采用Chen－M?bius斜正交性的保密通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

吳春法，李國剛

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

采用Chen－M?bius斜正交性的保密通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

吳春法，李國剛

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

為克服傳輸線帶寬受限的困難，利用Chen－M?bius變換生成的函數(shù)族的斜正交性設(shè)計(jì)一種高速保密的通信系統(tǒng)，并通過DSP Builder仿真平臺驗(yàn)證了通信系統(tǒng)的正確性 .采用高速A／D轉(zhuǎn)換將各種信號都轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后將串行的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成N位一組的并行信號，每位信號（1或0）用一個(gè)特殊變換函數(shù)族的逆變換波形進(jìn)行編碼.輸出時(shí)，這N位（或N個(gè)）編碼波形是直接疊加在一起，從一條傳輸線上輸出的，而在接收端，這些輸出的信號被同時(shí)輸入N個(gè)并行的信號判別端.每個(gè)判別端生成一個(gè)特殊變換函數(shù)的正函數(shù)信號與送入的N個(gè)編碼波形的疊加進(jìn)行正交積分運(yùn)算，判別出每一位的數(shù)字信號.

Chen－M?bius變換；斜正交性；正交積分；通信系統(tǒng)；數(shù)字信號

20世紀(jì)90年代以來，陳難先教授使用無窮級數(shù)的 M?bius反演公式解決了一系列物理中的逆問題，引起國際學(xué)術(shù)界的高度重視［1－2］.蘇武潯等［3－5］把 M?bius變換運(yùn)用于通信系統(tǒng)，通過對信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)通信.近兩年，該通信系統(tǒng)在現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）上實(shí)現(xiàn)了其硬件電路及語音通信領(lǐng)域的應(yīng)用研究［6－7］.利用調(diào)制解調(diào)原理的通信系統(tǒng)把信號調(diào)制到頻率較高的頻帶進(jìn)行傳輸，提高了信號的抗干擾能力，但同時(shí)也限制了系統(tǒng)的使用范圍，在傳輸線帶寬受限情況下，信號將無法通過.本文利用Chen－M?bius變換生成的函數(shù)族的斜正交性，設(shè)計(jì)一種高速保密的通信系統(tǒng)，克服了傳輸線帶寬受限的困難.

1 M?bius函數(shù)性質(zhì)

在數(shù)論中，M?bius函數(shù)定義為

由式（1）可知：μ（n）只取1，－1，0共3個(gè)值.故其前10個(gè)自然數(shù)的 M?bius函數(shù)值分別為μ（1）＝1，μ（2）＝－1，μ（3）＝－1，μ（4）＝0，μ（5）＝－1，μ（6）＝1，μ（7）＝－1，μ（8）＝0，μ（9）＝0，μ（10）＝1.

M?bius函數(shù)的一個(gè)重要的特性為

例如，對于n＝8，有

若F（x）為連續(xù)變量x的函數(shù)，且滿足

則有

根據(jù)赫利條件，只要滿足它的周期就可以展開成一系列正（余）弦函數(shù)的傅里葉級數(shù)，而Chen－M?bius變換正好實(shí)現(xiàn)把正（余）弦函數(shù)展開成周期函數(shù)信號.

2 新型Chen-M?bius變換通信原理

其中：F（ωt）為周期矩形脈沖信號、奇偶對稱方波信號、奇偶對稱三角波信號、鋸齒波信號等周期信號的正信號是通過M?bius逆變換與F（ωt）相正交的的逆信號.這些正交周期函數(shù)族是現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)中最常用信號，如方波 、矩形波 、三角波 、鋸齒波，以及全 、半波余弦等的Chen－M?bius逆變換函數(shù)族［8－9］.

圖1 通信模擬示意圖Fig.1 Simulation diagram of the communication

3 新型Chen-M?bius變換通信系統(tǒng)的仿真

根據(jù)Chen－M?bius變換通信原理，基于DSP Builder平臺［10］設(shè)計(jì)得到的正交積分電路，如圖2所示.圖2中：根據(jù)直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（direct digital synthesis，DDS）原理，5階鋸齒波sawtooth＿jtb和sawtooth＿jtb1波形發(fā)生器模塊分別輸出不同頻率的鋸齒波F1（ωt），F(xiàn)2（ωt）；sawtooth＿tzb波形發(fā)生器模塊輸出與鋸齒波F1（ωt）正交的逆波.sawtooth＿tzb波形發(fā)生器模塊由子模塊subdds與sudds1組成，根據(jù)調(diào)制函數(shù)表達(dá)式，即k＝5時(shí)，m 只可能取1，5兩個(gè)值才有意義，所以5階鋸齒波的M?bius調(diào)制信號波形表達(dá)式為

其中：subdds與sudds1分別為上面兩正弦波波形發(fā)生器模塊.

