專利名稱：基于變參數的四項加權frft通信的保密和解密方法
技術領域：
本發明涉及通信技術領域，具體涉及FRFT(分數傅立葉變換)的信號處理 和通信的保密與解密方法。
背景技術：
FRFT是一種重要的時頻分析工具，近些年來得到了較為廣泛的研究， 并在一些工程技術領域得以應用。FRFT是對傳統傅立葉變換的推廣，其根 本特點可以理解為對傅立葉變換特征值的分數化。參數取值的連續性、旋轉 相加性和對信號時頻形式的統一性是FRFT的基本性質。FRFT大致分為 經典類FRFT和加權類FRFT。
經典類FRFT是提出比較早的一種FRFT形式，它直接從傅立葉變換積 分核及特征值出發，加以推廣和完備。由于經典FRFT具有chirp (切普)形 式的正交基，因而經典類FRFT又被稱為chirp類FRFT。目前有關FRFT的 研究和應用大多集中在經典類上，經典FRFT在求解微分方程、量子力學、 信號分析和處理等科學研究中有著比較廣泛的應用；工程技術方面，如光通 信系統、光圖像處理等光學相關領域是最早利用經典FRFT的，也是目前應 用最成功的。但是受限于經典FRFT的離散算法問題，其在通信領域的應用 受到了比較大的限制。
加權類FRFT (WFRFT)是有別于經典類FRFT的一種新型數學工具，它 的數學性質在光學系統中得到了很好的體現，并且可以通過簡單的光學器件 加以實現，因而在信息光學中得以廣泛的應用。
隨著對FRFT研究的深入，WFRFT的定義被不斷推廣，并在某種程度上 與經典類FRFT統一。WFRFT定義形式可以適用于任何具有周期性的變換。
利用這一性質，可以將連續WFRFT定義推廣到離散序列的WFRFT。 傳統連續的四項加權分數傅立葉變換(4-WFRFT)的定義為
<formula>complex formula see original document page 4</formula>
其中"。 &為由動態加密參數"控制的加權系數，具體表達形式為
<formula>complex formula see original document page 4</formula>
動態加密參數"的取值周期為4，這里設定"的取值范圍為
或[-2,2] 之間的任何實數，對于取值范圍之外的實數，加權系數",(h0,l,2,3)將隨著"
呈現周期性變化。當"-0時4-WFRFT的結果為/W，當6^1時4-WFRFT的 結果為i^)。其中/W為被變換的函數，/(-0為/(0以原點為中心的反轉函數; P(/)為與/W成傅立葉變換對的函數，F(-O為F( )以原點為中心的反轉函數。 由傳統連續的4-WFRFT推廣的離散序列的4-WFRFT的定義為
腫
(a) = *Sexp{±^^[(4m, +1) (& + 4",)_儀
(/ = 0,1,2,3)
是由《 、 MK =[附。,w2,,]禾t1 WK = "2，",]這9個參數共同控制的加權系
數形式，其中7Wr和A^均為實向量。當7Wr和AV均為0時，w,與",定義系數 等價。x(")與X^)是離散傅立葉變換(DFT)對，DFT采用以下形式定義
1
糊
—/——紐
~
推廣的離散序列的4-WFRFT繼承了傳統連續的4-WFRFT的所有性質，
此外還可以通過對實向量MK和A^的調整來控制變換的周期性及特征向量 的旋轉。總之，推廣的離散序列的4-WFRFT更加復雜，但理論上更加完整， 實際應用時更加靈活多變。
申請號為200810063871.2，題目為"一種基于四項加權分數傅立葉變換 的通信保密和解密方法"的專利申請，當非目的接收機已知發射機采用的是 四項加權分數傅立葉變換進行信號加密，特別是加密參數較為簡單時，非目 的接收機就能通過對加密參數進行逐一掃描來破解加密信號，從而獲得真實 信號。
發明內容
