专利名称：一种基于特殊变换的信息加密与识别的方法
技术领域：
本发明涉及一种信息加密与识别的方法，其采用满足特殊逆变换的两个正交信号族作为信息加密调制信号和识别解调信号。更具体地说，所述信息加密方法是将一路或多路输入的欲加密的模拟或数字信息调制于相应的信号上并记录于某种介质上；而所述信息识别方法是应用与记录时的同样方法读出介质上已记录的信息，再利用与调制信号相正交的同步、等时长的解调信号进行解调，而后经过低通滤波器或积分器将加密信息解调出来。所述调制信号和解调信号构成特殊变换的一一对应关系。
背景技术：
社会信息化的快速发展带来了信息加密与识别的严重问题，信息被非法截取和盗窃经常造成严重后果，因此信息加密与识别问题越来越受到人们的关注。
在实际应用中，除了通信中的保密问题之外，还有大量的、记录在介质上的信息需要保密与识别的问题。公知的，为了方便信息交流和使用，经常将语音、数字、文本、图象等信息通过电、磁、光等方式记录在介质上以便于随身携带，例如记录在移动存储装置中的信息、银行卡信息等。目前，对记录在介质上而便于随身携带的信息的加密与识别，通常应用是信息的编码、加扰等技术。另外还有一些新的加密方法如混沌加密技术，正处于研究阶段。
公知的，为了要实现信息的加密与识别，可通过改变信息的编码方式或加入其它干扰参数，从而改变信息形式，达到抗干扰、抗截获的效果。但是传统的方法和系统所能达到的效果，对于具有高保密性能要求的系统来说是极其有限的。因此，为了获得高的保密性，往往需要将多种加密技术结合使用，但是由此带来系统的复杂度和成本大幅度提高的问题。
另一方面，我们注意到，数学领域内的一些特殊的逆变换数学方法能够找到相应周期函数的正交函数族，而这两个正交的函数族本身却是非正交的。这类特殊逆变换在一些科学和工程的领域已得到应用。本发明人对此进行了相关的研究，并首先将计算的结果应用在通信中，不久前已提出了一种新型的调制解调通信方法和保密通信的方法，并已申请了两项相应的国家发明专利。本发明是对这类特殊逆变换在信息加密与识别方面应用的进一步探索。
发明内容
本发明的目的是将上述特殊逆变换方法应用于信息加密与识别方面，从而提供一种完全新型的信息加密与识别的方法。
为了更清楚地揭示和阐明本发明的要点，在描述实现本发明目的的技术方案之前，有必要对本发明使用的特殊逆变换数学方法及其在信息加密与识别上的应用原理进行简要描述数学上，一些周期函数族通过特殊逆变换能够找到相应的正交函数族(即在两个函数族之间构成映射关系的函数相互正交)，若周期函数族本身是非正交的(即函数族中的各个函数之间非正交)，则经特殊逆变换得到的正交函数族本身也是非正交的(即函数族中的各个函数之间非正交)。
若周期函数族以{Sd(nt)、2Sd(nt)…mSd(nt)}表示，且函数Sd(nt)、2Sd(nt)…mSd(nt)之间是非正交的，经特殊逆变换得到的函数族以{S~dn(t),2S~dn(t)···mS~dn(t)}]]>表示。根据傅立叶分析方法，任何信号都可用许多不同频率不同幅值的正弦波和/或余弦波分量叠加而成。因此，函数lSd(nt)可以展开为公知的傅立叶级数，而函数 则是含特殊逆变换系数I(n)的有限个正弦或余弦分量的叠加，即表示为如下lS~dn(t)=ΣI(n)cosnt]]>或lS~dn(t)=ΣI(n)sinnt]]>，其中n是正整数，求和号表示对所有可能的n求和。式中，逆变换系数I(n)是由其对应的函数Sd(nt)的傅立叶级数展开系数经特殊逆变换算法计算得到的。特殊逆变换的数学算法有许多种，如Chen-Mobius变换。可以证明，经特殊逆变换得到的函数 与其对应的函数Sd(nt)是正交的，而各个函数 之间却是非正交的。