把sawtooth＿jib和sawtooth＿jib1輸出波形相加合成F（ωt），然后與sawtooth＿tzb輸出的波形進(jìn)行卷積·F（ωt）），以周期T為5μs的方波為例進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示 .調(diào)制波與解調(diào)波的正交積分運(yùn)算，如圖4所示

圖3 周期T為5μs的方波仿真波形圖Fig.3 Square－wave simulation waveform at the period Tof 5μs

圖4 調(diào)制波與解調(diào)波的正交積分運(yùn)算Fig.4 Orthogonal integral operator of wave from modulated and demodulated

在T時(shí)刻波形輸出的結(jié)果為2.5μs，其值剛好是周期的一半，與推演的結(jié)果相同.因此，通過DSP Builder平臺驗(yàn)證了提出的新型通信原理的正確性.

4 結(jié)束語

利用Chen－M?bius變換生成的函數(shù)族斜正交性設(shè)計(jì)出一種新型通信方式，并通過DSP Builder仿真平臺驗(yàn)證通信系統(tǒng)的正確性，為進(jìn)一步采用VHDL等硬件描述語言實(shí)現(xiàn)芯片化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ).為加強(qiáng)系統(tǒng)的保密性，在N個(gè)編碼波形輸出前，N位一組的并行信號還可以乘以一個(gè)N×N的加密變換矩陣，將原先的N位數(shù)字信號轉(zhuǎn)換順序，而后將其用編碼波形編碼輸出.同時(shí)，提出的新方法在進(jìn)行積分運(yùn)算時(shí)需要嚴(yán)格的同步信號，增加了發(fā)送端和接受端的硬件開銷，有待進(jìn)一步改善.

［1］CHEN Nan－xian.Modified M?bius inverse formula and its applications in physics［J］.Phys Rev Lett，1990，64（11）：1193－1195.

［2］MADDOX J.M?bius and problems of inversion［J］.Nature，1990，344（6265）：377.

［3］孫桂杰，蘇武潯.Chen－M?bius八路數(shù)字通信系統(tǒng)的性能仿真［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，30（4）：384－388.

［4］郭捷敏，王建成，蘇武潯.Chen－M?bius數(shù)字基帶通信系統(tǒng)及其仿真［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，27（1）：96－98.

［5］林順達(dá)，蘇武潯.M?biuss變換在模擬通信中的應(yīng)用與仿真［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，27（1）：108－110.

［6］曹煒.Chen－M?bius通信系統(tǒng)的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用［D］.泉州：華僑大學(xué)，2007.

［7］許金龍，新型Chen－M?bius語音通信系統(tǒng)研究及FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.泉州：華僑大學(xué)，2010.

［8］蘇武潯，張渭濱，王建成.幾種常見信號波形的逆變換計(jì)算（Ⅰ）：矩形脈沖與奇偶對稱方波的逆變換［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，26（1）：80－84.

［9］蘇武潯，張渭濱，王建成.幾種常見信號波形的逆變換計(jì)算（Ⅱ）：奇偶對稱三角波與鋸齒波和整流余弦波的逆變換［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，26（4）：416－419.

［10］潘松，黃繼業(yè)，王國棟.現(xiàn)代DSP技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

Design and Simulation of High－Confidentiality Communication System Based on Chen－M?bius Oblique Orthogonality

WU Chun－fa，LI Guo－gang

（College of Information Science and Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

To overcome the difficulties of limited bandwidth transmission in line，a high－speed confidentiality communication system is designed using the oblique－orthogonality of function sets evaluated by Chen－M?bius transform，and the correctness of the communication system is verified through DSP Builder simulation platform.By using the high－speed A／D converter，a variety of the signals are converted to digital signals，then，the serial digital signals are converted into a set of N－bit parallel signals，each signal（1or 0）be coded by the inverse transform of a special transformation function sets evaluated by Chen－M?bius transform.When they been transmitted through the line，this N－bit（or N）encoded waveform is directly mixed together.At the receiver，these output signals are simultaneously put into Nparallel discriminations of signal.When the N－bit（or N）encoded waveform was calculated by means of the orthogonality integral with each function set which was generated by the discriminations of signal，we can identify each of the digital signal.

Chen－M?bius transform；oblique－orthogonality；orthogonality integral；communication system；digital signal

TN 919.72

A

1000－5013（2012）04－0392－04

2011－12－22

李國剛（1973－），男，副教授，主要從事密碼學(xué)與集成電路設(shè)計(jì)的研究 .E－mail：lgg＠hqu.edu.cn.

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（A0640005）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目，國務(wù)院僑辦科研基金資助項(xiàng)目（10QZR02）；福建省泉州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011G6）

（責(zé)任編輯：錢筠 英文審校：吳逢鐵）