CN113437949A

CN113437949A - 基于自适应滤波器系数的射频指纹统一表达方法及电子设备

Info

Publication number: CN113437949A
Application number: CN202110408422.2A
Authority: CN
Inventors: 胡爱群; 俞佳宝
Original assignee: Southeast University; Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
Current assignee: Southeast University; Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2021-09-24
Anticipated expiration: 2041-04-16
Also published as: WO2022217641A1; CN113437949B

Abstract

本发明公开了一种基于自适应滤波器系数的射频指纹统一表达方法及电子设备，其中方法包括：接收机过采样接收无线信号，通过下变频得到全部基带信号；进行信号同步、载波频偏和相偏估计，去除残留频偏与相偏，得到包含射频指纹的基带信号；对基带信号进行符号解调和重新调制，得到不含射频指纹的理想基带信号；通过自适应算法对统一表达为N阶自适应滤波器系数的射频指纹进行估计；最终提取N+1个滤波器系数作为射频指纹。本发明方法能够为不同类型、不同调制方式的无线发射机提供相同的射频指纹表征，提取的射频指纹简单有效，降低了射频指纹系统的复杂度，进而可为建立统一的射频指纹表达标准提供技术手段。

Description

基于自适应滤波器系数的射频指纹统一表达方法及电子设备

技术领域

本发明涉及信息安全领域，尤其涉及一种基于自适应滤波器系数的射频指纹统一表达方法及电子设备。

背景技术

射频指纹(RFF)源自发射机电路设计的差异和生产过程中硬件电路的制造容差，不同生产批次甚至同一生产批次的器件参数都有着细微差别。此外，由于其元件类型、元件布局以及PCB走线等存在差异，不同厂家设计的发射机之间的差异性更加显著。

设备的射频指纹都具有唯一性和难以克隆性，从而可以被用于无线设备的身份识别与认证。具体来说，现有的射频指纹识别技术可以准确区别即使采用了相同频率、相同带宽和相同调制方式的设备，具有非常好的实用价值。然而，现有公开的射频指纹技术对于同一发射机在不同参数配置下(例如不同调制方式、不同符号速率等)的射频指纹提取方法截然不同，且大部分技术还要求存在相同的数据序列，提取的是数据相关的射频指纹，这些方法都不具备射频指纹统一性。

由于射频指纹实质上是由发射机的硬件电路缺陷决定的，在同一频带内，同一个发射机采用不同调制方式和不同符号速率时通过的硬件电路保持一致，因此，理论上可以在配置这些不同参数时使用统一的方法提取出统一的射频指纹。此外，不同参数配置下截然不同的射频指纹表达不利用射频指纹表达标准的建立和使用。在实际使用时，现有方法需要遍历所有参数配置下的信号提取射频指纹进行入库，对参数可变的设备实用性差。所以迫切需要一种简单有效的射频指纹统一表达方法。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于自适应滤波器系数的射频指纹统一表达方法及电子设备，通过将射频指纹建模为N阶滤波器，将不含射频指纹的理想基带信号作为滤波器输入，通过自适应算法对统一表达为N阶自适应滤波器系数的射频指纹进行估计，最终提取N+1个滤波器系数作为射频指纹，实现对不同调制方式、不同符号速率的设备采用相同的射频指纹提取的目的。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于自适应滤波器系数的射频指纹统一表达方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)接收机以采样率f_s接收射频信号r(t)，得到离散信号r(n)，通过下变频得到全部基带信号y_r(n)；

