CN108768580A - 一种面向隐蔽通信的fm广播信号后向散射方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法及系统，先利用变换域通信理论产生与语音信号正交的两路噪声信号，并将两路隐蔽信息分别调制在所产生的两路噪声信号之上，生成内嵌了隐蔽信息的两路伪噪声信号；然后将两路伪噪声信号进行立体声调制得到立体伪噪声，以匹配FM语音信号结构；再对立体伪噪声进行正交载波FM调制；最后在无源系统上对调制后的信号进行阻抗匹配，采用后向散射方法将调制后的信号发送出去。本发明具有功耗低、成本低、抗干扰和抗截获能力强且隐蔽性高的优点。

Description

一种面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法及系统

技术领域

本发明涉及数据通信领域，尤其涉及隐蔽信息的数据通信方面，更具体地说，涉及一种面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法及系统。

背景技术

隐蔽通信是通信中的一种重要形式，在军事、金融、航空、经济以及物联网安全等领域均具有巨大的应用前景。相对于正常的通信，隐蔽通信还有抗干扰、抗截获方面的特殊要求。目前隐蔽通信的主要技术途径是利用直接序列扩频技术、跳频技术或超宽带技术产生低功率波形来实现在信号层面的不可感知或利用加解密技术实现信息层面的安全性。但由于直扩、跳频技术出现时间较早，针对这类波形已存在很多有效的对抗手段。因此，这类技术相关的设备的隐蔽性不强，容易被各种先进的截获设备发现并截获，甚至摧毁。

目前比较新颖的隐蔽通信方式主要包括雷达信号嵌入式通信、寄生干扰通信、卫星重叠通信,卫星变换域通信等，但这类方法利用已有的一些通信或干扰信号，将待传输的隐蔽信息嵌入或叠加在其之上，在通信行为上相对传统的方式隐蔽性得到了提高，但归根结底，它们还是利用己方有意发射的电磁波，而不是第三方辐射的电磁波，暴露风险仍然很大。

经过调研发现后向散射技术可以将要传输的信息调制到第三方空间电磁波之上，实现完全无源的通信，具有节能、频谱节约、抗干扰性和抗截获性强等诸多优势。更重要的是，近年来，借助射频能量收集天线、高阶散射调制和扩频、超低功耗放大、智能信号处理等一系列理论、方法和技术的提出和完善，后向散射通信在通信速率和距离等指标上取得了很大突破，已经具有相当高的工程应用价值。目前已经实现了在868MHz频段，28dBm辐射功率条件下长达3400m的通信距离以及实现了在915MHz频段、36dBm辐射功率、17m通信距离条件下最高96Mbps的后向散射通信。

但是，目前后向散射通信技术一般采用OOK调制方式，隐蔽性能很差。在接收端，只需要通过一个简单的包络检波电路即可完成隐蔽信息的检测和提取。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中后向散射通信技术一般采用OOK调制方式，隐蔽性能很差的技术缺陷，提供一种面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法及系统。

根据本发明的其中一方面，本发明为解决其技术问题，提供了一种面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法，包含如下步骤：

S1、利用变换域通信理论产生与语音信号正交的两路噪声信号，并将两路隐蔽信息分别调制在所产生的两路噪声信号之上，生成内嵌了隐蔽信息的两路伪噪声信号；

S2、将两路伪噪声信号进行立体声调制得到立体伪噪声，以匹配FM语音信号结构；

S3、对立体伪噪声进行正交载波FM调制；

S4、在无源系统上对调制后的信号进行阻抗匹配，采用后向散射方法将调制后的信号发送出去。

进一步的，在本发明的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法中，步骤S1中的两路所述伪噪声信号的生成均包括以下步骤：

S21、产生一个初始频谱标记向量，该初始频谱标记向量决定在哪些频点嵌入隐蔽信息；

S22、将初始频谱标记与随机相位映射器产生的等长度复随机相位向量做数量积处理，为每一个可用频点加载一个随机相位；

S23、对数量积处理之后的信号进行幅度调整，以保证有一定的发射功率；

S24、利用逆快速傅里叶变换对幅度调整之后的信号进行处理，得到一个噪声的时域信号；

S25、将隐蔽信息调制到步骤S24中的所述噪声之中，再与语音信号叠加，构成混合语音信息作为所述伪噪声信号。

进一步的，在本发明的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法中，步骤S25中所述调制具体是通过差分混沌键控或正交混沌键控调制方式进行调制。

进一步的，在本发明的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法中，所述步骤S2中所述将两路伪噪声信号进行立体声调制得到立体伪噪声具体是指：对于伪噪声信号a和伪噪声信号b,调制得到的立体伪噪声由a+b和双边带a-b组成。

