CN101345616A - 基于多参数四项加权分数傅立叶变换的通信加密和解密方法 - Google Patents

Abstract

基于多参数四项加权分数傅立叶变换的通信加密和解密方法，涉及到通信技术领域。它能够打乱原基带信号的星座分布，使得非通信目的者难于截获和检测通信信号。它的方法是在发射机端，数据源经过基带调制后送给加密模块，加密模块在动态加密参数α和动态加密矢量MV、NV的控制下对数据进行四项加权类分数傅立叶变换、数字载波调制进行加密，然后经D/A转换及上变频后送入信道传送；在接收机端，经过下变频和A/D采样后的数据送往解密模块，在解密模块中首先进行数字载波相干解调，再经过动态解密参数－α和动态解密矢量MV、NV控制的四项加权类分数傅立叶变换之后，接收数据得到解密，然后进行基带解调工作。本发明适用于现有通信领域中的保密通信设备中。

Description

基于多参数四项加权分数傅立叶变换的通信加密和解密方法

技术领域

本发明涉及分数傅立叶变换的信号处理和通信的保密、解密方法，属于通信技术领域。

背景技术

现代通信技术的广泛应用，成了窃密者的理想目标。在通信领域，窃密与反窃密的斗争异常激烈。通信窃密技术在发展，通信保密技术也在发展。造成通信泄密的主要原因是通信保密技术落后。

所谓保密通信，就是为了防止通信技术被窃取，在通信过程中对秘密信息及其传输方式采取隐蔽的手段，从而达到保密的目的。保密技术主要分两个方面，即信道保密技术和信息保密技术。信道保密技术，就是将信息的传输途径隐蔽或保护起来，使外人不能从信道上截获所需要的秘密信息。信息保密技术就是对传输的信息加以变化、伪装和隐藏，这样即使这种信息被截获，也无法得知其真实内容。

典型的保密通信可分为三个环节：一是信源保护，在信息源信息以原始形式裸露着的时候十分脆弱，容易被盗取，对它的保护称为信源保护；二是信息保护，即采取措施将原始信息经过处理并加密，使得它面目全非、不能辨认，处理和加密后的信号即使被非法的接收者收到，但要拿出信息所表示的原始内容是很难的；三是信号保护，即加密后的信息进入传输介质的全过程，对这个环节进行保护就是隐藏信号，使对方难以捕捉到，从而失掉解密的可能性。

加权类分数傅立叶变换(Weighted FRFT，WFRFT)是有别于经典分数傅立叶变换的一种新型数学工具，又是有别于经典分数傅立叶变换的一种更新的数学变换方法。目前WFRFT并没有在通信领域得到应用。Equation Section(Next)

传统的四项加权类分数傅立叶变换(4-WFRFT)的定义为：

F^α[f](t)＝a₀(α)f(t)+a₁(α)F(t)+a₂(α)f(-t)+a₃(α)F(-t)

其中a₀～a₃为由动态加密参数α控制的加权系数，具体表达形式为：

$a_l\left(\mathrm{\α}\right)=\cos \left(\frac{(\mathrm{\α}-l)\mathrm{\π}}{4}\right)\cos \left(\frac{2(\mathrm{\α}-l)\mathrm{\π}}{4}\right)\exp (\±\frac{3(\mathrm{\α}-l)\mathrm{\πi}}{4}),(l=\mathrm{0,1,2,3})$

动态加密参数α的取值周期为4，这里设定α的取值范围为[0，4]或[-2，2]之间的任何实数，对于取值范围之外的实数，加权系数a_l(l＝0，1，2，3)将随着α呈现周期性变化。当α＝0时四项加权类分数傅立叶变换的结果为f(t)，当α＝1时四项加权类分数傅立叶变换的结果为F(t)。其中f(t)为被变换的函数，f(-t)为f(t)以原点为中心的反转函数；F(t)为与f(t)成傅立叶变换对的函数，F(-t)为F(t)以原点为中心的反转函数。傅立叶变换采用以下的定义：

$X\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}x\left(t\right)e^{-\mathrm{j\&omega;t}}\mathrm{dt},-\&infin;<\mathrm{\&omega;}<\&infin;$

