CN109120371B - 一种单工通信状态下模拟视频信号的抗干扰保密通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单工通信状态下模拟视频信号的抗干扰保密通信方法，其步骤包括：1生成收发双方共知的频点列表1和频点列表2；通过频点列表1生成跳频序列3，并按常规跳频通信模式完成收发端初始同步和通信联络；以频点列表2为基础设计通信过程中的随机跳频方案并进行加密；发送端利用上一帧模拟视频信号的场消隐段加载和传输后续通信信号的频点跳变的加密信息；接收端接收加密信息后解密出后续待接收信号的频点跳变方案，并按跳频方案改变接收端频点；每隔一个固定周期，恢复一次按跳频序列3进行的常规跳频通信，重建收发系统的同步状态。本发明能在原有常规跳频通信基础上有效提高模拟视频信号单工通信状态下的保密性和抗干扰性。

Description

一种单工通信状态下模拟视频信号的抗干扰保密通信方法

技术领域

本发明涉及保密通信领域，尤其涉及的是一种单工通信状态下模拟视频信号的抗干扰保密通信方法。

背景技术

随着无人机载、车载、弹载等视频侦测装备在军事领域的广泛应用，在现代战争中的电子对抗越演越烈的背景下，视频信号的抗干扰保密通信传输变得越来越重要。由于模拟视频信号不存在时延，对于信号时延要求很高的视频侦测装备，目前仍有不少采用模拟视频信号进行传输。现有模拟视频信号若采用定频通信，则极易在通信过程中被第三方干扰和截获。比较常见的保密通信方法为跳频通信，即收发双方通过事先约定好的跳频图案同步进行频点跳变通信，而从使第三方不易截获。这种方法适合于单工状态下的模拟视频信号的保密传输，但一旦受人为干扰，特别是跟踪干扰时，则易出现信号丢失现象。为增强常规跳频通信的抗干扰能力，可采用一种自适应跳频通信技术，即双方按事先约定的跳频图案进行频点跳变通信时，一旦受到干扰，接收端的频率感知模块可通过感测跳频图案中所有频点的噪声功率幅值并发送给发送端使其优化选择下一个适合的跳变频点，从而实现抗干扰。这种自适应跳频通信方法抗干扰性要优于常规跳频通信方法，但要求通信是在双工通信状态下进行，不适用于单工状态下的模拟视频信号的保密传输。而且自适应跳频通信方法尽管在通信过程中频点跳变的顺序可实时变化和更新，但和常规跳频通信方法一样，均是由通信双方事先约定好一个经过设计后的跳频图案，而并非通信过程中实时产生跳频图案，存在提前泄密而使第三方进行跟踪干扰的可能性。

由于现代战争电子对抗的广度和深度都空前增大，现有适用于单工通信状态下的跳频通信技术需在保密性和抗干扰性两方面进一步提升。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种单工状态下的模拟视频信号抗干扰保密通信方法，以期能通过跳频图案的实时生成和定期恢复一次常规跳频通信模式来进行模拟视频信号单工通信，从而在原有常规跳频通信基础上有效提高模拟视频信号单工通信状态下的保密性和抗干扰性。

本发明为达到上述发明目的，采用以下技术方案实现：

本发明一种单工通信状态下模拟视频信号的抗干扰保密通信方法的特点是，所述抗干扰保密通信方法是应用于由发送端和接收端所组成的单向通信环境中，并按如下步骤进行：

第一步：所述发送端和接收端所代表的发收双方按预先设定的跳频图案进行跳频通信，从而在常规跳频通信模式下完成所述发收双方的初始化同步与联络；

第二步：所述发送端开始在向所述接收端传输的模拟视频信号的当前场消隐段中加载有关下一场信号的实时跳频方案的加密信息；

第三步：所述接收端接收到所述模拟视频信号的当前场消隐段的加密信息后进行实时解密，得到所述实时跳频方案，并根据所述实时跳频方案跳变自身频点以正确接收下一场的模拟视频信号，从而进入实时解密跳频通信模式；

第四步：在所述实时解密跳频通信模式中，所述接收端和发送端完成所述模拟视频信号中固定帧数的传输后，又恢复如步骤一所述的按预定跳频图案进行跳频通信，且通信时长也一致，随后按步骤二～步骤四进入循环工作模式直至完成通信。

