《无线电抗截获抗干扰通信》课件第1章

第1章引论1.1引言1.2通信侦察与通信反侦察、通信干扰与通信抗干扰1.3通信抗干扰的理论与技术1.4低截获概率信号设计的理论与技术1.5

MIMO-OFDM技术1.6抗干扰通信系统的主要技术指标1.1引言

现代军事通信技术是现代电子信息技术的重要组成部分,而无线电抗截获、抗干扰通信又是现代军事通信、民用通信的支柱。现代通信电子战的首要目标是通过无线电侦察,准确地干扰敌方的通信系统(指挥中心和通信网的关键节点)，确保己方无线电通信畅通。因此,通信系统和通信网是否具有良好的抗截获能力和强抗干扰能力，是能否取得电子战胜利的首要条件。无线电通信在现代战争中的地位越来越重要,它是现代通信的主要手段，在特定的环境中，它是惟一的手段，例如空军、海军、装甲兵等部队的通信，超远程的移动通信，追击战、登陆战等情况下的作战通信等。正是由于无线电通信在某些时候是惟一的手段，因此各国都竞相投入可观的力量对无线电通信的侦察(如窃听)、干扰等技术进行研究。在战时，无线电通信对抗已成为一项重要而无形的电子斗争。和平时期的军事无线电通信划分了频段，合理利用了频率资源及规划组网，理论上应该能和民用通信“和平共处”，但实际情况并非如此。经常出现民用移动通信对其他通信造成干扰，特别是对空军地空通信指挥、民航调度通信等造成严重干扰的情况，影响了正常的训练和飞行。因此，即使在和平时期，加强军事通信系统的抗干扰能力也是非常重要和迫切的。

民用通信，特别是现代移动通信，在电磁环境日趋复杂的条件下，其本身的抗截获、抗干扰能力也是一个非常重要的指标。 1.2通信侦察与通信反侦察、

通信干扰与通信抗干扰

1.2.1通信侦察

1.通信侦察的基本概念通信侦察是获取军事、外交、经济情况的一种方式。它用无线电侦察设备对敌方的无线电电子设备和通信设备所发射的信号进行搜索、检测、识别、定位、分析和破译，以获取各种情报，供己方有关部门使用；它还能支援干扰和武器系统，对敌通信系统和通信网进行有效的干扰,甚至摧毁。侦察的目的是获取情报以及实施干扰，所以侦察设备首先应能发现通信信号，然后能分析信号(提取信息)和测定通信电台的位置等。

发现信号即要求确实地检测到敌台发射的无线电信号，这就要求必须有良好的环境条件，并且侦察接收设备具有足够高的灵敏度。由于不能预先知道敌台的工作频率，因此还要求侦察接收机要有相当宽的频率范围，使其能跟踪到需要的频率。为了不致错过侦察时机，侦察设备必须有快速跟踪的搜索和瞄准手段。为了截取敌台的信号，己方还必须具有与敌通信设备相适应的侦察接收机和终端设备，使其检测方式与敌台的发射信号的调制方式相适应,甚至要具备自适应调制方式识别装置。一般通信侦察设备的构成如图1－1所示。电台信号被侦察天线接收后，在侦察接收机中被放大和检测，并送至终端设备进行显示、分析和记录。

近年来，计算机技术被广泛应用于侦察设备中，借助于计算机的辅助分析能力，能够比较迅速和准确地识别敌台信号。特别是当计算机技术和数字信号处理(DSP)技术被广泛应用于无线电侦察领域后，利用DSP/FFT技术能够进行宽频谱的快速分析，从而使侦察技术有了一个飞速的发展。图1－1一般通信侦察设备的构成

2.通信侦察设备的种类

采用哪种类型的通信侦察设备是根据侦察任务来确定的。如果它的重要任务之一是要确定正在工作的发射台的位置，即测定其方位，就应采用定向接收设备及波形分析、信号分析等手段。为了便于读者理解,这里仅对无线电测向和测向仪稍加说明。

无线电测向的种类较多，按显示方法的不同可分为听觉测向和视觉测向，而按其使用方法的不同可分为固定测向和战术移动测向等。测向仪的组成如图1－2所示。图1－2测向仪的组成测向仪用来测定敌发射机的方位，这一功能是用专门的定向天线来完成的。因此，定向天线是测向仪极其重要的组成部分。

定向天线的种类很多，如环形天线、H形天线、框形天线和U形天线等。现以环形天线为例来说明定向接收的原理。如果天线以中线为轴进行旋转，那么当天线平面与电波方向同处一个平面时，在接收机的输出端有最强的信号；当天线平面与电波方向垂直时，接收机的输出端信号为零。如果将天线旋转一周，那么接收信号将有两次最大、两次为零。随着天线的旋转，在其他方向上接收的信号也会变化，最终可以得到心字形的方向图。由于人的感觉系统对分辨零点最敏感，因此实际以测定接收信号的最小点来确定电台方向。近代测向仪是采用固定天线，通过一种角度计的转动来测定方向的。

由于接收到的无线电信号太微弱，不能推动终端设备工作，因而必须有放大设备，其种类和规格视测向仪的种类而定。

3.通信侦察的特点和任务

通信侦察不仅在战时进行，平时也在进行。随着电子技术的发展，为配合战役行动的侦察设备不必再配置在军队的战斗地域了，这使侦察设备不易受到敌方的攻击，可不间断地对敌战斗地域以及纵深的通信实施侦察，使己方随时掌握敌方的部署和行动。由于无线电侦察设备可以全天候地工作，因此它送到指挥机关的情报是源源不断的，这些情报成为指挥员掌握敌情的重要信息来源。由于通信侦察本身不发射信号，因而它非常隐蔽，不易被敌方侦察到。

通信侦察的特点是：

(1)侦察距离远。侦察的距离与敌台的辐射功率、电波的传播条件及己方侦察设备的灵敏度等因素有关。在短波、超短波战术通信采用地面波传播的条件下，侦察距离一般为几千米到几万米。对卫星通信而言，侦察距离可达数万千米。在远距离侦察时，侦察设备可以配置在战区以外，因而受战场态势变化的影响较小。

(2)侦察范围广。从地域、空域上都可以在十分广阔的范围内实施侦察。频域上，凡是无线电通信工作的频率范围，都是通信侦察的频率范围。

(3)实时性好。侦察设备可以长时间不间断地工作，只要在我方侦察设备作用的空域、地域和频域范围内，敌方通信电台或系统都能被及时侦察到，且这种侦察是实时的。

(4)受敌方无线电通信条件的制约大。

通信侦察的主要任务是：

(1)在时间、空间和频率上搜索，以探测敌方通信信号的活动。

(2)确定信号类别，获取信号情报。

(3)确定辐射源位置。

(4)决定应采取的行动(如停止监视、连续监视、应用ECM（电子对抗）等)。通信侦察涉及以下四个与敌方通信系统有关的问题：

(1)它是什么系统?

(2)它在什么地方?

(3)它将干什么?

(4)如何对付它？是干扰压制还是摧毁?