本發明的目的是為解決當非目的接收機已知發射機采用的是四項加權分 數傅立葉變換進行信號加密，特別是加密參數較為簡單時，采用一種基于四 項加權分數傅立葉變換的通信保密和解密方法非目的接收機就能通過對加密 參數進行逐一掃描來破解加密信號，從而獲得真實信號的問題，現提出基于 變參數的四項加權FRFT通信的保密和解密方法。
本發明所述的基于變參數的四項加權FRFT通信的保密和解密方法是通 過以下步驟實現的在發射機端，數據源經過基帶調制后送給加密模塊，加 密模塊在動態加密參數"、動態加密實向量iW^和AV的控制下對數據進行四 項加權分數傅立葉變換，經過數字載波調制模塊后的加密信號再經D/A轉換 經過上變頻器后送入信道傳送；在接收機端，經過下變頻器和A/D采樣后的 數據送往解密模塊，在解密模塊中首先通過數字載波相干解調模塊，接著再 經過動態解密參數-"、動態解密實向量MF、 AV控制的四項加權分數傅立 葉變換之后，得到解密信號，然后進行基帶解調工作；所述的動態加密參數"、 動態加密實向量Mr和AV 、動態解密參數-"以及動態解密實向量Mr和WF 均使用相同結構的動態參數選擇模塊實現加密或解密參數動態改變工作，這 種改變都是通過特定速率的偽隨機碼和與偽隨機碼相適應的參數變化圖樣產 生的。
在本發明中，動態加密參數"的選擇原則上為任意實數，但由于周期性 的存在，"通常選取
或[-2,2]之間的實數。對于固定的"，理論上只有一 個最優的準則可以從加密后的信號恢復出原始信息信號，即對加密后的信號 做參數為-"的四項加權類分數傅立葉變換。由于a選擇的靈活性，使得系統 用戶可以根據實際情況動態選擇不同的加密參數對信號進行加密。當參數選 取得當時，加密信號將呈現類高斯的分布特性。
為了抵抗非目的接收機對加密參數"的掃描，引入動態加密實向量Mr和 A^。當動態加密實向量iV/K吣W、0時，若輸入信號為經過數字調制(MPSK或 MQAM)的隨機信號時，隨著參數《的改變，變換后信號的實部和虛部將分別 服從高斯分布，這一特點使得變換后的信號具有與高斯白噪聲相似之處，進 而可以起到信號加密的作用；當動態加密實向量A^和wr不全為零時，變換 后的信號將呈現更為復雜的變化，可以使得變換后的信號出現"星座分裂" 的變化，進而用偽裝后的調制星座圖來保護原始的調制信息，也就是聚集的 星座點數比加密前調制星座點數要多，利用這一特性可以迷惑非目的接收機， 使其做出錯誤的判斷。
本發明的優點是直接將離散序列的4-WFRFT引入到通信系統中，能 夠在不占用額外頻譜資源的條件下對數據信號進行加密，其實現的復雜度與 快速傅立葉變換算法相當，占用系統硬件資源較少，易于實現。加密與解密 的核心單元相同，都是四項加權分數傅立葉變換模塊，故易于雙工通信時的復用，由于采用了偽隨機序列控制加密與解密參數的變化，使得加密后信號 的變化更加復雜，難于被直接的參數掃描所破解。
圖1是基于變參數四項加權類分數傅立葉變換的保密通信裝置的結構示
意圖；圖2是動態加密參數"的動態變化策略的示意圖，其中橫軸表示時間， 縱軸表示加密參數；圖3是當動態加密實向量MF和7VF中的各獨立分量采 用同一PW序列，/W序列在參數跳變的周期z;.內有4個幀周期7^時，動態加 密實向量MK和7VK的變化策略的示意圖；圖4是當動態加密實向量MK和 A/y中的各獨立分量采用同一尸7V序列，P7V序列在參數跳變的周期7^內有16 個幀周期7>時，動態加密實向量MK和AV的變化策略的示意圖；圖5是當 動態加密實向量MF和A^中的各獨立分量采用不同尸W序列或采用同一PN 碼的不同起始位置時的變化策略的示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一下面結合圖1說明本實施方式。本實施方式所述的基