本发明所述的抗干扰保密通信方法的特点也在于，

所述步骤一是按如下过程进行：

步骤1.1、生成发收双方共知的包含n个频点{f_a1…f_an}的第一频点列表；

步骤1.2、通过伪随机序列生成器在{a1…an}的整数序列中生成新的随机排序的整数序列{a1^*…an^*}；

步骤1.3、根据所述新的随机排序的整数序列{a1^*…an^*}，对应将所述第一频点列表{f_a1…f_an}重新排列为第二频点列表{f_a1*…f_an*}，并作为预先设定的跳频图案加载给所述发收双方；

步骤1.4、所述发收双方根据所述第二频点列表{f_a1*…f_an*}所确定的跳频图案依次进行跳频通信，从而完成所述发收双方的初始化同步和通信联络。

所述发送端和接收端由常规跳频通信模式切换为实时解密跳频通信模式前，所述收发双方事先加载包含m个频点{f1…fm}的第三频点列表；所述发送端以所述第三频点列表为基础设计实时跳频方案并进行加密传输给所述接收端。

以所述第三频点列表为基础设计的实时随机跳频方案是在1-m整数范围内产生一个伪随机数b，并将所述第三频点列表中的频点序列号为b的频点值fb随机选取作为所述发送端的下一个跳变频点。

对所述伪随机数值b采用如下加密算法进行加密处理；

步骤a、事先选取无理数常数π,并为所述收发双方所共知；

步骤b、当产生伪随机数为b时，取π小数点后b位数字的总和作为伪随机数b的代码值发送给所述接收端；

步骤c、所述接收端对所述代码值进行逆运算，得到伪随机数b，再遍历所述第三频点列表，并查找出跳变的接收频点fb，从而将接收端的频率设置为fb以便正确接收后续信号。

所述步骤二中跳频方案的加密信息是由所述发送端加载至所述模拟视频信号中单帧视频信号的场消隐段，并随同所述模拟视频信号发送给所述接收端；

所述跳频方案中的跳频频率按每场跳频一次设计，即在发送的模拟视频信号所有的场消隐段中均加载有下一场的模拟视频信号的跳频方案的加密信息，其中跳频频率的设计根据所述接收端的信息处理能力不限于每场跳频一次。

所述常规跳频通信模式在固定通信时长内完成最后一帧模拟视频信号中的第一场信号和场消隐段加载的跳频方案加密信息的传输时，所述接收端通过解码所述加密信息，重新获取到下一场信号的跳频方案，从而又恢复原有的实时解密跳频通信模式；恢复常规跳频通信模式的周期是根据通信过程中能接受的最大信息丢失量和常规跳频通信模式被干扰的难度综合确定的，且为所述模拟视频信号帧数的整数倍传输周期。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明提供的方法在通信过程中由发送端实时随机产生频点跳变方案并加密后加载于模拟视频信号的场消隐段传输给接收端，接收端解密后实时获取下一场信号的接收频点信息，避免了常规跳频通信方法收发双方需事先约定跳频图案而导致因跳频图案泄露带来通信过程中被干扰和截取的风险；在通信过程中信号也不易被解析，有效提升了通信的保密性。

2、本发明提供的方法在通信过程中每隔固定周期恢复一次常规跳频通信，可使接收端在通信过程中即使因受到干扰而无法获取某场消隐段加载的加密信息而导致后续信息丢失，也会很快通过周期性的恢复常规跳频通信重新与发送端建立通信联络，并恢复原有通信模式，从而使该通信方法具有较强的抗干扰特性。

3、本发明提供的方法有效提升了单工通信状态下的模拟视频信号传输的保密性和抗干扰性，且实现方法简单，具有较好的经济性，可广泛用于各种空中、地面和弹载等视频侦测平台模拟视频信号的单工保密通信传输。

