CN113872724B - 一种基于WFrFT和调制跳变的抗截获装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于WFrFT和调制跳变的抗截获装置，其包括基带调制选择模块、WFrFT旋转模块、数字载波调制模块、DA变换模块、上变频模块、发射机天线、接收机天线、下变频模块、AD变换模块、数字载波解调模块、WFrFT解旋转模块以及基带解调选择模块。本发明利用调制跳变技术，使不同载波频率对应不同的信号调制方式，克服了复杂、密集和多变的电磁信号环境下，传统扩频、跳频、跳时技术抗截获方式单一、抗截获能力不足的技术问题。

Description

一种基于WFrFT和调制跳变的抗截获装置及方法

技术领域

本发明属于通信信号处理以及抗截获技术领域，涉及一种基于WFrFT和调制跳变的抗截获装置及方法。

背景技术

现代战场中的通信对抗面临着一个复杂、密集和多变的电磁信号环境。一旦我方重要的通信信号被敌方截获并识别，敌方电子对抗决策控制系统将作出快速有效反应，并引导干扰系统对我方通信设备实施有效的干扰压制，或引导武器系统对其进行火力摧毁等。由此可见，对抗敌方对我方通信信号的截获在信息化战场上尤其重要。

随着未来战争信息化程度的提高，对战场数据传输系统的抗截获能力等提出了极大的要求和挑战。随着侦查手段和技术的进步，原有技术也必须继续深入发展，才可能进一步提高通信信号的抗截获能力。早期用于保证波形安全的通信技术主要包括：直接序列扩频、跳频、跳时和混合扩频等。其中，直接序列扩频是通过将信号与扩频序列进行运算，扩展信号的频谱，使信号的功率谱密度低于噪声，达到隐蔽通信的目的。而跳频和跳时是按照一定的算法来动态地分配信号所在的频带或时隙，实现抗截获。之后，为了应对逐渐完善的信号截获方法，一些新的抗截获手段不断涌现，如混沌技术、认知无线电、变换域通信、流星余迹通信等。但是在不断追求性能提高的同时，系统的实现复杂度和目的接收机进行常规接收的难度也都大幅增加。如何做到两者的平衡成为抗截获技术研究中必须考虑的一个问题。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：针对传统抗截获方法在复杂电磁环境下抗截获能力不足的问题，提出了一种基于WFrFT和调制跳变的抗截获方法及装置。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于WFrFT和调制跳变的抗截获装置，其包括基带调制选择模块、WFrFT旋转模块、数字载波调制模块、DA变换模块、上变频模块、发射机天线、接收机天线、下变频模块、AD变换模块、数字载波解调模块、WFrFT解旋转模块以及基带解调选择模块；

其中，基带调制选择模块包括调制跳变选择单元和调制单元，调制单元包括多种预存的调制方式；

基带解调选择模块包括调制跳变选择单元和解调单元，解调单元包括多种预存的解调方式；

发射机中，基带调制选择模块与WFrFT旋转模块相连，WFrFT旋转模块与数字载波调制模块相连，数字载波调制模块与DA变换模块相连，DA变换模块与上变频模块相连，上变频模块与发射机天线相连；

接收机中，接收机天线与下变频模块相连，下变频模块与AD变换模块相连，AD变换模块与数字载波解调模块相连，数字载波解调模块与WFrFT解旋转模块相连，WFrFT解旋转模块与基带解调选择模块相连；

基带调制选择模块用于选择调制方式以及对数据进行基带调制；WFrFT旋转模块用于对基带调制信号进行WFrFT角度旋转；数字载波调制模块用于对角度旋转后的基带调制信号进行载波调制；DA变换模块用于对载波调制后的信号进行数模转换；上变频模块用于对数模转换后的信号进行上变频；发射机天线用于对上变频后的信号进行发射；接收机天线用于接收发射信号；下变频模块用于对接收信号进行下变频；AD变换模块用于对下变频后的信号进行模数转换；数字载波解调模块用于对模数转换后的信号进行载波剥离；WFrFT解旋转模块用于对数字载波解调后的信号进行WFrFT角度解旋转；基带解调选择模块用于选择解调方式以及对数据进行解调。

