高 萍,楊宇曉
(南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院,南京 211106)
隨著電子對抗技術(shù)的迅速發(fā)展,針對飛行器(衛(wèi)星、飛機)通信信號的射頻隱身研究引起了廣泛的關(guān)注。加權(quán)分數(shù)階傅里葉變換(Weighted Fractional Fourier Transform,WFRFT)[1]通過改變通信信號原始調(diào)制特征,將私密信號模擬為電磁環(huán)境中的公開信號,從而在機理上實現(xiàn)私密通信信號的射頻隱身[2]。同時,由于在WFRFT變換域[3]內(nèi)進行信號處理,截獲方難以在傳統(tǒng)時頻域內(nèi)解譯信號,進一步提高了信號的安全性能。
對于傳統(tǒng)的WFRFT通信系統(tǒng),非合作方在一定時間內(nèi)可以通過參數(shù)掃描[4]獲取解調(diào)參數(shù),通信信號易被捕獲識別[5-6]。文獻[7]首先提出了多參數(shù)加權(quán)分數(shù)傅里葉變換(Multiple Parameters Weighted Fractional Fourier Transform,MPWFRFT)的概念。文獻[8-9]提出了基于MP-WFRFT的數(shù)字通信系統(tǒng)框架,論證了MP-WFRFT信號較于普通的WFRFT信號具有更強的抗截獲[10]和抗識別性能,更利于信號的安全傳輸[11]。文獻[12]提出了一種抗截獲的大信號掩蓋方法,將攜帶重要信息的弱信號作為大信號的背景信號,實現(xiàn)信號的隱蔽傳輸。文獻[13]提出了一種多層加權(quán)分數(shù)傅里葉變換,將待調(diào)數(shù)據(jù)等分成多層并行數(shù)據(jù),分別進行不同變換階數(shù)的WFRFT,竊聽方在未知調(diào)制層數(shù)和變換階數(shù)的條件下難以正確解調(diào)信號,具有較好的保密性能。文獻[14]提出了一種雙層MP-WFRFT調(diào)制方法,破壞了WFRFT的階數(shù)可加性,從而提高了系統(tǒng)的抗參數(shù)掃描能力。文獻[15]將多層WFRFT與多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技術(shù)相結(jié)合,提高了信號的抗截獲性能和頻譜利用率。但上述研究主要針對多層WFRFT信號的保密性能,未對其調(diào)制模擬性能進行討論。
綜上所述,目前針對WFRFT的研究主要集中在單層WFRFT的目標信號調(diào)制特征模擬和多層WFRFT的信號加密,而針對多層WFRFT調(diào)制的目標信號調(diào)制特征模擬的研究還比較少。為此,本文提出了一種基于三層WFRFT的通信信號設(shè)計方法,以目標信號星座圖特性作為優(yōu)化目標,采用三層WFRFT調(diào)制,選取星座圖的裂變點數(shù)、裂變構(gòu)型、裂變樣式、模糊程度和旋轉(zhuǎn)角度作為關(guān)鍵參數(shù),選定信號特征約束條件,引入遺傳算法進行迭代計算,使得三層WFRFT調(diào)制星座圖一致且與目標信號調(diào)制星座圖相同,此時的設(shè)計參數(shù)為最優(yōu)控制參數(shù)。通過調(diào)制星座圖仿真、合作方和竊聽方的誤碼率性能仿真,驗證了本文方法的有效性和可靠性。
離散序列X0的WFRFT定義式為
(1)
式中:ωl為加權(quán)系數(shù),l=0,1,2,3。ωl是α和V的函數(shù),其定義如式(2)所示:
(2)
式中:M為加權(quán)項數(shù);α為變換階數(shù);V=[MV,NV]表示尺度向量,MV=(m0,m1,m2,m3),NV=(n0,n1,n2,n3)。
WFRFT定義式中的離散余弦變換(Discrete Fourier Transform,DFT)矩陣F如下式所示:
(3)
式中:N為序列X0的長度;λN=exp(-i2π/N)。
由上述內(nèi)容可知,WFRFT變換域調(diào)制的控制參數(shù)包括變換階數(shù)α和尺度向量V,通過設(shè)計上述參數(shù)可實現(xiàn)信號調(diào)制特征的改變。
