CN105634722B - 一种mfsk伪装为跳频体制的抗截获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MFSK伪装为跳频体制的抗截获方法，基于现有跳频体制的抗截获性能，结合混沌保密通信理论，将一般的MFSK体制经过混沌码调制后伪装成随机跳频体制，可以起到迷惑敌方进行跳频截获或者干扰的作用，而我方仅需要检测频点的方式即可获取真实有效信息，且混沌码的不可逆性保证了真实信号的不可截获性，因此本发明简单有效且可以避开直接对抗，与现有常用的抗截获技术相比，具有更好的抗截获性能和抗跟踪干扰性能。

Description

一种MFSK伪装为跳频体制的抗截获方法

技术领域

本发明涉及测控通信技术领域，具体涉及一种将MFSK伪装为跳频体制的抗截获方法。

背景技术

伴随航空航天事业的持续发展，航天遥测、遥控、外测、靶场实验等关键数据的保密性、可靠性以及反窃取对于国家安全至关重要。对于测控通信系统，敌方信息侦测将严重威胁各类飞行器、航天器、战略投送器的发射与飞行安全。而抗截获技术主要是为了确保信息安全，即使敌方知道我方在通信，但抓不住我方通信内容。因此，测控信号在航天任务中的特殊地位以及航天通信安全的重要性，决定了航天测控系统必须具有更强的抗截获和抗干扰能力。

由于扩频和跳频自身具有很好的保密和抗截获优势，跳频和扩频体制被引入航天领域弥补传统体制的不足以提高抗截获能力。常规跳频(FH)存在跟踪干扰下系统性能严重下降导致抗截获能力突降的问题，而差分跳频(DFH)和随机跳频通信系统则存在硬件开销较大、组网规划比较困难等问题，且抗部分频带干扰性能弱。现有基于信号特征的各种截获技术包括基于瞬时特征的识别方法、基于小波变换等时频分析方法、基于星座图特征的识别算法、基于谱特征及信号统计量的识别算法等，这些方法存在信道适用性或信噪比的限制。但随着现有截获设备计算能力和信息处理水平的提高，当前各种基于跳扩频的体制面临着极大的截获风险。

现有防御和破解手段层出不穷，然而这些传统的对抗永远是矛和盾的问题。如何避开这些已有技术的缺陷和无休止的此消彼长过程，寻找更为简单有效的对抗方式将是发展的趋势。若能够使通信体制得到伪装隐藏，诱导欺骗敌方使得其干扰无效将具有极大的应用价值和前景。

发明内容

针对现有测控跳频体制抗截获能力不足，本发明旨在提供一种MFSK伪装为跳频体制的抗截获方法，将一般的MFSK体制经过混沌码调制后伪装成随机跳频体制，迷惑敌方进行跳频截获或者干扰，而我方仅需要检测频点的方式即可获取真实有效信息，且混沌码的不可逆性保证了真实信号的不可截获性，能实现避开直接对抗且简单有效。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种MFSK伪装为跳频体制的抗截获方法，包含信息发送端和信息接收端；所述方法包括如下步骤：

S1信息发送端将经编码交织后的真实信息通过与逻辑映射(Logistic-Map)混沌序列异或，生成随机跳频序列，然后通过指令译码器和频率合成器控制生成跳频图案，从而将真实信息隐藏在跳频系统的伪码部分；

S2信息发送端将码速率为F_{b_false}的虚假信息f_x通过二进制频移键控(BFSK)调制后得到基带调制信号f_{x_false}，其采样率为F_{s_false}，与步骤S1生成的跳频图案进行混频，然后进行发送；

S3信息接收端接收信号后，提取跳频图案，估计出接收信号的时频脊线；

S4将得到的时频脊线转换为跳频序列，再经与步骤S1相同的逻辑映射(Logistic-Map)混沌序列异或，解交织译码后得到真实信息。

需要说明的是，步骤S1的具体方法如下：

1.1)将码数率为F_{b_real}的真实有效的信息x经过码率为q/n的(n,q,N)卷积码编码器，其中n为码长，q为信息位数，N为编码约束度；然后经过交织度m的卷积交织器进行卷积交织得到序列x₁，采样率为F_{s_real}；