本发明还提供一种基于WFrFT和调制跳变的抗截获装置的抗截获方法，其包括以下步骤：

步骤一、发射端将需要发送数据送入基带调制选择模块，按照伪随机序列进行进行调制方式选择后完成数据调制；

步骤二、WFrFT旋转模块将调制后的基带信号进行角度旋转；

步骤三、数字载波调制模块对角度旋转后的基带信号进行载波调制；

步骤四、DA变换模块将载波调制后的信号进行数模转换，得到模拟信号，送入上变频模块；

步骤五、上变频模块将收到的模拟信号进行上变频处理，变换到符合发射要求的射频频率；

步骤六、发射机天线将上变频后的信号通过天线进行发射；

步骤七、接收机天线将发射后的射频信号通过天线进行接收；

步骤八、下变频模块将天线接收到的射频信号进行下变频处理，混频到零中频，得到零中频信号；

步骤九、AD变换模块将下变频后的零中频信号进行模数转换，并进行采样，得到数字信号；

步骤十、数字载波解调模块对采样后的数字信号进行载波剥离，得到去除载波后的基带信号；

步骤十一、WFrFT解旋转模块依据加密信道传输的旋转角度，对基带信号进行解旋转处理；

步骤十二、经过WFrFT解旋转后的信号送入基带解调选择模块，按照加密信道传输的伪随机序列，进行调制方式对应的解调方式选择，完成数据解调，至此，完成基于WFrFT和调制跳变的抗截获方法。

(三)有益效果

上述技术方案所提供基于WFrFT和调制跳变的抗截获装置及方法，与基于跳时、跳频的抗截获算法与装置相比，具有如下有益效果：

1.本发明利用加权分数傅里叶变换对发送信号进行星座图旋转、伸缩和扩散，改变原始信号的特性，保证了非合作方在数据截获后无法有效识别原始信号特征，无法获取有效信息；

2.本发明利用调制跳变技术，使不同载波频率对应不同的信号调制方式，克服了复杂、密集和多变的电磁信号环境下，传统扩频、跳频、跳时技术抗截获方式单一、抗截获能力不足的技术问题。

附图说明

图1为本发明整体收发架构示意图；

图2为本发明针对QPSK信号，经过不同阶数WFrFT处理后的星座图；

图3为本发明针对不同调制方式仿真所得星座图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明利用基于时频联合的加权分数傅里叶变换(Weight-type FractionalFourierTransform Signal,WFrFT)，结合调制跳变方式，开展信号抗截获性能的研究。目的旨在克服复杂电磁环境下，传统扩频、跳频、跳时技术抗截获性能不足的技术问题，提出了一种基于WFrFT和调制跳变的抗截获方法及装置。

本实施例基于WFrFT和调制跳变的抗截获装置包括基带调制选择模块、WFrFT旋转模块、数字载波调制模块、DA变换模块、上变频模块、发射机天线、接收机天线、下变频模块、AD变换模块、数字载波解调模块、WFrFT解旋转模块以及基带解调选择模块。

其中，基带调制选择模块包括调制跳变选择单元和调制单元，调制单元包括多种预存的调制方式；

基带解调选择模块包括调制跳变选择单元和解调单元，解调单元包括多种预存的解调方式；

本装置的各模块连接关系如下：

发射机中基带调制选择模块与WFrFT旋转模块相连，WFrFT旋转模块与数字载波调制模块相连，数字载波调制模块与DA变换模块相连，DA变换模块与上变频模块相连，上变频模块与发射机天线相连；

接收机中接收机天线与下变频模块相连，下变频模块与AD变换模块相连，AD变换模块与数字载波解调模块相连，数字载波解调模块与WFrFT解旋转模块相连，WFrFT解旋转模块与基带解调选择模块相连；