4.无线电通信侦察面临的难题与对策

在现代电子对抗条件下，随着通信技术的发展，无线电通信侦察面临以下难题：无线电通信信号越来越密集，无线电频率的利用日趋饱和;低截获概率（LPI）信号被采用;通信频段的加宽、信号形式的复杂多变（使得通信信号对侦察接收机的不确定性大大增加）及信号功率谱密度的降低（低于背景噪声电平）等。这些问题使通信对抗侦察的复杂性增加了，困难更大了。现代军事通信采用复杂的数字加密通信技术，即使把信号解调下来，要破译出信息内容，也需要很长的时间，且难度极大。对于抗干扰、抗截获通信系统，若采用了射频加密和数据加密双层加密技术，则侦察方更难对付，即使将检测到的信息用一定时间破译出来，通信方的信号密码也早已更换，译出的信息可能早已失去应用价值。

以上情况使从事无线电侦察的专家们意识到,侦察敌方信号内部特征的战术意义越来越小，这迫使侦察的重点不得不集中在通信信号的外部特征上，因为这样处理实时性好，可以获得大量通信对抗情报，分析出有价值的军事情报（通联特征、技术特征），可以为干扰破坏敌方通信提供依据。随着多天线MIMO技术的应用，虚拟天线阵和分布式MIMO技术相继出现，它们在不同的网络拓扑结构下，利用空间分布的多个相互独立的通信节点间的天线来完成天线共享。结合适当的中继策略和交互设计，通过单天线的通信节点同样可获得类似于MIMO的性能。空域协作分集就是在上述原理的基础上建立起来的。每个移动用户（如军用移动无线电台、站）终端都有一个或多个合作伙伴（Partner），它有责任在传输自己的信息的同时，“帮助”其他伙伴传输信息。这样，每个终端在传输信息的过程中既利用了自己的又利用了合作伙伴的空间信道，获取了一定的空间分集增益。协作分集的合作伙伴共享彼此天线，从而构成了虚拟的MIMO多天线系统。空域协作分集及其在军事无线网络、无线局域网及无线传感器网络（战场通信组网）等多种场合的应用，使中、小型移动无线电通信台、站找到了高速率抗衰落、抗截获、抗干扰通信的新出路。例如，目前抗干扰、抗截获的方法有DS－SS、FH－SS、DS/FH－SS、DS/TH/FH－SS等，但这些方法都没有很好地利用空间资源，而协作分集在一定意义上讲是一种“空跳”，即用户信息在空间方位的跳变，可获得抗检测、抗截获制度增益。随着参与用户的增多以及“空跳”幅度和跳速的提高，“空跳”的增益将会更高,现有的侦察接收技术要对付这样的无线电通信信号，难度将更大。因此，协作分集将成为现代通信侦察面临的又一个新挑战。由于对地面、空中移动通信的侦察已成为新的情报增长点，而传统的单天线移动侦收台、站已经不能满足定位精度和侦收台间通信的要求，因此，对于将传统的单/双天线、单/双站移动侦察接收推广到新的移动侦察接收网络，多站协同工作侦察技术的研究显得尤为重要和迫切。1.2.2通信反侦察

1.通信反侦察的基本概念

无线电通信侦察借助于无线电通信侦察装备，对敌无线电通信电磁辐射信号进行检测、截获(分析、识别)、定位以获得有用信息。而无线电通信反侦察与其相反，它是通过通信电子反对抗(ECCM)综合技术的运用和组织实施，来降低无线电通信侦察效果的技术，例如，用无线电信号的隐蔽性、复杂性实现无线电通信反侦察的目的。换句话说，在通信电子战中，通常无线电通信侦察与无线电通信反侦察（如无线电信号的隐蔽）是相互矛盾、相互排斥的。无线电通信反侦察的主要任务是阻止非法方(如敌方)对己方的通信信号进行检测、测向、截获和利用等。为了达到此目的,空间传输的通信信号必须具有以下特征和能力:

无线电通信信号必须具备某种能力，以降低非法接收方(如敌方)对其成功地进行检测、频率估计、特征提取和恢复信息的概率。具有这种能力的安全传输信号被称为广义的低的利用概率（LowProbabilityofExploitation，LPE）信号。侦察接收机总是设法检测(发现)微弱的通信信号。检测概率是对侦察方检测通信信号能力的一个度量。令非法接收机难以检测的隐蔽通信信号称为具有低的检测概率（LowProbabilityofDetection，LPD）信号。如果一个信号能够被检测到，那么，它的一些特征参数也有可能被估算出来。利用这些特征参数，使用几部接收机就能够发现该通信发射机的位置。因此，若要隐匿一部发射机的位置，就必须要求它所发射的信号是LPD信号。在现代反侦察中，有时通信方无法完全做到或没有必要防止非法接收机检测到己方的信号，但必须在通信信号被检测之后，使其信号类别不易被识别。而且，通信方还可以做到即使侦察接收方检测到了每一个信号段，但仍难以识别一个信号中各个分信号段的顺序。这类似于将多幅玩具拼图放在同一盒子里，不了解里面有几幅图，不知道每幅图的图案是什么，要把它们一块块地拼起来是不可能的或相当困难的。无线电通信信号必须具备某种能力，能阻止非法接收机获取信号特征,以降低其成功地分选、识别出信号的概率，具有这种能力的信号称为低的截获概率(LowProbabilityofIntercept，LPI)信号。在现代战争的通信对抗中，通信信号有时也可能被检测、被截获，但对方无法利用这些信号来获取明码电文或加密比特信息。同样，发信人的身份和设备属性也可以被掩盖。因此,为了便于理解和应用方便,可以将信号低的利用概率狭义地定义为:能够给非法方的利用造成极大困难的信号就是低的利用概率(LPE)信号。

有时，LPE的含意很广，它包括了前面所定义的LPI和LPD及本节狭义定义的LPE,也就是前面所说的广义的低的利用概率（LPE）。在后面各章节中，如不加以说明，则LPI、LPD以及狭义LPE共用LPE表征，必要时分开使用。从现代科学技术来看,通信信号在传输空间绝对不被发现(检测到)是不可能的,但只要信号足够复杂和随机,不被截获倒是大有可能的。从通信侦察中的抗截获出发,在LPD、LPE、LPI三者中,我们认为信号的LPI特性显得更加重要。因为,只要不被截获,非法方想利用信号获取情报几乎是不可能的。所以本书有关章节将重点研究各种通信信号的LPI性能及LPI信号的设计及实现技术，对信号的LPD、LPE性能在必要时也会加以分析和讨论。保证信息安全的另一分支技术是密码和信息隐藏技术。信息加密与信息隐藏都是把对信息的保护转化为对密钥的保护。信息隐藏技术沿用了传统加密技术的一些基本思想和概念，但二者采用的保护信息的手段不同。信息加密是把有用信息加密成随机的乱码，侦听者截获到密文后若不知密钥，就无法破译获取信息；信息隐藏则是把有用的信息隐藏到另一个称为载体的信息（如图片）中，侦听者不知道这个普通信息中是否隐藏了真正的有用信息，而且即使知道，也难以提取或去除隐藏的信息。信息隐藏所用的载体可以是文字、图像、声音、视频等。为了增加攻击的难度，也可以把加密与隐藏两个技术结合起来。加密和隐藏技术不属于本书通信信号安全传输LPE研究的主要内容，因此不对其作详细讨论。

