超短波无线通信保密技术中关键跳频通信技术探究

2023-10-19周三

数字通信世界 2023年9期

周三

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川成都 610000）

随着通信技术的不断发展，超短波无线通信系统面临着越来越严峻的保密和安全挑战。为了确保超短波无线通信系统的保密性和安全性，需要采用一系列的保密技术。这些保密技术涵盖了通信链路的加密、信道建立、跳频通信技术等多个方面。其中，跳频通信技术是超短波无线通信保密技术的一种重要实现方式，其是一种利用快速在多个不同频率间切换的方式传输数据的通信技术，其可以应用于超短波无线通信保密技术中，增加频谱扩展和干扰抵抗能力，从而提高通信保密性和可靠性[1]。

1 超短波无线通信系统概述

超短波无线通信系统是无线通信技术的一种。超短波通信具有传输距离远、抗干扰能力强等优点，广泛应用于政务、金融等领域。在政务和公共安全领域中，超短波无线通信系统可以用于警务通信、紧急救援等方面，可以提高政务通信的保密性和抗干扰能力。在金融领域中，超短波无线通信系统可以用于证券交易、银行转账等方面，可以保证通信的机密性和完整性。

1.1 超短波无线通信系统

超短波无线通信系统是指利用超短波无线电波进行信息传输的通信系统，其工作频率范围通常为300 MHz～3 GHz。与其他无线通信系统相比，超短波无线通信系统具有传输距离远、抗干扰能力强等优点。由于其传输距离远，因此在政务、金融等领域得到广泛的应用。

超短波无线通信系统包括发射机和接收机两个部分。发射机通过电路将电信号转换成无线电波，并将其通过天线发射出去；接收机负责接收来自天线的无线电波，并将其转换成电信号。为了确保通信的机密性和完整性，超短波无线通信保密技术是在超短波通信的基础上结合各种加密、解密、密钥管理技术等，实现保密通信的技术。

1.2 跳频通信技术

跳频通信技术（FHSS技术）是超短波无线通信中的一种重要技术。跳频通信技术可以通过频带跳跃的方式在不同的频段中进行通信，从而提高通信系统的安全性和抗干扰能力[2]。

具体而言，其是利用伪随机码对频率序列进行跳变的一种通信方式，旨在提高通信保密、抗干扰和抗监听能力。跳频通信技术与超短波无线通信保密技术结合，可以提高通信保密性和安全性，保护通信内容不被窃听、干扰和破解，可在保证通信质量和通信距离的基础上提供更加安全保密的通信服务。

2 跳频通信技术

2.1 跳频通信技术概述

跳频通信技术有两种跳频方式：快跳频和慢跳频。快跳频是指以每秒钟数百次的频率在不同的子信道之间跳跃，以达到抵御瞬时干扰的目的；慢跳频则是以每秒钟数次的频率在不同的子信道之间跳跃，以达到保密传输的目的。

跳频通信技术的优点在于其具有很高的抗干扰能力和保密性。由于跳频技术的频率变换速度很快，使得它可以有效地抵御突发性干扰和恶意攻击，从而提高了通信系统的可靠性和安全性。此外，跳频技术还可以将信号分散在频谱上，使得信号难以被干扰和侦听。

随着无线通信技术的不断发展，跳频通信技术将会在更多的领域得到应用[3]。图1为跳频技术通信原理。

图1 跳频技术通信原理

2.2 跳频通信技术系统的组成

（1）调制器和解调器：跳频通信系统中的调制器和解调器分别负责将数字信号转换为跳频信号进行传输、并将接收到的跳频信号转换为数字信号进行解调。

（2）频率合成器：跳频通信系统中的频率合成器用于产生跳频图案中的跳频信号，包括跳频序列、跳频步长等。

（3）发射机和接收机：发射机和接收机分别用于将跳频信号从发送端传输到接收端，并进行信号的放大、滤波和解调等处理。

（4）同步器：跳频通信系统中的同步器负责对跳频信号进行同步和匹配，以确保各个设备之间的跳频信号能够协调一致，实现正确的传输和解调。

（5）控制器和管理器：跳频通信系统中的控制器和管理器负责对整个通信系统进行控制和管理，包括跳频图案的选择、频率合成器的设置、同步器的调整等。

2.3 跳频通信技术的关键点

2.3.1 跳频图案

跳频通信技术中的跳频图案是指在跳频通信过程中，发送方按照一定的规律对频率进行跳跃的方式。跳频图案的设计是跳频通信系统中非常重要的部分，直接影响到系统的性能和可靠性。

