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軟件無線電安全保密通信仿真系統(tǒng)(一)
1．1軟件無線電結(jié)構(gòu)原理
軟件無線電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理,如圖1所示。
它主要包括天線、射頻模塊、采集/合成模塊、高速轉(zhuǎn)接數(shù)據(jù)通道模塊、微處理器模塊,信息保安模塊以及網(wǎng)絡(luò)接口模塊等六個(gè)模塊。其中天線射頻模塊負(fù)責(zé)收發(fā)信息,并轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)。采集/合成包括Ａ/Ｄ和Ｄ/Ａ、濾波器。信息保安模塊主要負(fù)責(zé)信息安全傳輸?shù)谋Ｃ芴幚淼取D1 軟件無線電保密通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)軟件無線電的天線一般要覆蓋比較寬的頻段,例如1 0ＭＨｚ～2ＧＨｚ。在軍事及民用通信中,可能還需要ＶＨＦ/ＵＨＦ的視頻通信、ＵＨＦ衛(wèi)星通信,ＨＦ通信作為備用通信方式。射頻前端在發(fā)射時(shí)主要完成上變頻、濾波、功率放大等任務(wù),接收時(shí)實(shí)現(xiàn)濾波、放大、下變頻等功能。模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后的處理任務(wù)完全由ＤＳＰ/ＣＰＵ編程軟件承擔(dān)。為了減輕通用ＤＳＰ/ＣＰＵ的處理壓力,把Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器傳來的數(shù)字信號(hào),經(jīng)過專用數(shù)字信號(hào)處理器件(如數(shù)字下變頻器ＤＤＣ)處理,降低數(shù)據(jù)流速率,并把信號(hào)下變到基帶后,再把數(shù)據(jù)傳送給通用ＤＳＰ/ＣＰＵ進(jìn)行處理。通用ＤＳＰ/ＣＰＵ主要完成各種數(shù)據(jù)速率相對(duì)較低的基帶信號(hào)的處理,例如信號(hào)的調(diào)制解調(diào),抗干擾,抗衰減和自適應(yīng)均衡算法等。
1. 2軟件無線電超混沌語音保密系統(tǒng)模塊作用原理
軟件無線電系統(tǒng)中的信息安全巡回偵碼模塊,實(shí)際上就是包括超混沌語音保密在內(nèi)的安全通道信息收發(fā)調(diào)制解調(diào)關(guān)鍵部分。信息安全巡回偵碼的超混沌語音保密信息收發(fā)原理如圖2所示。
2 超混沌語音保密信息收發(fā)原理框圖
(ａ)ｘ1-ｘ2-ｘ3(ｂ)ｘ1-ｘ2-ｘ4(ｃ)ｘ1-ｘ3-ｘ4(ｄ)ｘ2-ｘ3-ｘ4(ｅ)ｔ-ｘ2-ｘ3 (ｆ)ｔ-ｘ1-ｘ4
圖3 超混沌吸引子和時(shí)域密鑰
圖2(ａ)是語音信號(hào)加密調(diào)制發(fā)送原理框圖,主要包括語音信號(hào)、超混沌信號(hào)、混沌驅(qū)動(dòng)以及編碼器(密鑰)四種動(dòng)力源,并由變頻調(diào)制器進(jìn)行上變頻處理發(fā)送超混沌載波信號(hào)。圖2(ｂ)是語音超混沌載波信號(hào)接收解調(diào)原理框圖,主要包括接收、解調(diào)、超混沌同步解碼(密鑰)和Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換、放大等功能,將高頻超混沌載波信號(hào)進(jìn)行下變頻處理、解碼和中頻放大送到軟件中央處理器進(jìn)行濾波、檢波等。1. 3系統(tǒng)模塊的參數(shù)設(shè)定為確保在無線通信條件下的信息傳輸,特設(shè)定如下系統(tǒng)參數(shù)作為通信參考:①語音處理:采用8 0/12 5ｋＨｚ頻率、8/16位字長采樣,單/雙聲道ＷＡＶ文件格式存儲(chǔ);②Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換:采用24ｂｉｔ字長,ＰＣＭ(脈碼調(diào)制)量化編碼方法,量化電平0 5Ｖ;③信息傳輸速率:512ｋｂｐｓ;④無線電頻帶:將1 5～1000ＭＨｚ的頻率范圍劃分8個(gè)頻段,通頻帶總帶寬為89 5ＭＨｚ。每個(gè)頻段分別用一個(gè)電調(diào)諧濾波器來覆蓋;⑤Ｒｏｓｓｌｅｒ超混沌同步巡回偵碼:12ｂｉｔｓ;⑥信息傳輸總誤碼率:≤1%。2 Ｒｏｓｓｌｅｒ超混沌語音保密通信系統(tǒng)信息安全巡回偵碼模塊的超混沌語音保密部分采用超混沌的Ｒｏｓｓｌｅｒ方程,進(jìn)行同步化通信和軟件化處理研究。