2.通信反侦察的基本方法

实现通信反侦察最基本的方法是提高无线电通信电子设备及系统的隐蔽性。提高隐蔽性的方法目前主要有频率法、结构法、时间法、振幅法、空间法以及混合法等。

(1)频率法。频率法的实质是通信设备或系统在工作的过程中,自适应地改变工作频率或伪装无线电通信信号的辐射频率。例如,受伪随机序列控制的跳频通信系统,其工作频率在较宽的频段内随机快速跳变,使敌侦察接收机难以跟踪和搜索,从而实现通信设备或系统隐蔽的良好效果。

(2)结构法。结构法的实质是反侦察方采用复杂结构的无线电通信信号，实现通信设备和系统隐蔽性。目前这种方法是以伪随机信号为基础的。例如,以伪噪声码构成的扩展频谱通信系统,传输的信息隐藏在直接序列扩展频谱信号中,空中传输通信信号频谱宽、谱密度极低,使敌方侦察接收机难以检测和截获。目前采用的新的调制和调制随机跳变技术，也是通信设备或系统的信号采用结构法反侦察的又一新途径。

(3)时间法。提高通信设备或系统隐蔽性的时间法，是以减小无线电通信信号的辐射持续时间和重复频率为基础的。目前,无线电通信信号采用时间法来提高通信设备或系统隐蔽性的技术已经比较成熟。例如突发通信和伪随机跳时扩展频谱通信都是典型的利用时间法实现通信信号抗检测、抗截获的技术途径。详细内容见本书的第3章和第8章。

(4)振幅法。提高通信设备或系统隐蔽性的振幅法,就是预先或自动地降低无线电通信发射机的发射功率电平(在确保己方通信接收电平前提下实施幅度法),以使敌方侦察接收机的输入信号功率小于实际灵敏度,让其难以检测到无线电通信信号。振幅法通常用功率自适应技术来实现。

(5)空间法。无线电通信设备或系统的空间隐蔽性，决定于被侦察无线电通信设备中所采用的天线系统的方向图。天线的方向图主瓣越窄,旁瓣电平越低,则隐蔽性就越高。现代通信中采用自适应天线来确保己方通信所需要的天线方向图形状和主瓣宽度,其反向辐射及旁瓣电平极低，可以实现较好的无线电通信设备或系统空间隐蔽性。

(6)混合法。混合隐蔽方法是将以上几种方法组合使用的方法。例如，频率法与结构法、结构法与时间法、结构法与空间及时间法等混合使用,可以更好地实现无线电通信设备及系统的隐蔽性。在实际的军事反侦察无线电通信设备及系统中,大都采用混合隐蔽法。如美军的JTIDS系统就采用FH/DS/TH及自适天线等技术实现通信信号抗截获、抗干扰功能。

提高无线电通信电子设备及系统的隐蔽性的方法,当然不仅仅是以上所提到的方法与技术,还有别的一些方法,如有源干扰隐蔽法等。

实现无线电通信电子设备及系统的隐蔽原理、技术及途径将在本书后面的章节中进行详细论述。1.2.3通信干扰

1.通信干扰的类型

通信干扰不同于雷达干扰，它没有消极干扰，只有积极干扰。通信干扰可分为压制性干扰和欺骗性干扰。压制性干扰用强大的干扰功率压制敌收信机的正常接收，使真实信号模糊不清或完全“淹没”在干扰之中。欺骗性干扰发出和敌方通信信号十分相似的干扰信号，使敌方通信人员真假难分，有时它可以起到压制性干扰难以达到的效果。根据通信干扰在技术和战术上的不同特点，大致可以将其分为以下几种类型：

(1)按本身的用途与频谱成分可分为瞄准式干扰、半瞄准式干扰和阻塞式干扰。

(2)按调制方式可分为键控干扰，音频、杂音调制干扰，脉冲调制干扰以及综合干扰。

(3)按照作用强度可分为压制干扰、强干扰和弱干扰。

(4)按照辐射方向可分为强方向性干扰、弱方向性干扰和无方向性干扰。

(5)按频段可分为甚低频、低频、中频、高频、甚高频、特高频和超高频等干扰。

(6)按作用距离可分为本地干扰、近程干扰和远程干扰。

(7)按作用时间可分为短时间干扰和长时间干扰。

2.干扰机的工作原理及组成

通信干扰的基本工作形式是点式、阻塞式和瞄准式，这里以瞄准式干扰为例来说明其工作原理与组成。瞄准式干扰机是通信干扰机的基本类型之一，也是应用最广泛的一种干扰机。

如图1－3所示，对调频信号的干扰必须对准其频率，因为干扰效果的好坏首先取决于干扰信号频率重合的准确度。这样，使干扰频率与信号频率准确重合就成为这种干扰系统的关键问题。目前，解决这个问题的主要方法是时间选择法。它的原理是：在某些时间干扰发射机发射，而在很短时间里又停止干扰；在停止干扰的这段时间内要接收敌方通信信号，并且用一定的方法记忆敌台信号的频率，然后再发射干扰，这时的干扰频率应调整得与记忆频率相一致，这样就可对敌台信号进行最有效的干扰。图1－3干扰条件下调频通信的相互关系为了获得最佳的干扰效果，只要求在频率上对准还不够，还必须选择适合的干扰样式。这是因为通信有不同的样式，如等幅报、音频调幅报、移频报等，与此相对应的最佳干扰样式也应分别为等幅报、音频调幅报和移频报的干扰。对于复杂信号，由于信号呈现不规则的起伏状态，因此一般施放杂音干扰。总之，在具体实施干扰的过程中，应根据对方无线电通信的方式，采取相应的干扰类型。

瞄准式干扰机的组成如图1－4所示。收信机用来接收敌方的无线电通信信号，它具有选择和放大的能力；重合设备用来“记忆”信号与干扰频率，并检查信号与干扰频率重合的准确程度；发射机用来产生足够功率的干扰信号；调制器用来产生不同样式的调制信号；控制器控制收、发机交替工作。图1－4瞄准式干扰机的组成瞄准式干扰机的工作过程是这样的：当收信机接收到敌方的信号后，便可确定其工作频率和干扰信号样式，然后选择相应的最佳干扰样式，并使干扰的频率和天线的辐射方向对准敌台。这样施放的干扰可以得到最好的效果。

3.一体化通信对抗

为了在给定的地点和给定的时间内破坏敌方通信系统，对干扰机来说要考虑两个基本问题：

(1)最佳的干扰波形和干扰策略是什么?

(2)对这种通信系统进行干扰的有效性如何?(系统对干扰的易损性如何?)