进一步的，在本发明的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法中，步骤S3对立体伪噪声进行正交载波FM调制是通过下述公式进行调制的：

式中，FM_mix,1(t)为调制后的信号，f_c为载波中心频率，FM_audio(τ)为基带语音信号，△f为频偏系数，s(t)为隐蔽信息，f_back为载波频偏频率，FM_chaos(s(τ))为立体伪噪声。

进一步的，在本发明的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法中，所述步骤S4中载波信号通过两路周期相同的方波信号形成，两路方波信号之间相差四分之一个周期，且载波频偏频率为0。

进一步的，在本发明的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法中，所述步骤S4在进行信号调制中产生的方波只有±1两种电平，对应的调制电路中具有四种系统阻抗，这四组阻抗的形式为：1+j、1-j、-1+j以及-1-j。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射系统，包含如下模块：

伪噪声信号形成模块，用于利用变换域通信理论产生与语音信号正交的两路噪声信号，并将两路隐蔽信息分别调制在所产生的两路噪声信号之上，生成内嵌了隐蔽信息的两路伪噪声信号；

立体伪噪声形成模块，用于将两路伪噪声信号进行立体声调制得到立体伪噪声，以匹配FM语音信号结构；

立体伪噪声调制模块，用于对立体伪噪声进行正交载波FM调制；

阻抗匹配发射模块，用于在无源系统上对调制后的信号进行阻抗匹配，采用后向散射方法将调制后的信号发送出去。

进一步地，在本发明的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射系统中，伪噪声信号形成模块中的两路所述伪噪声信号的生成均通过下述单元实现：

向量产生模块，用于产生一个初始频谱标记向量，该初始频谱标记向量决定在哪些频点嵌入隐蔽信息；

数量积处理单元，用于将初始频谱标记与随机相位映射器产生的等长度复随机相位向量做数量积处理，为每一个可用频点加载一个随机相位；

幅度调整单元，用于对数量积处理之后的信号进行幅度调整，以保证有一定的发射功率；

IFFT处理单元，用于利用逆快速傅里叶变换对幅度调整之后的信号进行处理，得到一个噪声的时域信号；

信号形成单元，用于将隐蔽信息调制到步骤S24中的所述噪声之中，再与语音信号叠加，构成混合语音信息作为所述伪噪声信号。

进一步地，在本发明的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射系统中，立体伪噪声调制模块对立体伪噪声进行正交载波FM调制是通过下述公式进行调制的：

式中，FM_mix,1(t)为调制后的信号，f_c为载波中心频率，FM_audio(τ)为基带语音信号，△f为频偏系数，s(t)为隐蔽信息，f_back为载波频偏频率，FM_chaos(s(τ))为立体伪噪声。

为此，本发明提出一种面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法与系统，充分利用FM基站发射功率大，信号覆盖面积广，频段低、可穿透性强、连续发射不间断的优势，将待传输的隐蔽信息搭载在FM广播信号之上进行协同传输和共享解调。本发明所提的优点在于：

(1)低功耗：利用后向散射技术对环境中广泛存在的FM广播信号进行反射式发射(该过程几乎不耗能)，而非采用传统通信所必需的DAC、功放等耗能器件进行发射，能以比传统通信方式低几个数量级的功率完成同样的通信性能；

(2)低成本：不需要专门的通信收发设备，硬件上只需要一片低成本射频标签以及一台任何包括FM接收芯片的现成终端或平台即可完成全部隐蔽通信过程。相对于传统的通信方式，硬件成本大大降低，方便未来大规模通信设备组网；

(3)抗干扰和抗截获能力强：由于系统不主动辐射电磁波，依靠能量定位的无源探测系统无法进行有效的探测和发现，可以大大降低被其干扰和截获的概率；

(4)隐蔽性高：过对现有后向散射技术的改进，使得后向散射后的射频信号和基带信号均能保持良好的综合不可感知性，非合作接收方难以从复杂电磁环境中察觉信号的异常，即使察觉到，也难以提取隐蔽信息或实施干扰。

本发明所提方法与系统基于通信物理层实现，可以和现有的加解密方法兼容使用，作为其重要补充，不仅可以用于未来信息化军事战场隐蔽通信、军用物流、低截获通信、机要人员境外通信等领域，还可以用于物联网社会中电子身份认证、数字签名、体域网等物联网安全领域，具有广阔的应用前景，为隐蔽通信的工程应用提供了一条新颖有效的途径。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法一实施例的流程图；

