無線傳輸擴頻技術和加密通信原理解析

擴頻通信是指利用擴展頻譜技術，使信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬，以提高通信系統的抗干擾性。?

一、擴頻的原理：香農定理

擴頻的原理，可以通過回顧香農公式來理解。 香農定理：定義了有噪聲信道的極限速率，公式如下：C=W*log2(1+S/N) 其中，S為信號平均功率，N為噪聲平均功率則S/N為信噪比，單位為分貝（dB)。 分貝與信噪比的換算關系為：dB=10log10(S/N) 信號越強，噪聲越小，則信噪比越大，信道速率就越高。帶寬為3k赫茲的普通電話線，波特率為6000，根據調制方式的不同，可以有不同的速率，但由于噪聲的存在，能達到9.6kbps的速率已經很不錯了。

? 當傳輸速率一定時，加大信號帶寬，可以降低對信噪比的要求。當帶寬加大到一定程度，甚至允許信號功率淹沒在噪聲之下。因此，在一定的發射功率下，擴頻信息分布在很寬的頻帶內，有用的信號功率密度很低，在強噪聲背景或信號被噪聲淹沒時，也能夠可靠通信，具有極強的抗干擾性能。同時，擴頻通信使用擴頻函數（不可預測的偽隨機序列碼）調制和對信號進行處理，使得擴頻通信具有高保密性的特點。 ? 擴頻信號帶寬與信息帶寬之比為擴頻因子。擴頻因子數值為1-2時，成為窄帶通信；大于50稱為寬帶通信；大于100為稱為擴頻通信。?

二、四種擴頻技術，FHSS在無人機電臺上最常用

?擴頻通信系統可以分為以下四種：? ? ? ?? ?

1、直接序列擴頻（DSSS） 發送端直接采用高碼率的擴頻碼序列去擴展信號頻譜，接收端通過同樣的擴頻碼序列還原信號。直接序列擴頻將信號擴展成很寬的頻帶，其功率頻譜密度比噪聲還要低，使信號能隱蔽在噪聲中，提高信號保密性。在接收端則對噪聲信號進行非相關處理，使干擾電平顯著下降而被抑制。直接序列擴頻通信系統是目前應用最為廣泛的系統，典型應用有CDMA、WLAN。 ?

2、跳頻擴頻（FHSS） 用偽隨機碼序列進行頻移鍵控（FSK），使載波頻率不斷跳變而擴展頻譜。跳頻擴頻將整個頻譜分割為更小的窄帶頻譜。發送方和接收方在每個窄帶信道上工作一段時間，然后轉移到另一個信道。 ? 跳頻技術的基本原理是在通信的不同時間片或數據包中，發送端和接收端按照事先約定好的序列，頻繁地切換使用不同的頻率進行通信。這種頻率切換可以是隨機的、偽隨機的或按照特定的算法進行。具體切換頻率的方式取決于跳頻系統的設計和實施。 ? 跳頻技術的主要目的是提高通信的安全性和抗干擾能力。由于頻率的快速切換，跳頻通信可以減少特定頻率上的干擾或竊聽威脅，因為干擾者或竊聽者需要在短時間內掌握并跟蹤頻率的變化才能有效進行干擾或竊聽。跳頻技術還可以提供頻譜擴展的效果，即通過在更廣泛的頻率范圍內進行通信，提高了抗干擾性和抗多徑衰落的能力。 ? 跳頻擴頻通信應用在WLAN、藍牙、ZigBee中。在無人機數傳電臺上，常用的Digi 900M的XBee模塊（比如900HP、SX Pro、XTend等）、Microhard的P900以及國產T900，都是FHSS的。

3、跳時擴頻（THSS） 和跳頻擴頻類似，跳時是發射信號在時域（時間軸）上的跳變。因為在時域上壓縮了傳輸時間，則相應的頻譜寬度也擴展了。簡單的跳時抗干擾性不強，很少單獨使用?？梢院鸵陨蠑U頻技術進行組合形成混合系統，如跳時/直擴系統。 ?

4、線性調頻擴頻（CSS） 如果發射的信號在一個周期內，其載頻的頻率作線性變化，則稱為線性調頻。因為其頻率在較寬的頻帶內變化，所以信號的頻帶也被展寬了。這種擴頻調制方式主要用在雷達，物聯網領域（LPWAN等）。 ? 綜上，總結如下： ?

三、美軍單兵電臺：寬帶自組網成主流

? 傳統的覺得能普及單兵電臺說說話就了不得；后來琢磨怎么能組網，數據語音都有，就像手機一樣，但那個離不開基站，需要車輛或臨時架設；而現在則是如何帶寬更寬，并且擺脫基站的束縛。業界管第三種叫ad-hoc，自治的，無中心，動態拓撲，全對等，多跳，可重構自組網，無需基站，或者說每個節點都可以作為基站。戰場和救災一直是大戶。 ?

