CN101741414A - 基于Chirp信号的超宽带保密通信的信号发射和接收方法 - Google Patents

Abstract

基于Chirp信号的超宽带保密通信的信号发射和接收方法，涉及一种超宽带保密通信的信号发射和接收方法。它解决了现有的通信方法在通信时无法确保通信的安全性问题。发射过程：将信息源输出的数字信息进行映射，获得二进制调制信息，调制Chirp信号产生器根据设定的参数发出当前时刻的脉冲信号后发射；接收过程：在***设定时间内，接收端对第i个调制信号进行采样、分数阶傅立叶变换、参数调整后相加合成，获得合成后的信号并解调后输出。本发明适用于超宽带保密通信的过程中。

Description

基于Chirp信号的超宽带保密通信的信号发射和接收方法

技术领域

本发明涉及一种超宽带保密通信的信号发射和接收方法。

背景技术

当今社会，信息已成为社会的重要财富，信息的保密越来越受到人们的重视。保密通信的目的是面对攻击者，在通信双方之间应用不安全信道进行通信时确保通信的安全。在保密通信的过程中，通信双发不希望或者不允许己方发送的无线电通信信息被他方截获，否则就有通信泄密、被干扰、甚至被摧毁的危险。作为现代保密通信中重要的内容，信息的抗截获性质已引起人们的广泛重视。

超宽带无线通信方式在无线视频、声频、高速数据传输以及家庭数字网络等诸多领域均有广阔的应用前景。超宽带***采用极低的功率发射脉冲信号，实现数据的传输，具有一定的保密特性。同时，超宽带***脉冲波形的选择具有一定的灵活性，可以发射不同的脉冲光波形来承载数据信息。超宽带信号极低的功率谱密度也使超宽带保密通信成为可能。目前，基于超宽带***的保密通信研究比较少，也没有成熟的研究结论。

发明内容

本发明是为了解决现有的通信方法在通信时无法确保通信的安全性问题，从而提供了一种基于Chirp信号的超宽带保密通信的信号发射和接收方法。

基于Chirp信号的超宽带保密通信的信号发射和接收方法，它由以下步骤实现：

发射过程：

步骤一、将信息源输出的数字信息进行映射，获得二进制调制信息；

步骤二、Chirp信号产生器根据设定的参数产生当前时刻的脉冲信号；

步骤三、利用步骤一获得的二进制映射信息对步骤二中的脉冲信号进行调制，获得调制信号，并将所述调制信号发射；

步骤四、判断当前时刻是否超出***设定的时间范围，如果判断结果为否，则返回执行步骤二；如果判断结果为是，则结束一次信号发射过程；

接收过程：

步骤五、在***设定时间内，接收端对接收到的第i个调制信号进行采样，获得一组离散的采样点；共获得N组离散的采样点；

步骤六、对步骤五中获得的N组采样点中每组离散的采样点分别进行分数阶傅立叶变换，共获得N个含有噪声的Chirp信号在分数域的离散波形；

步骤七、对步骤六所述的N个含有噪声的Chirp信号进行参数调整，获得主瓣宽度和相位信息一致的N个信号；

步骤八、将步骤七所述的主瓣宽度和相位信息一致的N个信号进行相加合成，获得合成后的信号；

步骤九、对步骤八所述的合成后的信号进行解调后输出；

所述i为正整数；

所述N为正整数。

步骤六中对离散的采样点进行分数阶傅立叶变换的方法是：接收端根据接收到的信号参数计算其能量发射聚集阶数，根据获得的阶数对离散采样点进行相应分数阶傅立叶变换。

步骤七中对所述的N个含有噪声的Chirp信号进行参数调整中的参数包括：信号相位、信号尺度伸缩和信号平移。

步骤九中采用的解调方法为峰值判决方法。

有益效果：本发明采用Chirp信号作为超宽带***的传输载体，通过改变发射脉冲的参数实现对信息保密的目的。在信息传输过程中，每一个脉冲均采用较低的发射功率进行发射，通过多个脉冲的能量累积实现对传输信息的检测。对于单独任何一个脉冲由于其能量较小，基本上淹没在噪声中，难于检测，达到对信息加密的目的，通信安全性得以保证。

附图说明

图1是本发明的发射端的原理示意图；图2是本发明的接收端的原理示意图；图3是不存在噪声条件下单一Chirp信号在分数域的能量聚集特性示意图；图4是接收端接收到的单一Chirp信号的分数域特性示意图；图5为相同噪声条件下、经过能量累积处理后的合成信号的分数域波形示意图；图6为发射端产生的脉冲串(实部)波形示意图；图7为不考虑信号衰减情况下到达接收端的信号波形(实部)示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本具体实施方式，基于Chirp信号的超宽带保密通信的信号发射和接收方法，它由以下步骤实现：

