专利名称：一种利用一般信号序列隐藏加权信号的隐蔽通信方法
技术领域：
本发明涉及在一般信号序列中嵌入加权信号以达到隐蔽通信的实现方法，属于通信技术领域。
背景技术：
信息隐藏技术是20世纪90年代中期从国外兴起的，它是集多学科理论与技术于一身的新兴技术，并且迅速引起了专业人士的研究兴趣。它是利用人类感觉器官的不敏感，以及多媒体数字信号本身存在的冗余，将秘密信息隐藏在宿主信号中，不被人的感知系统察觉或不被注意到，而且不影响宿主信号的感觉效果和实用价值。信息隐藏最重要的特点在于它不仅隐藏了信息的内容，而且隐藏了信息的存在，因而在信息安全领域显示出更为优良的特性。
信息隐藏是信息保护的一种手段，它不同于传统的密码学技术。密码技术主要是研究如何将机密信息进行特殊的编码，以形成不可识别的密码形式(密文)；而信息隐藏主要研究如何将某一机密信息秘密隐藏于另一公开的信息中，然后通过公开信息的传输来传递机密信息 隐蔽通信技术是信息隐藏技术的一个重要分支，它着眼于掩藏一次通信的存在，也就是说，是使得攻击者不确定哪里存在秘密，它隐藏的是信息存在的形式。对加密通信而言，由于密文容易被辨认，可能更会激起拦截者破译的欲望，使得他们截获密文就全力进行破译，或将密文进行破坏后再发送，从而影响机密信息的安全；但对隐蔽通信技术而言，由于隐藏了秘密信息的信号看起来和一般信号差不多，拦截者面对众多信息难以判断哪些含有秘密信息，哪些没有秘密信息，因而相对比较容易逃离拦截者的攻击，从而能保证机密信息的安全，达到隐蔽通信的目的。
分数傅立叶变换(Fractional Fourier Transform，FRFT)是一种重要的时频分析工具，近些年来得到了较为广泛的研究，并在一些工程技术领域得以应用。FRFT是对传统Fourier变换的推广，其根本特点可以理解为对Fourier变换特征值的分数化。参数取值的连续性、旋转相加性和对信号时频形式的统一性是FRFT的基本性质。由于对特征值分数化方式的不同，以及对FRFT性质约束的宽泛性，使得FRFT具有很多种不同的定义形式。根据这些定义各自的出发点和基本特征，可以大致将其划分为两类，即经典类FRFT和加权类FRFT。
经典类FRFT是提出比较早的一种FRFT形式，它直接从Fourier变换积分核及特征值出发，加以推广和完备。由于经典FRFT具有chirp形式的正交基，因而经典类FRFT又被称为chirp类FRFT。目前有关FRFT的研究和应用大多集中在经典类上，由于出现早、研究广泛，因而有时也将其直接称为FRFT。经典FRFT在求解微分方程、量子力学、信号分析和处理等科学研究中有着比较广泛的应用；工程技术方面，如光通信系统、光图像处理等光学相关领域是最早利用经典FRFT的，也是目前应用最成功的。但是受限于经典FRFT的离散算法问题，其在通信领域的应用受到了比较大的限制。
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，由C.C.Shih在1995年首次提出，较经典类晚得多。提出伊始，其仅仅是为了满足FRFT基本性质而定义的，变换本身并未被赋予实际的物理意义。随着光学研究的进展，WFRFT的数学性质在光学系统中得到了很好的体现，并且可以通过简单的光学器件加以实现，因而在信息光学中得以广泛的应用。
在C.C.Shih之后，随着对FRFT研究的深入，WFRFT的定义被不断推广，并在某种程度上与经典FRFT统一。C.C.Shih所提出的WFRFT定义形式可以适用于任何具有周期性的变换。利用这一性质，可以将连续WFRFT定义推广到离散序列的WFRFT。
传统连续的四项加权分数傅立叶变换(4-WFRFT)的定义为 Fα[f](t)＝w0(α)f(t)+w1(α)F(t)+w2(α)f(-t)+w3(α)F(-t) 其中w0～w3为由动态加密参数α控制的加权系数，具体表达形式为 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
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αl(l＝0，1，2，3) 将随着α呈现周期性变化。当α＝0时四项加权分数傅立叶变换的结果为f(t)，当α＝1时四项加权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 推广之后离散序列的四项加权分数傅立叶变换(4-WFRFT)定义如下 Fα，V[x(n)]＝w0(α，V)x(n)+w1(α，V)X(n)+w2(α，V)x(-n)+w3(α，V)X(-n) 其中 是由帷V＝[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，令V＝[MV，NV]。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 推广之后的四项加权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。