推广之后的离散序列的四项加权类分数傅立叶变换的定义如下：

F^α[x(n)]＝w₀(α)x(n)+w₁(α)X(n)+w₂(α)x(-n)+w₃(α)X(-n)

其中 $w_l\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\frac{1}{4}\underset{k=0}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\exp \{\&PlusMinus;\frac{2\mathrm{\&pi;i}}{4}[({4m}_k+1)\mathrm{\&alpha;}(k+{4n}_k)-\mathrm{lk}\left]\right\},l=\mathrm{0,1,2,3}$

是由α、MV＝[m₀，m₁，m₂，m₃]和NV＝[n₀，n₁，n₂，n₃]等9个参数共同控制的加权系数形式，其中MV和NV均为实向量。当MV和NV均为0且时，w_l与a_l定义系数等价。x(n)与X(n)是离散傅立叶变换(DFT)对(经过变量代换n＝k)，DFT采用以下形式定义：

$\left\{\begin{array}{c}X\left(k\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{kn}}\\ x\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}X\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{kn}}\end{array}\right.$

推广之后的四项加权类分数傅立叶变换继承了原变换的所有性质，此外还可以通过对实向量MV和NV的调整来控制变换的周期性及特征向量的旋转。总之，推广之后的四项加权类分数傅立叶变换更加复杂，但理论上更加完整，实际应用时更加灵活多变。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多参数四项加权分数傅立叶变换的通信加密和解密方法，以打乱原基带信号星座分布，使得非通信目的者难于截获和检测通信信号。

本发明的方法通过下述步骤实现：在发射机端，数据源经过基带调制后送给加密模块，加密模块在动态加密参数α、动态加密矢量MV、NV的控制下对数据进行四项加权类分数傅立叶变换，经过数字载波调制后的加密数据再经D/A转换及上变频后送入信道传送；在接收机端，经过下变频和A/D采样后的数据送往解密模块，在解密模块中首先进行数字载波相干解调，接着再经过动态解密参数-α、动态解密矢量MV、NV控制的四项加权类分数傅立叶变换之后，接收数据得到解密，然后进行基带解调工作。

在本发明中，动态加密参数α的选择原则上为任意实数，但由于周期性的存在，α通常选取[0，4]或[-2，2]之间的实数。对于固定的α，理论上只有一个最优的准则可以从加密后的信号恢复出原始信息信号，即对加密后的信号做参数为-α的四项加权类分数傅立叶变换。由于α选择的灵活性，使得系统用户可以根据实际情况动态选择不同的加密参数对信号进行加密。当参数选取得当时，加密信号将呈现类高斯的分布特性。

为了抵抗非目的接收机对加密参数α的扫描，引入动态加密数量M和N。在四项加权分数傅立叶的定义中，MV和NV分别为四维实向量。引入这八个参数后(两个四维向量)，无法单纯对加密参数α进行扫描，进一步提高了信息加密的效果。在MV和NV取某些特殊值的时候，加密后的信号还会呈现某种“星座分裂”的特性，即聚集的星座点数比加密前调制星座点数要多。利用这一特性可以迷惑非目的接收机，使其做出错误的判断。

本发明的方法，能够在不占用额外频谱资源的条件下对数据信号进行加密；其实现的复杂度与快速傅立叶变换算法相当，占用系统硬件资源较少，易于实现；加密与解密的核心单元相同，都是四项加权类分数傅立叶变换模块，故易于双工通信时的复用；可以根据实际情况选择加密参数，实现动态加密，可靠性高、加密效果好，不易被现有的算法检测到正在使用的调制制度，有效的抵抗了非目的接收机对加密参数的扫描，使得非通信目的者难于截获和检测通信信号。