附图说明

图1是本发明收发双方初始化同步和周期性恢复联络阶段常规跳频通信的示意图；

图2是本发明主体通信时段跳频通信示意图；

图3是本发明加密过程示意图；

图4是本发明的加密算法流程图；

图5是本发明的信号接收工作流程图。

具体实施方式

本实施例中，一种单工通信状态下模拟视频信号的抗干扰保密通信方法，是应用于由发射机和接收机组成的发送端和接收端之间的单向通信环境中，该方法主要包括单工通信状态下的接收双方在早期初始化同步阶段和周期性恢复通信联络阶段采用常规跳频通信技术，如图1所示，在其它主体通信时段则采用实时生成频点跳变方案并利用场消隐段向接收端传输频点跳变方案加密信息的跳频通信模式，如图2所示，具体的说，该方法是按如下步骤进行：

第一步：发送端和接收端所代表的发收双方按预先设定的跳频图案进行跳频通信，从而在常规跳频通信模式下完成发收双方的初始化同步与联络；

步骤1.1、如图1所示，在单工通信状态下的发射机1和接收机2设定跳频带宽为Fa～Fb，取步进为(Fa～Fb)/n，获得第一频点列表{f_a1…f_an}；从而生成发收双方共知的包含n个频点{f_a1…f_an}的第一频点列表；

步骤1.2、通过伪随机序列算法，利用伪随机序列生成器在{a1…an}的整数序列中生成新的随机排序的整数序列{a1^*…an^*}；

步骤1.3、以第一频点列表{f_a1…f_an}为基础，根据新的随机排序的整数序列{a1^*…an^*}，对应将第一频点列表{f_a1…f_an}重新排列为第二频点列表{f_a1*…f_an*}，并作为预先设定的跳频图案加载给发收双方；

步骤1.4、发收双方根据第二频点列表{f_a1*…f_an*}所确定的跳频图案依次进行跳频通信，从而完成发收双方的初始化同步和通信联络；即{f_a1*…f_an*}作为发射机1所使用的跳频图案3和接收机2所使用的跳频图案4。

第二步：完成初始化同步与联络后，发送端开始在向接收端传输的模拟视频信号的每个场消隐段中加载有关下一场信号的随机跳频方案的加密信息；

具体实施中，步骤二中跳频方案的加密信息是由发送端加载至模拟视频信号中单帧视频信号的场消隐段，并随同模拟视频信号发送给接收端；

实时随机跳频方案中的跳频频率按每场跳频一次设计，即在发送的模拟视频信号所有的场消隐段中均加载有下一场的模拟视频信号的随机跳频方案的加密信息，其中跳频频率的设计根据接收端的信息处理能力不限于每场跳频一次。

本实施例中，另外再取步进为(Fa～Fb)/m，获得第三频点列表{f1…fm}。发送端和接收端由常规跳频通信模式切换为实时解密跳频通信模式前，收发双方事先加载包含m个频点{f1…fm}的第三频点列表；发送端以第三频点列表为基础设计实时随机跳频方案并进行加密传输给接收端。

其中，以第三频点列表为基础设计的实时随机跳频方案是在1-m整数范围内产生一个伪随机数b，并将第三频点列表中的频点序列号为b的频点值fb随机选取作为发送端的下一个跳变频点。此方案作为随机跳频方案之一，但不限于此方案。

对伪随机数值b采用如下加密算法进行加密处理；

步骤a、事先选取无理数常数π,并为收发双方所共知；

步骤b、当产生伪随机数为b时，取π小数点后b位数字的总和作为伪随机数b的代码值发送给接收端；

步骤c、接收端根据事先知晓的加密算法对代码值进行逆运算，得到伪随机数b，再遍历第三频点列表，并查找出跳变的接收频点fb，从而将接收端的频率设置为fb以便正确接收后续信号。此算法作为加密算法之一，但不限于此算法。

第三步：接收端接收到模拟视频信号的当前场消隐段的加密信息后，实时解密跳频方案，并根据跳频方案跳变自身接收频点以正确接收下一场的模拟视频信号，从而进入实时解密跳频通信模式；

第四步：在实时解密跳频通信模式中，接收端和发送端按事先规定，每完成模拟视频信号中固定帧数的视频信号的实时解密跳频通信传输后，即中断原有跳频通信方式，并切换到第二按频点列表所进行的常规跳频通信方式，从而又恢复如步骤一的按预定跳频图案进行跳频通信，且通信时长也一致，随后按步骤二～步骤四进入循环工作模式直至完成通信。

