专利名称：一种基于幅度统计的脉冲无线电信号的截获方法
技术领域：
本发明属于无线通信信息安全技术领域，特别涉及脉冲无线电信号的截获方法。
技术背景美国《国际电子与电气工程师协会快报》(IEEE Communication Letter) 1998第2 期第36-38页首先提出了脉冲无线电的概念。脉沖无线电信号具有典型的低功率谱密度 的特点，脉冲无线电通信是当前超宽带通信的重要技术手段，在短距离通信中有着广泛 的应用。对脉冲无线电信号的截获方法研究是信息安全领域的重要问题。目前尚未见到公开 文献讨论对脉冲无线电通信信号的截获问题，对脉沖无线电截获问题的研究尚处于空白 状态。发明内容本发明的目的是提出一种基于幅度统计的脉沖无线电信号的截获方法，以解决低占空 比条件下传统截获方法无法对脉沖无线电信号进行截获的问题。本发明提出的基于幅度统计的脉冲无线电信号的截获方法，其特征在于对从来自天线的接收信号r(O所获得的平方后取样序列&(") = ,。70进行幅度统 计，式中的n是取样点序号，T是取样间隔；并将平方后取样序列a;(")按照幅度将其从小 到大排列成增序排序序列J"");根据噪声点删除因子P和增序排序序列4(")选择对应 的删除门限4=4([尸^])，式中的N是取样点总数，[g表示与变量最接近的整数；将平 方后取样序列/;(")与删除门限4进行比较得到去噪声序列~ (")为当？; (") > ^时，去 噪声序列^(") = /;(");当"")^4时，去噪声序列~(") = 0;对去噪声序列^(")进行 离散傅立叶变换(DFT)得到变换序列《("二D/T^("》，k是变换序列的标号；进一步 对变换序列《("取模并去除直流分量后，选择M个极大值点，将M个极大点的位置记录 为初始位置序列s(附)，这里///是极大值点的序号；对初始位置序列^附)进行增序排序得 到位置序列； (m),若位置序列户(附)的相邻位置差^(— = /7(附+ 1)-/ (—为某一常数& 的整数倍，对于不同的极大值点序号m, ^w)是C,的不同整倍数，则相邻位置差与常数 的比值& / C5与其最接近整数/ C,]之间的偏离绝对值|& /& -/&]|小于允许误差C^时，判决为截获；若偏离绝对值大于等于允许误差C^则判定为未截获；这里[.]表示最接近变量的整数。所述对从来自天线的接收信号r(O ，可以采用以下两种方式之一来获得平方后:f又样序列^ (w): —种是先将来自天线的接收信号进行平方操作后得到平方信号一 ( )，再对平方信号一 (f)进行取样得到平方后取样序列 ; = , ;或，另 一种是,先将来自天线的接收信号r (0进行模拟数字转换得到取样序列^ (") =,再对；(")进行平方得到平方后取样序列~ (") = ^ (") = 一 ("r),这里T是取样间隔。本发明的上述处理方法由于利用了脉冲无线电信号占空比低、瞬时幅度大的特点，对 接收信号的取样序列进行幅度统计，利用小幅度点中信号有效成分低，取出后对信号能 量收集影响小，但却可以有效去除大部分噪声能量的进入，从而提高了频谙分析的信噪 比，改善了脉冲无线电信号由于极低的功率镨密度所引起的无法截获的问题。
图l是基于噪声点去除的脉冲无线电信号的截获设备框图1。 图2是基于噪声点取出的脉冲无线电信号的截获设备框图2 。 图3是不采用噪声点去除的脉沖无线电信号频谱。 图4是采用噪声点去除截获方法得到的频谱。 图5是采用噪声点去除截获方法的漏警概率曲线。
具体实施例方式实施例1:先平方操作后取样的基于幅度统计的脉冲无线电信号的截获 本实施例采取先平方操作后取样的基于幅度统计的脉沖无线电信号的截获，附图1 给出了基于幅度统计的脉冲无线电信号的截获处理框图1。具体处理过程为由天线0 接收到的空间中存在的无线电波，经放大步骤1进行放大后送入滤波步骤2进行滤波得 到接收信号"f)，信号"0经过平方操作4得到平方信号^ (/) = r2 ( ),在取样步骤3对平方信号& (0取样得到平方后取样序列^ ("),将平方后取^羊序列^ (")送到截获处理步骤5 进行截获算法处理，即得到判决结果；这里放大步骤1中所采用的放大器可以是覆盖检 测信号频段的任意线性放大器；滤波步骤2中所采用的滤波器是通带为覆盖检测信号频 ^:的任意带通滤波器或者任意低通滤波器，所述平方操作4中所釆用的平方律器件可以 是工作频带覆盖检测信号所在频段的任一平方律器件，例如，对于频带为l-2GHz的脉沖 信号，取样器可以选用Maxim公司出品的Maxl09利用多相时钟实现，放大器选择美国模 拟器件公司(Analog Device)的AD8353, ADA9537实现，平方律器件选择魏音谢尔公司 (AeroFlex ) MTD001;本实施例中可使用的器件包括但不限于上述器件。