附图说明

图1是基于多参数四项加权分数傅立叶变换的保密通信装置结构示意图，图2是并行数据处理方式的通信加密模块结构示意图，图3是串行数据处理方式的通信加密模块结构示意图，图4是并行数据处理方式的通信解密模块结构示意图，图5是串行数据处理方式的通信解密模块结构示意图，图6是串行数据处理方式的反转模块结构示意图，图7是并行数据处理方式的反转模块结构示意图，图8是QPSK信号在MV＝0、NV＝0时加密前后的星座图，图9是QPSK信号在M和N不全为0时呈现“星座分裂”特性的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的基于多参数四项加权分数傅立叶变换的通信加密和解密方法通过下述步骤实现：在发射机端，数据源经过基带调制后送给加密模块，加密模块在动态加密参数α和动态加密矢量MV、NV的控制下对数据进行四项加权类分数傅立叶变换，经过数字载波调制后的加密数据再经D/A转换及上变频后送入信道传送；在接收机端，经过下变频和A/D采样后的数据送往解密模块，在解密模块中首先进行数字载波相干解调，接着在经过动态解密参数-α、动态解密矢量MV、NV控制的四项加权类分数傅立叶变换之后，接收数据得到解密，然后进行基带解调工作。

加密的具体步骤为：

一、数据源提供的二进制数据经过基带调制后变为复数形式的待加密信号交予加密模块进行加密，其中基带调制方式可以为MPSK、MQAM等数字调制方式；

二、加密模块同时分别逐帧对四个数据序列进行加密，数据序列的帧长为离散傅立叶变换的长度，通常选取2的整数次幂，使用者可以根据实际情况灵活选择。加密的核心即对数据序列进行加权求和，四个数据序列依次为：输入的待加密数据序列、待加密数据序列经过离散傅立叶变换后的序列、待加密数据序列经过反转模块处理后的序列和待加密数据序列依次经过离散傅立叶变换和反转模块处理后的序列；根据动态选择的加密参数α和动态加密矢量MV、NV，并由系数产生模块产生加权系数w₀、w₁、w₂、w₃对被加权数据序列进行加权求和；

三、对加权后的复数序列进行数字载波调制后输出，即为加密后的信号。

在上述加密过程中，在步骤一中所述的基带调制方式可以为MPSK、MQAM等数字调制方式。在步骤二中所述的数据序列的帧长，可以根据实际情况灵活选择。

解密的具体步骤为：

一、接收到的数据经过A/D转换后，首先进行数字载波的相干解调得到同相分量和正交分量，并以同相分量作为实部、正交分量作为虚部对应相加后进行序列的同步处理，同步输出序列即为待解密的复数序列；

二、对待解密的复数序列做参数为-α、MV、NV的四项加权类分数傅立叶变换，具体过程与加密过程相同，变换后的序列即为解密后的序列，可交由基带解调模块进行下一步的工作。

具体实施方式二：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式所述的是具体实施方式一中所述的加密模块，它包括串并转换模块1、一号反转模块2、傅立叶变换模块3、系数产生模块4、二号反转模块5、并串转换模块7、求和模块6和数字载波调制模块8，串行数据流同时输入到一号反转模块2的输入端、串并转换模块1的输入端和系数产生模块4的第零输入端40，一号反转模块2的输出端连接系数产生模块4的第二输入端42，串并转换模块1的输出端连接傅立叶变换模块3的输入端，所述傅立叶变换模块3的输出端连接并串转换模块7的输入端，所述并串转换模块7的输出端连接系数产生模块4的第一输入端41和二号反转模块5的输入端，所述二号反转模块5的输出端连接系数产生模块4的第三输入端43，所述系数产生模块4根据外部输入的加密控制参数α和动态加密矢量MV、NV产生加权系数w₀、w₁、w₂、w₃，系数产生模块4的四个输出端分别连接求和模块6的四个输入端，所述求和模块6的输出端连接数字载波调制模块8的输入端，数字载波调制模块8的输出端输出加密后的串行数据流。

本实施方式中的求和模块6可以采用加法器。

加密模块用来产生基于四项加权的分数傅立叶变换信号，其中傅立叶变换模块3应用离散傅立叶变换的快速算法实现。如图2和图3。其中离散傅立叶变换采用如下定义：

$X\left(k\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{kn}}.$

解密模块与加密模块相比，用数字载波相干解调模块替换了加密模块当中的数字载波调制模块，并且增加了序列同步模块用以进行信息序列的同步，其余模块均相同。如图4和图5。

一号反转模块2和二号反转模块5用来实现输入序列的时间反转处理。具体过程为：输入序列第一个元素位置不变，其他元素按照由后到前的顺序重新排列后作为输出序列的第二至最后的元素。如图6和图7所示。

