1．1軟體無線電結構原理
軟體無線電系統的結構原理,如圖1所示。
它主要包括天線、射頻模組、採集/合成模組、高速轉接資料通道模組、微處理器模組,資訊保安模組以及網路介面模組等六個模組。其中天線射頻模組負責收發資訊,並轉換為中頻訊號。採集/合成包括Ａ/Ｄ和Ｄ/Ａ、濾波器。資訊保安模組主要負責資訊保安傳輸的保密處理等。圖1 軟體無線電保密通訊系統基本結構軟體無線電的天線一般要覆蓋比較寬的頻段,例如1 0ＭＨｚ～2ＧＨｚ。在軍事及民用通訊中,可能還需要ＶＨＦ/ＵＨＦ的視訊通訊、ＵＨＦ衛星通訊,ＨＦ通訊作為備用通訊方式。射頻前端在發射時主要完成上變頻、濾波、功率放大等任務,接收時實現濾波、放大、下變頻等功能。模擬訊號進行數字化後的處理任務完全由ＤＳＰ/ＣＰＵ程式設計軟體承擔。為了減輕通用ＤＳＰ/ＣＰＵ的處理壓力,把Ａ/Ｄ轉換器傳來的數字訊號,經過專用數字訊號處理器件(如數字下變頻器ＤＤＣ)處理,降低資料流速率,並把訊號下變到基帶後,再把資料傳送給通用ＤＳＰ/ＣＰＵ進行處理。通用ＤＳＰ/ＣＰＵ主要完成各種資料速率相對較低的基帶訊號的處理,例如訊號的調製解調,抗干擾,抗衰減和自適應均衡演算法等。
1. 2軟體無線電超混沌語音保密系統模組作用原理
軟體無線電系統中的資訊保安巡迴偵碼模組,實際上就是包括超混沌語音保密在內的安全通道資訊收發調製解調關鍵部分。資訊保安巡迴偵碼的超混沌語音保密資訊收發原理如圖2所示。
2 超混沌語音保密資訊收發原理框圖
(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金鑰
圖2(ａ)是語音訊號加密調製傳送原理框圖,主要包括語音訊號、超混沌訊號、混沌驅動以及編碼器(金鑰)四種動力源,並由變頻調製器進行上變頻處理髮送超混沌載波訊號。圖2(ｂ)是語音超混沌載波訊號接收解調原理框圖,主要包括接收、解調、超混沌同步解碼(金鑰)和Ｄ/Ａ轉換、放大等功能,將高頻超混沌載波訊號進行下變頻處理、解碼和中頻放大送到軟體中央處理器進行濾波、檢波等。1. 3系統模組的引數設定為確保在無線通訊條件下的資訊傳輸,特設定如下系統引數作為通訊參考:①語音處理:採用8 0/12 5ｋＨｚ頻率、8/16位字長取樣,單/雙聲道ＷＡＶ檔案格式儲存;②Ａ/Ｄ轉換:採用24ｂｉｔ字長,ＰＣＭ(脈碼調製)量化編碼方法,量化電平0 5Ｖ;③資訊傳輸速率:512ｋｂｐｓ;④無線電頻帶:將1 5～1000ＭＨｚ的頻率範圍劃分8個頻段,通頻帶總頻寬為89 5ＭＨｚ。每個頻段分別用一個電調諧濾波器來覆蓋;⑤Ｒｏｓｓｌｅｒ超混沌同步巡迴偵碼:12ｂｉｔｓ;⑥資訊傳輸總誤位元速率:≤1%。2 Ｒｏｓｓｌｅｒ超混沌語音保密通訊系統資訊保安巡迴偵碼模組的超混沌語音保密部分採用超混沌的Ｒｏｓｓｌｅｒ方程,進行同步化通訊和軟體化處理研究。
2. 1 Ｒｏｓｓｌｅｒ超混沌同步系統參考模型
Ｒｏｓｓｌｅｒ四階超混沌系統狀態方程表示[7-8]為:ｄｘ1/ｄｔ=-ｘ2-ｘ4ｄｘ2/ｄｔ=ｘ1+ａｘ2+ｘ3ｄｘ3/ｄｔ=ｃｘ3-2ａｘ4ｄｘ4/ｄｔ=ｂ+ｘ1ｘ4(1)式中ａ,ｂ,ｃ均為正的引數,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體系統,作為混沌訊號發生器[9],在無線電通訊上非常適合用於保密通訊。超混沌Ｒｏｓｓｌｅｒ方程的非線性電路同步是通訊的關鍵,而超混沌保密通訊系統的軟體化同步則是資訊傳遞的基本原則。
2 .2 超混沌保密通訊模組的軟體化