虽然要获得对这两个问题的精确回答通常是困难的，但必须回答这些问题。其答案与下列因素有关：发射功率电平、距离、频率、系统损耗/效率、天线方向图、噪声电平、调制方式、解调/检测方法、差错控制编码、扩展频谱技术、数据格式、同步技术、系统失真、信道衰落和核效应、自干扰电平、干扰功率电平等。这些因素中有些与系统的设计有关，有些则与系统的应用条件有关。为了有效地实施干扰，可把侦察、测向、干扰有机地结合在一起，形成综合通信对抗系统。该系统包括指挥控制中心、侦察子系统及干扰子系统等，整个系统在指挥中心的统一指挥下运行。侦察子系统完成对信号的截获(搜索、分选、识别)和存储以及目标网台的测向定位；指挥控制中心对侦察数据进行综合分析处理，确定目标的威胁等级、干扰功率和干扰参数等；干扰子系统实施干扰。在干扰过程中，侦察子系统可以随时监视干扰效果，并通过指挥中心对干扰子系统进行调整，充分发挥干扰效能。

4.通信网对抗

通信侦察与干扰的最终目的是对敌通信实施有效干扰，切断其信息传递。但随着军事通信向多路由、多节点的网络化通信体制发展，又出现了许多新的问题：如何衡量通信干扰的有效性?到底同时干扰多少个节点、切断多少条路由才能使整个网络瘫痪或失效?选择哪一个节点、哪一条路由才能进行有效干扰?干扰效果如何评价?等等。要解决这些问题，必须寻求新的途径。1.2.4通信抗干扰

1.常采用的抗干扰措施

常采用的抗干扰措施有频率捷变、实时频率自适应跳变、快速传输(突发通信)等。

频率捷变主要针对的是通信干扰中的阻塞和瞄准式干扰。例如阻塞式干扰，它主要是对某一频率范围实施强干扰，把这一频段内的通信信号淹没在干扰的噪声之中，使在这一频段范围内无法实施通信。如果这时能快速变换通信频率(频率捷变)而跳出这一干扰范围，且能快速沟通联络，快速传递信息实施通信，那么即使被对方侦察到，在再次受到干扰前也可能已经完成通信。实时频率自适应跳变技术通过相应的自适应算法，在进行跳频通信过程中自动探测和删除受干扰的频点，使系统在无干扰或弱干扰频点上跳变，提高通信系统的抗阻塞干扰能力。

突发通信是一种时域抗干扰、低截获概率通信的好方式。它利用宽的频带，在一个随机的短时间内突发信息，短暂的发射时间加上随机性，使敌方的检测和测向十分困难，尤其当所用的频率快速变换时更是如此。

常用直接序列扩谱、跳频、扩谱/跳频混合、跳时等扩展频谱通信体制进行抗截获、抗干扰，目前已经普遍应用于军事和民用通信系统中。

2.新的抗干扰通信体制和系统

新的抗干扰通信体制和系统不但能在杂乱噪声、干扰环境中接收和处理信息，而且能够在敌人的欺骗式干扰中辨别真伪。这些新的体制和系统包括：

(1)高速短波异步DFH(差分跳频)系统。它利用前后频率的相关性来携带信息，跳速可达5000次/s。DFH以高跳速带来高数据速率，高跳速还可以极大地提高抗跟踪干扰和多径干扰的能力。

(2)毫米波噪声通信系统。其丰富的频带资源提供了抗干扰、抗截获的有效途径，并可获得极高的抗干扰增益。例如，对于4.8kb/s的数据传输率，利用2GHz的射频带宽，其处理增益可达56dB之多，若再加上自适应调零天线技术，又可对干扰产生30dB的抑制度，系统的总抗干扰增益可达86dB，这足以让干扰者“望而却步”。同时，毫米波具有很强的抗闪烁能力，电波在核爆炸后能较快地恢复正常。

(3)隐蔽式紫外光通信系统。它适用于多种近距离抗干扰通信的场合，例如飞行编队的直升飞机间的通信。紫外光通信系统辐射的信号扩散在大气层中被大气吸收，信号强度按指数规律衰减，不易被探测和截获。若通信距离为2km，则在3km处就探测不到信号了。要干扰强紫外光散射，目前还是不可能的。当保持无线电寂静时，紫外光通信可用来提供舰船之间的近距离通信。

(4)现代卫星通信采用的跳变点波束新技术。它可使卫星获得很高的G/T和EIRP值;在干扰的环境中，可大幅度改善接收机前端的信号和干扰功率比;可使地球站用小尺寸天线获得较高的吞吐量;用少量的跳变波束簇覆盖地面面积;在不增加发射功率的条件下，可提高卫星通信的可靠性。

(5)“通中扰，扰中通”的攻防兼备的通信对抗新思路。作者在近几年的研究中，根据现代战争中电磁环境极其恶劣、电子战斗争极其复杂的局面，提出了“通中扰，扰中通”的攻防兼备的通信对抗新思路，即在设计抗截获、抗干扰信号时，根据通信侦察与反侦察、干扰和反干扰理论，把被传输的信号经过复杂的多域处理，使通信信号和干扰信号融为一体，在对敌通信造成强干扰的同时，我方可顺利实现信息传输。由于这种信号的抗干扰、抗截获、抗衰落能力特别强，因此既可实现“通中扰”，又可实现“扰中通”和“动中通”。1.3通信抗干扰的理论与技术

1.3.1噪声通信理论

根据信息论的基本理论可知，一个频带宽度为B，平均发射功率受限为S，受白色高斯噪声干扰的传输系统的最大传输容量为

此式称为香农(Shannon)公式。由香农公式可以证明，应用适当的编码，通信系统可以此速率传输信息，而且所传信息的错误概率可逼近任意小。这种适当的编码，目前是指将信号变换成频带受限的类高斯白噪声进行传输，在接收端，再用完全相同的频带受限的高斯白噪声码进行相关检测。由于高斯白噪声的频谱密度在整个无线电频谱范围内几乎均匀分布，是一种不可能事先预知的非周期序列，目前人类还无法复制和利用，因此香农公式是理想传输系统的传输容量。该公式表明在信道存在高斯白噪声干扰时，一条信道无差错地传输信息的能力与传输信息所使用的信号带宽之间应具有的关系，也可以理解为信道能传送的最大速率受信道带宽和信噪比的限制。显然，在无噪声的信道(N→0)中，信道容量为无限大。然而在实际信道中，噪声和干扰总是存在的，因此信道容量也总是有限的。香农公式还表明，在保持传输信息量不变的条件下，带宽和信噪比是可以互换的。因此可以通过扩展带宽来降低发送信号的功率(降低信噪比)；反之，也可以增加信号功率来压缩信号带宽。这种转换关系说明带宽可以等效地转换成功率。信噪比与带宽之间的转换规律对于设计实际的信息传输系统具有重要的指导意义。各种调制过程实际上就是实现带宽B和信噪比S/N之间互换的一种手段。信息论所揭示的带宽和功率的互换关系说明，在通信系统中可以把带宽或频带看成是一种能量的等价，而且在一定条件下应尽量以频带换取功率，即加大信号带宽以减少对功率的要求。显然，基于频带是一种能量的观点，对于给定频带的利用就是对能量的利用。特别是在发射功率受限的情况下，如卫星和飞行器上的无线电设备和一切对体积、重量、电磁兼容要求很严的场所，频带与功率的互换越有效，通信性能就越好。本书第2章所讲的扩展频谱通信(频域抗干扰)，就是根据香农公式将信息比特变换成类高斯白噪声序列，以带宽换取功率，以极小差错率传送信息的一种较为理想的信道波形传输技术。这里要特别强调两点。其一，带宽的扩展是有一定限制的，当带宽扩展到进入接收机的噪声功率等于或大于信号功率时，若继续扩展带宽，则“换取”的优势将逐渐减弱，其变化规律为对数曲线。所以无限扩展频谱是不能换取无限抗干扰能力的。其二，若仅是利用带宽换取功率(信噪比)，是达不到良好的抗干扰通信目的的，只有将信号采用某种方式变换成高斯白噪声(其熵值最大，不确定性最大)进行传输和接收处理后，才会达到预期的抗干扰目的。其抗干扰性能由误码率来衡量。当通信采用PSK调制时，其误码率Pe为其中自相关函数为上式在τ=0时有它代表信息比特的能量E等于“0”信息比特流和“1”信息比特流的自相关函数τ=0时的值。当信号为高斯白噪声时，R(0)趋于一个很大的值，理论为无限大，而N0是有限的，因而可使信噪比大大提高，即