美國陸軍用戶一直很上心，目前主要有兩種無線電系統：第一種就是大家熟知的那種“傳統電臺”，固定信道或者用戶點對點的單通道地面和機載無線電系統 sincgars，第二種就是基于ad-hoc的移動自組織網絡，美軍叫 manet，也分為很多版本，單兵自組網的叫srw。1980年以來，第一種sincgars一直是美軍士兵的基本無線電系統。但能寬帶上網，動態組網的ad-hoc也一直在測試，隨著關鍵技術逐步突破，最近幾年srw發展迅猛，多家公司都在搞，然后推出自己商標的解決方案，但都遵循軍方manet標準，且都在JTRS聯合戰術無線電框架里面。

一、trellisware公司brn網絡

比如trellisware公司的srw基本上成熟了，目前已經包含tire 1和 tier 2兩個。Tier 1負責連排到單兵，tier 2負責營連旅這一級別，再結合更高層的win-t網絡來實現從華盛頓最高統帥到沙漠里的最底層士兵之間的數據共享。

trellisware的brn網絡，主要針對美軍特戰司令部的下一代tsm-x戰術無線電（ad-hoc/manet, 單個rf新到250個節點）以及陸軍的srw窄帶無線電，從戰術行動中心toc開始，發起組網行動，無線電信息已虛擬多路徑方式，逐步找到單兵，這在對抗無線電環境中特別有優勢，不怕單個鏈路中斷，能繞行，網絡能自愈。民用的已經發展到tsm-6，用于地下隧道，采礦，船舶內，城市應急救援等。 ?

二、洛格，soldierlink系統

著名的諾斯羅普格魯曼公司的，叫soldierlink系統，建成后sls，號稱是“移動戰術云通訊網絡”。先試用先進的動態網絡波形aknw和現代網絡協議，建立一個安全的，無基站的移動ad-hoc網絡manet，允許連排級別以下的共享數據。重要數據再通過win-t連接到更高層。底層和高層通過有限帶寬的戰術網絡無線電來進行橋接轉發，具有網絡邊界保護，和網關服務。 ? sls系統的aknw無線節點都可以作為其他網絡的交換機、路由器、接入點或者網關，并通過以太網標準進行連接，實際應用中已經可以擴展1000個節點。每個用戶的數據吞吐量為5-20M加密數據。 ? 可以兼容現有的其他戰術網絡：Harris 117G (ANW2)、HMS/RR (SRW)、MNVR (WNW)、WIN-T、BFT2、3G/4G Tactical Cellular、BGAN (Commercial)。

士兵們通過一個叫做eud的battle sleeve終端設備接入網絡，核心是一個加固的安卓智能手機，這樣每個人都是一個智能終端。也同時是士兵的個人信息中心。上面可以承載的功能包括：Tactical radio-over-IP (PTT)，基于ip的戰術無線電；Voice-over-IP (VoIP telephony)，基于ip的話音；C2/SA (FBCB2/BFT and JBC-P)，指揮控制，部隊監視，藍軍等系統；ISR reporting (TIGR)，偵查報告；Fire Support (FOS)，火力支援呼叫；Video access (OSRVT Air, Ground Recon, Soldier)，視頻訪問；Mission Provisioning/File Transfer Protocol (Maps, Orders, Graphics)，地圖，命令，圖形等傳遞；Chat，聊天；Training POI，訓練；Maintenance POI，維護。 ?

三、GD通用動力的，叫win-t

號稱是美國陸軍戰術網絡的骨干網。 增量1，也叫jnn-n，已經2004年在伊拉克部署，營級高速數據網絡。 增量2，2013年第10山地師在阿富汗首次使用。完全自組織網絡，一套支持200人，30臺車，不過尺寸還是偏大，主要是車載。

PRC-155背負式電臺（已停產），跟PRC-154手臺配合，陸軍首個部署的雙通道，軟件定義無線電，可以連接到muos衛星網絡，提供類似智能手機的語音通訊，兩個信道，可以運行不同波形和頻段，一臺就夠。自帶gps，加密，可以ad-hoc自組網。就是當時技術所限，2G，窄帶一點，但ad-hoc自組網技術算是實錘實用了。

四、persisten公司mpu 5

不過現在裝備的最先進的是persistent system的 wave relay 技術的網絡，2017年推出的mpu5號稱世界首個基于智能手機的電臺，全面支持陸軍manet網絡的ad-hoc自組網，self forming/hearling自組網/自愈，3G-SDI視頻，H.264解碼，16個信道，RoIP無線接口。對等網絡無主節點，軍方和警察都在用。

尤其是針對頻率高，距離短，容易被遮擋，城市/森林/洞穴多路徑問題，采用了3*3的mimo多發多收技術，比傳統電臺通訊范圍擴大4倍，速度大于100Mbps，而且s波段/ l波段/c波段的射頻硬件完全模塊化，覆蓋從幾百Mhz到6GHz，用螺絲刀就能更換，功率10瓦。