基于三層WFRFT的通信系統(tǒng)框圖如圖1所示,基本流程為:在發(fā)射端,將初始數(shù)據(jù)進行QPSK基帶映射,然后按照前后順序?qū)?shù)據(jù)等分為三層并行數(shù)據(jù),三層數(shù)據(jù)分別進行參數(shù)集為(α1,V1)的WFRFT、(α2,V2)的WFRFT、(α3,V3)的WFRFT調(diào)制,再將三層數(shù)據(jù)按照順序進行并串轉(zhuǎn)換,形成的串行數(shù)據(jù)再經(jīng)過成形濾波、D/A轉(zhuǎn)換、上變頻處理后發(fā)射到信道中;在接收端,經(jīng)過信道的數(shù)據(jù)通過下變頻、A/D轉(zhuǎn)換、匹配濾波處理后,再按照前后順序等分為三層并行數(shù)據(jù),三層數(shù)據(jù)分別進行參數(shù)集為(-α1,V1)的WFRFT、(-α2,V2)的WFRFT、(-α3,V3)的WFRFT調(diào)制,即三層加權(quán)分數(shù)階傅里葉逆變換,經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后對數(shù)據(jù)進行QPSK基帶逆映射,得到最終恢復(fù)數(shù)據(jù)。
圖1 基于三層WFRFT的通信系統(tǒng)框圖
WFRFT調(diào)制通過改變原始信號的調(diào)制特征,將私密信號模擬為電磁環(huán)境中的公開信號,從機理上實現(xiàn)私密通信信號的射頻隱身;通過改變調(diào)制參數(shù)使得每一層WFRFT的調(diào)制特征都一致且與目標信號調(diào)制特征相同。因此,首先需要分析目標信號的關(guān)鍵特征,再根據(jù)與特性相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)來約束調(diào)制信號的星座圖特征。本節(jié)將針對星座圖裂變點數(shù)、星座圖裂變構(gòu)型、裂變樣式、模糊程度和旋轉(zhuǎn)角度等關(guān)鍵特征進行分析。
(1)星座圖裂變點數(shù)
為實現(xiàn)信號調(diào)制特征的變化,首先需要確定所需的信號星座圖裂變點數(shù)?;鶐盘柕恼{(diào)制階數(shù)B是決定星座圖最多裂變點數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。
以常見的2PSK信號、16QAM信號為例進行星座裂變點數(shù)的仿真,星座圖如圖2所示。圖2(a)將2PSK信號的2個星座點分裂成4個,圖2(b)將16QAM信號的16個星座點分裂成256個,因此,若原始信號為B進制的基帶調(diào)制,則調(diào)制信號可裂變?yōu)锽2個星座點。
(a)2PSK裂變星座圖(B=2)
(b)16QAM裂變星座圖(B=16)
(2)星座圖裂變構(gòu)型
X0和X2分別為原信號項與反轉(zhuǎn)信號項,星座圖都呈現(xiàn)出原QPSK映射的星座特征形式,故處理信號星座圖中出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)、模糊現(xiàn)象與這兩項沒有關(guān)聯(lián),這兩項僅表示時域部分,而相應(yīng)分裂特性的產(chǎn)生是對應(yīng)時域分量項的疊加,因此星座圖的裂變特性主要是由原始序列X0及其反轉(zhuǎn)序列X2所決定的。因此,定義WFRFT裂變函數(shù)如下式所示:
(4)
以ω0和ω2作為基準參考點,由幾何知識可知,兩者的角度直接影響了星座點的分布及形狀,當ω0⊥ω2時,星座裂變構(gòu)型具有矩形特性。因此,ω0和ω2的夾角〈ω0,ω2〉是決定星座圖裂變構(gòu)型的關(guān)鍵參數(shù)。
(3)星座圖裂變樣式
由裂變函數(shù)可得,序列和被加權(quán)后,星座點會發(fā)生分裂和旋轉(zhuǎn),而旋轉(zhuǎn)幅度大小和星座點聚散程度與ω0、ω2之比有關(guān),當模值比例因子η=|ω0|/|ω2|取值為0.5時,WFRFT調(diào)制信號的星座圖為均勻分布的16個點簇。
(4)星座圖模糊程度
矩陣滿足線性變換的特性,而隨機變量序列的分布漸近于正態(tài)分布。當多種(7種以上)隨機變量的分布特性相同時,它們通過線性組合形成的隨機變量就具有了類高斯分布的特性,所以加權(quán)之后的X1、X3決定了WFRFT信號的星座模糊特性。則WFRFT模糊函數(shù)如下式所示:
(5)
由上式可知,調(diào)制信號星座圖的模糊程度本質(zhì)是X1、X3加權(quán)求和的結(jié)果,通過調(diào)節(jié)參量|ω1|2+|ω3|2,可將調(diào)制信號設(shè)計為不同信噪比條件下的信號特征,從而模擬特定的信道條件。
(5)星座圖旋轉(zhuǎn)角度
三層WFRFT疊加信號調(diào)制特征接近目標信號需要每層WFRFT調(diào)制星座圖與目標信號星座圖相近,除了裂變構(gòu)型、裂變樣式、模糊程度等條件外,還要求每層WFRFT的星座圖旋轉(zhuǎn)角度滿足一定條件。星座圖旋轉(zhuǎn)角度公式如下:
(6)
綜上所述,三層WFRFT調(diào)制實現(xiàn)目標信號調(diào)制特征模擬的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。
表1 信號模擬關(guān)鍵參數(shù)
為了驗證本節(jié)所提三層WFRFT信號調(diào)制特征模擬方法的有效性和可行性,以QPSK信號作為原始信號,進行目標信號調(diào)制特征的模擬實驗。
(1)目標信號調(diào)制特征選取
本節(jié)以標準16QAM信號調(diào)制特征作為待模擬的目標信號特征,信號星座圖如圖3所示。
圖3 目標信號星座圖
(2)優(yōu)化模型約束條件設(shè)置
③根據(jù)WFRFT的周期為4這一特性,將調(diào)制參數(shù)α1、α2、α3的取值范圍都設(shè)置為[0,4)。
④尺度向量V為非負整數(shù)且上界P設(shè)置為10。
⑤目標信號星座圖為清晰的16個點,故調(diào)制信號的模糊分量應(yīng)盡可能小,即|ω1|2+|ω3|2的取值趨向于0。
⑥目標信號星座圖為標準16QAM信號星座圖,當星座圖旋轉(zhuǎn)角度為0、π/2、-π/2時星座圖特征仍然保持不變,故三層WFRFT調(diào)制星座圖的旋轉(zhuǎn)角度θ取值為±kπ/2(k=0,1)。
2.2.1 優(yōu)化模型
根據(jù)上一節(jié)的目標信號調(diào)制特征選取和控制參數(shù)的設(shè)置,構(gòu)建三層WFRFT系統(tǒng)優(yōu)化目標函數(shù)如下:
minf(α,V)=f1(α1,V1)+f2(α2,V2)+f3(α3,V3),
其中,f1(α1,V1)、f2(α2,V2)、f3(α3,V3)分別為三層WFRFT的優(yōu)化目標函數(shù);η=0.5;l≠2;k=0,1。
在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建三層WFRFT系統(tǒng)的優(yōu)化模型如下:
minf(α,V)=f1(α1,V1)+f2(α2,V2)+f3(α3,V3)
s.t.
l=0,1,2,3;
V=[MV,NV];
MV=[m0,m1,m2,m3],NV=[n0,n1,n2,n3];
mk,nk∈[0,10],k=0,1,2,3;
α1,α2,α3∈[0,4);
θ1=θ2=θ3=0。
2.2.2 遺傳算法
針對上述優(yōu)化模型,引入遺傳算法進行迭代優(yōu)化計算,得到三層WFRFT信號調(diào)制特征模擬的最優(yōu)控制參數(shù)集如表2所示。
表2 最優(yōu)控制參數(shù)
為了驗證本文所提三層WFRFT系統(tǒng)的通信性能、模擬性能和保密性能,對上述系統(tǒng)進行仿真驗證。系統(tǒng)解調(diào)所需先驗參數(shù)為調(diào)制層數(shù)、變換階數(shù)α1、α2、α3和尺度向量V1、V2、V3。
將本文所提三層WFRFT系統(tǒng)在高斯信道下的誤碼進行100次仿真計算取其平均值,得到平均誤碼率,并與QPSK理論誤碼率進行對比,結(jié)果如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)通信性能分析
由仿真結(jié)果可知,合法接收方在高斯信道中的誤碼率曲線與QPSK理論誤碼率曲線相近,在相同的信噪比下誤碼率沒有明顯提高,故三層WFRFT系統(tǒng)具有較好的通信性能,滿足基本通信需求。
采用表2最優(yōu)控制參數(shù)集進行三層WFRFT調(diào)制,信號星座圖仿真結(jié)果如圖5所示。對比圖5(b)和圖5(f)可知,三層WFRFT調(diào)制信號星座圖構(gòu)型、樣式、模糊程度和旋轉(zhuǎn)角度均符合目標信號調(diào)制特征,達到了目標信號模擬的預(yù)期效果。
圖5 三層WFRFT信號調(diào)制星座圖
非合作方在未知調(diào)制層數(shù)、變換階數(shù)和尺度向量的條件下與合作方誤碼率曲線對比如圖6所示。
圖6 竊聽方未知任何先驗參數(shù)的誤碼率曲線
由仿真結(jié)果可知,非合作方在未知調(diào)制層數(shù)、變換階數(shù)和尺度向量的條件下基本無法正確解調(diào)信號。
3.3.1 三層單參數(shù)WFRFT系統(tǒng)保密性能仿真