上式结果表明，当信号为高斯白噪声时，通信系统的误码率趋于零。

以上简单的分析证明了只有把信息进行噪声编码处理，才能得到高效、可靠的抗干扰通信。也就是说，在限平均功率的高斯信道上，实现有效通信的最佳信号乃是高斯白噪声形式的信号。在实际中只用伪噪声码来逼近高斯白噪声，其性能也是向理想情况逼近的。1.3.2抗衰落通信理论

根据A.A.Харкевцч提出的抗衰落噪声通信系统理论可知，设法使多径信号在接收点互不相关就可以实现几乎无衰落的接收。当信息比特变换成高斯白噪声序列进行传输时，接收信号的平均功率不会产生干涉现象，而且噪声几乎恒定不变，可以实现理想的抗多径干扰。其本质是高斯白噪声的自相关函数具有δ函数的特性，在多径传输时不会发生干涉衰落。也就是说，克服多径干扰影响的最佳信号仍具有高斯白噪声信号的形式。在抗衰落通信中总是用类高斯白噪声PN序列来逼近高斯白噪声信号。在抗衰落通信中，射束分集是一种重要的途径，信号设计的基本要求是能分离射束。这些射束的幅度和相位都不相同，只有有效地加以分离，并测出它们的幅度和相位值，才能有效地调整它们的相位，达到代数相加的目的。分集通常指的是各射束信号的分离与合并。射束分集称为隐分集技术，它既不需要多副天线，也不需要多部接收机和多个馈源，而只靠信号本身具有的类似高斯白噪声相关特性的PN编码信号就可达到上述目的。理论和实践证明，无论在电离层信道、对流层信道，还是移动通信信道，利用PN编码信号实现的射束分集都显示了良好的效果，提供了良好的抗衰落通信性能。1.3.3空域、时域自适应滤波

1.自适应天线阵

自适应天线阵抗干扰的基本思想是通过实时控制天线的方向图来强化信号，抑制干扰。也就是说，基于信号和干扰传来的方向差异，通过自适应天线阵本身调整其内部参数，使方向图上的主波束对准信号方向，副波束的零(电平)方向对准干扰。之所以称为“自适应”，是由于当信号和干扰波的传输方向随机变化时，自适应天线阵能自动地不断跟踪上述变化，实时调整其内部参数，连续改变天线方向图，始终保持主波束对准信号，副波束零(电平)方向对准干扰的状态。

Howells在20世纪50年代关于中频自适应旁瓣对消器的研究是自适应天线的开创性研究工作之一。这种对消器能够自动将波束零点对准干扰方向。1966年，Applebaum根据最大输出信噪比准则，导出了自适应阵列算法，并把旁瓣对消作为该算法的特殊情况。Howells和Applebaum的研究成果均到1976年才公开发表。

1967年，Widrow等人以LMS算法为基础对自适应天线进行的研究工作是自适应滤波技术发展的重要里程碑。他们的研究成果是第一篇公开发表的研究自适应天线的文章，并成为该领域的经典文献。Widrow等的工作对自适应天线技术的研究产生了巨大的推动作用，大批学者投入到该项技术的研究工作中，使此技术获得了迅速发展。1970年～1980年间，IEEETransactions的AP分卷多次出版了有关自适应天线的专集，并出版了一系列专著。从1980年以来，由于VLSI、MMIC、DSP技术的高速发展，许多复杂的算法都可用高速数字信号处理机实现，因而自适应天线处理系统成为主要的数字波束形成(DBF)方式。而且，人们在进行理论和算法研究的同时，也在研究实际系统。

2.宽带通信系统中的自适应干扰抑制技术

军事通信系统采用直接序列扩展频谱技术时，必须考虑自适应抑制敌方的或非有意的强功率干扰。一般直接序列扩展频谱系统的带宽较宽，在接收时易受到环境中强功率信号(民用电视、广播的谐波等)的干扰，这些干扰与敌方人为干扰的总功率若超过直接序列扩展频谱系统的干扰容限，则可对系统形成有效干扰。直接序列扩展频谱系统若采用自适应干扰抑制技术，则可增加系统的抗干扰容限。自适应干扰抑制技术早在20世纪80年代就被广泛地研究，许多算法都已得到证明，但该项技术在应用领域还未取得大的进展，这主要是因为高速数字信号处理器件还达不到系统的要求。近年来，高速数字信号处理器件的发展较快，可以预见，自适应干扰技术终将取得突破，从而使自适应干扰抑制+直接序列扩展频谱体制抗干扰得到更为广泛的应用。

3.自适应强干扰对消系统

自适应干扰对消系统主要用于解决本地区(同台、同车、同机)的收、发信机之间的隔离问题。短波波段的通信发射机功率通常在100～1000W之间，而接收机的灵敏度范围约为7～10μV。要保证接收机能在发射机工作时正常接收，接收机与发射机之间的隔离度应为90～150dB。而实际的收、发天线之间的隔离度远远不够。为保证收、发系统能双工工作，就必须采用其他保护措施。采用自适应干扰对消系统是一种较好的方法。自适应干扰对消系统的工作原理可看做是自适应阵中最小均方(LMS)准则的一种应用。它首先对发射机产生的近场干扰进行取样，并将取样信号作为参考信号经自适应加权调制，使加权后的参考信号与接收天线的干扰信号等幅、反相，然后经合成器使两个信道的信号相加，从而使干扰对消。由于参考信号中不包含接收机接收的有用信号，因此经干扰对消后有用信号不受影响，保证了接收机的正常工作。而权值的调整由自适应环路按LMS算法控制，其原理如图1－5所示。图1－5自适应干扰对消系统作者曾在20世纪90年代利用强干扰抵消技术，在短波和超短波频段实现了多通道强干扰抵消装置，干扰抵消比在40～50dB以上，干扰信号形式为AM、FM、SSB、CW等，系统抵消速度很快，用于×～××MHz和×××～×××MHz频段军用××××系统，解决了多台同一地区同车、同机工作的相邻发射机对接收机的强信号阻塞问题。1.4低截获概率信号设计的理论与技术