2. 1�。遥铮螅螅欤澹虺煦缤较到y(tǒng)參考模型
Ｒｏｓｓｌｅｒ四階超混沌系統(tǒng)狀態(tài)方程表示[7-8]為:ｄｘ1/ｄｔ=-ｘ2-ｘ4ｄｘ2/ｄｔ=ｘ1+ａｘ2+ｘ3ｄｘ3/ｄｔ=ｃｘ3-2ａｘ4ｄｘ4/ｄｔ=ｂ+ｘ1ｘ4(1)式中ａ,ｂ,ｃ均為正的參數(shù),初值為ｘ0=(ｘ01,ｘ02,ｘ03,ｘ04)Ｔ。根據(jù)Ｒｏｓｓｌｅｒ方程,構(gòu)建了三階混沌運(yùn)放電路的自治硬件系統(tǒng),作為混沌信號(hào)發(fā)生器[9],在無線電通信上非常適合用于保密通信。超混沌Ｒｏｓｓｌｅｒ方程的非線性電路同步是通信的關(guān)鍵,而超混沌保密通信系統(tǒng)的軟件化同步則是信息傳遞的基本原則。
2 .2 超混沌保密通信模塊的軟件化
由超混沌電路產(chǎn)生的模擬信號(hào)首先要經(jīng)過Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),或者直接利用Ｒｏｓｓｌｅｒ方程進(jìn)行軟件化編程,獲得軟件Ｒｏｓｓｌｅｒ超混沌保密通信模塊。以Ｒｏｓｓｌｅｒ方程為出發(fā)點(diǎn),進(jìn)行軟件化編程�；舅枷胧歉鶕�(jù)超混沌Ｒｏｓｓｌｅｒ方程設(shè)定初始條件,計(jì)算超混沌方程,進(jìn)行ＰＣＭ和線性化處理,產(chǎn)生脈碼調(diào)制超混沌序列與語音等數(shù)字化信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算,判定調(diào)制與解調(diào)初始條件,送軟件濾波解析語音信號(hào)。語音信息超混沌加密程序流程見圖4。語音信息超混沌解密程序流程從略。圖4 語音信息混沌加密程序流程
3 軟件無線電模式下的語音超混沌保密通信系統(tǒng)仿真
3 .1 混沌保密特性分析超混沌載波信號(hào)傳輸比混沌載波具有更強(qiáng)的抗信息截獲功能。它的信息提取主要是利用混沌方程中的系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整,即混沌系統(tǒng)的初始條件就是保密信息的密鑰。對(duì)于混沌方程產(chǎn)生的密碼序列,如果收發(fā)兩端的混沌系統(tǒng)分別采用不同的初始條件產(chǎn)生密碼序列,則語音通信系統(tǒng)不能正常通信。由于混沌系統(tǒng)對(duì)初始條件的極端敏感性,使得保密特性優(yōu)于其它保密方法。從保密特性上看,由于時(shí)間連續(xù)混沌系統(tǒng)(Ｒｏｓｓｌｅｒ三階混沌模塊)的自同步允許收發(fā)系統(tǒng)參數(shù)中存在有一定誤差,使得初始條件的敏感性降低,保密性低于Ｌｏｇｉｓｔｉｃ映射。Ｒｏｓｓｌｅｒ四階超混沌系統(tǒng)由于具有兩個(gè)或兩個(gè)以上正的李雅譜諾夫指數(shù),混沌軌道更加復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性彌補(bǔ)了轉(zhuǎn)換誤差缺陷,加之超混沌更接近自然現(xiàn)象,保密特性明顯優(yōu)于前兩者。
3. 2 無線電通信系統(tǒng)軟件化的超混沌模塊調(diào)制與仿真
3.2.1 軟件超混沌系統(tǒng)模塊調(diào)制方法設(shè)混沌載波信號(hào)為Ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4),混沌電路自發(fā)產(chǎn)生混沌信號(hào),由(2)或(4)式產(chǎn)生的混沌信號(hào)為Ｈ(ｔ),通信系統(tǒng)的同步本振信號(hào)為ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4)。線性化處理后根據(jù)迭加原理,形成新的載波信號(hào):Ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4)=Ｓ(ｔ)+Ｈ(ｔ)(5)3第2期柏逢明:軟件無線電Ｒｏｓｓｌｅｒ超混沌語音保密通信系統(tǒng)ｇ(ｔ)=Ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4)+ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4)(6)式中,ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4分別是時(shí)間ｔ的函數(shù)。