发射过程：

步骤一、将信息源输出的数字信息进行映射，获得二进制调制信息；

步骤二、Chirp信号产生器根据设定的参数产生当前时刻的脉冲信号；

步骤三、利用步骤一获得的二进制映射信息对步骤二中的脉冲信号进行调制，获得调制信号，并将所述调制信号发射；

步骤四、判断当前时刻是否超出***设定的时间范围，如果判断结果为否，则返回执行步骤二；如果判断结果为是，则结束一次信号发射过程；

接收过程：

步骤五、在***设定时间内，接收端对接收到的第i个调制信号进行采样，获得一组离散的采样点；共获得N组离散的采样点；

步骤六、对步骤五中获得的N组采样点中每组离散的采样点分别进行分数阶傅立叶变换，共获得N个含有噪声的Chirp信号在分数域的离散波形；

步骤七、对步骤六所述的N个含有噪声的Chirp信号进行参数调整，获得主瓣宽度和相位信息一致的N个信号；

步骤八、将步骤七所述的主瓣宽度和相位信息一致的N个信号进行相加合成，获得合成后的信号；

步骤九、对步骤八所述的合成后的信号进行解调后输出；

所述i为正整数；

所述N为正整数。

步骤六中对离散的采样点进行分数阶傅立叶变换的方法是：接收端根据接收到的信号参数计算其能量发射聚集阶数，根据获得的阶数对离散采样点进行相应分数阶傅立叶变换。

步骤七中对所述的N个含有噪声的Chirp信号进行参数调整中的参数包括：信号相位、信号尺度伸缩和信号平移。

步骤九中采用的解调方法为峰值判决方法。

所述***设定的时间范围为完成信息源一项信息发送和接收所需的时间。

工作原理：分数阶傅立叶变换是一种广义的傅立叶变换，其同时包含了信号在时域和频域的信息。设f(t)为信号的时域表达形式，它的p阶分数阶傅立叶变换的积分形式定义为：

$F^{p}f\left(u\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{1-j\cot \left(\mathrm{\α}\right)}{2\mathrm{\π}}}{f}_{-\∞}^{+\∞}\exp \left[j(\frac{u^2+t^2}{2}\cot \left(\mathrm{\α}\right)-\mathrm{ut}\csc \left(\mathrm{\α}\right))\right]f\left(t\right)\mathrm{dt}& \mathrm{\α}\≠\mathrm{n\π}\\ f\left(t\right)& \mathrm{\α}=2\mathrm{n\π}\\ f(-t)& \mathrm{\α}=(2n\±1)\mathrm{\π}\end{array}\right.$

其中f(t)为信号的时域表达形式，f(t)的p阶分数阶傅立叶变换为F^pf(u)，其中u为分数域坐标，α＝π/2。当α＝π/2时f(u)为普通的傅立叶变换。

根据分数阶傅立叶变换具有的Chirp基分解特性，分数阶傅立叶变换在某个分数阶傅立叶域上对给定的Chirp信号具有最好的能量聚集特性，将表现为一个冲激函数。我们实际通信***中的多采用一段Chirp(切普)信号，因此其在分数域将不是严格的冲激函数。

截断Chirp信号s(t)可以写做s(t)＝f(t)a(t)，其中 $f\left(t\right)=e^{j(2\mathrm{\π}{f}_{0}t+\mathrm{\π}{\mathrm{kt}}^2),}$ a(t)为矩形窗

则s(t)的α＝-arc cot(k)阶分数阶傅立叶变换可以表示为

$F^{\mathrm{\α}}s\left(u\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}f\left(t\right)a\left(t\right)K(\mathrm{\α},u,t)\mathrm{dt}$

将积分核K(α，u，t)的表达式带入上式可得：

$F^{\mathrm{\α}}s\left(u\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}f\left(t\right)a\left(t\right)\sqrt{1-j\cot \mathrm{\α}}\exp \left[2\mathrm{\πj}(\frac{u^2+t^2}{2}\cot \mathrm{\α}-\mathrm{ut}\csc \mathrm{\α})\right]\mathrm{dt}$

$=\sqrt{1-j\cot \mathrm{\α}}{e}^{\mathrm{j\π}{u}^2\cot \mathrm{\α}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{e}^{j(2\mathrm{\π}{f}_{0}t+\mathrm{\π}{\mathrm{kt}}^2)}\·e^{\mathrm{j\π}(t^2\cot \mathrm{\α}-2\mathrm{ut}\csc \mathrm{\α})}a\left(t\right)\mathrm{dt}$

$=\sqrt{1-j\cot \mathrm{\α}}\·e^{\mathrm{i\π}{u}^2\cot \mathrm{\α}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{e}^{2\mathrm{\πj}[\left(\frac{k+\cot \mathrm{\α}}{2}\right)t^2+(f_0-u\csc \mathrm{\α})t]}a\left(t\right)\mathrm{dt}$

