基于TCM-8PSK星座圖旋轉電磁波傳輸抗截獲技術研究

余興國?袁濤?袁學松

摘要： 跳頻、擴頻技術在無線通信技術中是一種非常有效的通信系統采用的低截獲技術，其技術已經非常成熟，對信號的抗截獲接收、識別技術非常有效。為了進一步提高信息傳輸的安全性，本文提出了一種基于TCM-8PSK星座圖旋轉電磁波傳輸抗截獲技術。該技術通過對發送信號進行星座圖變換，對信號進行加密處理，同時與調制跳變技術相結合，使信號傳輸在不同載波頻率時采用不同的調制方式。在當今電磁信號多樣、密集、多變的環境下。通過對其關鍵技術的深入研究，可以大幅提升電磁波信號被截獲、分析和解密的難度。同時，在實現方面相對比較簡單。

關鍵詞：? 星座圖；抗截獲；調制跳變；加密

一、引言

為了通信系統內容安全性，通信系統常常采用擴頻、跳頻和跳時等進行調制處理。但第三方如果通過手段得到擴頻偽碼等，就可通過調制識別技術進行處理，有可能破譯一些傳輸信號中的有用數據。移動互聯時代云計算和大數據的快速發展，使得需要通過電磁波信號進行數據傳輸的需求呈現出幾何級增長。當前的電磁環境也變得更加復雜和多樣化，這給電磁信號傳輸系統帶來了新的挑戰[1] 。

通過光纖固定信道進行數據傳輸，其傳輸穩定、抗干擾能力強[2]。然而，這種方法的應用場景較為單一、成本較高、網絡組網靈活性較差。相較之下，人們更青睞于通過電磁波進行數據傳輸[3]。為了應對當前復雜的電磁環境，保證電磁波信號傳輸的穩定性和安全性，以提高通信鏈路的抗截獲能力。本文提出了一種基于TCM-8PSK星座圖旋轉電磁波傳輸方式進行信號的傳輸。為了應對當前復雜的無線電磁環境，保證無線信號傳輸的穩定性和安全性，在通信技術方案通常采用擴頻、跳頻等技術[4]。但第三方如果利用手段獲取擴頻偽碼等信息，就能通過調制識別技術進行處理[5]，有可能破譯一些傳輸信號中的有用數據。在相關研究方面，溫強等人在2006年對BPSK調制進行了無線光通信實驗研究[6] ，Song等人在2012年在指定信道模型下對副載波二進制相移鍵控（BPSK）和差分相移鍵控（DPSK）調制的誤碼率進行了研究[7]。

二、系統信號調制原理及建模

在當前電磁波多樣復雜的電磁波環境中，電磁波通信經常會受到干擾。為了增加通信的抗干擾能力，常見的方法有采用添加糾錯編碼，通過增加信號冗余度來降低誤碼率，但缺點是會增加信道帶寬。本文將通過對網格編碼（TCM）技術的原理[8]進行研究，再設計一款基于相位調制器的星座圖旋轉加密方案。網格編碼（TCM）技術將調制和編碼過程相結合，在不消耗和占用帶寬的情況下，提升抗干擾能力，提高通信質量。近年來，網格編碼技術受到許多研究者的關注和研究，發展迅速，它可以與其他技術相結合，比如TCM-OFDM技術、TCM-CPM技術[9]。

TCM-8PSK系統原理框圖如圖1所示，分為三個部分，分別是差分編碼器、卷積碼編碼器和映射圖。信號先經過差分編碼器進行差分編碼，然后通過卷積碼編碼器添加冗余碼進行重新編碼，最后將輸出的碼組進行映射，轉換成相對應的電平信號和波形。系統對信息進行差分編碼和卷積編碼，然后通過分集映射將信息對應的組合對應于信號。

分集映射是整個網格編碼調制的重要部分，它將編碼后的數據一一對應，映射到各信號子集。這樣得到的信號序列可以最大化最小歐氏距離。解調時可以采用維特比譯碼算法。維特比譯碼算法是一種最大似然譯碼算法，它首先把接收序列和各個路徑進行匹配，然后通過搜索網格圖的方式找到最有可能產生這個接收序列的路徑。

目前已經有很多學者在研究通過不同調制方式來進行信號的傳輸，如QPSK、PAM4、16QAM以及更高階的。本文主要從對信號進行星座圖變換的物理層加密方向出發，對如何提升系統抗干擾性能的物理層加密技術進行研究。其中還加入了加密和解密的信號作為密匙，增強系統的抗干擾截獲能力。其原理圖如圖2所示。