于變參數的四項加權FRFT通信的保密和解密方法通過下述步驟實現在發
射機端，數據源經過基帶調制后送給加密模塊，加密模塊在動態加密參數"、
動態加密實向量MK和7VF的控制下對數據進行四項加權分數傅立葉變換，經 過數字載波調制模塊后的加密信號再經D/A轉換經過上變頻器后送入信道傳 送；在接收機端，經過下變頻器和A/D采樣后的數據送往解密模塊，在解密 模塊中首先通過數字載波相干解調模塊，接著再經過動態解密參數-《、動態 解密實向量MF、 AV控制的四項加權分數傅立葉變換之后，得到解密信號， 然后進行基帶解調工作；所述的動態加密參數"、動態加密實向量M7和AT 、 動態解密參數-"、動態解密實向量MK和W「均可使用相同結構的動態參數 選擇模塊實現加密或解密參數動態改變工作，它們都是由時鐘源控制偽碼發 生器輸出的特定速率的偽隨機碼，以及儲存在指令譯碼器中與所述特定速率 的偽隨機碼相適應的參數變化圖樣共同決定的，根據實際情況，它們可以采 用相同的時鐘源及相同的偽碼發生器復用的方式。
在本實施方式中，動態加密參數a的選擇原則上為任意實數，但由于周 期性的存在，"通常選取
或[-2,2]之間的實數。對于固定的《，理論上只 有一個最優的準則可以從加密后的信號恢復出原始信息信號，即對加密后的
信號做參數為-"的四項加權類分數傅立葉變換。由于a選擇的靈活性，使得 系統用戶可以根據實際情況動態選擇不同的加密參數對信號進行加密。當參 數選取得當時，加密信號將呈現類高斯的分布特性。
為了抵抗非目的接收機對加密參數a的掃描，引入動態加密實向量MF和 AV。當動態加密實向量^^A^-0時，若輸入信號為經過數字調制(MPSK或 MQAM)的隨機信號時，隨著參數"的改變，變換后信號的實部和虛部將分別 服從高斯分布，這一特點使得變換后的信號具有與高斯白噪聲相似之處，進 而可以起到信號加密的作用；當動態加密實向量MF和wr不全為零時，變換 后的信號將呈現更為復雜的變化，可以使得變換后的信號出現"星座分裂" 的變化，進而用偽裝后的調制星座圖來保護原始的調制信息，也就是聚集的 星座點數比加密前調制星座點數要多，利用這一特性可以迷惑非目的接收機， 使其做出錯誤的判斷。
加密的具體步驟為
一、 數據源提供的二進制數據經過基帶調制后變為復數形式的待加密信 號交予加密模塊進行加密，其中基帶調制方式為MPSK或MQAM數字調制 方式；
二、 加密模塊同時分別逐幀對四個數據序列進行加密，數據序列的幀長 為離散傅立葉變換的長度，可以根據實際情況靈活選擇，通常選取2的整數 次冪。加密的核心即對數據序列進行加權求和，四個數據序列依次為輸入 的待加密數據序列、待加密數據序列經過離散傅立葉變換后的序列、待加密 數據序列經過反轉模塊處理后的序列和待加密數據序列依次經過離散傅立葉 變換和反轉模塊處理后的序列；根據動態選擇的加密參數a和動態加密實向 量MF、 AV，并由系數產生模塊產生加權系數 w。 、 w, 、 w2 、 w3對被力口權數據 序列進行加權求和；
三、 對加權后的復數序列進行數字載波調制后輸出，即為加密后的信號。 解密的具體步驟為
(一) 、接收到的數據經過A/D轉換后，首先進行數字載波的相干解調得 到同相分量和正交分量，并以同相分量作為實部、正交分量作為虛部對應相 加后進行序列的同步處理，同步輸出序列即為待解密的復數序列；
(二) 、對待解密的復數序列做參數為- 、動態解密實向量為MF和iVK的 四項加權類分數傅立葉變換，具體過程與加密過程相同，變換后的序列即為
解密后的序列，可交由基帶解調模塊進行下一歩的工作。
結合圖3說明動態加密參數"的動態變化策略動態加密參數a的全周 期^=4被分成了8組，即分成a,、 a2、 "3、 《4、 《5、 《6、 《7和《8，每一組又
