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軟件無線電安全保密通信仿真系統(tǒng)(一)
1．1軟件無線電結構原理
軟件無線電系統(tǒng)的結構原理,如圖1所示。
它主要包括天線、射頻模塊、采集/合成模塊、高速轉接數據通道模塊、微處理器模塊,信息保安模塊以及網絡接口模塊等六個模塊。其中天線射頻模塊負責收發(fā)信息,并轉換為中頻信號。采集/合成包括Ａ/Ｄ和Ｄ/Ａ、濾波器。信息保安模塊主要負責信息安全傳輸的保密處理等。圖1 軟件無線電保密通信系統(tǒng)基本結構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)射時主要完成上變頻、濾波、功率放大等任務,接收時實現(xiàn)濾波、放大、下變頻等功能。模擬信號進行數字化后的處理任務完全由ＤＳＰ/ＣＰＵ編程軟件承擔。為了減輕通用ＤＳＰ/ＣＰＵ的處理壓力,把Ａ/Ｄ轉換器傳來的數字信號,經過專用數字信號處理器件(如數字下變頻器ＤＤＣ)處理,降低數據流速率,并把信號下變到基帶后,再把數據傳送給通用ＤＳＰ/ＣＰＵ進行處理。通用ＤＳＰ/ＣＰＵ主要完成各種數據速率相對較低的基帶信號的處理,例如信號的調制解調,抗干擾,抗衰減和自適應均衡算法等。
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,實際上就是包括超混沌語音保密在內的安全通道信息收發(fā)調制解調關鍵部分。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 超混沌吸引子和時域密鑰
圖2(ａ)是語音信號加密調制發(fā)送原理框圖,主要包括語音信號、超混沌信號、混沌驅動以及編碼器(密鑰)四種動力源,并由變頻調制器進行上變頻處理發(fā)送超混沌載波信號。圖2(ｂ)是語音超混沌載波信號接收解調原理框圖,主要包括接收、解調、超混沌同步解碼(密鑰)和Ｄ/Ａ轉換、放大等功能,將高頻超混沌載波信號進行下變頻處理、解碼和中頻放大送到軟件中央處理器進行濾波、檢波等。1. 3系統(tǒng)模塊的參數設定為確保在無線通信條件下的信息傳輸,特設定如下系統(tǒng)參數作為通信參考: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;②Ａ/Ｄ轉換:采用24ｂｉｔ字長,ＰＣＭ(脈碼調制)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個頻段,通頻帶總帶寬為89 5ＭＨｚ。每個頻段分別用一個電調諧濾波器來覆蓋;⑤Ｒｏｓｓｌｅｒ超混沌同步巡回偵碼:12ｂｉｔｓ;⑥信息傳輸總誤碼率:≤1%。2�。遥铮螅螅欤澹虺煦缯Z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,初值為ｘ0=(ｘ01,ｘ02,ｘ03,ｘ04)Ｔ。根據Ｒｏｓｓｌｅｒ方程,構建了三階混沌運放電路的自治硬件系統(tǒng),作為混沌信號發(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
由超混沌電路產生的模擬信號首先要經過Ａ/Ｄ轉換為數字信號,或者直接利用Ｒｏｓｓｌｅｒ方程進行軟件化編程,獲得軟件Ｒｏｓｓｌｅｒ超混沌保密通信模塊。以Ｒｏｓｓｌｅｒ方程為出發(fā)點,進行軟件化編程。基本思想是根據超混沌Ｒｏｓｓｌｅｒ方程設定初始條件,計算超混沌方程,進行ＰＣＭ和線性化處理,產生脈碼調制超混沌序列與語音等數字化信息進行邏輯運算,判定調制與解調初始條件,送軟件濾波解析語音信號。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傳輸比混沌載波具有更強的抗信息截獲功能。它的信息提取主要是利用混沌方程中的系統(tǒng)參數的調整,即混沌系統(tǒng)的初始條件就是保密信息的密鑰。對于混沌方程產生的密碼序列,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)由于具有兩個或兩個以上正的李雅譜諾夫指數,混沌軌道更加復雜的動力學特性彌補了轉換誤差缺陷,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制與仿真
3.2.1 軟件超混沌系統(tǒng)模塊調制方法設混沌載波信號為Ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4),混沌電路自發(fā)產生混沌信號,由(2)或(4)式產生的混沌信號為Ｈ(ｔ),通信系統(tǒng)的同步本振信號為ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4)。線性化處理后根據迭加原理,形成新的載波信號: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分別是時間ｔ的函數。ｇ(ｔ)為信息上傳的調制信號,所以Ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4)又稱為一級解調混沌信號,它內含基本信號Ｓ(ｔ)(信息源)。根據信號的調制、解調原理,使用混沌信號的初始條件[μ1(ｔ0),μ2(ｔ0),μ3(ｔ0),μ4(ｔ0)]Ｔ,對同步傳輸的信息進行調制和解調。將信息從ｇ(ｔ)中解出并恢復為原碼形式。如果逆向求解,還可將信息迭加到混沌載波信號Ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4)中,再通過ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4)深層處理,將調制信號ｇ(ｔ)進行上傳發(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四階超混沌動力學方程進行軟件化處理,采用四階Ｒｕｎｇｅ-Ｋｕｔｔａ方法,經計算機仿真進行實驗。數據采樣100000點,去掉5000個初始點,計算步長為0 01,仿真超混沌和密鑰序列見圖。
(ａ)原始音頻信號(ｂ)加密混沌載波信號(ｃ)加密混沌載波信號局部放大 (ｄ)解密還原后的音頻信號圖5 混沌語音保密通信時域波形3 2 3 無線通信系統(tǒng)中軟件超混沌同步通信的計算機仿真人類聽覺音頻信號頻率寬度一般在20Ｈｚ～20ｋＨｚ,語音交流信號在300～3000Ｈｚ范圍內。這里采用四階Ｒｏｓｓｌｅｒ超混沌模塊,進行計算機語音通信實驗。利用計算機聲卡的線路輸入接口,通過話筒輸入“東北大學”音頻信號,語音信號經過軟件混沌數字序列模塊提取初始值并產生一個原始混沌序列密碼,由軟件無線電載波變頻傳輸后,再加以接收和轉換,產生與發(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”的音頻原始信號、加密載波混沌信號和解密后的還原音頻信號的時域波形。
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)中的信息安全傳輸的可靠性主要表現(xiàn)在兩個方面: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)中實現(xiàn)語音混沌保密通信的理論分析與計算機仿真實驗,結果表明混沌信號具有類似白噪聲的寬頻譜和可由確定性系統(tǒng)中產生并提取信息的特點,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,也可用作擴頻調制波發(fā)生器。時間連續(xù)混沌通信和時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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