1.2)产生逻辑映射(Logistic-Map)混沌序列y，其动力学方程如下：

y_n+1＝μy_n(1-y_n)；

其中μ为分形参数，y_n为当前状态，y_n+1为下一个状态，从初始值y₀开始迭代，就可以得到序列y＝{y₀,y₁,y₂,…,y_i,…}。

1.3)将经过卷积交织器的信息x₁与混沌序列y异或得到伪随机序列z：

1.4)得到的伪随机序列z通过指令译码器，控制频率合成器生成跳频图案X，具体做法是：将得到的伪随机序列z通过映射，即将每p位二进制转换为一位十进制随机数d，然后在指令译码器和频率合成器作用下，生成最低频率f_L和最高频率f_H之间、跳频间隔为f_I、与随机数d对应的跳频载波f_c(d)为：

f_c(d)＝f_L+(d-1)*f_I；

跳频载波f_c(d)即为跳频图案X。

需要说明的是，步骤S3中，信号接收端是采用短时傅里叶变换谱图与最小二乘拟合法来估计跳速和跳变时刻，然后利用单频信号频率估计法来对每个跳频周期内的信号进行精确估频，从而提取出精确的跳频图案，具体方法如下：

3.1)通过短时傅里叶变换谱图法对接收信号r进行处理，得到信号的粗估计时频脊线r₁；

3.2)对得到的粗估的时频脊线r₁作一阶差分，以此来凸显信号的跳变位置，差分后的信号为r₂；

3.3)在一阶差分后的信号中选取若干峰值位置，利用最小二乘法(LS)作线性拟合得一条直线；具体方法是：

在r₂中选取M个峰值位置p(i)，i＝1,2,3,…,M，把它们编号并转换为(i,p(i))坐标形式，其中，i代表时隙编号，即第几个跳频时隙，p(i)代表帧号，即跳变时刻，两个帧号之差就是一个跳频时隙持续的帧数；将选取的M个坐标点代入最小二乘算法公式：

p＝ki+b；

该直线p的斜率k就是跳频点平均占有的数据帧的数目，用帧数k乘以短时傅里叶变换滑窗步长s就是跳频时隙，在此用数据点数c表示跳频时隙，即：

c＝k×s；

再根据采样率F_{s_real}与单个频点持续时间的固有关系得出计算下式：

就可估计出跳速R；

3.4)估计出跳速R后，进一步估计出跳变时刻αT_h，其中T_h＝1/R为跳频周期，α则由下式得出：

3.5)估计出跳速R和跳变时刻αT_h后，对每个跳变周期内的单频信号采用单频信号频率估计法进行精确估频，在接收到的单频信号中任取一段长度为l的数据r_t，t＝0,1,2,...,l-1，依据下式准确地估计出信号载波频率f：

其中：符号*表示取共轭，∠表示求信号r_t和信号r_t+1的相位差；信号载波频率f即为信号接收端已经精确估计出系统的跳频图案。

需要说明的是，步骤S4的具体方法如下：

4.1)系统最低频率f_L和跳频间隔f_I已知，由公式可将步骤S3中提取得到的跳频图案f，即不同时间内的频率，转换为序列rd，再经逆映射，即将每位十进制数rd转换为p位二进制数，即可得到伪随机序列rz；

4.2)利用与信号发送端相同的混沌序列y与伪随机序列rz进行异或得到rx：

4.3)将得到的序列rx，经过与信号发送端相对应的交织度为m的解卷积交织器后得到序列，再经与信号发送端卷积编码相对应的维特比译码器后得到真实有效的信息。

本发明的有益效果在于：

1、本发明基于现有跳频体制的抗截获性能，结合混沌保密通信理论，将一般的MFSK体制经过混沌码调制后伪装成随机跳频体制，可以起到迷惑敌方进行跳频截获或者干扰的作用，而我方仅需要检测频点的方式即可获取真实有效信息，且混沌码的不可逆性保证了真实信号的不可截获性，因此本发明简单有效且可以避开直接对抗，与现有常用的抗截获技术相比，具有更好的抗截获性能和抗跟踪干扰性能；

2、本发明可适用于MFSK伪装为跳频的抗截获增强方法的建模，所建立的抗截获增强方案的模型可用于调制/解调、信道编码、信道估计--不同跟踪干扰的算法设计和性能评估。

附图说明

图1为本发明实施例的实施流程图；

图2为本发明实施例的原理框图；

图3为本发明实施例信号接收端在进行短时傅里叶变换谱图变换后得到的粗估的信号时频脊线；

图4为本发明实施例信号接收端将粗估的时频脊线进行一阶差分后得到跳频时刻图；

图5为本发明实施例信号接收端经过单频信号频率估计法进行精确估频后的信号精确的时频脊线图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1所示，本发明实施例的MFSK伪装为跳频体制的抗截获方法包括以下步骤：

步骤S101、信息发送端将经编码交织后的真实信息通过与混沌信息异或，生成随机跳频序列，然后通过指令译码器和频率合成器控制生成跳频图案，从而将真实信息隐藏在跳频系统的伪码部分；具体流程如图2中的点-点式框中所示，包括：