传统信息隐藏传输方法都是在信源编码域进行秘密信息的加载，而在信号其他描述域的秘密信息嵌入方法几乎没有涉及。在信源编码域进行秘密信息加载的好处是可以将秘密信息与掩体信息以相同的传送方式进行发送和接收，在信道中秘密信息具有和掩体信息具有同等的保护。问题在于秘密信息与掩体信息不易分离，若掩体信息被信息截获者长时间保留，则存在秘密信息被发现的风险；此外，由于秘密信息与掩体信息没有物理上的分割，使得检测秘密信息的代价可以通过时间来换取。
信号波形域的秘密信息加载和提取需要专用的发送和接收设备，可以实现秘密信息与掩体信息的物理分割。在没有设备的情况下，秘密信息将被一般接收机以噪声的形式处理掉，并不会被信息截获者长期保留。波形域加载的不足在于对于目的接收机要求更高的灵敏度和抗干扰性能，因为通常此时秘密信息的能量要小于掩体信息，更容易受到信道的影响。目前所使用的信号波形域信息加载技术，一个主要的不足在于需要附加额外的噪声才能掩盖隐蔽通信的星座图，另一方面在附加噪声不足的情况下也会提高隐蔽通信暴露的风险。
发明内容
本发明的目的是为解决现有采用四项加权分数傅立叶变换进行隐蔽通信时，在信号波形域进行秘密信息加载时存在附加额外噪声达到掩盖隐蔽通信的目的，并且存在秘密信息容易被非目的主机发现的问题，提供一种利用一般信号序列隐藏加权信号的隐蔽通信方法。该方法的具体步骤为 发射机端 步骤一将一般信号序列经过基带调制后作为掩体信号； 步骤二将隐藏的秘密信息经过基带调制后获得隐藏信号； 步骤三将步骤二获得的隐藏信号采用四项加权分数傅里叶变换进行加密，获得加权信号，将加权信号进行幅度衰减后与步骤一获得的掩体信号相加，获得加密的隐藏信号； 步骤四将步骤三获得的加密的隐藏信号经过数字载波调制后，再经D/A转换以及上变频后送入信道传送； 接收机端 步骤五当接收机与发射机完全同步时，接收信号，并将接收到的信号经过下变频和A/D采样后，再经数字载波解调；获得解调信号； 步骤六在步骤五获得的解调信号中减去掩体信号后，采用四项加权分数傅里叶反变换进行解密，获得隐藏信号，实现隐蔽通信。
本发明提出利用隐蔽通信技术来隐藏通信的真实存在以保护重要信息，为了减小重要信息被截获的概率；利用一般序列经过基带调制后的信号作为掩体信号(也称为宿主信号)，考虑经过四项加权傅里叶变换后的信号的保密性，将欲保护的重要信息先进行四项加权分数傅里叶变换，然后嵌入到掩体信号中。当接收机和发射机完全同步时，只要减去掩体信号，就能获得相应的经过加权后的信息序列，再经过四项加权分数傅里叶反变换就能获得相应的隐藏信息。其中，嵌入过程的密钥为变换阶数，提取过程的密钥为相应的反变换阶数，隐藏信息的加密措施为四项加权分数傅里叶变换。
本发明的有益效果本发明方法在信号波形域上进行隐蔽通信的信息加载时，目的接收机与发射机同步时即可实现信息传送，不需要附加额外的噪声信号。将待传的秘密信息经过加权变换之后嵌入到掩体信号中，增强了信号之间的非相关性，有效地保护了秘密信息。即使掩体信号被敌方截获，由于不了解采用何种方式进行加密通信，因此也很难解密。秘密信息经过加权变换后再和掩体信号相加，更降低了信息被发现和被破译的概率。
图1是利用一般信号序列隐藏加权信号的隐蔽通信的信号处理流程示意图，图2是本发明的掩体信号的星座图，图3是经过0.5阶四项加权分数傅里叶变换后的隐藏信号星座图，图4是采用本发明方法嵌入隐藏秘密信息后掩体信号的星座图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种利用一般信号序列隐藏加权信号的隐蔽通信方法。
它的具体步骤为 发射机端 步骤一将一般信号序列经过基带调制后作为掩体信号； 步骤二将隐藏的秘密信息经过基带调制后获得隐藏信号； 步骤三将步骤二获得的隐藏信号采用四项加权分数傅里叶变换进行加密，获得加权信号，将加权信号进行幅度衰减后与步骤一获得的掩体信号相加，获得加密的隐藏信号； 步骤四将步骤三获得的加密的隐藏信号经过数字载波调制后，再经D/A转换以及上变频后送入信道传送； 接收机端 步骤五当接收机与发射机完全同步时，接收信号，并将接收到的信号经过下变频和A/D采样后，再经数字载波解调；获得解调信号； 步骤六在步骤五获得的解调信号中减去掩体信号后，采用四项加权分数傅里叶反变换进行解密，获得隐藏信号，实现隐蔽通信。