分成2份，其中同一組的兩份相距2，分別對應于偽隨機碼為0和1時輸出
參數的取值區間。s,..為每一組參數區間的大小，也即每一幀數據變換時的參
數保護范圍。r,為每一幀數據持續的時間，r(,為參數跳變的周期，圖中所示 策略中r(，-3r,，這一比例可以根據需要調整。策略中參數變換的順序為《,，
……，這一順序是事先設定的，也可以根據
需要適時調整。
結合圖3、圖4和圖5說明動態加密實向量MF和WF的變化策略為
A、 當動態加密實向量MF和AV中的各獨立分量采用同一尸W (偽隨機 碼)序列時的變化策略為
a、 結合圖3說明當尸7V序列在參數跳變的周期rc內有4個幀周期r,.時，
每個PiV序列的幀依次對應實向量中的一個分量m,或n, (/ = 0,1，2,3)，每個分 量只有兩種取值情況，即0或1。
b、 結合圖4說明當尸7V序列在參數跳變的周期z;.內有16個幀周期 >時， 每4個戶7V序列碼片對應實向量中的一個分量，即每個分量等于一個4位二 進制數表示的十進制數。
c、 當尸iV序列在參數跳變的周期^內不足4個幀周期7;,時，將PW序列 在參數跳變的周期j;.內進行周期延拓使其具有4個幀周期7>后，再執行策略 ac
d、 當/W序列在參數跳變的周期z;.內不足16個幀周期7;.時，將/W序列 在參數跳變的周期r,,內進行周期延拓使其具有4個幀周期j;,后，再執行策略 b。
B、 結合圖5說明當動態加密實向量MF和A^中的各獨立分量采用不同 戶7V序列或采用同一 PN碼的不同起始位置時的變化策略為每個獨立分量按 照所采用的PAA序列的規律變化。
本實施方式均可由DSP (數字信號處理)、FPGA (現場可編程門陣列)或 FPGA+DSP實現。本實施方式可以采用并行或串行的系統結構，其中并行結構 更適合于FPGA，串行結構更適合于DSP;若采用FPGA+DSP或其他硬件架構， 則可根據實際情況適當調整系統結構。
權利要求
1、基于變參數的四項加權FRFT通信的保密和解密方法，在發射機端，數據源經過基帶調制后送給加密模塊，加密模塊在動態加密參數α、動態加密實向量MV和NV的控制下對數據進行四項加權分數傅立葉變換，經過數字載波調制模塊后的加密信號再經D/A轉換經過上變頻器后送入信道傳送；在接收機端，經過下變頻器和A/D采樣后的數據送往解密模塊，在解密模塊中首先通過數字載波相干解調模塊，接著再經過動態解密參數-α、動態解密實向量MV、NV控制的四項加權分數傅立葉變換之后，得到解密信號，然后進行基帶解調工作，其特征在于所述的動態加密參數α、動態加密實向量MV和NV、動態解密參數-α以及動態解密實向量MV和NV均使用相同結構的動態參數選擇模塊實現加密或解密參數動態改變工作，這種改變都是通過特定速率的偽隨機碼和與偽隨機碼相適應的參數變化圖樣產生的。
2、 根據權利要求1所述的基于變參數的四項加權FRFT通信的保密和解 密方法，其特征在于加密的具體步驟為一、 數據源提供的二進制數據經過基帶調制后變為復數形式的待加密信號 交予加密模塊進行加密，其中基帶調制方式為MPSK或MQAM數字調制方式；二、 加密模塊同時分別逐幀對四個數據序列進行加密，數據序列的幀長為 離散傅立葉變換的長度，選取2的整數次冪；加密的核心即對數據序列進行加權求和，四個數據序列依次為輸入的待加密數據序列、待加密數據序列經過離散傅立葉變換后的序列、待加密數據序列經過反轉模塊處理后的序列和待加密數據序列依次經過離散傅立葉變換和反轉模塊處理后的序列；根據動態選擇 的加密參數"和動態加密實向量MF、 wr，并由系數產生模塊產生加權系數 w。、 Wl、 w2、 ^對被加權數據序列進行加權求和；三、 對加權后的復數序列進行數字載波調制后輸出，即為加密后的信號。