1.1)将码速率为F_{b_real}＝25kbps的真实有效信息x[1:990(数据长度)]经过码率q/n＝1/2的(2,1,2)卷积码编码器，然后经过交织度为5，补零长度为20的卷积交织器进行卷积交织得到序列x₁[1:2000]，其采样率为F_{s_real}＝5MHz；

1.2)产生Logistic-Map混沌序列y[1:2000(数据长度)]，其动力学方程为：

y_n+1＝μy_n(1-y_n)；

其中μ为分形参数取3.96989，y_n为当前状态，y_n+1为下一个状态，从初始值y₀开始迭代，就可以得到序列y＝{y₀,y₁,y₂,…,y_i,…}。此处初始值y₀取0.8978。

1.3)将经过交织器的信息x₁与混沌序列y异或得到伪随机序列z：

1.4)得到的伪随机序列z通过指令译码器，控制频率合成器生成跳频图案X，具体方法为：将得到的伪随机序列z通过映射，即将每5位二进制转换为一位十进制数d，然后在指令译码器和频率合成器作用下，生成f_L＝30M(最低频率)和f_H＝31.55M(最高频率)之间、跳频间隔为f_I＝0.05M、与随机数d对应的跳频载波f_c(d)：

f_c(d)＝f_L+(d-1)*f_I

即跳频图案X[1:200000(数据长度)]。

步骤S102、信息发送端将码速率为10kbps的虚假信息f_x[1:400(数据长度)]通过常规调制——二进制频移键控(BFSK)后得到基带调制信号f_{x_false}[1:200000(数据长度)]，其采样率为5MHz，然后与生成的跳频图案X进行混频，然后进行发送；如图2中点-线式框中所示。

步骤S103、提取接收端跳频图案，采用的是短时傅里叶变换谱图与最小二乘拟合联合法来估计跳速和跳变时刻，然后采用单频信号频率估计法来对每个跳频周期内的信号进行单频估计，从而提取出跳频图案。本实施例中，采用Kay提出的一种快速高精度单频信号频率估计法。具体步骤为：

3.1)通过短时傅里叶变换谱图法对接收信号r进行处理，得到信号的粗估计时频脊线r₁；如图3所示；

3.2)对得到的粗估的时频脊线r₁作一阶差分，以此来凸显信号的跳变位置，差分后的信号为r₂；如图4所示；

3.3)在一阶差分后的信号中选取若干峰值位置，利用最小二乘法(LS)作线性拟合得一条直线；具体方法是：

在r₂中选取M＝250个峰值位置p(i)，i＝1,2,3,…,M，把它们编号并转换为(i,p(i))坐标形式，其中，i代表时隙编号，即第几个跳频时隙，p(i)代表帧号，即跳变时刻，两个帧号之差就是一个跳频时隙持续的帧数；将选取的M个坐标点代入最小二乘算法公式：

p＝ki+b；

该直线p的斜率k就是跳频点平均占有的数据帧的数目，用帧数k乘以短时傅里叶变换滑窗步长s＝256就是跳频时隙，在此用数据点数c表示跳频时隙，即：

c＝k×s；

再根据采样率F_{s_real}与单个频点持续时间的固有关系得出计算下式：

就可估计出跳速R；

3.4)估计出跳速R后，进一步估计出跳变时刻αT_h，其中T_h＝1/R为跳频周期，α则由下式得出：

3.5)估计出跳速R和跳变时刻αT_h后，对每个跳变周期内的单频信号采用Kay提出的快速高精度单频信号频率估计法进行精确估频，在接收到的单频信号中任取一段长度为50的数据r_t，t＝0,1,2,...,49，依据下式：

其中：符合*表示取共轭，∠表示求信号r_t和信号r_t+1的相位差。从而可准确地估计出信号载波频率f。

3.6)从而就可准确地估计出信号的时频脊线，如图5所示。

步骤S104、将步骤103得到的时频脊线转换为跳频序列，再经与混沌异或，解交织译码后得到真实信息，具体步骤为：

4.1)将得到的时频脊线通过1.4)的逆过程可以得到伪随机序列rz；

4.2)利用与信号发送端相同的混沌序列y与伪随机序列rz进行异或得到rx：

4.3)将得到的序列rx，经过与信号发送端相对应的交织度为m的解卷积交织器后得到序列，再经与信号发送端卷积编码相对应的维特比译码器后得到真实有效的信息。

至此完成了对MFSK伪装为跳频体制的模拟。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种MFSK伪装为跳频体制的抗截获方法，包含信息发送端和信息接收端；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1信息发送端将经编码交织后的真实信息通过与逻辑映射(Logistic-Map)混沌序列异或，生成随机跳频序列，然后通过指令译码器和频率合成器控制生成跳频图案，从而将真实信息隐藏在跳频系统的伪码部分；