1.4.1通信反侦察的理论和效能概率准则

1.反侦察的噪声通信理论

从反侦察、反测向定位的要求出发，希望在和平时期或战时我方进行通信时，通信信号被敌方侦察接收机截获的距离越短越好，这种具有低截获概率性能的通信电台或系统称为低截获概率（LPI）通信电台或系统。低截获概率通信电台或系统的反侦察能力，可以采用截获因子Γ来评估。截获因子Γ定义为:侦察接收机检测到低截获概率通信电台的距离Rr与低截获概率通信电台能正常通信的距离Rc之比，即根据无线电通信方程和侦察方程，经过变换可得到截获因子Γ的表达式为为了减小截获概率，要尽可能使Γ值小。也就是说，截获因子越小,抗截获能力就越强。而LPI信号的时宽(T)与LPI信号的帯宽(W)的乘积越大,截获因子就越小，这也符合测不准理论。在LPI电台通信距离不变的条件下，Γ值越小,被敌方侦察到通信电台的距离就越近。换句话说，按照原侦察距离将无法检测到我方无线电通信信号,这将迫使敌方将侦察接收机移近我方阵地，这就增加了敌方侦察接收机被我方摧毁的可能性。截获因子的表达式告诉设计者，LPI信号设计的基本原则是信号的时宽（T）与带宽（W）的乘积必须远远大于1(即T·W>>1)，这是保证截获因子小的关键。当然，若再配合上超低旁瓣天线或自适应天线的运用，其低截获概率性能将更加有效。

这里要特别强调,对于侦察方而言,时宽（T）可以视为侦察接收机的窃听积分时间,带宽（W）可以视为侦察接收机截获通信信号探测器的带宽,它必须大于或等于通信信号的带宽，才能接收信号并进行处理。时宽（T）与带宽（W）的乘积越大,侦察方要检测、截获通信电台的信号就越困难。这是从侦察角度对截获因子这一物理概念的进一步解释。

2.通信反侦察的效能概率准则

按通信信号的时间、带宽的乘积设计LPI信号,比较直观方便,但在截获因子Γ的表达式中没有明显体现出信号结构的复杂度对截获因子Γ大小的影响。因此,有必要探讨一下抗截获性能与通信信号的结构之间的关系，因为对通信信号结构的保护，是无线电通信系统或设备抗无线电侦察的重要手段。无线电侦察的目的是检测、截获、利用信号，即把所侦察、接收到的信号与已知侦察知识的集合中的某一样品信号进行核对比较，以达到获取信息的目的。其实，反侦察接收的设计师明白，通信信号结构的特点是其特征的总和。这些特征除包括性能(编码和调制方式等)和参数(发射功率、载频、副载波、极化方式、辐射点坐标等)特性外,还有更复杂的广义参数,例如无线电电子设备的用途、部门、国家隶属关系等。但广义参数总是从第一类特征派生出来的。在任何情况下，侦察设备(如侦察接收机)对信号的识别可归结为：对比、查明所探测信号的特征(如参数)与从可能信号集合中选出的某一标准参考样品特征之间的对应关系。由于侦察接收机是在干扰背景中测定感兴趣通信信号的结构特征(或决定信号的结构特征)的，因此可能产生随机测量误差，也会有识別误差(即在确定侦察对象的信号结构时，可能有随机误差)，所以有必要引入与信号结构有关的结构概率PСТР。这个概率定义为:在已发现信号的情况下，正确地分析、识别侦察信号结构的条件概率。结构概率PСТР可以作为侦察信号的结构特性和分析、识別侦察目标的尺度。用这个概率可以评估通信信号抗无线电侦察的隐蔽性能。侦察接收设备对通信信号的参数测量精度越差(即这些参数对侦察设备的后验概率分布越“离散”)，这个条件概率（PСТР）就越小，侦察效果就越差，而信号的隐蔽性就越好。通过以上分析,可以把侦察工作的性能和效率用条件概率准则来表征，也可以用反侦察(隐蔽)的效率指标来表征。无线电通信设备或系统最直观的保护性能指标是概率Pр,它表示在侦收到通信信号(侦察目标的辐射信号)的条件下,侦察方顺利地完成侦察任务的条件概率。它也可以表示成侦察设备对无线电通信设备的有效利用率，即式中:PАН为无线电通信设备或系统辐射能量的隐蔽指标,即信号辐射时侦察方发现信号的条件概率;PСТР为结构概率(结构的隐蔽指标,即侦察确定“暴露”信号的结构和识别无线电通信设备辐射信号的条件概率,也就是信号已被发现条件下确定参数的概率);PИНФ为信息的隐蔽指标,即在辐射信号被发现并被识别的条件下,侦察确定(如破译密码等)隐蔽无线电通信信号中所含消息的条件概率。

概率Pр既是衡量无线电侦察性能和效能准则,也是无线电通信反侦察设计信号的依据和性能准则。1.4.2电离层变态效应通信

电离层被人工电波加热后会改变其介质特性，利用电离层的变态效应可以实现抗干扰（AJ）、抗检测(AD)、抗截获(AI)通信。

在地面上发射大功率无线电波可使电离层的等离子体发生人工变态，也可以说成是大功率无线电波加热电离层，使用的频率从VLF到UHF,在电离层的各个层区均可产生变态。电离层发生人工变态时，会产生各种各样的电离层不均匀性，不均匀性的尺度范围可从等离子体湍流的厘米量级，直到受加热区域和等离子体扩散性所限制的数百千米。对HF~UHF波段的无线电信号而言，这就提供了一个大的雷达截面。对于HF，雷达截面为109m2;对于VHF，雷达截面为106m2;对于UHF，雷达截面为104m2。天空中有如此大的反射器，完全可以用来实现高质量的远距离通信（地面站间通信可达数千米）。加热电离层沿场散射（FAS）和等离子体散射（PLS）均能用于HF/VHF/UHF波段通信。利用这种散射体通信的特点是功率小，所用天线简单。加热时间的随机性（对敌方而言）和接收区的有限性，使得通信的抗干扰性能、抗侦察能力大大增强。对于大深度远航潜水艇通信，除了电离层天线的激发与辐射效率外，还必须考虑波导传播与入水传播的衰减问题，即调制波的频率问题。对远距深水通信,频率选择为100Hz时较佳。因为100Hz电波在大地和电离层构成的波导中的传播衰减率为1~2dB/1000km，在海水中只有0.3~0.4dB/m，仅为2~4kHz电波的衰减率的几十分之一。即使这样，对3000km以外、在海洋100m深度以下的潜艇进行通信时，空中波导和水中传播的总衰减也将达40dB。接收点要达到几微伏/米的可观电平，其难度还是相当大的。因此,此项通过改造传输信道媒质进行抗截获、抗干扰通信的技术还处在研究阶段，但很有应用前景。有意识地控制和改变电离层，不仅可以用于军事通信，而且还可以用于电子干扰和对抗、空间遥感技术、隐身与反隐身等技术。例如，电离层变态可以形成“稠团”，也可以产生“空洞”。也就是说，不仅能产生电离层不均匀性，也可以消除已存在的电离层和不均匀性，从而可以建立或阻断散射通信电路，还可以形成有控制的不均匀性，对空间雷达、通信造成干扰，降低其工作能力。值得指出的是，当泵波的功率增加时，光学辐射也同样在增加，若能精心地设计天线，则可以在电离层中构成不同形状和大小的辐射体。通过波束扫描，在电离层形成动态的辐射体和似为目标（诱饵），这在隐身和反隐身技术中是十分有用的。1.4.3中微子通信

