【正文】 11 . 主成分的計(jì)算 ................................................................................................ 12 . 樣本主成分 .................................................................................................... 14 . 主成分的選取 ................................................................................................ 14 . 主成分分析的性質(zhì) ........................................................................................ 15 5. 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)射頻指紋特征提取與仿真 ............................................................ 17 . 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)射頻指紋特征提取與仿真 ................................................ 17 6. 結(jié)論 ............................................................................................................................ 23 致謝 ................................................................................................................................. 24 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................... 25 附錄一 ............................................................................................................................. 26 附錄二 ............................................................................................................................. 30 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1. 引言 . 研究的背景和意義 隨著人類運(yùn)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)進(jìn)行通信，電子戰(zhàn)應(yīng)運(yùn)而 生，并伴隨無(wú)線通信的發(fā)展而發(fā)展。日俄戰(zhàn)爭(zhēng)在 1905 年的爆發(fā)，拉開(kāi)了第一次運(yùn)用通信偵察、通信監(jiān)聽(tīng)、通信干擾的無(wú)線通信電子戰(zhàn)大幕，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電子戰(zhàn)在一個(gè)多世紀(jì)的歷史內(nèi)所有戰(zhàn)爭(zhēng)中多次獲得好功績(jī)，已然變成在還沒(méi)開(kāi)戰(zhàn)就能震懾其他國(guó)家主要的戰(zhàn)爭(zhēng)手段，是衡量一個(gè)強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志。通信電子偵察作為軍隊(duì)的“千里眼”和“順風(fēng)耳”，是獲得主要諜報(bào)、在 背后援助戰(zhàn)場(chǎng)和獲得訊息交流的主導(dǎo)權(quán)的主要方式。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)偵察隨著現(xiàn)如今通訊科技的進(jìn)步而進(jìn)步?？墒窃跓o(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)偵查當(dāng)中， 人們不但要掌握無(wú)線發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)所包含信息內(nèi)容，而且還得擁有無(wú)線發(fā)射機(jī)個(gè)體與其它屬于的平臺(tái)等發(fā)射機(jī)特征信息，這對(duì)于在戰(zhàn)場(chǎng)上創(chuàng)建電子序列圖，為戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略作出極其重要的貢獻(xiàn)。