本装置的各模块功能如下：

基带调制选择模块用于选择调制方式以及对数据进行基带调制；

WFrFT旋转模块用于对基带调制信号进行WFrFT角度旋转；

数字载波调制模块用于对角度旋转后的基带调制信号进行载波调制；

DA变换模块用于对载波调制后的信号进行数模转换；

上变频模块用于对数模转换后的信号进行上变频；

发射机天线用于对上变频后的信号进行发射；

接收机天线用于接收发射信号；

下变频模块用于对接收信号进行下变频；

AD变换模块用于对下变频后的信号进行模数转换；

数字载波解调模块用于对模数转换后的信号进行载波剥离；

WFrFT解旋转模块用于对数字载波解调后的信号进行WFrFT角度解旋转；

基带解调选择模块用于选择解调方式以及对数据进行解调。

本装置整体收发架构如图1所示。

本实施例基于WFrFT和调制跳变的抗截获方法包括以下步骤：

步骤一、发射端将需要发送数据送入基带调制选择模块，按照伪随机序列进行进行调制方式选择后完成数据调制，具体为：

步骤1.1在发送数据时刻，将本地产生的伪随机序列送至调制跳变选择单元，按顺序截取其中长度为L的伪随机码C₁,C₂,...C_L；

步骤1.2在预存于调制跳变选择单元的调制方式中，选择与伪随机码C₁,C₂,...C_L相对应的调制方式，将该调制方式的选择结果送入调制单元；

步骤1.3调制单元依据调制跳变选择单元所选择的调制方式，对送入基带调制选择模块的数据进行调制，得到调制后的基带信号D(t_n)，其中，t_n＝nt_s表示信号采样时刻，t_s＝1/f_s为采样间隔，f_s为采样率；

步骤二、WFrFT旋转模块依据公式(1)，将调制后的基带信号进行角度旋转；

F^α[D(t_n)]＝w₀(α)D₀+w₁(α)D₁+w₂(α)D₂+w₃(α)D₃ (1)

其中，F^α(·)表示WFrFT运算，w_l(α)(l＝0,1,2,3)表示加权系数，只是α的函数，可定义为：

α为旋转角度，通常在[-2,2]或[0,4]的区间内取值，D_l(l＝0,1,2,3)表示基带信号D(t_n)的四种变换结果，即：

其中，F(·)表示快速傅里叶变换FFT，d(f_n)为D(t_n)经过FFT后的频域表达式，f_n表示相应的频率值；

步骤三、数字载波调制模块对角度旋转后的基带信号进行载波调制，如公式(4)所示：

其中，s(t_n)为载波调制后的信号，exp(·)表示指数函数，f_c表示载波频率，表示载波初相；

步骤四、DA变换模块将载波调制后的信号s(t_n)进行数模转换，得到模拟信号s(t)，送入上变频模块；

步骤五、上变频模块将收到的模拟信号s(t)进行上变频处理，变换到符合发射要求的射频频率；

步骤六、发射机天线将上变频后的信号通过天线进行发射；

步骤七、接收机天线将发射后的射频信号通过天线进行接收；

步骤八、下变频模块将天线接收到的射频信号进行下变频处理，混频到零中频，得到零中频信号r(t)＝s(t)+n(t)，其中，n(t)为接收信号中存在的高斯白噪声；

步骤九、AD变换模块将下变频后的零中频信号进行模数转换，按照采样率f_s进行采样，得到数字信号r(t_n)，其中，t_n＝nt_s为采样后的离散时间，t_s＝1/f_s为采样间隔；

步骤十、数字载波解调模块对采样后的数字信号进行载波剥离，得到去除载波后的基带信号r′(t_n)，如公式(5)所示：

r′(t_n)＝r(t_n)·exp[-j(2πf_ct_n)] (5)

步骤十一、WFrFT解旋转模块依据加密信道传输的旋转角度α，对基带信号r′(t_n)进行解旋转处理，得到：

D′₀＝F^-α[r′(t_n)]＝F^-α[s(t_n)+n(t_n)]＝F^-α[s(t_n)]+F^-α[n(t_n)]＝D₀+n′ (6)

