换模块利用步骤三中产生的变换阶数控制参数α分别对步骤二中获得的两路长度分别为Npc和K的并行数据bpc和bbase进行处理,得到并行处理结果;
步骤五、将步骤四获得的并行处理结果进行并/串转换,获得串行输出数据Sout;
步骤六、将步骤五获得的串行输出数据Sout经等效信道影响处理后,获得等效基带信号发射至信道;
它的信号接收方法:
步骤七、接收端接收步骤六发射的等效基带信号;
步骤八、采用反变换参数模块产生加权分数傅里叶变换反变换控制参数-α;
步骤九、采用多序列组合扩频加权分数傅里叶反变换模块利用步骤八获得的反变换参数-α,对步骤七中接收到的等效基带信号进行反变换处理得到反变换数据
步骤十、采用能量检测模块对步骤九获得的反变换数据进行能量判决,并将其反变换数据及其判决结果送至接收端接收控制/存储模块进行存储;
步骤十一、接收端控制/存储模块接收到步骤十对的能量判决结果后,控制计数器加1,并判断计数器的数值是否达到如果判断结果为是,则计数器清零,并执行步骤十二;如果判断结果为否,则返回执行步骤九;
步骤十二、控制/存储模块将其存储的内容中能量判决结果最大值所对应的序列输出到基带数据解映射模块处理得到将该序列对应的当时控制/存储模块计数器的数值发送给序列信息解映射模块得到解映射结果
步骤十三、将步骤十二得到的数据组和按照先后的顺序进行打包输出,得到最终的接收解调结果,完成基于多序列组合扩频的加权分数傅里叶变换域信号传输。
2.根据权利要求1所述的基于多序列组合扩频的加权分数傅里叶变换域信号传输方法,其特征在于步骤四中采用多序列组合扩频加权分数傅里叶正变换模块利用步骤三中产生的变换阶数控制参数α分别对步骤二中获得的两路长度分别为Npc和K的并行数据bpc和bbase进行处理的具体方法为:
步骤A1、多序列组合扩频加权分数傅里叶正变换模块接收到两组长度分别为获得两路长度分别为Npc和K的并行数据bpc和bbase;
步骤A2、多序列组合扩频加权分数傅里叶正变换模块内部伪随机码生成模块根据bpc生成4个长度为M的伪随机序列PN0~PN3;
步骤A3、输入数据bbase分为4个路分别进行处理:
在支路0,bbase直接利用PN0进行扩频后与加权系数w0相乘,得到矩阵形状为K*M的支路0处理数据
在支路1,bbase首先在反转模块进行数据位置反转后利用PN1进行扩频,进而与加权系数w1相乘,得到矩阵形状为K*M的支路1处理数据
在支路2,bbase首先进行一次FFT变换后利用PN2进行扩频,进而与加权系数w2相乘,得到矩阵形状为K*M的支路2处理数据
在支路3,bbase首先进行一次FFT变换然后再经过反转模块处理后利用PN3进行扩频,进而与加权系数w3相乘,得到矩阵形状为K*M的支路3处理数据
步骤A4、将步骤A3中得到的各支路处理数据进行加和处理得到并行处理结果。
3.根据权利要求2所述的基于多序列组合扩频的加权分数傅里叶变换域信号传输方法,其特征在于步骤九中采用多序列组合扩频加权分数傅里叶反变换模块利用步骤八获得的反变换参数-α,对步骤七中接收到的等效基带信号进行反变换处理得到反变换数据的具体方法为:
步骤B1、伪随机码生成模块在控制信号的控制下生成4个伪随机码
步骤B2、接收数据在多序列组合扩频的加权分数傅里叶反变换模块内分为四个支路处理:
在支路0,接收数据利用进行解扩处理后,与加权系数相乘,得到支路0的处理数据;
在支路1,接收数据在利用进行解扩处理后进行FFT变换,并将变换结果与加权系数相乘,得到支路1的处理数据;
在支路2,接收数据首先利用进行解扩处理,而后在反转模块实现序列位置反转后与加权系数相乘,得到支路2的处理数据;
在支路3,接收数据在利用进行解扩处理后首先进行FFT变换,进而进行位置序列反转,最后将变换并反转后的结果与加权系数相乘,得到支路3的处理数据;
步骤B3、将步骤B2中得到的支路0至支路3的处理数据进行加和处理得到反变换结果。
4.根据权利要求3所述的基于多序列组合扩频的加权分数傅里叶变换域信号传输方法,其特征在于步骤A2所述多序列组合扩频加权分数傅里叶正变换模块内部伪随机码生成模块根据bpc生成4个长度为M的伪随机序列PN0~PN3的具体方法为:
首先在发送端建立一个伪随机码选择集合,该集合由4个子集构成,且各子集满足以下条件:
(1)、各个子集中的伪随机码元素两两互不相同,且码元长度一致;
(2)、不同子集中的伪随机码元素同样两两互不相同,码元长度一致;
(3)、每个子集中元素的个数为
(4)、每个子集中的伪随机码均有一个编号l,
其次将输入数据bpc包含的比特信息按照从高位到低位的顺序按比特平均分为4组;然后将每组分好的比特信息转换成十进制数据di(i=0,1,2,3)且
则将发射端接收到的数据bpc与个伪随机码组合{PN0,PN1,PN2,PN3}建立起了一一对应关系。
5.根据权利要求3所述的基于多序列组合扩频的加权分数傅里叶变换域信号传输方法,其特征在于步骤B1所述伪随机码生成模块在控制信号的控制下生成4个伪随机码的具体方法为:
控制/存储模块输出的控制反馈信号为其模块内部计数器数值,该数值采用二进制表示,且数据位数固定为NPC位;接收端伪随机码组合的映射索引信息应该和发射端所对应的伪随机码组合{PN0,PN1,PN2,PN3}的映射索引数值一致;
在接收端的伪随机序列生成模块建立和发送端相同的伪随机码选择集合,然后将接收端的控制信号反馈信号进行如下操作:
(1)、将反馈信号从高位到低位平均分为4组;
(2)将分好的各组比特信息转换为十进制表示;
(3)、接收端伪随机序列生成模块根据这4个十进制数据选择相应的伪随机码输出。
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