由超混沌電路產生的模擬訊號首先要經過Ａ/Ｄ轉換為數字訊號,或者直接利用Ｒｏｓｓｌｅｒ方程進行軟體化程式設計,獲得軟體Ｒｏｓｓｌｅｒ超混沌保密通訊模組。以Ｒｏｓｓｌｅｒ方程為出發點,進行軟體化程式設計。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,產生脈碼調製超混沌序列與語音等數字化資訊進行邏輯運算,判定調製與解調初始條件,送軟體濾波解析語音訊號。語音資訊超混沌加密程式流程見圖4。語音資訊超混沌解密程式流程從略。圖4 語音資訊混沌加密程式流程
3 軟體無線電模式下的語音超混沌保密通訊系統模擬
3 .1 混沌保密特性分析超混沌載波訊號傳輸比混沌載波具有更強的抗資訊截獲功能。它的資訊提取主要是利用混沌方程中的系統引數的調整,即混沌系統的初始條件就是保密資訊的金鑰。對於混沌方程產生的密碼序列,如果收發兩端的混沌系統分別採用不同的初始條件產生密碼序列,則語音通訊系統不能正常通訊。由於混沌系統對初始條件的極端敏感性,使得保密特性優於其它保密方法。從保密特性上看,由於時間連續混沌系統(Ｒｏｓｓｌｅｒ三階混沌模組)的自同步允許收發系統引數中存在有一定誤差,使得初始條件的敏感性降低,保密性低於Ｌｏｇｉｓｔｉｃ對映。Ｒｏｓｓｌｅｒ四階超混沌系統由於具有兩個或兩個以上正的李雅譜諾夫指數,混沌軌道更加複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象,保密特性明顯優於前兩者。
3. 2 無線電通訊系統軟體化的超混沌模組調製與模擬
3.2.1 軟體超混沌系統模組調製方法設混沌載波訊號為Ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4),混沌電路自發產生混沌訊號,由(2)或(4)式產生的混沌訊號為Ｈ(ｔ),通訊系統的同步本振訊號為ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4)。線性化處理後根據迭加原理,形成新的載波訊號:Ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4)=Ｓ(ｔ)+Ｈ(ｔ)(5)3第2期柏逢明:軟體無線電Ｒｏｓｓｌｅｒ超混沌語音保密通訊系統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的函式。ｇ(ｔ)為資訊上傳的調製訊號,所以Ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4)又稱為一級解調混沌訊號,它內含基本訊號Ｓ(ｔ)(資訊源)。根據訊號的調製、解調原理,使用混沌訊號的初始條件[μ1(ｔ0),μ2(ｔ0),μ3(ｔ0),μ4(ｔ0)]Ｔ,對同步傳輸的資訊進行調製和解調。將資訊從ｇ(ｔ)中解出並恢復為原碼形式。如果逆向求解,還可將資訊迭加到混沌載波訊號Ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4)中,再通過ｆ(ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4)深層處理,將調製訊號ｇ(ｔ)進行上傳發送[11-12]。
3 .2. 2 無線通訊系統中軟體超混沌金鑰序列發生器模擬利用Ｒｏｓｓｌｅｒ四階超混沌動力學方程進行軟體化處理,採用四階Ｒｕｎｇｅ-Ｋｕｔｔａ方法,經計算機模擬進行實驗。資料取樣100000點,去掉5000個初始點,計算步長為0 01,模擬超混沌和金鑰序列見圖。
(ａ)原始音訊訊號(ｂ)加密混沌載波訊號(ｃ)加密混沌載波訊號區域性放大 (ｄ)解密還原後的音訊訊號圖5 混沌語音保密通訊時域波形3 2 3 無線通訊系統中軟體超混沌同步通訊的.計算機模擬人類聽覺音訊訊號頻率寬度一般在20Ｈｚ～20ｋＨｚ,語音交流訊號在300～3000Ｈｚ範圍內。這裡採用四階Ｒｏｓｓｌｅｒ超混沌模組,進行計算機語音通訊實驗。利用計算機聲