其中，n′为经过WFrFT解旋转后的高斯白噪声；

步骤十二、经过WFrFT解旋转后的信号送入基带解调选择模块，按照加密信道传输的伪随机序列，进行进行调制方式对应的解调方式选择，完成数据解调，具体为：

步骤12.1在接收数据时刻，将本地产生的伪随机序列与接收到的伪随机序列进行相关处理，寻找发送信息时刻的伪随机序列起始位置；

步骤12.2获取伪随机序列起始位置后，送至调制跳变选择单元，按顺序截取其中长度为L的伪随机码C′₁,C′₂,...C′_L，在预存于调制跳变选择单元的解调方式中，选择与伪随机码C′₁,C′₂,...C′_L相对应的解调方式，将该解调方式的选择结果送入解调单元；

步骤12.3解调单元依据调制跳变选择单元所选择的解调方式，对送入基带解调选择模块的数据进行解调，得到解调后的数据；

至此，从步骤一到步骤十二完成了本实施例基于WFrFT和调制跳变的抗截获方法。

本发明针对QPSK信号，经过不同阶数WFrFT处理后的星座图如图2所示，本发明针对不同调制方式仿真所得星座图如图3所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于WFrFT和调制跳变的抗截获方法，其特征在于，所述抗截获方法基于一种基于WFrFT和调制跳变的抗截获装置进行，所述抗截获装置包括基带调制选择模块、WFrFT旋转模块、数字载波调制模块、DA变换模块、上变频模块、发射机天线、接收机天线、下变频模块、AD变换模块、数字载波解调模块、WFrFT解旋转模块以及基带解调选择模块；

其中，基带调制选择模块包括调制跳变选择单元和调制单元，调制单元包括多种预存的调制方式；

基带解调选择模块包括调制跳变选择单元和解调单元，解调单元包括多种预存的解调方式；

发射机中，基带调制选择模块与WFrFT旋转模块相连，WFrFT旋转模块与数字载波调制模块相连，数字载波调制模块与DA变换模块相连，DA变换模块与上变频模块相连，上变频模块与发射机天线相连；

接收机中，接收机天线与下变频模块相连，下变频模块与AD变换模块相连，AD变换模块与数字载波解调模块相连，数字载波解调模块与WFrFT解旋转模块相连，WFrFT解旋转模块与基带解调选择模块相连；

基带调制选择模块用于选择调制方式以及对数据进行基带调制；WFrFT旋转模块用于对基带调制信号进行WFrFT角度旋转；数字载波调制模块用于对角度旋转后的基带调制信号进行载波调制；DA变换模块用于对载波调制后的信号进行数模转换；上变频模块用于对数模转换后的信号进行上变频；发射机天线用于对上变频后的信号进行发射；接收机天线用于接收发射信号；下变频模块用于对接收信号进行下变频；AD变换模块用于对下变频后的信号进行模数转换；数字载波解调模块用于对模数转换后的信号进行载波剥离；WFrFT解旋转模块用于对数字载波解调后的信号进行WFrFT角度解旋转；基带解调选择模块用于选择解调方式以及对数据进行解调；

所述抗截获方法包括以下步骤：

步骤一、发射端将需要发送数据送入基带调制选择模块，按照伪随机序列进行进行调制方式选择后完成数据调制；

步骤二、WFrFT旋转模块将调制后的基带信号进行角度旋转；

步骤三、数字载波调制模块对角度旋转后的基带信号进行载波调制；

步骤四、DA变换模块将载波调制后的信号进行数模转换，得到模拟信号，送入上变频模块；

步骤五、上变频模块将收到的模拟信号进行上变频处理，变换到符合发射要求的射频频率；

步骤六、发射机天线将上变频后的信号通过天线进行发射；

步骤七、接收机天线将发射后的射频信号通过天线进行接收；

步骤八、下变频模块将天线接收到的射频信号进行下变频处理，混频到零中频，得到零中频信号；

步骤九、AD变换模块将下变频后的零中频信号进行模数转换，并进行采样，得到数字信号；

步骤十、数字载波解调模块对采样后的数字信号进行载波剥离，得到去除载波后的基带信号；

步骤十一、WFrFT解旋转模块依据加密信道传输的旋转角度，对基带信号进行解旋转处理；

步骤十二、经过WFrFT解旋转后的信号送入基带解调选择模块，按照加密信道传输的伪随机序列，进行调制方式对应的解调方式选择，完成数据解调，至此，完成基于WFrFT和调制跳变的抗截获方法；