在理论上，由非正交函数Sd(nt)、2Sd(nt)…mSd(nt)组成的周期函数族{Sd(nt)、2Sd(nt)…mSd(nt)}，表示一个由若干非正交周期信号组成的周期信号族。而按照上述特殊逆变换方法得到的、由非正交函数 组成的函数族{S~dn(t),2S~dn(t)...mS~dn(t)}]]>，表示一个与所述周期信号族正交的、但本身非正交的特殊逆变换信号族。特殊逆变换信号族与周期信号族构成一一对应的正交映射关系。(在下面的叙述中，为了简便起见将不再对信号与其表达函数进行区分，而是用相同的表示法来表示。)应用上述数学分析的结果可知，经特殊逆变换后得到的信号在频域上具有非常简单的频谱，非常适于在信道中传输，并且非常容易产生，因此可以用作调制载波、编码信号。不仅如此，经特殊逆变换得到的信号与其对应的周期信号虽然属于两类不同的信号，但它们是相互正交的，因此将周期信号用作解调载波、解码信号即可实现相干解调和处理。
具有上述性质的周期信号族种类很多。实际应用中，通常选择一些具有简单的波形、且容易产生的信号，如各种数字脉冲，包括矩形脉冲、奇对称与偶对称方波、奇对称与偶对称三角波、锯齿波信号以及它们的组合。因为，一方面这些数字信号在时域上具有非常简单的波形，而频谱却非常广泛，因此既不适于在信道中传输，也不能用于调制。但这些信号极其容易产生，因此作为解调载波、解码信号是非常适宜的。另一方面，这些数字信号不但不同类型之间是非正交的，而且同一类型频率不同的信号之间也是非正交的，保证了经过特殊逆变换得到的不同类型的调制载波、编码信号、以及同一类型不同频率的信号之间也都是非正交的。
基于上述分析，本发明通过采用所述的周期信号族和其对应的特殊逆变换正交信号族，作为解调载波信号mSd(nt)和调制载波信号 、或者解码信号和编码信号。在加密时，对欲加密的模拟或数字信息进行调制并将信号记录在某种介质上；而在识别时，用与信号记录时的同样方法将记录在该介质上的信号读出，再以对应的解调载波信号mSd(nt)进行同步相干解调，而后经过低通滤波器或积分器把加密信息识别出来。由此来提供一种具有很高抗干扰能力和无误码的、并且可以通过简单的调制解调相干方法实现信息加密与识别的新方法。
本发明提供的新型信息加密与识别的方法是这样实现的一种基于特殊逆变换的信息加密与识别方法，其特征是所述信息加密包括应用调制载波信号 对包含欲加密信息的信号进行调制，在调制后的信号中按一定时间长度选择一段并将其记录在介质上；所述信息识别包括获取记录在介质上的信号，再应用相同时间长度的对应的解调载波信号mSd(nt)进行相干解调；所述调制载波信号 与其对应的所述解调载波信号mSd(nt)满足特殊逆变换关系、且相互正交。
最好的，应该使调制载波信号频率比包含欲加密信息的信号频率至少高一个数量级。
为进一步地提高加密效果，使记录的信息更难以被窃取，还可以应用多重嵌套的调制与解调即加密时应用一族调制载波信号{S~dn(t),2S~dn(t)...mS~dn(t)}]]>对包含欲加密信息的信号进行多重调制，然后将调制后的信号按一定时间长度选择一段并将其记录在介质上；识别时应用相同时间长度的对应的一族解调载波信号{Sd(nt)、2Sd(nt)…mSd(nt)}进行多重解调；所述调制载波信号族 和所述解调载波信号族{Sd(nt)、2Sd(nt)…mSd(nt)}满足特殊逆变换关系，各个调制载波信号 本身之间、各个解调载波信号Sd(nt)、2Sd(nt)…mSd(nt)本身之间均为非正交，且调制载波信号 与其对应的解调载波信号Sd(nt)、2Sd(nt)…mSd(nt)之间相互正交。
进一步的，调制加密时可将每级调制后的信号按一定时间长度选择一段进入下一级调制、并且使每级调制后的信号选择的时间长度大于或等于前一级；解调识别时每级应用对应的相同时间长度的解调载波信号进行多次解调。
嵌套调制的次数可以根据保密性能要求与记录介质的频段要求来综合考虑。并且应该使后一级调制载波信号频率比前一级的调制载波信号频率至少高一个数量级。
为了实现对上述加密处理信息的正确识别，解调载波信号mSd(nt)与调制载波信号 必须匹配。这意味着，解调载波信号mSd(nt)与调制载波信号 的种类、最高频率及分量数、基波频率、幅度、相对相位、信号的时间长度等参数必须匹配。