(2)进行信号同步、载波频偏和相偏估计，去除基带信号y_r(n)中的残留频偏和相偏，得到包含射频指纹的基带信号y(n)；

(3)对包含射频指纹的基带信号y(n)进行符号解调和重新调制，得到不含射频指纹的理想基带信号x(n)；

(4)将射频指纹统一表达为z域的N阶滤波器RFF(z)，通过自适应算法对N阶滤波器RFF(z)的系数进行调整，收敛为

时使得滤波器输出信号y_f(n)和基带信号y(n)的误差信号e(n)最小，

表示N阶滤波器RFF(z)收敛后的自适应滤波器；

(5)提取收敛后的自适应滤波器

的N+1个系数作为最终的射频指纹。

具体地，所述步骤(4)中，N阶滤波器RFF(z)的表达式为：

误差信号e(n)具体表达为：

步骤(5)提取到的收敛后的自适应滤波器

的N+1个系数，作为最终的射频指纹表达式为：

其中，N表示N阶滤波器的阶数，n表示离散时间，k表示N阶滤波器的系数索引。

具体地，所述步骤(1)中的射频信号为无线信号，且接收机采样率f_s大于奈奎斯特采样率，即要求过采样。

具体地，所述步骤(2)中的载波频偏和相偏估计方法包括但不限于前导复相关法或差分法。

具体地，所述步骤(3)中对包含射频指纹的基带信号y(n)进行符号解调和重新调制，是对完整的一帧信号进行处理，包括前导序列和随机数据序列。

具体地，所述步骤(4)中，对RFF(z)的系数进行调整时采用的自适应算法为迫零算法、最速下降法、LMS算法、RLS算法中的任一种。

具体地，所述步骤(4)中，使用LMS算法对RFF(z)的系数进行调整时，使得e(n)的均方误差最小，得到自适应滤波器的最终系数为：

是使e(n)e^*(n)具有最小值的RFF(z)的值的集合，e^*(n)表示误差信号e(n)的复共轭。

一种电子设备，其特征在于，包括：

信号接收模块，用于接收射频信号并进行采样和下变频处理，获得基带信号；

第一处理模块，用于对基带信号进行信号同步、载波频偏和相偏估计，得到包含射频指纹的基带信号；

第二处理模块，用于对包含射频指纹的基带信号进行符号解调和重新调制，得到不含射频指纹的理想基带信号；

自适应计算模块，采用自适应算法对用于表达射频指纹的N阶滤波器的系数进行调整，调整结果收敛使得N阶滤波器的输出信号和包含射频指纹的基带信号的误差信号最小，N阶滤波器的输入信号为理想基带信号；

射频指纹提取模块，用于提取出收敛后的自适应滤波器的N+1个系数作为最终的射频指纹。

具体地，所述自适应计算模块中，将射频指纹统一表达为z域的N阶滤波器RFF(z)，第N阶滤波器RFF(z)的表达式为：

误差信号e(n)具体表达为：

射频指纹提取模块中，最终的射频指纹表达式为：

具体地，所述信号接收模块中，接收的射频信号为无线信号，第一处理模块使用本地的前导符信号和接收的基带信号信号进行复相关和差分处理，实现同步、载波频偏和相偏估计。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点如下：

本发明基于自适应滤波器系数的射频指纹统一表达方法，可以为不同类型、不同调制方式的发射机提供相同的射频指纹表征，提取的射频指纹简单有效，降低了射频指纹系统的复杂度，进而可为建立统一的射频指纹表达标准提供技术手段；能够适用于各种无线通信体制，特别是窄带无线通信体制。

附图说明

图1为本发明的基于自适应滤波器系数的射频指纹统一表达方法的流程图；

图2为本发明实施例中QPSK信号和16-QAM信号的帧格式；

图3为本发明实施例中QPSK信号含射频指纹和30dB噪声的基带信号与重新调制后理想信号的开始部分信号段对比图；

图4为本发明实施例中16-QAM信号含射频指纹和30dB噪声的基带信号与重新调制后理想信号的开始部分信号段对比图；

图5为本发明实施例中QPSK信号对应的基带接收信号实部、自适应滤波器输出信号实部以及两者误差对比图；

图6为本发明实施例中16-QAM信号对应的基带接收信号实部、自适应滤波器输出信号实部以及两者误差对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供一种基于自适应滤波器系数的射频指纹统一表达方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)接收机以采样率f_s接收射频信号r(t)，得到离散信号r(n)，通过下变频得到全部基带信号y_r(n)，t指连续时间，n表示离散时间。

本实施例中，选用了无线数字通信系统中普遍使用的QPSK和QAM调制技术，以10Msps采样率分别对2MHz符号速率的QPSK信号和500kHz符号速率的16-QAM信号进行采集和下变频，得到对应的基带信号