所述步骤一包括以下子步骤：

步骤1.1在发送数据时刻，将本地产生的伪随机序列送至调制跳变选择单元，按顺序截取其中长度为L的伪随机码C₁,C₂,...C_L；

步骤1.2在预存于调制跳变选择单元的调制方式中，选择与伪随机码C₁,C₂,...C_L相对应的调制方式，将该调制方式的选择结果送入调制单元；

步骤1.3调制单元依据调制跳变选择单元所选择的调制方式，对送入基带调制选择模块的数据进行调制，得到调制后的基带信号D(tn)，其中，t_n＝nt_s表示信号采样时刻，t_s＝1/f_s为采样间隔，f_s为采样率；

所述步骤二中，WFrFT旋转模块依据公式(1)，将调制后的基带信号进行角度旋转；

F^α[D(t_n)]＝w₀(α)D₀+w₁(α)D₁+w₂(α)D₂+w₃(α)D₃ (1)

其中，F^α(·)表示WFrFT运算；

w_l(α)(l＝0,1,2,3)表示加权系数，是α的函数，定义为：

α为旋转角度，在[-2,2]或[0,4]的区间内取值，D_l(l＝0,1,2,3)表示基带信号D(t_n)的四种变换结果，即：

其中，F(·)表示快速傅里叶变换FFT，d(f_n)为D(t_n)经过FFT后的频域表达式，f_n表示相应的频率值；

所述步骤三中，载波调制采用公式(4)进行：

其中，s(t_n)为载波调制后的信号，exp(·)表示指数函数，f_c表示载波频率，表示载波初相；

所述步骤四中，DA变换模块将载波调制后的信号s(t_n)进行数模转换，得到模拟信号s(t)，送入上变频模块；步骤五中，上变频模块将收到的模拟信号s(t)进行上变频处理，变换到符合发射要求的射频频率；

所述步骤八中，零中频信号r(t)＝s(t)+n(t)，其中，n(t)为接收信号中存在的高斯白噪声；

所述步骤九中，按照采样率f_s进行采样，得到数字信号r(t_n)，其中，t_n＝nt_s为采样后的离散时间，t_s＝1/f_s为采样间隔；步骤十中，去除载波后的基带信号r′(t_n)如公式(5)所示：

r′(t_n)＝r(t_n)·exp[-j(2πf_ct_n)] (5)

所述步骤十一中，解旋转处理得到：

D₀′＝F^-α[r′(t_n)]＝F^-α[s(t_n)+n(t_n)]＝F^-α[s(t_n)]+F^-α[n(t_n)]＝D₀+n′ (6)

其中，n′为经过WFrFT解旋转后的高斯白噪声。

2.如权利要求1所述的基于WFrFT和调制跳变的抗截获方法，其特征在于，所述步骤十二包括以下子步骤：

步骤12.1在接收数据时刻，将本地产生的伪随机序列与接收到的伪随机序列进行相关处理，寻找发送信息时刻的伪随机序列起始位置；

步骤12.2获取伪随机序列起始位置后，送至调制跳变选择单元，按顺序截取其中长度为L的伪随机码C′₁,C′₂,...C′_L，在预存于调制跳变选择单元的解调方式中，选择与伪随机码C′₁,C′₂,...C′_L相对应的解调方式，将该解调方式的选择结果送入解调单元；

步骤12.3解调单元依据调制跳变选择单元所选择的解调方式，对送入基带解调选择模块的数据进行解调，得到解调后的数据。