满足上述要求的一个较为简单的方法是，信息加密方和识别方通过事先约定的方式来解决。
较好的方法是，在对源信息进行加密调制时，对所应用的调制载波信号 的种类、最高频率及分量数、基波频率、幅度、相对相位、信号的时间长度等参数进行编码，将该编码信号直接记录在介质上，以及识别时先进行解码获得调制载波信号 的参数、并生成对应的解调载波信号mSd(nt)。
更优的方法是，在对源信息进行加密调制时，将调制载波信号的上述参数进行编码，将该编码信号调制在一预先规定或随机确定的编码调制信号 上，再将编码调制信号 的有关参数编码后记录在介质上，以及识别时先对编码调制信号 参数进行解码并生成同步相干的编码解调信号aSd(nt)，再对编码调制信号 进行解调获得调制载波信号 的参数，最后生成对应的解调载波信号mSd(nt)，所述编码解调信号aSd(nt)和所述编码调制信号 满足所述特殊逆变换关系、且相互正交。
调制载波信号 的编码应至少有如下几部分对信号种类的编码，由于调制载波信号至少包含矩形脉冲、奇对称与偶对称方波、奇对称与偶对称三角波、锯齿波信号等六类数字信号的逆变换，因此至少应由3位来编码；对最高频率与分量数的编码，即确定调制载波信号 和编码调制信号 里n的值，以确定调制信号的最高频率与组成的分量数，至少应由5位来编码；对基波频率的编码，其应以千赫或其他合适量为单位，至少应由5位来编码；对幅度的编码，以伏特为单位，至少应由5位来编码；对相对相位的编码，以弧度为单位，至少应由3位来编码；对信号时间长度的编码，以秒或信号的1/4周期为单位，至少应由3位来编码；如不够，还可适当增加位数；故调制信号的编码格式至少要有24位以上，必要时还应适当增加校对或冗余扰码。
本发明提供这种新型信息加密与识别的方法，由于解调载波信号mSd(nt)可在多类的周期信号中选择，且每一类信号还具有不同频谱、幅度等的选择，而通过特殊逆变换得到的调制载波信号 也是多种多样的。因此在实际应用中，载波信号具有非常广大的选择空间，并且还可以根据需要进行灵活多样的组合。再加上信号记录时间长度的选择、以及通过多次调制构成了对源信息的多重嵌套，窃取者在不知道信号记录时间长度、多重嵌套具体组成方式等情况下，即使能获取出介质上记录的信号，也根本无法通过解调方式得到源信息，从而保证了加密的极高安全性。
不仅如此，当记录介质具有多个记录区间或轨道时，还可以将加密处理的信号随机分配在众多的记录区间或轨道中，使得信息更加保密而无法偷窃。
本发明提出的这种加密和识别方法是应用调制解调实现，对源信号事先采用的其它加密措施没有影响，而且能与其它加密手段联合运用，进一步提高信息加密的性能。
图1是实现本发明提出的基于Chen-Mobius变换对信息进行加密处理与记录的系统框图。
图2是实现本发明提出的基于Chen-Mobius变换对加密信息进行相干解调与识别的系统框图。
图3是实现本发明提出的基于Chen-Mobius变换，通过多重嵌套调制对信息进行加密处理与记录的系统框图。
图4是实现本发明提出的基于Chen-Mobius变换，通过多重嵌套解调对加密信息进行相干解调与识别的系统框图。
具体实施例方式
本发明提出的信息加密与识别的方法，是应用满足特殊逆变换的调制载波信号 、解调载波信号mSd(nt)来实现的。目前，有多种特殊逆变换的数学算法可供选择，因此实现本发明方法的系统也有不同的形式。作为一个较好的实施方式，本发明提出了一种基于Chen-Mobius变换的相干调制解调的系统。该系统包括公知的编码解码系统、波形发生器、调制解调器、低通滤波或积分器等部件，分为图1或图3所示的加密处理与记录系统、以及图2或图4所示的解调与识别系统两部分。
系统采用的解调载波信号mSd(nt)可以在多种的数字信号中选择，如各种数字脉冲，包括矩形脉冲、奇对称与偶对称方波、奇对称与偶对称三角波、锯齿波信号以及它们的组合。这些信号的数学表达函数均可以展开为傅立叶级数，在时域上的波形均是公知的并且是容易产生的，因此实现解调识别的系统是较为简单的。