中微子通信是利用中微子流载荷信息进行传输和接收处理的高效通信。它是采用中微子束来代替电磁波传递信息的通信方式。中微子束可以直接穿透海水及地球实现全球通信。它具有难以截获、几乎无衰减、抗电磁干扰和抗热核爆炸引起的辐射干扰能力及超远距离通信能力。例如，潜艇中微子通信发射信号时不辐射电磁波，不污染环境，具有通信质量好、反侦察能力强、保密性好等特点，是深海潜航潜艇通信的理想通信手段。（1）中微子通信的基本原理。中微子通信应用高能加速器产生中微子束，中微子束用作通信信号的“载波”。当质子流的能量被加速到4000亿电子伏特时，从加速器中把质子流引射出来，用它去轰击铅靶，可以获得大量的带电介子和K质子。用一个特制的圆锥形(喇叭形)磁铁对射束进行校直和聚焦，其中的K质子很快衰变成τ质子，而τ质子在经过一个直径为1m、长度为400m的圆柱型衰变通道时，瞬间内将发生衰变而生成中微子，其数量为每脉冲1010个，从而得到所需要的高能中微子束“载波”。将所需信息调制到这种中微子束上，在接收端采用一种“间接”的探测技术可以完成信息的接收。（2）水下中微子通信。当高能中微子束穿过深达4~5m的海水时，便与水原子核中的中子发生核反应，生成高能量的负μ子。负μ子在水中以0.99倍光速前进时，发生“契伦科夫光”效应，辐射出“契伦科夫光”。“契伦科夫光”具有良好的方向性，而且包含了0.38～0.76μm范围内的所有连续分布的可见光。只要用高灵敏度的光电倍增阵列将“契伦科夫光”全部收集起来，就能探测和接收到中微子束“载波”，并将其携带的信息进行解调、放大，从而完成中微子在海水里通信的全过程。正因为中微子通信有诸多的优点，从20世纪60年代起，各军事强国纷纷投资进行研究。美国军方投入了巨大的研究经费，最先取得实验性的成果。美国曾在1978年12月19日进行了世界上第一次中微子通信试验，试验距离为6400m。其后，又在伊利诺伊州和华盛顿之间进行了长达2700km的地下试验。1984年，美国海军在大西洋进行水下中微子通信试验，随后又进行了潜—岸深海远距离双向数据传输试验，效果令人十分满意。1986年美国还与前苏联合作进行了中微子穿透地球的试验。中国科学院在20世纪60年代初，用中微子进行隔山单向传输试验，实验结果证明中微子流穿越高山地层后，几乎无损耗，并在水中检测到中微子信息。可惜因文化大革命的干扰，中断了此项研究工作。近年来,中科院将中微子通信试验列入重点攻关研究项目，在许多领域已取得了新的进展和可喜的成果。

现在中微子通信还处于实验阶段，随着技术的进步，中微子对潜机动通信的实际应用将成为对潜通信的理想手段，也是其他抗截获(AI)、抗干扰（AJ）通信的理想途径。1.4.4蓝绿激光对潜通信及纳米激光对潜通信

1.蓝绿激光对潜通信(SLC)

蓝绿激光对潜通信(SLC)采用光波波长为450~540nm的蓝绿激光(被称为“透过海水的蓝绿光窗口”)，它穿透海水时的衰减量最小，仅为0.03dB/m，比其他波长小60～80dB。因此,采用蓝绿激光对潜通信系统，其水下通信深度可达300m(此深度为潜艇发射导弹的最佳位置)，解决了其他激光水下通信无法解决的大难题(衰减量大)。这样一来,蓝绿激光对潜通信(SLC)既保持了激光通信传输速率较高(数据速率可达1200b/s)、不易被截获和干扰(激光单色性能好、方向性强)、通信时潜艇机动性好(小型光接收天线体积小)等优点,又能使潜艇在最佳巡航深度和速度下实时通信。因此,蓝绿激光通信不仅增加了潜艇的隐蔽性，而且提高了潜艇通信的效率和实时性，从而增强了潜艇的核威慑能力。蓝绿激光对潜通信用于特种混合编队或航母编队协同作战和战略指挥通信时，能保证岸基指挥中心、水面舰艇编队旗舰通过舰载机、高空同温层、卫星平台与安全深度潜艇间的快速、准确、隐蔽的战术协同通信和战略指挥通信。蓝绿激光对潜通信是解决潜艇水下安全通信深度与通信速率矛盾的惟一有效手段。美国从20世纪70年代起就开始了对蓝绿激光对潜通信的方案论证，80年代开始研制蓝绿激光对潜通信系统，重点放在激光器和接收器方面，并进行了多次海上试验。1991年5月美国机载蓝绿激光对潜通信在海上成功地进行了测试，同年成功地进行了首次水下激光对潜通信的双向试验，完成了首次水下潜艇与飞机间的双向激光通信试验，成功地进行了二极管泵浦倍频Nd：YAG绿激光的实验。此项激光技术无论在可靠性还是工作性能方面，都已达到了研究开发实用化系统的水平。1992年，美国继续进行激光双向对潜通信试验，该试验通过绿光激光器获得了高数据率通信。1993年由于冷战的结束、防务减小，经费压缩，美国海军中止了大规模的卫星激光通信计划，但这种思路在技术上被证明是成功的。美国的星载蓝绿激光对潜通信系统研究工作将一直持续下去，另外一些激光通信技术将置于其他项目之中而继续研究。下面介绍一种综合集成双向蓝绿激光高速隐蔽通信系统。由卫星向潜艇单向发送下行信号，虽然不容易暴露潜艇位置，但得不到潜艇收到信号的反馈信息。用蓝绿激光向上行传送信号十分困难，且较容易暴露潜艇的位置，这是绝对不允许的。美军已经研制出3公分口径(在超高频、极高频段)的终端，采用触发跳频（FH－SS）方案，由潜艇向卫星发送上行应答信号，替代用蓝绿激光发送上行信号。潜艇接收下行信号时,采用的是艇载激光接收天线和拖曳综合浮标天线；潜艇向卫星发送上行信号时,采用的是拖曳综合浮标天线。此系统结合战术使用，不易暴露潜艇位置，从而提高了隐蔽性和顽存性。人们担心星载蓝绿激光对潜通信系统的卫星在战时容易被击毁。从目前情况看，美军已采取了许多措施，使敌方对卫星“难以发现”（采取定期或不定期机动、藏匿备份、隐身等措施）、“难以击中”（采取规避、干扰、电子锈饵、改变信号特征等措施）、“难以消灭”（采取屏蔽、加固等措施），大大提高了卫星的抗毁性和顽存性。

2.纳米激光对潜通信

自20世纪50年代末激光问世以来，获得波长在2.2~4.4nm的X射线激光输出一直是科学家的梦想。如果达到这一波长，激光就具备无损耗穿过水分子的特性。这种具有无损耗穿水特性的2.2~4.4nm波长被人们称为“水窗”波段。1994年美国科学家创造了15.5nm的世界纪录，权威人士认为，在21世纪建成更大规模的光学激光器以前，人类不可能获得波长短于15.5nm的X射线激光饱和输出。1997年英国卢瑟福实验室宣布，由中国青年科学家张杰教授领导的研究组，获得了波长为7.3nm的X射线激光饱和输出，创造了X射线激光饱和输出的世界纪录。随着科技的进步和科学家的进一步努力，相信在不久的将来会获得波长在2.2~4.4nm的X射线激光。用纳米激光对潜通信，将成为潜在的对潜隐蔽通信的理想手段。1.4.5量子通信