输入加密模块的基带数据可以是MPSK或MQAM等数字调制信号。基带调制/解调模块可以和加密/解密模块同时集成在一块DSP或FPGA芯片中实现。

具体实施方式三：下面结合图3具体说明本实施方式。本实施方式所述的是具体实施方式一中所述的加密模块，它包括串并转换模块1、一号反转模块2、傅立叶变换模块3、系数产生模块4、二号反转模块5、并串转换模块7、求和模块6和数字载波调制模块8，串行数据流同时输入到一号反转模块2的输入端、串并转换模块1的输入端和系数产生模块4的第零输入端40，一号反转模块2的输出端连接系数产生模块4的第二输入端42，串并转换模块1的输出端连接傅立叶变换模块3的输入端，所述傅立叶变换模块3的输出端连接并串转换模块7的输入端，所述并串转换模块7的输出端连接系数产生模块4的第一输入端41和二号反转模块5的输入端，所述二号反转模块5的输出端连接系数产生模块4的第三输入端43，所述系数产生模块4根据外部输入的加密控制参数α和动态加密矢量MV、NV产生加权系数w₀、w₁、w₂、w₃，系数产生模块4的四个输出端分别连接求和模块6的四个输入端，所述求和模块6的输出端连接数字载波调制模块8的输入端，数字载波调制模块8的输出端输出加密后的串行数据流。

具体实施方式四：下面结合图4具体说明本实施方式。本实施方式所述的是具体实施方式一中所述的解密模块，它包括串并转换模块1、数字载波相干解调模块18、一号反转模块2、傅立叶变换模块3、系数产生模块4、二号反转模块5、序列同步模块19、并串转换模块7和求和模块6，串行数据流输入到串并转换模块1的输入端，所述串并转换模块1的输出端连接数字载波相干解调模块18的输入端，所述数字载波相干解调模块18的输出端连接序列同步模块19的输入端，所述序列同步模块19的输出端分别连接傅立叶变换模块3的输入端、一号反转模块2的输入端和系数产生模块4的第零输入端40，所述一号反转模块2的输出端连接系数产生模块4的第二输入端42，所述傅立叶变换模块3的输出端分别连接系数产生模块4的第一输入端41和二号反转模块5的输入端，所述二号反转模块5的输出端连接系数产生模块4的第三输入端，所述系数产生模块4根据接收的解密控制参数-α和动态解密矢量MV、NV产生加权系数w₀、w₁、w₂、w₃，系数产生模块4的四个输出端分别连接求和模块6的四个输入端，所述求和模块6的输出端连接并串转换模块7的输入端，并串转换模块7的输出端输出解密后的串行数据流。

具体实施方式五：下面结合图5具体说明本实施方式。本实施方式所述的是具体实施方式一中所述的解密模块，它包括串并转换模块1、数字载波相干解调模块18、一号反转模块2、傅立叶变换模块3、系数产生模块4、二号反转模块5、序列同步模块19、并串转换模块7和求和模块6，串行数据流输入到数字载波相干解调模块18的输入端，所述数字载波相干解调模块18的输出端连接序列同步模块19的输入端，所述序列同步模块19的输出端分别连接串并转换模块1的输入端、一号反转模块2的输入端和系数产生模块4的第零输入端40，所述一号反转模块2的输出端连接系数产生模块4的第二输入端42，所述串并转换模块1的输出端连接傅立叶变换模块3的输入端，所述傅立叶变换模块3的输出端连接并串转换模块7的输入端，所述并串转换模块7的输出端分别连接系数产生模块4的第一输入端41和二号反转模块5的输入端，所述二号反转模块5的输出端连接系数产生模块4的第三输入端43，所述系数产生模块4的四个输出端分别连接求和模块6的四个输入端，所述求和模块6的输出端输出解密后的串行数据流。

