基于TCM-8PSK星座图旋转电磁波传输抗截获技术研究

余兴国?袁涛?袁学松

摘要： 跳频、扩频技术在无线通信技术中是一种非常有效的通信系统采用的低截获技术，其技术已经非常成熟，对信号的抗截获接收、识别技术非常有效。为了进一步提高信息传输的安全性，本文提出了一种基于TCM-8PSK星座图旋转电磁波传输抗截获技术。该技术通过对发送信号进行星座图变换，对信号进行加密处理，同时与调制跳变技术相结合，使信号传输在不同载波频率时采用不同的调制方式。在当今电磁信号多样、密集、多变的环境下。通过对其关键技术的深入研究，可以大幅提升电磁波信号被截获、分析和解密的难度。同时，在实现方面相对比较简单。

关键词：  星座图；抗截获；调制跳变；加密

一、引言

为了通信系统内容安全性，通信系统常常采用扩频、跳频和跳时等进行调制处理。但第三方如果通过手段得到扩频伪码等，就可通过调制识别技术进行处理，有可能破译一些传输信号中的有用数据。移动互联时代云计算和大数据的快速发展，使得需要通过电磁波信号进行数据传输的需求呈现出几何级增长。当前的电磁环境也变得更加复杂和多样化，这给电磁信号传输系统带来了新的挑战[1] 。

通过光纤固定信道进行数据传输，其传输稳定、抗干扰能力强[2]。然而，这种方法的应用场景较为单一、成本较高、网络组网灵活性较差。相较之下，人们更青睐于通过电磁波进行数据傳输[3]。为了应对当前复杂的电磁环境，保证电磁波信号传输的稳定性和安全性，以提高通信链路的抗截获能力。本文提出了一种基于TCM-8PSK星座图旋转电磁波传输方式进行信号的传输。为了应对当前复杂的无线电磁环境，保证无线信号传输的稳定性和安全性，在通信技术方案通常采用扩频、跳频等技术[4]。但第三方如果利用手段获取扩频伪码等信息，就能通过调制识别技术进行处理[5]，有可能破译一些传输信号中的有用数据。在相关研究方面，温强等人在2006年对BPSK调制进行了无线光通信实验研究[6] ，Song等人在2012年在指定信道模型下对副载波二进制相移键控（BPSK）和差分相移键控（DPSK）调制的误码率进行了研究[7]。

二、系统信号调制原理及建模

在当前电磁波多样复杂的电磁波环境中，电磁波通信经常会受到干扰。为了增加通信的抗干扰能力，常见的方法有采用添加纠错编码，通过增加信号冗余度来降低误码率，但缺点是会增加信道带宽。本文将通过对网格编码（TCM）技术的原理[8]进行研究，再设计一款基于相位调制器的星座图旋转加密方案。网格编码（TCM）技术将调制和编码过程相结合，在不消耗和占用带宽的情况下，提升抗干扰能力，提高通信质量。近年来，网格编码技术受到许多研究者的关注和研究，发展迅速，它可以与其他技术相结合，比如TCM-OFDM技术、TCM-CPM技术[9]。

TCM-8PSK系统原理框图如图1所示，分为三个部分，分别是差分编码器、卷积码编码器和映射图。信号先经过差分编码器进行差分编码，然后通过卷积码编码器添加冗余码进行重新编码，最后将输出的码组进行映射，转换成相对应的电平信号和波形。系统对信息进行差分编码和卷积编码，然后通过分集映射将信息对应的组合对应于信号。

分集映射是整个网格编码调制的重要部分，它将编码后的数据一一对应，映射到各信号子集。这样得到的信号序列可以最大化最小欧氏距离。解调时可以采用维特比译码算法。维特比译码算法是一种最大似然译码算法，它首先把接收序列和各个路径进行匹配，然后通过搜索网格图的方式找到最有可能产生这个接收序列的路径。

目前已经有很多学者在研究通过不同调制方式来进行信号的传输，如QPSK、PAM4、16QAM以及更高阶的。本文主要从对信号进行星座图变换的物理层加密方向出发，对如何提升系统抗干扰性能的物理层加密技术进行研究。其中还加入了加密和解密的信号作为密匙，增强系统的抗干扰截获能力。其原理图如图2所示。

首先，将一个待处理信号送入调制器，对信号进行自定义角度的调制，得到一个调制信号Ein。在密钥信号m（t）的调制下，得到一个相位偏差为α的输出信号Eout。这种方法较为简单，易于实现。具体表达式为：

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

相位调制器的输入密匙电信号用来控制角度的偏差，调制器输出的信号Eout是加密信号。密钥电信号的加入可以保证信息传输的安全性。输入和输出都添加了相位调制器，信号只是多了一个加密与解密的过程。公式如下：