20世纪初,量子力学的诞生给物理学带来了翻天覆地的变化，量子力学在物质科学的各领域大显身手，使得物理学从此告别了长期“有理无物”的时代。20世纪晚期，人们将量子力学应用到信息领域，开创了量子信息学这门新兴的学科。以量子态隐形传输技术为代表的量子通信方法，开创了量子力学的一个全新的应用，开辟了抗截获、抗干扰、保密通信的新途径。

对量子通信目前尚无严格的定义。信息学上认为它利用量子力学的基本原理,如量子态不可克隆原理、量子态的测量塌缩性质、量子态隐形传输等量子系统特有的属性,以及量子的测量方法来完成两地之间的通信和信息传输。量子通信系统模型类似于经典通信系统模型,也是由信源、变换器、信道、反变换器、信宿等组成的。变换器把经典信息转换成量子信息,在量子信道中传输,反变换器将接收到的量子信息还原为经典信息后送至信宿。

理想的量子通信按信息传递机理分为基于单光子信道的量子通信和基于光子纠缠对的量子通信，按传输物理信道分为光纤信道和自由空间光量子通信信道。理想的量子通信有一个很大的特点，就是具有无障碍、远距离传输信息的能力。根据量子纠缠态特性,相互纠缠的两个光子经过“拆分”，将其中一个光子发送到特定位置,无论它们彼此被分离多远,只要一个光子的状态即时变化，立即就会使另一个光子的状态发生相应的变化，从而实现类似“超时空穿越”的通信方式。例如用待传输的消息去“调制”相互纠缠的两光子中的一个,在异地的另一个光子会有同样的变化,将其经反变换后便会获得传输的消息。另外，根据量子力学中的测不准原理、测量塌缩原理、不可克隆定理可知,理想的量子通信还具有通信的真正安全性。这说明量子通信具有经典通信难以或者无法比拟的抗截获、抗干扰、安全传输且几乎不受距离限制的通信能力。 1.5

MIMO－OFDM技术

1.5.1

MIMO

多入多出(MIMO)技术或多发多收天线(MIMRA)是无线电移动通信领域智能天线技术的重大突破。MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。MIMO系统的典型特征是在发射端和接收端均采用了多个天线，其核心思想是空时信号处理。利用多天线来提高传输性能的思想最早可以追溯到马可尼时代。1901年，马可尼使用4个61米高的天线塔构成阵列，成功地实现了跨大西洋的远距离Morse码传输。近年来，随着空时信号处理理论的研究与完善，硬件制作工艺以及硅金工业的飞速发展，多天线技术的研究日益深入。

由于MIMO技术潜在的巨大优势，国内外众多研究机构对其进行了广泛和深入的研究，并正在尝试着将其应用于现有的无线通信系统之中。目前，3G协议中已经将两天线STBC应用到WCDMA和CDMA2000中［25,26］。另外，3GPPrelase6版本［27］的重要特点就是在HSDPA（HighSpeedDownlinkPacketAccess）中引入了MIMO。大量文献表明，MIMO已经成为未来无线高速数据传输不可缺少的关键技术。1.5.2

OFDM

OFDM是一种多载波调制(MultipleCarrierModulation，MCM）技术，其基本思想始于20世纪50年代，是由R.R.Mosier和R.G.Clabaugh提出的［28］。随后，R.W.Chang在参考文献［29］中首先引入了带限信道中无载波间串扰(InterCarrierInterference，ICI）和符号间串扰(InterSymbolInterference，ISI）并行数据传输的原则，提出了正交多载波传输的概念。它将串行高速信息数据流变换成为若干路并行低速数据流，每路低速数据调制在彼此正交的子载波上，然后所有子载波叠加在一起构成发送信号。B.R.Saltzberg指出，在这种正交载波的系统中，对系统性能影响最大的干扰是邻道干扰［30］。采用传统的模拟技术很难实现正交的子载波，因而限制了OFDM系统的应用。随着数字信号处理技术的发展，S.B.Weinstein和P.M.Ebert等人提出采用FFT实现正交载波调制，这为OFDM的广泛应用奠定了基础［31］。此后，为了克服信道多径和定时误差引起的ISI和帧间干扰([JP2]InterframeInterference，IFI），A.Peled和A.Ruizt提出了添加循环前缀CP(CyclicPrefix）的思想［32］。由于OFDM具有较高的频谱利用率，且能够通过IFFT/FFT等高效算法实现，因此目前成为应用最为广泛的多载波调制方式。

OFDM只是一种传输技术，本身不具有多址能力。1993年，随着CDMA技术逐步走向实用化，OFDM和CDMA技术的融合也越来越受到重视。在此期间，出现了三种多址方案:多载波CDMA（MC－CDMA）［33］、多载波DS－CDMA（MC－DS－CDMA）［34］及多音CDMA（MultitoneCDMA）［35］。这些方案综合了OFDM与CDMA的优点，不需额外增加发射机和接收机的复杂度。参考文献［36］研究了这三种多载波多址方案，指出MC－CDMA的性能优于其它两种系统。另外，ShengliZhou等人在参考文献［37］中进一步指出，MC－CDMA较DS－CDMA具有更强的抗窄带干扰和抗多径能力。因此，MC－CDMA成为多载波多址方案研究的重点。关于MC－CDMA的基本概念，可参阅参考文献［38］。与传统的单载波系统相比，OFDM系统的各子载波信道频谱相互重叠，因此具有较高的频谱利用率，其频谱效率比单载波系统高出近一倍。同时，OFDM将高速数据进行串/并转换，并将形成的数据流在并行子载波上传输，降低了子载波上的符号传输速率，减小了无线信道对系统的影响，使系统抗多径和频率选择性衰落的能力更强。此外，OFDM的正交子载波将频率选择性衰落信道等效为若干并行的平坦衰落信道，将信道的影响等效为复数因子，简化了信道均衡；同时，OFDM可以通过动态比特分配技术和比特自适应调制技术使系统达到最大传输效率和最优的系统性能。正因为如此，OFDM作为一种高效数据传输技术备受关注，并陆续成为多个标准的关键技术，如数字音频广播(DigitalAudioBroadcasting，DAB）［39］、数字视频广播（DigitalVideoBroadcasting，DVB）［40］、无线局域网（北美标准IEEE802.11a［41］，欧洲的高性能本地局域网络HIPERLAN/2［42］）、数字电视（DigitalTelevision，DTV）陆地广播标准以及xDSL等标准［43］，并有可能成为下一代（Beyond3G或4G）移动通信系统的核心技术之一。1.5.3

MIMO－OFDM

我们知道，现有基于空时编码的MIMO系统都是在平坦衰落信道或准平坦衰落信道中进行研究的［16－19,44］，而OFDM又能将整个频率选择性衰落信道等效成若干并行的平坦衰落