参见图2、图3和图4，采用仿真系统对本实施方式所述的通信方法中的信号进行仿真，所述仿真采用的掩体信号为一般信号序列经过QPSK基带映射后获得的信号，隐藏信号为秘密信息经过QPSK基带映射后获得的信号，隐藏信号进行0.5阶四项加权分数傅立叶变换后获得的加权信号，所述加权信号的幅度衰减为3dB；从图3和图4中可以看出，加权信号在复平面上呈现一种类高斯的分布状况，这使得嵌入秘密信息后的掩体信号在复平面分布，所述掩体信号非常类似于一般信号叠加了高斯噪声后的复平面分布状况，这样不易引起拦截者的兴趣，可以有效躲避非目的主机的袭击，可以实现很好的隐蔽通信。
本实施方式步骤三所述的采用四项加权分数傅里叶变换进行加密的密钥为四项加权分数傅里叶的正变换阶数{α，V}，所述正变换的定义如下 S0＝Fα，V[X0(n)]＝w0(α，V)X0(n)+w1(α，V)X1(n)+w2(α，V)X2(n)+w3(α，V)X3(n) 本实施方式步骤六所述的采用四项加权分数傅里叶反变换进行解密的密钥为四项加权分数傅里叶的反变换阶数{-α，V}，所述反变换的定义如下 X0(n)＝F-α，V[S0](n)＝w0(-α，V)S0(n)+w1(-α，V)S1(n)+w2(-α，V)S2(n)+w3(-α，V)S3(n)。
本实施方式的信号处理流程均可由DSP、FPGA或FPGA与DSP组合实现。
本发明利用一般的基带调制信号所携带的信息作为掩体信息，将待传的秘密信息作为隐藏信息，嵌入到掩体信息中。在发射和接收端同步、嵌入适当的情况下，可以掩盖秘密信息传输的事实，达到隐蔽通信的目的。为了增强秘密信息的保密程度，将秘密信息经过了四项加权分数傅里叶变换，达到星座图反转和随机化的目的。其中，嵌入过程的密钥为加权变换的阶数，提取过程的密钥为相应的反变换阶数。
本发明在非目的接收机未知发射机采用四项加权分数傅立叶变换进行信号加密时，该方法可以很好的隐藏真实信号。而当非目的接收机已知发射机采用四项加权分数傅立叶变换进行信号加密时，即使经过上百次检测，得到了理想星座图的位置，也有很大的概率是进行错误的解调。所述单参数四项加权分数傅立叶变换信号在时频域上都具有复高斯分布的特性，这一统计特性与噪声类似；多参数四项加权分数傅立叶变换信号具有星座分离的特点，这与经过多径信道的信号具有相似性。这两个特性使得四项加权分数傅立叶变换信号具有很强的伪装性。
权利要求
1.一种利用一般信号序列隐藏加权信号的隐蔽通信方法，其特征是，它的具体步骤为
发射机端
步骤一将一般信号序列经过基带调制后作为掩体信号；
步骤二将隐藏的秘密信息经过基带调制后获得隐藏信号；
步骤三将步骤二获得的隐藏信号采用四项加权分数傅里叶变换进行加密，获得加权信号，将加权信号进行幅度衰减后与步骤一获得的掩体信号相加，获得加密的隐藏信号；
步骤四将步骤三获得的加密的隐藏信号经过数字载波调制后，再经D/A转换以及上变频后送入信道传送；
接收机端
步骤五当接收机与发射机完全同步时，接收信号，并将接收到的信号经过下变频和A/D采样后，再经数字载波解调；获得解调信号；
步骤六在步骤五获得的解调信号中减去掩体信号后，采用四项加权分数傅里叶反变换进行解密，获得隐藏信号，实现隐蔽通信。
2.根据权利要求1所述的一种利用一般信号序列隐藏加权信号的隐蔽通信方法，其特征在于，步骤三所述的采用四项加权分数傅里叶变换进行加密的密钥为四项加权分数傅里叶的正变换阶数{α，V}。
3.根据权利要求1所述的一种利用一般信号序列隐藏加权信号的隐蔽通信方法，其特征在于，步骤六所述采用四项加权分数傅里叶反变换进行解密的密钥为四项加权分数傅里叶的反变换阶数{-α，V}。
全文摘要
一种利用一般信号序列隐藏加权信号的隐蔽通信方法，涉及通信技术领域，它解决现有采用四项加权分数傅立叶变换进行隐蔽通信时，在信号波形域进行秘密信息加载时存在附加额外噪声达到掩盖隐蔽通信的目的，并且存在秘密信息容易被非目的主机发现的问题。本发明的通信方法将一般序列经过基带调制后的信号作为掩体信号，将隐藏的秘密信息经过基带调制后采用四项加权分数傅里叶变换进行加密，将加密后的隐藏信号嵌入到掩体信号中，完成信息隐蔽通信，当接收机和发射机完全同步时，对接收的信号进行解调后减去掩体信号，获得隐蔽的信息序列，再经过四项加权分数傅里叶反变换就能获得相应的隐藏信息。本发明广泛应用于隐蔽通信技术领域。
文档编号H04L1/00GK101771530SQ201010300718
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月26日 优先权日2010年1月26日
发明者沙学军, 梅林 , 张钦宇, 张乃通, 张中兆, 顾学迈, 詹宗超, 冯红 申请人:哈尔滨工业大学