图2是本发明图1所示实施例中的噪声生成方法流程图；

图3是本发明图1所示实施例中的立体造成调制示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参考图1，其为本发明的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法一实施例的流程图。

首先利用变换域通信理论产生与语音信号正交的两路噪声信号，并将两路隐蔽信息分别调制在所产生的两路噪声信号之上，生成两路内嵌了隐蔽信息的“伪噪声”信号；

其次再将两路“伪噪声”信号进行立体声调制得到“立体伪噪声”，以匹配FM语音信号结构，方便接收端对混合信号进行快速分离；

然后对“立体伪噪声”进行正交载波FM调制，避免差频分量的产生；

最后在无源系统上对调制后的信号进行阻抗匹配，采用后向散射方法将调制后的信号发送出去。

针对图1中的最优噪声生成算法：拟采用变换域通信理论产生与音频信号近似正交的“噪声”信号，叠加于语音信号之上，以降低对语音信号的影响和后续解调。算法流程图如图2所示。

首先产生一个初始频谱标记向量(该向量决定在哪些频点嵌入隐蔽信息)，将其与随机相位映射器产生的等长度复随机相位向量做数量积，为每一个可用频点加载一个随机相位；

然后对数量积处理之后的信号进行幅度调整，以保证有一定的发射功率，再利用逆快速傅里叶变换得到一个类似噪声的时域信号；

最后将通过差分混沌键控或正交混沌键控等调制方式将隐蔽信息嵌入到噪声之中，再与语音信号叠加，构成混合语音信息。

叠加FM后向散射算法：首先基于图3所示原理进行立体声调制，产生“立体伪噪声”(由图中a+b和双边带a-b组成，不含导频和RDS信号，其中a和b为上一步提供的“伪噪声”)，通过这种立体调制，接收端可以在不更改任何硬件的情况下正常解调得到左右声道混合信号(如图3所示，左声道为L+a，右声道为R+b，其中L和R分别为载体语音的左右声道)。

然后进行正交载波FM调制，令入射FM广播信号为：

其中f_c为载波中心频率，FM_audio(τ)为基带语音信号，△f为频偏系数。假设待传输的隐蔽信息为s(t)，则常规后向散射后将生成信号s(t)FM_carrier(t)。显然，该信号幅度随着隐蔽信息剧烈变化，很容易在射频层面就被识别和发现。因此，本实施例首先将“立体伪噪声”进行FM调制，转换为标准FM格式的信号，如公式(2)所示。

其中，f_back为载波频偏频率，FM_chaos(s(τ))为“立体伪噪声”。

由于两个信号格式相同，相乘后会产生一个和频分量和一个差频分量，如公式(3)所示。

如公式(3)所示，隐蔽信息以噪声形式叠加在FM基带语音信号之上，后向散射后信号仍保持原来的格式不变，只是产生了一个差频分量，为滤除该差频分量，采用复信号调制替换上述过程，实现单边带调制。

天线阻抗调制方法：尽管叠加后向散射算法原理并不复杂，但对于无源系统而言，产生正交载波依然是一个比较耗能的过程，因此我们拟采用方波近似替代正弦波(假设谐波可以忽略不计)。将两路周期相同的方波(优选为波形相同)的其中一路进行1/4周期相移，即可得到两路正交的方波信号，把它们作为图1中射频开关的控制信号，即可简洁地完成叠加后向散射过程。另外，为避免空闲信道出现异常语音信号，本实施例固定f_back为0。

图1中Z_c1、Z_c2、Z_c3和Z_c4的取值应根据后向散射理论进行选取，散射前后的信号存在如公式(4)所示关系。

其中Z_a为天线阻抗，Z_c为系统阻抗。复信号调制中产生的方波信号只有±1两种电平，因此有四种复阻抗形式：1+j，1-j，-1+j，-1-j，分别对应四种系统阻抗Z_c1、Z_c2、Z_c3和Z_c4。

综合上述三个步骤，系统只需要进行简单的数字逻辑运算，即可完成深度隐藏FM后向散射过程。

本发明提出的利用空间中广泛存在的FM广播信号进行隐蔽通信的基本思路与现有的基于主动有源电磁辐射的射隐蔽通信方法都不一样，是一种真正的无源隐蔽通信方法。

本发明的具体创新之处在于利用深度隐蔽FM后向散射技术在不破坏入射射频信号结构的前提下，将隐蔽信息以低功率“噪声”形式跳过射频直接叠加在非平稳FM语音信号之上，保持其射频层面的信号完整性以“迷惑”现有的各种射频分析和识别方法，实现信息的深度隐藏；