ｇ(ｔ)為信息上傳的調(diào)制信號(hào),所以Ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4)又稱為一級(jí)解調(diào)混沌信號(hào),它內(nèi)含基本信號(hào)Ｓ(ｔ)(信息源)。根據(jù)信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)原理,使用混沌信號(hào)的初始條件[μ1(ｔ0),μ2(ｔ0),μ3(ｔ0),μ4(ｔ0)]Ｔ,對(duì)同步傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。將信息從ｇ(ｔ)中解出并恢復(fù)為原碼形式。如果逆向求解,還可將信息迭加到混沌載波信號(hào)Ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4)中,再通過ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4)深層處理,將調(diào)制信號(hào)ｇ(ｔ)進(jìn)行上傳發(fā)送[11-12]。
3 .2. 2 無線通信系統(tǒng)中軟件超混沌密鑰序列發(fā)生器仿真利用Ｒｏｓｓｌｅｒ四階超混沌動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行軟件化處理,采用四階Ｒｕｎｇｅ-Ｋｕｔｔａ方法,經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)采樣100000點(diǎn),去掉5000個(gè)初始點(diǎn),計(jì)算步長為0 01,仿真超混沌和密鑰序列見圖。
(ａ)原始音頻信號(hào)(ｂ)加密混沌載波信號(hào)(ｃ)加密混沌載波信號(hào)局部放大 (ｄ)解密還原后的音頻信號(hào)圖5 混沌語音保密通信時(shí)域波形3 2 3 無線通信系統(tǒng)中軟件超混沌同步通信的計(jì)算機(jī)仿真人類聽覺音頻信號(hào)頻率寬度一般在20Ｈｚ～20ｋＨｚ,語音交流信號(hào)在300～3000Ｈｚ范圍內(nèi)。這里采用四階Ｒｏｓｓｌｅｒ超混沌模塊,進(jìn)行計(jì)算機(jī)語音通信實(shí)驗(yàn)。利用計(jì)算機(jī)聲卡的線路輸入接口,通過話筒輸入“東北大學(xué)”音頻信號(hào),語音信號(hào)經(jīng)過軟件混沌數(shù)字序列模塊提取初始值并產(chǎn)生一個(gè)原始混沌序列密碼,由軟件無線電載波變頻傳輸后,再加以接收和轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生與發(fā)射端初始值相同的軟件混沌序列密碼,在無通道噪聲的條件下,語音信號(hào)便從一片混沌與噪聲中被清晰地還原出來。圖5是輸入男聲語音“東北大學(xué)”的音頻原始信號(hào)、加密載波混沌信號(hào)和解密后的還原音頻信號(hào)的時(shí)域波形。
4�。遥铮螅螅欤澹虺煦缯Z音保密通信系統(tǒng)的可靠性問題
軟件無線電通信系統(tǒng)中的信息安全傳輸?shù)目煽啃灾饕憩F(xiàn)在兩個(gè)方面:①通信系統(tǒng)的魯棒性(Ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ)保證,②安全密鑰的敏感性(Ｓｅｎｓｉ ｔｉｖｉｔｙ)問題。通過在軟件無線電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)語音混沌保密通信的理論分析與計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明混沌信號(hào)具有類似白噪聲的寬頻譜和可由確定性系統(tǒng)中產(chǎn)生并提取信息的特點(diǎn),適合于軟件無線電通信系統(tǒng)中作為隱藏語音等信息的噪聲源,也可用作擴(kuò)頻調(diào)制波發(fā)生器。時(shí)間連續(xù)混沌通信和時(shí)間離散序列混沌以及超混沌編碼通信中,后者更具有優(yōu)良的安全可靠性。
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