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

经过第二相位调制器后，信号可以恢复到以前的状态，并不会对信号产生影响。从而增加系统的抗干扰能力。

三、系统构架

TCM-8PSK系统整体架构如图 3 所示。主要包括卷积编码器、8PSK基带调制、星座图旋转模块、数字基带解调模块、译码器模块、子系统等。

（一）卷积编码器

经过差分编码的信号进入系统后，卷积编码器对信号进行卷积编码处理。卷积编码将原信号打乱，经过交织器处理后，将大面积的错误平均地分配到其他不同的码段。在不同的码段上进行纠错处理，可以有效地增强系统信道纠错能力，避免当系统出现大规模干扰时出现大段的错误码。

（二）8PSK基带调制解调器

经过卷积编码的信号经过8PSK映射规则进行调制和解调，同时对映射得到的星座图进行旋转和解旋转处理。为了尽可能地模拟无线信道的复杂性，这里采用AWGN信道作为信号传输的信道，在其中加入高斯白噪声以等效于真实环境中遇到的各类噪声和干扰。

四、仿真结果及分析

首先，利用Matlab对系统TCM-8PSK星座图“旋转特性”进行仿真分析。通过不断调整α参数观察图形的变化。本文分别取α比较有代表性的参数为 0.0、0.5、1、1.7和 2 阶进行分析。其TCM-8PSK 星座图在复平面上旋转后的分布情况如图4所示。

从图中可以看出，原始TCM-8PSK（α=0.0）星座图是一个较为清晰、明显、规则的4个簇团，这就是我们需要传输的原始信号。当α慢慢增加到0.5时，4个簇团会慢慢扩散，但仍然还有各自的信号轮廓边界，同时开始朝着顺时针的方向发生了旋转。当α=1.0时，其4个簇团已经完全融合在一起，没有了各自的轮廓边界，这个时候的信号已经相互混叠在一起了，想截获破译的难度就会非常大了。当α继续增大到1.7时，其4个簇团又从混在一起的大簇团中慢慢分离出来了，轮廓边界慢慢变得清晰，与此同时还继续顺时针旋转，当α=2.0时，4个簇团恢复到原来较为相似的形态，非常接近于α=0.0时原始信号，基本还原了原始信号。

通过对信號在不同阶数时星座图变化，星座图随着α数值的不断变化而变化，这种变化也是有规律、可掌控的变化。特别是当α取值在1附近时，其星座点出现了类似于噪声的分布图，毫无规律可言。当采用此信号进行传播时，通过对信号进行星座图旋转处理，很难被当成有用信号被检测和识别。即使当信号被截获时，对方没有星座图旋转反变换参数的情况，也无法正确地恢复出信号中携带的有用信息，极大增强了信号的抗干扰能力、保密性和安全性。

五、结束语

无线通信系统的传输信息的安全性是一直研究的课题。如何设计无线通信系统使其不被非法破解，已经成为每个通信系统设计时重点考虑的问题。同时，还需要兼顾信息传输系统不能太过复杂，整体系统稳定性。本文通过对几个关键技术点的研究，提出了一种基于TCM-8PSK星座图旋转电磁波传输抗截获技术。通过对发送信号进行星座图变换和加密处理，同时结合调制跳变技术，使信号传输在不同载波频率时采用不同的调制方式。在当前电磁信号多样、密集、多变的环境下，大大提高了系统的抗截获能力，并且简单易行。下一步将其应用到实际工程中，在不同的各种干扰环境下测试设备的抗干扰和抗截获能力。

参考文献

[1] Wang Tingyao. Optical Wireless Access Technology and Application[M]. Beijing： Science Press， 2009. 21-29.

[2]曹珊珊，郭朝阳，徐海涛，等.一种小尺寸抗弯曲光纤的制备与性能研究[J]， 光子学报. 2021，50（05）120-128.

[3] Ma Ning， Li Xiaoyi， Yang Gang， et al. A novel dual- amplitude fixed length digital pulse interval modulation scheme[J]. Laser & Optoelectronics Progress， 2014， 51（9）： 090602.

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

[5] 陈丹， 柯熙政， 张拓，等.基于 16PSK 调制的副载波无线光通信实验研究[J]， 中国激光. 2015，42（1）：197-204.

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

[7] Song X， Niu M， Cheng J. Error rate of subcarrier intensity modulations for wireless optical communications[C]. Commun Lett， 2012，16（4）： 540-543.

[8]刘家昊，章小梅.ＴＣＭ－８ＰＳＫ调制对跳频系统抗干扰能力的影响，沈阳大学学报（自然科学版）2019，31（5）：394-399.

[9] 柯熙政，陈丹，答盼.16PSK系统仿真及误码率性能分析[J]， 激光杂志. 2010，31（1）41-43.