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法，其特征在于，包含如下步骤：

S1、利用变换域通信理论产生与语音信号正交的两路噪声信号，并将两路隐蔽信息分别调制在所产生的两路噪声信号之上，生成内嵌了隐蔽信息的两路伪噪声信号；

S2、将两路伪噪声信号进行立体声调制得到立体伪噪声，以匹配FM语音信号结构；

S3、对立体伪噪声进行正交载波FM调制；

S4、在无源系统上对调制后的信号进行阻抗匹配，采用后向散射方法将调制后的信号发送出去。

2.根据权利要求1所述的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法，其特征在于，步骤S1中的两路所述伪噪声信号的生成均包括以下步骤：

S21、产生一个初始频谱标记向量，该初始频谱标记向量决定在哪些频点嵌入隐蔽信息；

S22、将初始频谱标记与随机相位映射器产生的等长度复随机相位向量做数量积处理，为每一个可用频点加载一个随机相位；

S23、对数量积处理之后的信号进行幅度调整，以保证有一定的发射功率；

S24、利用逆快速傅里叶变换对幅度调整之后的信号进行处理，得到一个噪声的时域信号；

S25、将隐蔽信息调制到步骤S24中的所述噪声之中，再与语音信号叠加，构成混合语音信息作为所述伪噪声信号。

3.根据权利要求1所述的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法，其特征在于，步骤S25中所述调制具体是通过差分混沌键控或正交混沌键控调制方式进行调制。

4.根据权利要求1所述的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法，其特征在于，所述步骤S2中所述将两路伪噪声信号进行立体声调制得到立体伪噪声具体是指：对于伪噪声信号a和伪噪声信号b,调制得到的立体伪噪声由a+b和双边带a-b组成。

5.根据权利要求1所述的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法，其特征在于，步骤S3对立体伪噪声进行正交载波FM调制是通过下述公式进行调制的：

式中，FM_mix,1(t)为调制后的信号，f_c为载波中心频率，FM_audio(τ)为基带语音信号，△f为频偏系数，s(t)为隐蔽信息，f_back为载波频偏频率，FM_chaos(s(τ))为立体伪噪声。

6.根据权利要求1所述的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法，其特征在于，所述步骤S4中载波信号通过两路周期相同的方波信号形成，两路方波信号之间相差四分之一个周期，且载波频偏频率为0。

7.根据权利要求6所述的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射方法，其特征在于，所述步骤S4在进行信号调制中产生的方波只有±1两种电平，对应的调制电路中具有四种系统阻抗，这四组阻抗的形式为：1+j、1-j、-1+j以及-1-j。

8.一种面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射系统，其特征在于，包含如下模块：

伪噪声信号形成模块，用于利用变换域通信理论产生与语音信号正交的两路噪声信号，并将两路隐蔽信息分别调制在所产生的两路噪声信号之上，生成内嵌了隐蔽信息的两路伪噪声信号；

立体伪噪声形成模块，用于将两路伪噪声信号进行立体声调制得到立体伪噪声，以匹配FM语音信号结构；

立体伪噪声调制模块，用于对立体伪噪声进行正交载波FM调制；

阻抗匹配发射模块，用于在无源系统上对调制后的信号进行阻抗匹配，采用后向散射方法将调制后的信号发送出去。

9.根据权利要求8所述的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射系统，其特征在于，伪噪声信号形成模块中的两路所述伪噪声信号的生成均通过下述单元实现：

向量产生模块，用于产生一个初始频谱标记向量，该初始频谱标记向量决定在哪些频点嵌入隐蔽信息；

数量积处理单元，用于将初始频谱标记与随机相位映射器产生的等长度复随机相位向量做数量积处理，为每一个可用频点加载一个随机相位；

幅度调整单元，用于对数量积处理之后的信号进行幅度调整，以保证有一定的发射功率；

IFFT处理单元，用于利用逆快速傅里叶变换对幅度调整之后的信号进行处理，得到一个噪声的时域信号；

信号形成单元，用于将隐蔽信息调制到步骤S24中的所述噪声之中，再与语音信号叠加，构成混合语音信息作为所述伪噪声信号。

10.根据权利要求8所述的面向隐蔽通信的FM广播信号后向散射系统，其特征在于，立体伪噪声调制模块对立体伪噪声进行正交载波FM调制是通过下述公式进行调制的：

式中，FM_mix,1(t)为调制后的信号，f_c为载波中心频率，FM_audio(τ)为基带语音信号，△f为频偏系数，s(t)为隐蔽信息，f_back为载波频偏频率，FM_chaos(s(τ))为立体伪噪声。