当选择合适的k满足式k+cotα＝0时，上式可以化简为：

$F^{\mathrm{\α}}s\left(u\right)=\sqrt{1-j\cot \mathrm{\α}}\·e^{\mathrm{j\π}{u}^2\cot \mathrm{\α}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{e}^{-2\mathrm{\πj}(u\csc \mathrm{\α}-f_0)t}a\left(t\right)\mathrm{dt}$

上式中的积分部分可以看作是a(t)的傅立叶变换 $A\left(f\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}a\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\πft}}\mathrm{dt},$ 将矩形函数的傅立叶变换带入，得到

$F^{\mathrm{\α}}s\left(u\right)=\sqrt{1-j\cot \mathrm{\α}}\·e^{\mathrm{j\π}{u}^2\cot \mathrm{\α}}\·T\·\sin c\left(T(u\csc \mathrm{\α}-f_0)\right)$

由上式可以看出，截断Chirp信号s(t)在α＝-arccot(k)阶分数域的幅度谱形状为sinc函数的压缩平移。压缩倍数与时间长度T和分数阶傅立叶变换的阶数α有关。相位则要再乘上一个分数域线性调频信号。

图3所示的是不存在噪声条件下单一Chirp信号在分数域的能量聚集特性示意图；其为sinc函数的形式，表现为能量冲激的特性；其中横坐标为分数域采样点，纵坐标为幅度；

图4所示的是接收端接收到的单一Chirp信号的分数域特性示意图；其中横坐标为分数域采样点，纵坐标为幅度；图中可见单一Chirp信号被淹没在噪声中，无法检测到峰值；

图5所示的是相同噪声条件下、经过能量累积处理后的合成信号的分数域波形示意图；其中横坐标为分数域采样点，纵坐标为幅度；图中可以清晰的看到峰值；

图6为发射端产生的脉冲串(实部)波形示意图；不同的脉冲采用不同的时域持续时间、线性调频率等参数；图中横坐标为时间，纵坐标为幅度；

图7为不考虑信号衰减情况下到达接收端的信号波形(实部)示意图；可见信号淹没在噪声中，难以识别；图中横坐标为时间，纵坐标为幅度。

对于非合作用户接收机，由于不知道所采用脉冲信号的相关参数，对任何一个单一脉冲信号进行分数阶傅立叶变换都很难将脉冲信号从噪声中分离出来。必须通过实现多个脉冲的能量累积实现脉冲信号的检测。此时，保密通信***可以通过跳频等手段，为脉冲串中的不同脉冲分别不同的参数，使其有效回避非合作方的干扰与检测。同时，若非合作方不知道脉冲的相关参数，对脉冲进行分数阶傅立叶变换难于找到能量聚集的阶数，进而无法进行多个脉冲的合成过程，使得峰值检测难于实现。

Claims (4)

1.基于Chirp信号的超宽带保密通信的信号发射和接收方法，其特征是：它由以下步骤实现：

发射过程：

步骤一、将信息源输出的数字信息进行映射，获得二进制调制信息；

步骤二、Chirp信号产生器根据设定的参数产生当前时刻的脉冲信号；

步骤三、利用步骤一获得的二进制映射信息对步骤二中的脉冲信号进行调制，获得调制信号，并将所述调制信号发射；

步骤四、判断当前时刻是否超出***设定的时间范围，如果判断结果为否，则返回执行步骤二；如果判断结果为是，则结束一次信号发射过程；

接收过程：

步骤五、在***设定时间内，接收端对接收到的第i个调制信号进行采样，获得一组离散的采样点；共获得N组离散的采样点；

步骤六、对步骤五中获得的N组采样点中每组离散的采样点分别进行分数阶傅立叶变换，共获得N个含有噪声的Chirp信号在分数域的离散波形；

步骤七、对步骤六所述的N个含有噪声的Chirp信号进行参数调整，获得主瓣宽度和相位信息一致的N个信号；

步骤八、将步骤七所述的主瓣宽度和相位信息一致的N个信号进行相加合成，获得合成后的信号；

步骤九、对步骤八所述的合成后的信号进行解调后输出；

所述i为正整数；

所述N为正整数。

2.根据权利要求1所述的基于Chirp信号的超宽带保密通信的信号发射和接收方法，其特征在于步骤六中对离散的采样点进行分数阶傅立叶变换的方法是：接收端根据接收到的信号参数计算其能量发射聚集阶数，根据获得的阶数对离散采样点进行相应分数阶傅立叶变换。

3.根据权利要求1所述的基于Chirp信号的超宽带保密通信的信号发射和接收方法，其特征在于步骤七中对所述的N个含有噪声的Chirp信号进行参数调整中的参数包括：信号相位、信号尺度伸缩和信号平移。

4.根据权利要求1所述的基于Chirp信号的超宽带保密通信的信号发射和接收方法，其特征在于步骤九中采用的解调方法为峰值判决方法。

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