S2信息发送端将码速率为F_{b_false}的虚假信息f_x通过二进制频移键控(BFSK)调制后得到基带调制信号f_{x_false}，其采样率为F_{s_false}，与步骤S1生成的跳频图案进行混频，然后进行发送；

S3信息接收端接收信号后，提取跳频图案，估计出接收信号的时频脊线；

S4将得到的时频脊线转换为跳频序列，再经与步骤S1相同的逻辑映射(Logistic-Map)混沌序列异或，解交织译码后得到真实信息。

2.根据权利要求1所述的MFSK伪装为跳频体制的抗截获方法，其特征在于，步骤S1的具体方法如下：

1.1)将码数率为F_{b_real}的真实有效的信息x经过码率为q/n的(n,q,N)卷积码编码器，其中n为码长，q为信息位数，N为编码约束度；然后经过交织度m的卷积交织器进行卷积交织得到序列x₁，采样率为F_{s_real}；

1.2)产生逻辑映射(Logistic-Map)混沌序列y，其动力学方程如下：

y_n+1＝μy_n(1-y_n)；

其中μ为分形参数，y_n为当前状态，y_n+1为下一个状态，从初始值y₀开始迭代，就可以得到序列y＝{y₀,y₁,y₂,…,y_i,…}；

1.3)将经过卷积交织器的信息x₁与混沌序列y异或得到伪随机序列z：

1.4)得到的伪随机序列z通过指令译码器，控制频率合成器生成跳频图案X，具体做法是：将得到的伪随机序列z通过映射，即将每p位二进制转换为一位十进制随机数d，然后在指令译码器和频率合成器作用下，生成最低频率f_L和最高频率f_H之间、跳频间隔为f_I、与十进制随机数d对应的跳频载波f_c(d)为：

f_c(d)＝f_L+(d-1)*f_I；

跳频载波f_c(d)即为跳频图案X。

3.根据权利要求1所述的MFSK伪装为跳频体制的抗截获方法，其特征在于，步骤S3中，信号接收端是采用短时傅里叶变换谱图与最小二乘拟合法来估计跳速和跳变时刻，然后利用单频信号频率估计法来对每个跳频周期内的信号进行精确估频，从而提取出精确的跳频图案，具体方法如下：

3.1)通过短时傅里叶变换谱图法对接收信号r进行处理，得到信号的粗估计时频脊线r₁；

3.2)对得到的粗估的时频脊线r₁作一阶差分，以此来凸显信号的跳变位置，差分后的信号为r₂；

3.3)在一阶差分后的信号中选取若干峰值位置，利用最小二乘法(LS)作线性拟合得一条直线；具体方法是：

在r₂中选取M个峰值位置p(i)，i＝1,2,3,…,M，把它们编号并转换为(i,p(i))坐标形式，其中，i代表时隙编号，即第几个跳频时隙，p(i)代表帧号，即跳变时刻，两个帧号之差就是一个跳频时隙持续的帧数；将选取的M个坐标点代入最小二乘算法公式：

p＝ki+b；

该直线p的斜率k就是跳频点平均占有的数据帧的数目，用帧数k乘以短时傅里叶变换滑窗步长s就是跳频时隙，在此用数据点数c表示跳频时隙，即：

c＝k×s；

再根据采样率F_{s_real}与单个频点持续时间的固有关系得出计算下式：

就可估计出跳速R；

3.4)估计出跳速R后，进一步估计出跳变时刻αT_h，其中T_h＝1/R为跳频周期，α则由下式得出：

3.5)估计出跳速R和跳变时刻αT_h后，对每个跳变周期内的单频信号采用单频信号频率估计法进行精确估频，在接收到的单频信号中任取一段长度为l的数据r_t，t＝0,1,2,...,l-1，依据下式准确地估计出信号载波频率f：

其中：符号*表示取共轭，∠表示求信号r_t和信号r_t+1的相位差；信号载波频率f即为信号接收端已经精确估计出系统的跳频图案。

4.根据权利要求1所述的MFSK伪装为跳频体制的抗截获方法，其特征在于，步骤S4的具体方法如下：

4.1)系统最低频率f_L和跳频间隔f_I已知，由公式可将步骤S3中提取得到的跳频图案f，即不同时间内的频率，转换为序列rd，再经逆映射，即将每位十进制数rd转换为p位二进制数，即可得到伪随机序列rz；

4.2)利用与信号发送端相同的混沌序列y与伪随机序列rz进行异或得到rx：

4.3)将得到的序列rx，经过与信号发送端相对应的交织度为m的解卷积交织器后得到序列，再经与信号发送端卷积编码相对应的维特比译码器后得到真实有效的信息。