新興的無(wú)線電軟件化等相關(guān)科學(xué)技術(shù)的廣泛發(fā)展和運(yùn)用，同一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)可以經(jīng)過(guò)軟件設(shè)置的調(diào)節(jié)來(lái)改變無(wú)線信號(hào)的 的調(diào)制模式、載頻和波特率等相關(guān)參數(shù)，因此傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)個(gè)體識(shí)別方法如調(diào)制模式等已經(jīng)不再符合現(xiàn)如今越來(lái)越繁復(fù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī) 監(jiān)管 和 檢測(cè) 。就像雷達(dá)個(gè)體識(shí)別技術(shù)，首先它接收正在工作的目標(biāo)設(shè)備所發(fā)出的雷達(dá)信號(hào)，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行一系列處理來(lái)得到目標(biāo)設(shè)備的各種參數(shù)指標(biāo)如所在信號(hào)傳播的方向角度和設(shè)備的具體坐標(biāo)等；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)的個(gè)體指紋識(shí)別是與通信信號(hào)中包含要傳遞的真實(shí)信息內(nèi)容毫無(wú)關(guān)系，它的指紋識(shí)別方式是，首先利用網(wǎng)絡(luò)接收設(shè)備來(lái) 收取目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)出的信號(hào)，然后再通過(guò)一系列相關(guān)的信號(hào)處理手段來(lái)獲取潛藏在目標(biāo)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)內(nèi)部的細(xì)微的個(gè)體指紋特征，并不需要去解調(diào)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 機(jī)發(fā)射的信號(hào)來(lái)獲取其要傳播的信息內(nèi)容，兩者的目的顯然不同。 我們可以把識(shí)別雷達(dá)設(shè)備的指紋的概念擴(kuò)展至無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)設(shè)備的辨別技術(shù)。比在當(dāng)啟動(dòng)與關(guān)機(jī)或設(shè)備切換調(diào)制模式的一瞬間，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)的暫態(tài)信號(hào)就會(huì)擁有非常多的個(gè)體指紋特征，就算是同廠同款的一些發(fā)射機(jī)，它們之間微小的差別依然會(huì)存在。現(xiàn)代硬件開(kāi)發(fā)技術(shù)發(fā)展到可 以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的信號(hào)提取算法的程度，這也在很大程度上提升了個(gè)體指紋的可測(cè)性，研究工作沒(méi)有止于對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的提取與分析，而是逐漸著手對(duì)隱藏在信號(hào)里面的指紋特征進(jìn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)地探索。比如在識(shí)別無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)設(shè)備上，將識(shí)識(shí)別用于認(rèn)知無(wú)線電的頻譜感知上，將合法用戶設(shè)備相關(guān)的指紋導(dǎo)入創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以實(shí)現(xiàn)有效地管理頻譜資源和精確辨別假冒用戶 的方針。所以我們可以運(yùn)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)設(shè)備中的硬件指紋特征，再與物理層的身份驗(yàn)證和應(yīng)用層的密鑰管理結(jié)合，將大大地提升現(xiàn)如今的無(wú)線通信安全。由于生產(chǎn)設(shè)備的元器件都是一樣的，也不排除元器件生產(chǎn)可能導(dǎo)致的個(gè)體細(xì)微差異，但同一生產(chǎn)流水線的工藝水平也應(yīng)該要一樣，這樣能保持同型號(hào)產(chǎn)品一致。隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)個(gè)體指紋識(shí)別技術(shù)研究發(fā)展一步步走向?qū)嵱没?、體系化，在這過(guò)程當(dāng)中人們會(huì)陸陸續(xù)續(xù)地發(fā)明出許許多多新異的應(yīng)用模式。 1960 年左右，美國(guó)需要 Northrop Grumman 能夠研發(fā)出讓導(dǎo)彈能夠辨識(shí)與追蹤目標(biāo)發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)，因而才產(chǎn)生特定輻射源識(shí)別的概念。該公司與美國(guó)的海軍合作繼續(xù)研究特定輻 射源識(shí)別技術(shù)長(zhǎng)達(dá)四五十年的時(shí)間，主導(dǎo)并參與研發(fā)出一系列的軍用乃至民用特定輻射源識(shí)別系統(tǒng)，其中包括“鷹眼”機(jī)載預(yù)警機(jī)裝備新的 ESM 系統(tǒng)，和電子支援系統(tǒng)，能夠辨識(shí)出可能核武器的船只發(fā)出的信號(hào)。