图1中虚线所框的部分为截获处理步骤5，它具体包括幅度统计51、门限选择52、噪声点去除53 、离散傅立叶变换54以及判决55处理过程所述平方后取样序列经幅 度统计过程51进行幅度统计后，输出的增序排序序列^ (")送入到门限选择过程52，该 门限选择过程5 2沖艮据系统设定的噪声点删除因子P和增序排序序列^ (力得到删除门限 4、平方后取样序列？;(")和删除门限^^;经噪声点去除过程53去除平方后取样序列 (")中幅度小于去除门限《的取样点后，得到去噪声序列~ (");该去噪声序列~ (")经离散傅立叶变换过程54后的结果《输入到判决过程5 5 ，根据《的幅度的极大值点之间的位置差是否满足倍数关系判决是否有脉冲无线电信号并输出结果。上述截获处理步骤5的基于噪声点去除的脉冲无线电截获处理过程可具体操作如下1、将平方后取样序列/;(")输入到幅度统计51,按照平方后取样序列^;(")的幅度从 小到大对平方后取样序列^(")进行排序，得到增序排列序列4("),这里n是取样点序2 、计算需要删除的取样点总数巧=,这里N是取样点的总数目，P是噪声点删 除因子，即后续操作过程准备删除的取样点比例，[g]是最接近自变量的整数；3 、将增序排列序列4 (")输入到门限选择5 2,得到门限4A:4、输入序列^")在去噪声点53中与^进行比较，得到去噪声序列^("):5、将去噪声序列~ ("输入到离散傅立叶变换54进行离散时间傅立叶变换得到变换 序列《， k是变换序列的序号《("=，这里『=e w6、将变换序列《("输入到判决55，对《&)取;f莫并去除直流分量，然后寻找#个 极大点，将极大点的位置记录为初始位置序列(0 S m S M -1),这里m是极大点序号， 将4—按照增序排列得到位置序列,若相邻极大点的位置5(w) = p(w +1) -; (w)(0《w《M - 2)为某一常数&的整数倍，对于不同的的极大值点序号ra, 5(m)是G的不同整倍数即相邻位置差与常数的比值《,/C,与其最接近整数/ C,]之间的偏离绝对值|& / C, -[&， /G]|小于允许误差COT时，判决为截获；若偏离绝对值大于等于允许误差COT则判定为未截获；这里[.]表示最接近变量的整数。 实施例2:先取样后平方操作的基于幅度统计的脉冲无线电信号的截获本实施例采取先平方操作后取样的基于幅度统计的脉冲无线电信号的截获，附图2 给出了基于幅度统计的脉冲无线电信号的截获处理框图2。具体处理过程为由天线0接 收到的空间中存在的无线电波，经放大步骤1进行放大后送入滤波步骤2进行滤波得到接收信号"0,经取样步骤3得到取样序列q(") = ""r),再经平方操作步骤4得到平方后取样序列^("),送到截获处理步骤5进行截获算法处理，即得到判决结果；这里放大步骤1中所采用的放大器可以是覆盖检测信号频段的任意线性放大器；所述滤波步骤2 中所采用的滤波器是通带为覆盖检测信号频段的任意带通滤波器或者任意低通滤波器， 例如，对于频带为1-2GHz的脉冲信号，取才羊器可以选用Maxim/>司出品的Maxl09利用 多相时钟实现，放大器选择美国模拟器件公司(Analog Device)的AD8353, ADA9537实 现，本实施例中可使用的器件包括但不限于上述器件。本实施例中的截获处理步骤5的具体处理过程与实施例1中描述的完全一致。考虑一个这样的脉冲无线电信号这里a为接收信号幅度，G)是接收到的脉冲波形，《是第1个脉冲调制的数据，《"+1,0}或者《￡{+1，-1}, r,是脉冲重复周期，c,是跳时序列，7;是跳时间隔，/是 脉冲序号。假定通信速率为A,脉冲能量为&,则信号能量为A&,带宽为B,于是得到谱密 度信噪比为《Vi =^^; —般情况下考虑比特信噪比^ /iV。 。15必时可正常通信，当通信速率^小于20Mbps,信号带宽B-2GHz时，可以计算得到谱密度信噪比SVi 〈-5c/5,此时应用传统的频谱分析方法无法看出数据信号的存在。附图3给出了比特信噪比 & / iV。 = 15c/B ，跳时序列C, = {2,1,2,0,0}，脉沖重复周期7} = 210朋，跳时间隔7; = 42"s时的离散傅立叶变换结果的幅度部分，横坐标为频率，单位赫兹，纵坐标是归一化幅度，使用对数坐标，此时无法判断是否存在脉冲无线电信号。考虑到脉冲无线电信号是一个占空比很低的信号,很多取样点没有包含有用的信号信 息。能量平均分布于傅立叶变换结果的各点。因此采用幅度统计后去除绝大部分的没有 包含信号信息的取样点，将降低傅立叶变换各点中噪声贡献部分，而信号贡献部分得以 最大部分的保留。附图4给出了同样参数下采用本发明方法所得到的傅立叶变换结果的 幅度部分，横坐标为频率，单位赫兹，纵坐标为相对幅度，采用对数坐标，从图中可以看出存在若干离散语线，语线间隔正好为i/7;,由此可有效判断是否存在脉沖无线电信号并提取到时间参数7;。附图5给出了在比特信噪比^ /iV。从4dB到12dB的截获性能，横坐标为比特信噪比￡A/7V。，单位dB,纵坐标为漏警概率，采用对数坐标。必须指出的是，在此情况下对应 的谱密度信噪比SNR变化范围是-16dB到-8dB。数值模拟中噪声点删除因子？ = 0.99 ，极 大值点个数亙=3,，给定的允许误差C^ =0.01。此时对应的虚警概率为0. 0014。极大值点个数M增加或者给定的允许误差C^减小都将提高漏警概率，降低虚警概率；反之若极大值点个数M减小或者给定的允许误差C^增加都将降低漏警概率，提高虚警概率。
权利要求
1、一种基于幅度统计的脉冲无线电信号的截获方法，其特征在于对从来自天线的接收信号r(t)所获得的平方后取样序列re(n)＝r2(nT)进行幅度统计，式中的n是取样点序号，T是取样间隔；并将平方后取样序列re(n)按照幅度将其从小到大排列成增序排序序列Aq(n)；根据噪声点删除因子P和增序排序序列Aq(n)选择对应的删除门限Ath＝Aq([PN])，式中的N是取样点总数，[g]表示与变量最接近的整数；将平方后取样序列re(n)与删除门限Ath进行比较得到去噪声序列rq(n)为当re(n)＞Ath时，去噪声序列rq(n)＝re(n)；当re(n)≤Ath时，去噪声序列rq(n)＝0；对去噪声序列rq(n)进行离散傅立叶变换(DFT)得到变换序列dr(k)＝DFT(rq(n))，k是变换序列的标号；进一步对变换序列dr(k)取模并去除直流分量后，选择M个极大值点，将M个极大点的位置记录为初始位置序列s(m)，这里m是极大值点的序号；对初始位置序列s(m)进行增序排序得到位置序列p(m)，若位置序列p(m)的相邻位置差δ(m)＝p(m+1)-p(m)为某一常数Cδ的整数倍，对于不同的极大值点序号m，δ(m)是Cδ的不同整倍数，则相邻位置差与常数的比值δm/Cδ与其最接近整数[δm/Cδ]之间的偏离绝对值|δm/Cδ-[δm/Cδ]|小于允许误差Cerr时，判决为截获；若偏离绝对值大于等于允许误差Cerr则判定为未截获；这里[·]表示最接近变量的整数。
2、 如权利要求l所述基于幅度统计的脉冲无线电信号的截获方法，特征在于所述对 从来自天线的接收信号"0获得平方后取样序列^ ("),是先将来自天线的接收信号"0进行平方操作后得到平方信号,( )，再对平方信号,( )进行取样得到平方后取样序列re (") = , ("71),这里T是取样间隔。
3、 如权利要求l所述基于幅度统计的脉冲无线电信号的截获方法，特征在于所述对 从来自天线的接收信号获得平方后取样序列^ ("),是先将来自天线的接收信号进行模拟数字转换得到取样序列q (") = r，再对q (w)进行平方得到平方后取样序列^ (")=《(")=,("r)，这里t是取样间隔。
全文摘要
本发明公开了一种基于幅度统计的脉冲无线电信号的截获方法，特征是利用脉冲无线电信号占空比低、瞬时幅度大的特点，对接收信号的取样序列进行幅度统计，利用小幅度点中信号有效成分低，取出后对信号能量收集影响小，但可有效去除大部分噪声能量的进入，从而提高了频谱分析的信噪比，改善了脉冲无线电信号由于极低的功率谱密度所引起的无法截获的问题。解决了低占空比条件下传统截获方法无法对脉冲无线电信号进行截获的问题。
文档编号H04B1/10GK101325431SQ20081012316
公开日2008年12月17日 申请日期2008年6月10日 优先权日2008年6月10日
发明者国 卫, 尹华锐, 俊 王, 王卫东 申请人:中国科学技术大学