本发明所述的通信加密模块和解密模块均可由DSP、FPGA或FPGA与DSP联合实现。

本发明的通信加密模块和解密模块都可以采用并行数据处理方式或串行数据处理方式的系统结构，其中并行数据处理方式的结构更适合于采用FPGA来实现，串行数据处理方式的结构更适合采用DSP来实现；若采用FPGA联合DSP或其他硬件架构，则可根据实际情况适当调整系统结构。

Claims (7)

1、基于多参数四项加权分数傅立叶变换的通信加密和解密方法，其特征在于在发射机端，数据源经过基带调制后送给加密模块，加密模块在动态加密参数α和动态加密矢量MV、NV的控制下对数据进行四项加权类分数傅立叶变换，经过数字载波调制后的加密数据再经D/A转换及上变频后送入信道传送；在接收机端，经过下变频和A/D采样后的数据送往解密模块，在解密模块中首先进行数字载波相干解调，接着再经过动态解密参数-α和动态解密矢量MV、NV，控制的四项加权类分数傅立叶变换之后，接收数据得到解密，然后进行基带解调工作。

2、根据权利要求1所述的基于多参数四项加权分数傅立叶变换的通信加密和解密方法，其特征在于加密的具体步骤为：一、数据源提供的二进制数据经过基带调制后变为复数形式的待加密信号交予加密模块进行加密；二、加密模块逐帧对数据进行加密，帧长为离散傅立叶变换的长度；加密的核心即对数据序列进行加权求和，四个被加权的序列依次为：输入的待加密数据序列、待加密数据序列经过离散傅立叶变换后的序列、待加密数据序列经过反转模块后的序列、待加密数据序列依次经过离散傅立叶变换和反转模块后的序列；使用者动态选择加密参数α和动态加密矢量MV、NV，并由系数产生模块产生加权系数w₀、w₁、w₂、w₃对被加权序列进行加权求和；三、对加权后的复数序列进行数字载波调制后输出，即为加密后的序列；解密的具体步骤为：一、经过A/D采样后的数据首先进行数字载波的相干解调得到同相分量和正交分量，并以同相分量作为实部、正交分量作为虚部对应相加后进行序列的同步处理，同步输出序列即为待解密的信息序列；二、对待解密的复数序列做参数为-α和动态解密矢量MV、NV，的四项加权类分数傅立叶变换，变换后的序列即为解密后的序列。

3、根据权利要求2所述的基于多参数四项加权分数傅立叶变换的通信加密和解密方法，其特征在于，在加密过程中的步骤一中所述的基带调制方式为MPSK或MQAM数字调制方式。

4、根据权利要求1或2所述的基于多参数四项加权分数傅立叶变换的通信加密和解密方法，其特征在于所述加密模块包括串并转换模块(1)、一号反转模块(2)、傅立叶变换模块(3)、系数产生模块(4)、二号反转模块(5)、并串转换模块(7)、求和模块(6)和数字载波调制模块(8)，串行数据流同时输入到一号反转模块(2)的输入端、串并转换模块(1)的输入端和系数产生模块(4)的第零输入端(40)，一号反转模块(2)的输出端连接系数产生模块(4)的第二输入端(42)，串并转换模块(1)的输出端连接傅立叶变换模块(3)的输入端，所述傅立叶变换模块(3)的输出端连接并串转换模块(7)的输入端，所述并串转换模块(7)的输出端连接系数产生模块(4)的第一输入端(41)和二号反转模块(5)的输入端，所述二号反转模块(5)的输出端连接系数产生模块(4)的第三输入端(43)，所述系数产生模块(4)根据外部输入的加密控制参数α和动态加密矢量MV、NV产生加权系数w₀、w₁、w₂、w₃，系数产生模块(4)的四个输出端分别连接求和模块(6)的四个输入端，所述求和模块(6)的输出端连接数字载波调制模块(8)的输入端，数字载波调制模块(8)的输出端输出加密后的串行数据流。