美國(guó)于 AOC 上，提議關(guān)于信號(hào)測(cè)量和特征諜報(bào)的觀點(diǎn)，簡(jiǎn)稱 MASINT，它所偵察的目標(biāo)對(duì)象不但含有常常要說(shuō)到的雷達(dá)信號(hào)、通訊信號(hào)等，還包含非有意輻射 (Unintentional Radiated Emissions， tntE)的信號(hào)，信號(hào) 測(cè)量和特征情報(bào)技術(shù)可以認(rèn)為是特定輻射源識(shí)別技術(shù)的延伸和擴(kuò)展。 國(guó)外的射頻指紋識(shí)別現(xiàn)處于蓬勃的發(fā)展發(fā)展階段，并不斷突破一個(gè)個(gè)技術(shù)難關(guān)，讓指紋識(shí)別技術(shù)造福于全人類。 . 射頻 指紋特征提取的研究狀況 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)的特征提取是射頻指紋識(shí)別技術(shù)的首要一個(gè)過(guò)程。形成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)存在射頻指紋的要素有很多，比如電源的不穩(wěn)定，碼率調(diào)制的不同、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非線性、噪聲等。但是無(wú)線通信信號(hào)與雷 達(dá)信號(hào)不同，現(xiàn)代無(wú)線信號(hào)分析方法在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī) (如電臺(tái)、 WiFi 等設(shè)備 )的識(shí)別中的應(yīng)用隨著研究不斷地深入也逐漸增多。基姆和史普納曾利用提取出 OFDM 信號(hào)的二階循環(huán)譜特征技術(shù)，分別給六家廠商的網(wǎng)卡通過(guò)識(shí)別，其識(shí)別率可以達(dá)到 94％左右。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 總而言之，雖然對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)特征提取方 法的研究有了一些很好的成績(jī)，可是這些方法普遍存在一些缺陷。 在環(huán)境噪聲復(fù)雜多變和多個(gè)發(fā)射機(jī)工作等多種干擾的背境下 ,僅僅采用用頻譜分析所得到的特征是完全不夠的 ,因?yàn)樵撎卣鞯某煞植蛔阋猿蔀橹讣y去區(qū)分其他設(shè)備。 . 章節(jié)安排 本課題要研究的課題是基于 WignerVille 分布與 PCA 降維的射頻指紋特征提取仿真。時(shí)頻分析能很好地給出信號(hào)的頻域和時(shí)域的特性 , 信號(hào)通過(guò) WignerVille 轉(zhuǎn)換與 PCA 降維技術(shù)的處理過(guò)程，可以得 到能夠區(qū)分其他設(shè)備的指紋特征向量。 第二章主要介紹 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)識(shí)別原理 ，還講述 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)識(shí)別 的作用和意義。 第四章主要詳細(xì)介紹 PCA 降維原理、性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn) 。 第六章就上述章節(jié)的研究歸 納總結(jié)出一些結(jié)論，并闡述了本畢業(yè)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)和以后需要改進(jìn)的地方。利用基于維格納 威利變換程序?qū)Ψ謩e使三個(gè)射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)頻矩陣，最后通過(guò) PCA 降維來(lái)提取 m個(gè)主分量足夠大 (85 %以上 )的特征向量，畫(huà)出時(shí)頻分布的主成分分布圖，計(jì)算了它們之間的歐式距離，判斷和識(shí)別出三個(gè)同一型號(hào)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)?？墒窃诂F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)信號(hào)的偵查手段的重要性在不斷提高，對(duì)于因無(wú)線通訊設(shè)備內(nèi)部硬件的個(gè)體差異會(huì)產(chǎn)生的并寄存于無(wú)線傳播的信號(hào)中的一些物理量被研究人員慢慢地重視起來(lái)。 . 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)識(shí)別的原理 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)分類辨別的過(guò)程如圖 21所 示。揀選特征是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)設(shè)備辨別流程中的的重要步驟，如何挑選什么微小的特質(zhì)作為個(gè)體指紋特征，還有獲取指紋參數(shù)的手段及其精確度，都是決定最終的分類鑒定結(jié)果的首要因素，乃至?xí)绊懽R(shí)別性能的好壞水平。 . 