具体实施中，常规跳频通信模式在固定通信时长内完成最后一帧模拟视频信号中的第一场信号和场消隐段加载的跳频方案加密信息的传输时，接收端通过解码加密信息，重新获取到下一场信号的跳频方案，从而又恢复原有的实时解密跳频通信模式；恢复常规跳频通信模式的周期是根据通信过程中能接受的最大信息丢失量和常规跳频通信模式被干扰的难度综合确定的，且应为模拟视频信号帧数的整数倍传输周期。

参照图5所示的信号接收工作流程，开机，发射机1和接收机2均启动定时器，并根据完全相同的跳频图案按常规跳频通信方式建立初始化同步和通信联络，跳频频次可根据实际需要进行设计，初始化同步时长为n帧信号传输时间t1。在完成初始化同步和通信联络后，发射机1和接收机2在定时器控制下，定时停止原有按第二频点列表{f_a1*…f_an*}进行的常规跳频通信模式。

同时在定时器的控制作用下，发射机1在传输初始化同步阶段第n帧信号后即开始通过实时频点跳变、加密和控制模块5在随后的每一个场消隐段加载下一场信号频点跳变方案的加密信息并控制下一场模拟视频信号按跳变方案所设计的频点输出。接收机2在接收并解密出第一个场消隐段加载的加密信号后，同样在定时器控制作用下通过解密和调频模块6，将接收频率调整为跳变方案所设计的频点并等待接收下一场模拟视频信号，如图3所示。按此模式收发双方进行通信，持续时间为t2。t2时间后，在定时器控制作用下，发射机1和接收机2之间即恢复与初始化同步阶段相同的按第二频点列表{f_a1*…f_an*}所进行的常规跳频通信模式，通信时长与初始化同步时长一致，均为t1。t1时间后，在定时器控制作用下，收发双方又进入如图2所示的通过场消隐段加载每场频点跳变方案加密信息进行实时频点跳变的通信模式。这种每隔固定周期t2收发双方即恢复一次时长为t1的常规跳频通信模式，可使接收机2在受到干扰丢失某场消隐段加载的跳频信息而导致无法正确接收后续信号后又可在设定的周期内自动恢复与发射机1的通信联络并进入正常的通信方式，有效提升了模拟视频信号单工传输状态下的抗干扰性。

发射机1在t2时间段内在每个场消陷段内加载的频点跳变方案是在收发端已知的第三频点列表{f1…fm}的基础上设计的。其设计方法为发射机1在每一场信号传输频点跳变前通过伪随机数生成器在1-m范围内实时产生一个随机数，若随机数为b，则将频点列表2中的频点序列号为b的频点值fb随机选取为下一场信号传输要跳变的频点值。

接收机2只要能接收到随机数b值，就能在遍历第三频点列表{f1…fm}查找到对应的fb值。但发射机1直接将随机数值加载于场消隐段传输给接收机2易被第三方解析，故应对产生的随机数值也即频点跳变方案进行加密处理。如图4所示，作为加密处理方法之一，收发双方事先约定选取无理数常数π，当产生伪随机数为b时，发射机1取π小数点后b位数字的总和作为伪随机数b的代码值加载于场消隐段发送给接收机2；接收机2的解密和调频模块根据事先知晓的加密算法逆运算出伪随机数b值，再遍历事先加载的第三频点列表{f1…fm}，查找出跳变频点fb，并将接收机频率设置为fb以便正确接收下一场信号。这种实时生成随机跳变频点并进行加密传输的方法比常规跳频通信方法事先生成跳频图案的方法具有更强的保密性，不易被第三方解析和跟踪干扰。

综上所述，本方法结合了按事先固定的跳频序列跳变频点和在通信过程中实时随机跳变频点的两种跳频通信方式的优点，可实现单工通信状态下的模拟视频信号的实时随机跳频通信，跳频方案具有随机性和不可预测性，抗干扰性强，保密性好，同时通信信号周期性的强制同步，可确保信号不易丢失。

Claims (7)