5、根据权利要求1或2所述的基于多参数四项加权分数傅立叶变换的通信加密和解密方法，其特征在于所述加密模块包括串并转换模块(1)、一号反转模块(2)、傅立叶变换模块(3)、系数产生模块(4)、二号反转模块(5)、并串转换模块(7)、求和模块(6)和数字载波调制模块(8)，串行数据流同时输入到一号反转模块(2)的输入端、串并转换模块(1)的输入端和系数产生模块(4)的第零输入端(40)，一号反转模块(2)的输出端连接系数产生模块(4)的第二输入端(42)，串并转换模块(1)的输出端连接傅立叶变换模块(3)的输入端，所述傅立叶变换模块(3)的输出端连接并串转换模块(7)的输入端，所述并串转换模块(7)的输出端连接系数产生模块(4)的第一输入端(41)和二号反转模块(5)的输入端，所述二号反转模块(5)的输出端连接系数产生模块(4)的第三输入端(43)，所述系数产生模块(4)根据外部输入的加密控制参数α和动态加密矢量MV、NV产生加权系数w₀、w₁、w₂、w₃，系数产生模块(4)的四个输出端分别连接求和模块(6)的四个输入端，所述求和模块(6)的输出端连接数字载波调制模块(8)的输入端，数字载波调制模块(8)的输出端输出加密后的串行数据流。

6、根据权利要求1或2所述的基于多参数四项加权分数傅立叶变换的通信加密和解密方法，其特征在于所述解密模块包括串并转换模块(1)、数字载波相干解调模块(18)、一号反转模块(2)、傅立叶变换模块(3)、系数产生模块(4)、二号反转模块(5)、序列同步模块(19)、并串转换模块(7)和求和模块(6)，串行数据流输入到串并转换模块(1)的输入端，所述串并转换模块(1)的输出端连接数字载波相干解调模块(18)的输入端，所述数字载波相干解调模块(18)的输出端连接序列同步模块(19)的输入端，所述序列同步模块(19)的输出端分别连接傅立叶变换模块(3)的输入端、一号反转模块(2)的输入端和系数产生模块(4)的第零输入端(40)，所述一号反转模块(2)的输出端连接系数产生模块(4)的第二输入端(42)，所述傅立叶变换模块(3)的输出端分别连接系数产生模块(4)的第一输入端(41)和二号反转模块(5)的输入端，所述二号反转模块(5)的输出端连接系数产生模块(4)的第三输入端，所述系数产生模块(4)根据接收的解密控制参数-α和动态解密矢量MV、NV产生加权系数w₀、w₁、w₂、w₃，系数产生模块(4)的四个输出端分别连接求和模块(6)的四个输入端，所述求和模块(6)的输出端连接并串转换模块(7)的输入端，并串转换模块(7)的输出端输出解密后的串行数据流。

7、根据权利要求1或2所述的基于多参数四项加权分数傅立叶变换的通信加密和解密方法，其特征在于所述解密模块包括串并转换模块(1)、数字载波相干解调模块(18)、一号反转模块(2)、傅立叶变换模块(3)、系数产生模块(4)、二号反转模块(5)、序列同步模块(19)、并串转换模块(7)和求和模块(6)，串行数据流输入到数字载波相干解调模块(18)的输入端，所述数字载波相干解调模块(18)的输出端连接序列同步模块(19)的输入端，所述序列同步模块(19)的输出端分别连接串并转换模块(1)的输入端、一号反转模块(2)的输入端和系数产生模块(4)的第零输入端(40)，所述一号反转模块(2)的输出端连接系数产生模块(4)的第二输入端(42)，所述串并转换模块(1)的输出端连接傅立叶变换模块(3)的输入端，所述傅立叶变换模块(3)的输出端连接并串转换模块(7)的输入端，所述并串转换模块(7)的输出端分别连接系数产生模块(4)的第一输入端(41)和二号反转模块(5)的输入端，所述二号反转模块(5)的输出端连接系数产生模块(4)的第三输入端(43)，所述系数产生模块(4)的四个输出端分别连接求和模块(6)的四个输入端，所述求和模块(6)的输出端输出解密后的串行数据流。

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