當參數(shù)集(α,V)中V=0時,WFRFT調(diào)制參數(shù)僅有變換階數(shù)α,系統(tǒng)為三層單參數(shù)WFRFT系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,若非合作方已掌握調(diào)制層數(shù)為三層且調(diào)制方式為4-WFRFT,但所掌握的變換階數(shù)數(shù)值有誤差,誤碼率曲線如圖7所示。
圖7 三層單參數(shù)WFRFT系統(tǒng)中α抗掃描特性
由仿真結(jié)果可知,隨著竊聽方掌握的變換階數(shù)α的誤差從0.1遞增到1,非合作方解調(diào)誤碼率也是依次遞增的,并且在相同信噪比下高于合法接收方的誤碼率。當α的誤差大于或等于0.5時,非合作方幾乎無法正確解調(diào)信號。
3.3.2 三層多參數(shù)WFRFT系統(tǒng)保密性能仿真
在三層多參數(shù)WFRFT系統(tǒng)中,非合作方已知調(diào)制層數(shù)和調(diào)制方式,掌握的變換階數(shù)α和尺度向量V有誤差時,誤碼率曲線如圖8所示。其中,圖8(a)為非合作方掌握變換階數(shù)α的誤差分別為0.01、0.001、0.000 1時的誤碼率曲線,圖8(b)為竊聽方掌握尺度向量V的誤差分別為1、2、3時的誤碼率曲線。
(a)三層多參數(shù)WFRFT系統(tǒng)中α抗掃描特性
(b)三層多參數(shù)WFRFT系統(tǒng)V抗掃描特性圖8 三層多參數(shù)WFRFT系統(tǒng)α、V抗掃描特性
由圖8(a)可知,非合作方若要正確截獲參數(shù)信息,對變換階數(shù)α的掃描間隔應(yīng)該小于0.000 1。以0.000 1為標準進行計算,在變換階數(shù)α的全周期內(nèi),非合作方需檢測4/0.000 1次,即40 000次。由于三層多參數(shù)WFRFT由三層MP-WFRFT組成,故非合作方通過參數(shù)掃描的方式獲取解調(diào)參數(shù),需對三層多參數(shù)WFRFT信號進行三次MP-WFRFT掃描,若采用相同的掃描間隔0.000 1,三層多參數(shù)WFRFT信號掃描次數(shù)應(yīng)為MP-WFRFT信號掃描次數(shù)的立方倍,非合作方對三層多參數(shù)WFRFT信號的掃描次數(shù)為40 0003=6.4×1013次,掃描次數(shù)的增加導(dǎo)致非合作方付出的代價增加,由此說明三層多參數(shù)WFRFT安全通信系統(tǒng)具有較強的抗截獲性能。將圖8(a)與圖7相比可知,與三層單參數(shù)WFRFT系統(tǒng)相比,三層多參數(shù)WFRFT系統(tǒng)變換階數(shù)α的誤差對解調(diào)誤碼率的影響更大。由圖8(b)可知,非合作方掌握尺度向量V的誤差為1、2、3時,非合作方誤碼率均大于0.5,無法正確解調(diào)信號。
綜上所述,基于三層加權(quán)分數(shù)階傅里葉變換的安全通信系統(tǒng)具有良好的抗參數(shù)掃描特性,保密性強。
本文提出了一種基于三層WFRFT的通信信號設(shè)計方法,將傳統(tǒng)單層WFRFT擴展為三層結(jié)構(gòu),每層進行不同調(diào)制參數(shù)的WFRFT調(diào)制,非合作方在未知調(diào)制層數(shù)的情況下無法正確分層解調(diào),調(diào)制參數(shù)也由9個增加到27個,增大了非合作方參數(shù)掃描的難度,相比于傳統(tǒng)單層WFRFT系統(tǒng)具有更好的保密性能。另外,調(diào)制參數(shù)的選擇以目標信號星座圖作為優(yōu)化目標,選取與目標信號特性相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù),確定信號特征設(shè)計的約束條件,引入遺傳算法迭代計算,得到目標信號模擬的最優(yōu)控制參數(shù)。星座圖仿真結(jié)果表明,本文所提方法可以實現(xiàn)目標信號星座圖特征模擬,符合預(yù)期模擬效果。誤碼率仿真結(jié)果表明,合作方解調(diào)誤碼率曲線接近QPSK理論誤碼率曲線,說明系統(tǒng)能夠滿足基本通信需求;在相同的信噪比條件下,非合作方解調(diào)誤碼率遠大于合作方,幾乎無法正確解調(diào)信號,說明系統(tǒng)具有較好的保密性能。因此,本文所提三層WFRFT系統(tǒng)具有良好的模擬性能、通信性能和保密性能,驗證了本文所提方法的有效性。
為了進一步提高系統(tǒng)的保密性能,后續(xù)可將三層WFRFT系統(tǒng)的加權(quán)分數(shù)傅里葉變換項數(shù)擴展到多項,從而進一步增加系統(tǒng)的先驗參數(shù),提升復(fù)雜度,使其具有更好的抗截獲識別功能。