和

因此，接收端对这两个信号分别进行了5倍和20倍过采样。

(2)进行信号同步、载波频偏和相偏估计，去除基带信号y_r(n)中的残留频偏和相偏，得到包含射频指纹的基带信号y(n)。

本实施例中，选用的QPSK和16-QAM信号帧格式如图2所示，均包含8个全零符号的前导部分和248个符号的随机数据。由于接收时已经采用了高倍过采样，不进行信号内插提高采样率。使用本地的前导符信号和接收的信号进行复相关和差分等处理，实现同步、载波频偏和相偏估计，然后对包含256个符号的基带QPSK和16-QAM信号去除残留频偏和相偏，得到包含射频指纹的完整基带信号y^QPSK(n)和y^QAM(n)。

(3)对基带信号y(n)进行符号解调和重新调制，得到不含射频指纹的理想基带信号x(n)。

本实施例中，对包含射频指纹的完整基带信号y^QPSK(n)和y^QAM(n)分别进行符号解调，得到对应的符号s^QPSK(n)和s^QAM(n)，然后对其进行相应的调制生成不含射频指纹的理想信号x^QPSK(n)和x^QAM(n)。本实施例选用的两种信号为复基带信号，其包括实部和虚部两路信号，符号解调前和重新调制后信号的实部对比分别如图3和图4所示。重新调制是相对于发射机端的第一次调制而言，在接收机端，对基带信号y(n)进行符号解调后，再次调制，对应的解调后的QPSK和16-QAM信号重新进行QPSK和16-QAM调制。

(4)将射频指纹统一表达为z域的N阶滤波器：

通过自适应算法对RFF(z)的系数进行调整，收敛为

时使得滤波器输出信号y_f(n)和基带信号y(n)的误差e(n)最小。RFF_k表示N阶滤波器的第k阶系数。

本实施例中，选用4阶滤波器统一表达射频指纹，则误差信号e(n)为：

本发明中对RFF(z)的系数进行调整，可采用迫零算法、最速下降法、LMS算法或RLS算法等。迫零算法是一种以最小峰值畸变为准则的调整算法，根据给定的输入信号，自动调整自适应滤波器的参数，尽量消除码间干扰，使均衡效果达到最佳。最速下降法，是一种梯度算法，可引入包括信号幅值、角频率和相位等基本参数的函数和参数矢量，然后采用最速下降法进行估计，跟踪参数的变化，获得的自适应滤波器具有较强的鲁棒性和较快的收敛速度。LMS算法，是一种基于最小均方误差MMSE准则的最小均方算法。RLS算法，是一种递推最小二乘法算法，其用二乘方的时间平均准则取代最小均方准则，并按照时间进行迭代计算，即对从起始时刻到当前时刻所有误差的平方进行平均，并最小化，RLS算法具有快速的跟踪能力，能够适用于时变信道中。

本实施例中，以LMS算法为例进行说明：

使用LMS自适应算法对RFF(z)的系数进行调整，使得e(n)的均方误差最小，得到自适应滤波器的最终系数：

是使e(n)e^*(n)具有最小值的RFF(z)的值的集合，e^*(n)表示误差信号e(n)的复共轭，LMS算法通过期望信号y(n)与输出信号y_f(n)之差e(n)来自动调节自适应滤波器的参数，使下一时刻的输出y(n+1)能够更加接近期望信号。根据实际情况改变LMS滤波器初始权重和步长μ以达到最优的收敛情况和结果。本实施例两种信号对应的自适应滤波器输出和接收基带信号实部部分的对比如图5和图6所示，可以看到，自适应滤波器输出和接收基带信号基本吻合，实部误差很小，虚部表现类似，没有赘述。因此，自适应滤波器可以对设备的射频指纹进行良好的表征。使得误差信号e(n)最小的方法除采用最小均方误差(LMS)准则外，还包括最小二乘(LS)准则、最大信噪比准则或统计检测准则等。

(5)提取收敛后的自适应滤波器

的N+1个系数作为最终的射频指纹：

本实施例中，使用本发明方法对30dB信噪比下，同一设备发射的不同符号速率的QPSK和16-QAM两种信号提取的射频指纹如表1所示。

表1

可以看到，本发明对无线设备的射频指纹提供了一种简单有效的统一性表达方法，在不同符号速率、不同调制方式时提取的射频指纹基本保持一致。

以上所述仅为本发明的一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。