跳频图案可以根据跳频序列的不同类型进行分类。其中最常用的跳频序列是伪随机跳频序列，它是由一个伪随机数生成器生成的一系列短周期数字序列，用于控制跳频发生的时间和跳频的频率。跳频图案可以采用一些特定的跳频序列，如M序列、Gold码序列和Kasami码序列等[4]。

2.3.2 频率合成器

在跳频通信技术中，频率合成器是实现跳频技术的核心设备之一。频率合成器的主要作用是根据跳频图案，产生跳频信号所需的频率，并控制跳频的时间和频率，实现跳频通信过程中的频率跳跃。

频率合成器可以采用不同的技术实现，通常由两部分组成：相位锁定环路（PLL）和数字信号处理器（DSP）。PLL是一种通过调整振荡器的输出频率来锁定输入频率的反馈系统，它可以通过多种方式加以实现，如直接数字频率合成（DDS）、环形振荡器等。DSP则用于进行数字信号的处理和控制。

2.3.3 同步技术

同步技术的基本原理是：发送端和接收端设备在跳频序列、跳频步长等方面进行同步，以保证传输的数据能够被正确地接收和解调。具体来说，同步技术可以分为两个阶段。

（1）同步码的生成和传输：在发送端，根据预设的跳频图案生成同步码，并将其插入到信号中进行传输。在接收端，接收到的信号中包含同步码，接收端设备通过识别同步码确定跳频序列和跳频步长等参数，从而进行同步。

（2）同步信号的接收和识别：接收端设备在接收到跳频信号后，通过同步器对信号进行处理，以识别同步码。同步器可以通过多种方式实现同步，如频率锁定环路、码元同步等，以确保接收端设备能够准确地匹配发送端设备的跳频序列和跳频步长等参数。

在实际应用中，跳频通信系统中的同步技术需要考虑多种因素，如跳频图案的复杂度、设备之间的时延、跳频速率等[5]。针对这些因素，可以采用不同的同步方案，如基于GPS的全球定位系统、基于时钟同步协议的同步方案、基于频率锁定环的同步方案等，以实现跳频通信系统中的同步。

3 跳频通信保密技术案例分析

下面探讨一种宽间隙多模式跳频（WGMPFH）方案。

3.1 发送和接收模型

WGMPFH系统将FH总带宽WSS划分为N个不重叠的时隙。有m（2≤m≤N）个绑定到发射机和接收机之间的正交跳频模式的信道，其中m= 2R，并且R表示数据位。每个信道在一跳期间占用一个时隙，并且每个信道的时隙由其在每个跳中的正交FH模式指定。在不失一般性的情况下，我们假设R= 1，m= 2，即两个信道，信道0和1，其对应于两个FH模式FS0和FS1（该假设包含在下面的讨论中）。在时刻t，如果用户数据为0，则选择由f（0，t）表示的信道0的当前跳频；否则，选择由f（1，t）表示的信道1的当前跳频。跳频模式FS0的频率为f5、f6、f4、f1，跳频模式FS1的频率为f4、f5、f0、f7，当用户数据为“0011”时，频率合成器依次合成频率为f5、f6、f0、f6的载波。

设当前用户数据为0，频率合成器输出频率为f（0，t）的载波。假设ES表示每个符号的能量，TS表示符号持续时间，则WGMPFH发送的信号的等效表达式为

当信号在AWGN信道中传输时，接收到的信号可以表示为

式中，n(t)是加性高斯白噪声，其单边功率谱密度（PSD）为N0；n J(t)是干扰信号；θ是传输过程中产生的相位差。我们定义的等效信噪比（SNR）为γ=ES/N0.

接收端使用FS型0′和FS1′与FH模式FS同步0和FS1的发送端，同步方式采用自同步方式。接收信号输入两个接收通道。0′和FS1′分别控制各接收通道的频率合成器，产生跳频解调信号。混频后，接收到的信号被移动到中频（IF）进行进一步处理。

3.2 抗干扰性能分析

在不失一般性的情况下，我们假设用户数据是一个全零序列，即子信道0是数据信道，子信道1是互补信道。WGMPFH的误码率取决于数据信道和互补信道的干扰状态。我们假设干扰状态指示器qi=1或0，其中，qi=1表示信道i的时隙在该跳中被阻塞，并且qi=0表示信道i的时隙没有被阻塞。此外，我们用随机变量Gj=（q0，q1）来表示WGMPFH的干扰状态。Pe（a，b）是q0时的条件BER=a和q1=b。此外，pi|qi表示当信道i的时隙在一跳中处于状态qi时决策变量ri的概率密度函数（PDF）。q0、q1、Gj与相应条件BER之间的关系如表1所示。