很皮實，IP68標準，milt-std-810g，防水20M的30分鐘，-40度到+85度。

新節點入網時間小于1秒，hops數量和nodes數量沒限制。距離130英里！峰值tcp吞吐量150Mbps，信道20MHz?？梢园惭bapps擴展功能，多個usb口和網口連接各種其他設備。通過3g-sdi, hdmi，支持320*240到高清1080p30和720p60的h.264流媒體。通過板載硬件加速編碼器，最多支持4個視頻流。

2017年開始在警察，FBI、民用等領域使用。2017年9月跟陸軍簽了個890萬美元的合同，11月獲得了陸軍endeavor robotics獎1億美元。2018年4月參與陸戰隊演習，6月拿到陸戰隊1千萬美元單子。

所以，美軍以后的單兵電臺，使用起來其實跟我們的4G/5G手機用戶體驗差不多，關鍵人家不依賴基站，隨時隨地兄弟們自組網，對上連接連、營、旅，上衛星，直通國防部。 ? ?

四、美軍用電臺是如何確保通信安全的？

軍用電臺作為一種重要的通信工具，用于軍隊內部和軍隊之間的通信聯絡。軍用電臺通信安全對于保障軍事行動的成功和保護軍隊的生命財產具有至關重要的意義。通過確保通信信息的機密性、防止竊聽和監聽、抵御干擾和破壞，以及采用加密技術和有效的密鑰管理，軍用電臺通信可以在敵對環境中保持可靠、安全和保密的通信連接。這為指揮員提供了有效指揮、控制和協調作戰行動的重要工具，提高了軍隊的戰斗力和作戰效能。 ? ?
? 下面兩項是軍用電臺確保通信安全的關鍵技術： ?

1、跳頻技術 跳頻技術是一種無線通信技術，通過在通信過程中頻繁改變信道（頻率）來傳輸數據。它是一種抗干擾和竊聽的技術，常用于軍事通信和安全敏感應用中?？傊?，跳頻技術通過頻繁切換使用不同的頻率，提高了通信的安全性和抗干擾能力，使得通信更加難以被竊聽、干擾和破壞。它在軍事通信、無線電間諜活動和其他安全敏感應用中得到廣泛應用。 ? ? ?

2、加密通信 加密通信是指通過使用密碼算法將通信內容進行加密，以保護通信的機密性和安全性。在加密通信中，發送方使用加密算法將明文信息轉換為密文，只有擁有正確密鑰的接收方才能解密并還原出明文信息。 ? 加密通信的主要目的是防止未經授權的個人或組織獲取和理解通信內容。美軍的加密通信是指美國軍隊在通信過程中采用的安全保密措施和技術，旨在保護軍事信息的機密性、完整性和可用性，防止未經授權的人獲取和篡改敏感信息。 ? 美軍的加密通信系統采用了多種技術和設備，其中包括：

1）加密設備：美軍使用先進的加密設備，如保密電話、加密通信終端和保密無線電設備，以確保通信內容在傳輸過程中得到加密保護，只有授權人員才能解密和理解。

2）加密算法：美軍采用強大的加密算法來對通信內容進行加密。這些算法包括對稱加密算法和非對稱加密算法，如AES（Advanced Encryption Standard）和RSA（Rivest-Shamir-Adleman）等，以保證通信的機密性和安全性。

3）密鑰管理：美軍注重密鑰管理的重要性。它采用安全的密鑰生成、分發和存儲機制，確保密鑰的安全性，只有授權人員才能獲得正確的密鑰用于解密和獲取明文信息。

4）通信網絡安全：美軍在通信網絡中采取了多層次的安全措施，包括防火墻、入侵檢測系統和網絡加密技術等，以防止未經授權的訪問和攻擊，確保通信數據的安全傳輸。

5）信息保護政策和程序：美軍建立了嚴格的信息保護政策和程序，包括身份驗證、訪問控制、審計跟蹤和安全培訓等，以確保通信系統的安全運行和保密性。 ?

美軍的加密通信系統廣泛應用于各個領域，包括指揮與控制、戰場通信、情報收集和共享、聯合作戰等。它確保了軍事信息的保密性，防止敵對勢力獲取和利用敏感信息，維護了美軍的作戰優勢和國家安全。同時，美軍不斷研發和更新加密通信技術，以適應不斷變化的安全威脅和信息環境的挑戰。 ? 最后，附上美軍在役電臺型號：

據2023年《歐洲安全和防御》雜志發表了一篇名為《部隊的連通性》的文章，文章指出：HMS項目為徒步部隊提供手持式及背負式電臺，為車輛等各平臺和固定基地提供背負電臺。美軍最終將采購10萬臺AN/PRC-163指揮員手持臺、21579臺AN/PRC-154A電臺和104496臺戰斗網無線電（CNR）單信道電臺，總共將采購73064臺各類背負臺，其中65622臺背負臺將裝備美國陸軍。

編輯：黃飛

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