而对应调制载波信号 是上述数字信号的经过Chen-Mobius变换运算得到，同样具有不同类型及其组合，这些信号在频域上的频谱极为简单，适合于信道传输。
本发明中，加密处理与记录过程可通过图1所示的系统来实现在图1中，包含了欲加密的模拟或数字源信息经过正常加密编码后，在A处用调制载波信号 对一路或多路的源信号进行调制，而后将调制后的信号按一定的时间长度以某种方式如电、磁、光记录在介质中。与此同时，将调制载波信号 的有关参数按一定格式编码后，在B处将其调制在编码调制信号 上并记录在同一介质中。编码调制信号 信号的有关参数可以用一特定的编码格式进行编码后直接记录在同一介质中以作为密钥的一部分，这样，信息识别系统通过其解码子系统能够确定用何种解调信号来解调信息。当然，也可以采用约定的方式事先确定编码调制信号 的形式，这时就不用在介质中记录与其有关的信息。不仅如此，这种约定还可以作为某一机构的识别码使用。为了提高信息的保密度，编码调制信号 的形式还可以按一定的编码方式由机构或银行的管理部门通过网络来随机确定，这样，这一部分密钥就更难被窃取了。
本发明中，对加密信息进行解调与识别过程可通过图2所示的系统来实现该系统先用与记录时的同样方法读出记录在介质上的数据，根据不同的数据格式与形式，分离出密钥数据与信号加密数据。按照密钥数据的编码(若无编码就是事先约定的波形)，系统的信号波形发生器生成与编码调制信号 同步相干的编码解调信号aSd(nt)，在D处解调获得调制载波信号 的有关参数，而后系统根据解调出来的参数生成与调制载波信号 同步相干的解调载波信号mSd(nt)，从而在C处实现对加密信息的解调，获得源信息。
图3、图4所示的是通过多重嵌套调制、解调实现信息加密和识别的系统在多重嵌套调制、解调的情况下，除了加密时应用一族调制载波信号 进行多重嵌套的调制、识别时应用一族解调载波信号{Sd(nt)、2Sd(nt)…mSd(nt)}进行多重嵌套解调外，信号记录、密钥生成的过程是相同的。
解调载波信号族{Sd(nt)、2Sd(nt)…mSd(nt)}是由不同类型或具有不同频谱的数字信号组成，各个信号之间是非正交。而经过Chen-Mobius变换得到的调制载波信号族{S~dn(t),2S~dn(t)...mS~dn(t)}]]>同样由不同类型或不同频谱的信号组成，这些信号之间也是非正交的。但调制载波信号S~dn(t),2S~dn(t)···mS~dn(t)]]>与其对应的解调载波信号Sd(nt)、2Sd(nt)…mSd(nt)之间是相互正交。因此，当它们用于多重嵌套调制、解调时，各级的调制载波信号之间、各级的解调载波信号之间均为非正交，不会相互影响。而每一级的调制载波信号是其对应级的解调载波信号的Chen-Mobius变换，对应的调制载波信号和解调载波信号相互正交，这样就可以通过逐级相干解调的方式实现简单的解调。
计算机软件仿真表明，这种基于Chen-Mobius变换的相干调制解调的系统，在信噪比大约是-20分贝的情况下，模拟系统的失真率小于5％，而数字系统的误码率为零，因此，在信息加密与识别系统的情况下，信噪比远优于-20分贝的情况，所以，其误读误判的可能性为零，具有极其优秀的抗干扰性能。
工业实用性所述解调载波、解码信号的产生方法和装置是公知的。而所述调制载波、编码信号的产生，则只需将对应频率的正弦波或余弦波乘以前面所述的逆变换系数I(n)再叠加就能生成。逆变换系数I(n)可以通过按照特殊逆变换的数学算法进行编程计算在经处理器来很快得到，故调制载波、编码信号的产生也是很容易的。
本发明提出的新方法，适用于以电变量为转换变量的方式记录在介质上各种的模拟信息和数字信息的信息加密与识别，可以直接应用于现有的各种介质系统，如磁介质，射频卡，IC卡系统等，构建成具有高度保密与极好识别性能新型系统，具有广阔的应用前景。