個(gè)體特征的選擇 如果要想把這些各式各類細(xì)小的特質(zhì)當(dāng)作可以顯示無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)間差別的指紋，綜合慨括一下它們必須符合下面幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)： （ 1） 特征的普遍性，就是作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)設(shè)備鑒別的細(xì)微特質(zhì)必須對(duì)于任意一個(gè)發(fā)射機(jī)都有，并不只是一部分的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)才有。 （ 3） 特征的固定性，細(xì)微特質(zhì)應(yīng)該具有很強(qiáng)的穩(wěn)固性能，不會(huì)隨著時(shí)間或者傳播環(huán)境的改變，結(jié)果產(chǎn)生明顯的變化，從保持其很高的可信度。 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)的指紋特質(zhì)根據(jù)無(wú)線信號(hào)本來(lái)的表示方法可以分成暫態(tài)特性與穩(wěn)態(tài)特性。過(guò)渡狀態(tài)源自設(shè)備自己，像無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開(kāi)啟和關(guān)閉、切換工作模式，碼字變換等等；其他有的源自設(shè)備外的一些激發(fā)效果，例如電源提供的電不是很穩(wěn)定。所以通過(guò)提取暫態(tài)特征來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機(jī)鑒別很難得到廣泛運(yùn)用。它不但是最先產(chǎn)生的一種表示時(shí)頻的方法，而且還具有非常好的時(shí)頻聚集性，較高的時(shí)間分辨率與頻率分辨率等特點(diǎn)，計(jì)算方法簡(jiǎn)單。在利用短時(shí)譜處理 NSRS，假設(shè)信號(hào)在短時(shí)間都是平穩(wěn)的，那么這里就出現(xiàn)非常大的弊端，因?yàn)樗鼤r(shí)間的長(zhǎng)短將會(huì)影響的時(shí)頻分辨率 , 而為了讓其提高還得需要采用較長(zhǎng)的時(shí)間去觀察，那么其將會(huì)與短時(shí)平穩(wěn)條件相矛盾，導(dǎo)致信號(hào)在時(shí)間與頻率上出現(xiàn)模模糊糊的狀況。 . 信號(hào)的 WignerVille 分布定義 (1)信號(hào) s(t)的 WignerVille 分布的定義： ? ??? ???? ??? ?? detztzftW fjz 2* )2/()2/(),( () 式中： z(t)是 s(t)的解析信號(hào)。 (2)WignerVille 時(shí)頻分布用解析信號(hào)表達(dá)的頻譜公式表示如下： ??? ?? detZtZftW fjz 2** )2/()2/(),( ? ??? ??? () (3)離散 WV D 分布定義： ??????? LLmNkmjz emnzmnzknW /4* )()(2),( ? () 式中 )(nz 為離散解析信號(hào)。不妨證明， WVD 的一階矩和信號(hào)的瞬時(shí)頻率成正比關(guān)系。 . WignerVille 分布的性質(zhì) WignerVille 分布具有以下重要的性質(zhì)： （ 1） ),(WVD fts 對(duì)于所有的 t 和 f 值是實(shí)的； （ 2） ),(WVD fts 具有時(shí)移不變性： ),()(s 00 fttW VDtt s ?? ??? （ 3） ),(WVD fts 具有頻移不變性： ),()2e x p ()(s 00 fftW VDtfjt ?? ??? （ 4） ),(WVD fts 滿足時(shí)間邊緣特性： ????? ? 2|)(|),(W V D tsdffts （ 5） ),(WVD fts 具有頻率邊緣特性： ????? ? 2|)(|),(W V D fsdtfts 當(dāng)分析多個(gè)分量的信號(hào)和 NSRS 的時(shí)候，對(duì)其作時(shí)頻分布轉(zhuǎn)換會(huì)在多分量信號(hào)的地方產(chǎn)生互分 布就是交叉項(xiàng)，在圖像上呈現(xiàn)的虛假信號(hào)，從而給信號(hào)的時(shí)頻分布分析造成一定的干擾。維格納 威利分布的交叉項(xiàng)主要發(fā)生在在兩個(gè)分量的幾何中心處和連接這兩點(diǎn)的直線上面。 WignerVille 分布的改進(jìn) 信號(hào)及其頻譜只在某個(gè)時(shí)間范圍和頻率范圍內(nèi)非零，則稱信號(hào)及其頻譜是有限支撐的。交叉項(xiàng)能夠一直出現(xiàn)在于信號(hào)的周?chē)?，抑制交叉?xiàng)，即使時(shí)頻分布的支撐區(qū)域內(nèi)外交叉項(xiàng)等于零，主要是利用增加對(duì)核函數(shù)約束條件 的方法來(lái)達(dá)成。下面我們介紹了兩種基于 WVD 分布的改進(jìn)型分布： （ 1）偽 WignerVille 分布（ PWVD） 對(duì)于式（ 1）， ? 的取值范圍為 ），（ ??? ，實(shí)際中無(wú)法滿足，且為解決 WVD 的雙線性產(chǎn)生交叉項(xiàng)問(wèn)題，對(duì) WVD 在頻域進(jìn)行平滑。 為了直觀說(shuō)明 WVD 分布及其改進(jìn)分布