1.一种单工通信状态下模拟视频信号的抗干扰保密通信方法，其特征在于，所述抗干扰保密通信方法是应用于由发送端和接收端所组成的单向通信环境中，并按如下步骤进行：

第一步：所述发送端和接收端所代表的发收双方按预先设定的跳频图案进行跳频通信，从而在常规跳频通信模式下完成所述发收双方的初始化同步与联络；

第二步：所述发送端开始在向所述接收端传输的模拟视频信号的当前场消隐段中加载有关下一场信号的实时跳频方案的加密信息；

第三步：所述接收端接收到所述模拟视频信号的当前场消隐段的加密信息后进行实时解密，得到所述实时跳频方案，并根据所述实时跳频方案跳变自身频点以正确接收下一场的模拟视频信号，从而进入实时解密跳频通信模式；

第四步：在所述实时解密跳频通信模式中，所述接收端和发送端完成所述模拟视频信号中固定帧数的传输后，又恢复如步骤一所述的按预定跳频图案进行跳频通信，且通信时长也一致，随后按步骤二～步骤四进入循环工作模式直至完成通信。

2.根据权利要求1所述的抗干扰保密通信方法，其特征在于：所述步骤一是按如下过程进行：

步骤1.1、生成发收双方共知的包含n个频点{f_a1…f_an}的第一频点列表；

步骤1.2、通过伪随机序列生成器在{a1…an}的整数序列中生成新的随机排序的整数序列{a1^*…an^*}；

步骤1.3、根据所述新的随机排序的整数序列{a1^*…an^*}，对应将所述第一频点列表{f_a1…f_an}重新排列为第二频点列表并作为预先设定的跳频图案加载给所述发收双方；

步骤1.4、所述发收双方根据所述第二频点列表所确定的跳频图案依次进行跳频通信，从而完成所述发收双方的初始化同步和通信联络。

3.根据权利要求1所述的抗干扰保密通信方法，其特征在于：所述发送端和接收端由常规跳频通信模式切换为实时解密跳频通信模式前，所述发送端和接收端事先加载包含m个频点{f1…fm}的第三频点列表；所述发送端以所述第三频点列表为基础设计实时跳频方案并进行加密传输给所述接收端。

4.根据权利要求3所述的抗干扰保密通信方法，其特征在于，以所述第三频点列表为基础设计的实时随机跳频方案是在1-m整数范围内产生一个伪随机数b，并将所述第三频点列表中的频点序列号为b的频点值fb随机选取作为所述发送端的下一个跳变频点。

5.根据权利要求4所述的抗干扰保密通信方法，其特征在于：对所述伪随机数b采用如下加密算法进行加密处理；

步骤a、事先选取无理数常数π，并为所述发送端和接收端所共知；

步骤b、当产生伪随机数为b时，取π小数点后b位数字的总和作为伪随机数b的代码值发送给所述接收端；

步骤c、所述接收端对所述代码值进行逆运算，得到伪随机数b，再遍历所述第三频点列表，并查找出跳变的接收频点fb，从而将接收端的频率设置为fb以便正确接收后续信号。

6.根据权利要求1所述的抗干扰保密通信方法，其特征在于：所述步骤二中跳频方案的加密信息是由所述发送端加载至所述模拟视频信号中单帧视频信号的场消隐段，并随同所述模拟视频信号发送给所述接收端；

所述跳频方案中的跳频频率按每场跳频一次设计，即在发送的模拟视频信号所有的场消隐段中均加载有下一场的模拟视频信号的跳频方案的加密信息，其中跳频频率的设计根据所述接收端的信息处理能力不限于每场跳频一次。

7.根据权利要求1所述的抗干扰保密通信方法，其特征在于：所述常规跳频通信模式在固定通信时长内完成最后一帧模拟视频信号中的第一场信号和场消隐段加载的跳频方案加密信息的传输时，所述接收端通过解码所述加密信息，重新获取到下一场信号的跳频方案，从而又恢复原有的实时解密跳频通信模式；恢复常规跳频通信模式的周期是根据通信过程中能接受的最大信息丢失量和常规跳频通信模式被干扰的难度综合确定的，且为所述模拟视频信号帧数的整数倍传输周期。