以上结合了具体实施例对本发明提出的信息加密与识别的新方法进行了说明，但这并不构成对本发明内容的限制。任何在同样的构思下所作出的修改和变化，也均属于本发明保护的范围。
权利要求
1.一种基于特殊逆变换的信息加密与识别方法，其特征是所述信息加密包括应用调制载波信号 对包含欲加密信息的信号进行调制，在调制后的信号中按一定时间长度选择一段并将其记录在介质上；所述信息识别包括获取记录在介质上的信号，再应用相同时间长度的对应的解调载波信号mSd(nt)进行相干解调；所述调制载波信号 与其对应的所述解调载波信号mSd(nt)满足特殊逆变换关系、且相互正交。
2.根据权利要求1所述的信息加密与识别方法，其特征是所述信息加密包括应用调制载波信号族 对包含欲加密信息的信号进行多重调制，然后将调制后的信号按一定时间长度选择一段并将其记录在介质上；所述信息识别包括获取记录在介质上的信号，再应用相同时间长度的对应的解调载波信号族{Sd(nt)、2Sd(nt)...mSd(nt)}进行多重解调；所述调制载波信号族 和所述解调载波信号族{Sd(nt)、2Sd(nt)...mSd(nt)}满足特殊逆变换关系，调制载波信号 本身之间、解调载波信号Sd(nt)、2Sd(nt)...mSd(nt)本身之间均为非正交，且调制载波信号 与其对应的解调载波信号Sd(nt)、2Sd(nt)...mSd(nt)之间相互正交。
3.根据权利要求1或2所述的信息加密与识别方法，其特征是将加密调制处理的信号随机分配在记录介质的多个记录区间或轨道中。
4.根据权利要求2所述的信息加密与识别方法，其特征是调制加密时将每级调制后的信号按一定时间长度选择一段进入下一级调制、并且使每级调制后的信号选择的时间长度大于或等于前一级；解调识别时每级应用对应的相同时间长度的解调载波信号进行多次解调。
5.根据权利要求2所述的信息加密与识别方法，其特征是调制载波信号频率比包含欲加密信息的信号频率至少高一个数量级，且后一级调制载波信号频率比前一级的调制载波信号频率至少高一个数量级。
6.根据权利要求2所述的信息加密与识别方法，其特征是所述解调载波信号族{Sd(nt)、2Sd(nt)...mSd(nt)}由不同类和/或同类但频率不同的数字信号组成，所述调制载波信号族 是所述不同类和/或同类但频率不同的解调载波信号族{Sd(nt)、2Sd(nt)...mSd(nt)}的特殊逆变换信号。
7.根据权利要求1、2或6所述的信息加密与识别方法，其特征是所述特殊逆变换为Chen-Mobius变换。
8.根据权利要求1或2所述的信息加密与识别方法，其特征是在对源信息进行加密调制时，对所应用的调制载波信号 参数进行编码、并将该编码信号直接记录在介质上，以及识别时对该编码信号进行解码获得调制载波信号 的参数、并生成对应的解调载波信号mSd(nt)。
9.根据权利要求1或2所述的信息加密与识别方法，其特征是在对源信息进行加密调制时，将调制载波信号参数进行编码，然后将该编码信号调制在一预先规定或随机确定的编码调制信号 上，再将编码调制信号 参数编码后记录在介质上，以及识别时先对编码调制信号 参数编码进行解码并生成同步相干的编码解调信号aSd(nt)，再对编码调制信号 进行解调获得调制载波信号 的参数，最后生成对应的解调载波信号mSd(nt)，所述编码解调信号aSd(nt)和所述编码调制信号 满足特殊逆变换关系、且相互正交。
10.根据权利要求9所述的信息加密与识别方法，其特征是所述特殊逆变换为Chen-Mobius变换。
全文摘要
一种基于特殊逆变换的信息加密与识别方法，其特征是所述信息加密包括应用调制载波信号m
文档编号H04L9/00GK1952997SQ20051004495
公开日2007年4月25日 申请日期2005年10月21日 优先权日2005年10月21日
发明者苏武浔, 魏腾雄 申请人:苏武浔, 魏腾雄