3、 根據權利要求1所述的基于變參數的四項加權FRFT通信的保密和解密 方法，其特征在于解密的具體歩驟為(一) 、接收到的數據經過A/D轉換后，首先進行數字載波的相干解調得到 同相分量和正交分量，并以同相分量作為實部、正交分量作為虛部對應相加后 進行序列的同步處理，同歩輸出序列即為待解密的復數序列；(二) 、對待解密的復數序列做參數為- 、動態解密實向量為MF和AV的四項加權類分數傅立葉變換，變換后的序列即為解密后的序列，可交由基帶解 調模塊進行下一步的工作。
4、 根據權利要求2和3所述的基于變參數的四項加權FRFT通信的保密 和解密方法，其特征在于動態加密參數α的動態變化策略為動態加密參數α 的全周期Bα=4被分成了 8組，即分成α1, α2、 α3、 α4、 α5、α6、 α7和α8，每一組又分成2份，其中同一組的兩份相距2，分別對應于偽隨機碼為0和1時 輸出參數的取值區間，BF為每一組參數區間的大小，也就是每一幀數據變換 時的參數保護范圍，TF為每一幀數據持續的時間，TC為參數跳變的周期，策略 中TC=3TF，這一比例可以根據需要調整，策略中參數變換的順序為α1， α6，α7,α3,α8,α2,α4,α5...,這一順序是事先設定的。
5、 根據權利要求4所述的基于變參數的四項加權FRFT通信的保密和解 密方法，其特征在于動態加密實向量MA和NV的動態變化策略為A、 當動態加密實向量MK和AV中的各獨立分量采用同--PN(偽隨機碼) 序列時的變化策略為a、 當戶PN序列在參數跳變的周期TC內有4個幀周期TF時，每個PN序列的 幀依次對應實向量中的一個分量m1或n1，(l = 0，1，2，3)，每個分量只有兩種取值情況，即0或1;b、 當戶PN序列在參數跳變的周期TC內有16個幀周期TF時，每4個PN序 列碼片對應實向量中的一個分量，即每個分量等于一個4位二進制數表示的十 進制數；c、 當PN序列在參數跳變的周期TC內不足4個幀周期TF時，將PN序列在 參數跳變的周期TC內進行周期延拓使其具有4個幀周期TF后，再執行策略a;d、 當PN序列在參數跳變的周期TC內不足16個幀周期TF時，將PN序列在 參數跳變的周期TC內進行周期延拓使其具有4個幀周期TF后，再執行策略b;B、 當動態加密實向量MV和NV中的各獨立分量采用不同PN序列或采 用同一 PN碼的不同起始位置時的變化策略為每個獨立分量按照所采用的 PN序列的規律變化。
6、 根據權利要求5所述的基于變參數的四項加權FRFT通信的保密和解密 方法，其特征在于它由DSP、 FPGA或FPGA+DSP實現。
全文摘要
基于變參數的四項加權FRFT通信的保密和解密方法，涉及通信技術領域，為了解決非目的接收機在已知發射機采用四項加權FRFT進行信號加密時，通過對加密參數逐一掃描就能破解加密信號的問題。它的方法是在發射機端，數據源經過基帶調制后送給加密模塊，加密模塊在偽隨機碼和與它相適應的參數變化圖樣決定的α、MV和NV控制下對數據進行四項加權FRFT，經過數字載波調制后的加密信號再經D/A轉換及上變頻器后送入信道傳送；在接收機端，經過下變頻器和A/D采樣后的數據送往解密模塊，在解密模塊中進行數字載波相干解調，經過由偽隨機碼和與它相適應的參數變化圖樣決定的-α、MV和NV控制的四項加權FRFT之后，得到解密信號，然后進行基帶解調工作。
文檔編號H04L9/28GK101345618SQ20081013694
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月15日 優先權日2008年8月15日
發明者軍 史, 吳少川, 寧曉燕, 林 梅, 沙學軍, 旭 白, 高玉龍 申請人:哈爾濱工業大學