再入遥测系统中加密及LDPC编码技术的应用研究

摘要

再入遥测系统是一种变参的多径衰落系统。它存在多种形式的快衰落和慢衰落。而多径衰落信道对遥测数据有着直接的影响。由于遥测数据中含有大量重要信息，包括电子战侦察信息，飞行器飞行状态信息等。为防止多径衰落信道对遥测数据数据的影响，同时防止第三方截获或利用这些信息，要求对无线传输的遥测数据进行有效的纠错和加密编码。因此，加密和纠错编码成为再入遥测领域研究的关键技术之一。
　　 论文的主要研究内容包括：加密技术在PCM/PPK遥测系统中的应用及PCM/PPK系统性能分析；LDPC译码算法的改进及其在PCM/FM系统中的应用。论文的主要工作和成果如下：
　　 1.PCM/PPK再入遥测系统是一种多进制脉冲位置调制系统。它具有抵抗码间干扰能力强、能量效率高的特性。在该系统中，码元之间不相互独立。利用PCM码的群码特性分析了在择大检测下PCM/PPK系统的误码性能和误差特性，并与固定门限判决下的误码和误差性能进行了比较。仿真结果表明：在小信噪比时，择大检测劣于固定门限检测；而在大信噪比时，择大检测优于固定门限检测。
　　 2.为解决开放空间中遥测数据传输存在信息被窃取的安全隐患问题，提出了基于PCM/PPK遥测体制的数据加密方案。该方案采用钟控序列密码对信源PCM数据加密，在双遥测体制中该方案具有节约系统资源的优点。还提出了后向密钥同步方案，该同步方案实时性强、易于实现。在实际的遥测系统框架基础上，建立了PCM/PPK遥测系统仿真模型，该系统模型简单易于仿真实现。最后，对系统误码性能进行了理论分析和仿真验证，并讨论了系统的安全性。仿真和分析表明：通过加密保证了遥测数据的安全且没有引起误码扩散。
　　 3.由分析得到的中短码长LDPC码错误帧所对应校验节点对数似然比(LogarithmLikelihood Ratio，LLR)及校验和变化的规律，提出了一种基于消息振荡及校验更新的改进BP译码算法。该算法通过提前结束迭代译码的准则，来减少在低信噪比区的平均迭代次数。并通过修正校验节点的更新来削弱LLR值的振荡以提高译码性能。仿真结果表明，相对于BP算法：在低信噪比区，该算法减少了平均迭代次数且译码性能没有损失；而在中高信噪比区，其提高了译码性能，而平均迭代次数无增加。
　　 4.基于Offset最小和算法和差分译码算法，提出了一种改进的LDPC译码算法。该算法在二分图上传递的是概率的差分值。与Offset最小和算法相比，该算法在实现时，量化精度高，可减少量化带来的性能损失；对于校验节点的处理采用Offset最小和算法，与原始差分算法相比降低了计算复杂度。在PCM/FM系统中的仿真表明，与传统差分译码算法及Offset最小和算法相比，该算法收敛速度快，无明显性能损失。
　　 5.建立了基于matlab和MFC的PCM/FM系统仿真平台，仿真和分析了LDPC码在PCM/FM系统中的性能，包括不同码长的仿真、不同译码方案的仿真。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 我国遥测技术发展概况

1.2 密码学在遥测系统中的应用

1.3 LDPC码研究进展

1.4 论文的主要工作及内容安排

第2章 再入遥测系统基本理论与数字实现

2.1 遥测系统的原理及信道模型

2.1.1 遥测系统的组成原理

2.1.2 遥测信道模型

2.2 遥测系统的调制

2.3 特快信号的传输体制

2.4 LDPC码的编译码原理

2.4.1 LDPC码的定义与表示

2.4.2 LDPC码的译码原理

2.5 本章小结

第3章 PCM/PPK再入遥测系统的性能分析

3.1 引言

3.2 基于群码特性的PCM/PPK再入系统的误码特性分析

3.2.1 PCM码的群码特性

3.2.2 PCM/PPK再入系统的误码特性分析

3.3 误差特性

3.4 本章小结

第4章 基于PCM/PPK再入遥测体制的钟控序列加密方案及系统仿真

4.1 PCM/PPK再入遥测系统数据加解密方案

4.1.1 密钥流生成器

4.1.2 加解密算法

4.1.3 加解密过程

4.2 PCM/PPK再入遥测系统仿真模型

4.2.1 模型的建立

4.2.2 系统误码性能分析

4.3 系统仿真及安全性分析

4.3.1 发射机仿真

4.3.2 PPK信号的检测和接收机仿真

4.3.3 安全性分析

4.4 本章小结

第5章 再入遥测系统中LDPC译码算法的改进

5.1 基于消息振荡及校验更新的改进BP译码算法

5.1.2 错误帧校验和的变化模式分析

5.1.3 LDPC译码算法

5.1.4 数值仿真及结果分析

5.1.5 本节小结

5.2 基于差分的译码算法及其在PCM/FM系统中的应用

5.2.1 研究背景

5.2.2 LDPC译码算法

5.2.3 算法在PCM/FM系统中的仿真

5.2.4 本节小结

5.3 本章小结

第6章 PCM/FM再入遥测系统仿真平台及LDPC码在其中的应用

6.1 系统平台实现方案

6.2 PCM/FM系统仿真框图

6.3 基本界面介绍

6.4 基本功能介绍

6.5 LDPC码在PCM/FM中的性能分析

6.6 本章小结

第7章 总结与展望

致谢

参考文献

附 录