首先，將一個待處理信號送入調制器，對信號進行自定義角度的調制，得到一個調制信號Ein。在密鑰信號m（t）的調制下，得到一個相位偏差為α的輸出信號Eout。這種方法較為簡單，易于實現。具體表達式為：

Eout=Ein·exp （ j·α·m（t））? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

相位調制器的輸入密匙電信號用來控制角度的偏差，調制器輸出的信號Eout是加密信號。密鑰電信號的加入可以保證信息傳輸的安全性。輸入和輸出都添加了相位調制器，信號只是多了一個加密與解密的過程。公式如下：

Eout2=Eout·exp （-j·α·m（t）=Ein? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

經過第二相位調制器后，信號可以恢復到以前的狀態，并不會對信號產生影響。從而增加系統的抗干擾能力。

三、系統構架

TCM-8PSK系統整體架構如圖 3 所示。主要包括卷積編碼器、8PSK基帶調制、星座圖旋轉模塊、數字基帶解調模塊、譯碼器模塊、子系統等。

（一）卷積編碼器

經過差分編碼的信號進入系統后，卷積編碼器對信號進行卷積編碼處理。卷積編碼將原信號打亂，經過交織器處理后，將大面積的錯誤平均地分配到其他不同的碼段。在不同的碼段上進行糾錯處理，可以有效地增強系統信道糾錯能力，避免當系統出現大規模干擾時出現大段的錯誤碼。

（二）8PSK基帶調制解調器

經過卷積編碼的信號經過8PSK映射規則進行調制和解調，同時對映射得到的星座圖進行旋轉和解旋轉處理。為了盡可能地模擬無線信道的復雜性，這里采用AWGN信道作為信號傳輸的信道，在其中加入高斯白噪聲以等效于真實環境中遇到的各類噪聲和干擾。

四、仿真結果及分析

首先，利用Matlab對系統TCM-8PSK星座圖“旋轉特性”進行仿真分析。通過不斷調整α參數觀察圖形的變化。本文分別取α比較有代表性的參數為 0.0、0.5、1、1.7和 2 階進行分析。其TCM-8PSK 星座圖在復平面上旋轉后的分布情況如圖4所示。

從圖中可以看出，原始TCM-8PSK（α=0.0）星座圖是一個較為清晰、明顯、規則的4個簇團，這就是我們需要傳輸的原始信號。當α慢慢增加到0.5時，4個簇團會慢慢擴散，但仍然還有各自的信號輪廓邊界，同時開始朝著順時針的方向發生了旋轉。當α=1.0時，其4個簇團已經完全融合在一起，沒有了各自的輪廓邊界，這個時候的信號已經相互混疊在一起了，想截獲破譯的難度就會非常大了。當α繼續增大到1.7時，其4個簇團又從混在一起的大簇團中慢慢分離出來了，輪廓邊界慢慢變得清晰，與此同時還繼續順時針旋轉，當α=2.0時，4個簇團恢復到原來較為相似的形態，非常接近于α=0.0時原始信號，基本還原了原始信號。

通過對信號在不同階數時星座圖變化，星座圖隨著α數值的不斷變化而變化，這種變化也是有規律、可掌控的變化。特別是當α取值在1附近時，其星座點出現了類似于噪聲的分布圖，毫無規律可言。當采用此信號進行傳播時，通過對信號進行星座圖旋轉處理，很難被當成有用信號被檢測和識別。即使當信號被截獲時，對方沒有星座圖旋轉反變換參數的情況，也無法正確地恢復出信號中攜帶的有用信息，極大增強了信號的抗干擾能力、保密性和安全性。

五、結束語

無線通信系統的傳輸信息的安全性是一直研究的課題。如何設計無線通信系統使其不被非法破解，已經成為每個通信系統設計時重點考慮的問題。同時，還需要兼顧信息傳輸系統不能太過復雜，整體系統穩定性。本文通過對幾個關鍵技術點的研究，提出了一種基于TCM-8PSK星座圖旋轉電磁波傳輸抗截獲技術。通過對發送信號進行星座圖變換和加密處理，同時結合調制跳變技術，使信號傳輸在不同載波頻率時采用不同的調制方式。在當前電磁信號多樣、密集、多變的環境下，大大提高了系統的抗截獲能力，并且簡單易行。下一步將其應用到實際工程中，在不同的各種干擾環境下測試設備的抗干擾和抗截獲能力。

參考文獻

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[4] Wen Qiang， Zhi Guoning， Lu Bo. Optical wireless communication based on BPSK[J]. Optics & Opt-Electronical Technology， 2006， 4（5）： 49-51.

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[9] 柯熙政，陳丹，答盼.16PSK系統仿真及誤碼率性能分析[J]， 激光雜志. 2010，31（1）41-43.