CN108540256B - 电磁波轨道角动量隐蔽传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁波轨道角动量隐蔽传输系统。在发射端，该隐蔽传输系统在电磁波轨道角动量上进行了扩维操作，并根据轨道角动量上传递的生成多项式有关信息在传统维度上进行扩频加扰操作。同时，根据轨道角动量上的信息选择不同模式的轨道角动量电磁波对传统维度上的信息进行发射；在接收端，通过判断接收到的电磁波轨道角动量模式，先完成轨道角动量维度上信息的恢复，再根据该维度上的信息，分别生成相应扩频序列的匹配滤波器以及解扰器，对传统维度上的信息进行解扩解扰操作，进而获得隐蔽传输的信息。在占用适当带宽的情况下，该隐蔽传输系统具有高抗截获性、高抗干扰性、低复杂度、快速接收、高符号传输速率等诸多显著优点。

Description

电磁波轨道角动量隐蔽传输系统

技术领域

本发明涉及隐蔽传输技术领域，特别涉及一种电磁波轨道角动量隐蔽传输系统。

背景技术

随着信息技术的高速发展，信息安全也变得非常重要，隐蔽传输则是信息安全的重要组成部分。在隐蔽传输环境下，仅希望信息接收者能够接收到传输的内容，而不想被第三方发现该通信的存在，并侦听到或截获相应的信息，即保证通信消息是秘密传递的，且避免被干扰和攻击。

隐蔽传输最初采用“信息隐藏”的机制实现，以掩护媒体为隐蔽信道，将机密信息隐藏在掩护媒体中进行隐蔽传输。S.Bai利用图像置换、替换技术、小波等水印技术，将秘密信息隐藏于图像中进行传输；而B.Qiang则对音频信息隐藏技术进行分析，利用听觉的掩蔽特性，在语音归一化谱系数上嵌入信息，给出了一种军事隐蔽通信的方案构想。但这种以信息隐藏为基础的隐蔽传输系统都需要额外地传输大量的无用信息作为掩盖信息来隐藏秘密信息，导致有效信息的传输速率很低。之后，扩频通信也成为一种隐蔽传输的实现方式。21世纪初，Block等人利用直接序列扩频的方法来实现隐蔽传输，通过频谱扩展以获得更强的抗干扰能力来达到信息隐蔽的效果。但这种直接序列扩频的方法需要占用额外的带宽，采用短的扩频序列进行扩频和解扩会影响系统的抗截获性，更长的扩频序列也需要占用更多的带宽；而扩频序列的长度也在一定程度上代表着隐蔽传输的隐藏效果和抗干扰效果。也就是说，为了实现更强的隐藏和抗干扰的效果往往需要过多的带宽。由于扩频序列长度的增加，在总带宽限制的情况下，数据传输速率会降低。因此，对于传统采用扩频加扰方式的隐蔽通信，扩频序列长度和传输数据率成为一对矛盾。而同样在21世纪初，Seong-BokPark提出的基于跳频的隐蔽传输模式需要发射的载波频率受伪随机序列的控制，需要占据比信号带宽要宽很多的频带，频带利用率也非常低。G.Mazzini等人提出的混沌序列直接扩频的方法则在混沌序列的产生方面存在困难，迭代初期产生的序列并不具有混沌状态，因而相关特性不好。

电磁波轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)最早是由Allen等人在光波波段实验验证存在。在无线电波段，S.M.Mohammadi等人提出了利用圆环天线阵产生具有轨道角动量的电磁波，并提出了相应的检测方法。2015年，F.Tamburini等人提出的点对点轨道角动量电磁波无线通信链路也揭示了轨道角动量电磁波对平面电磁波的存在着一定程度上的抗干扰性。轨道角动量为电磁波提供了一种新的维度，能够在一定程度上，利用适当的带宽来传输隐蔽数据，既能够保证有效信息传输速率，也能够在轨道角动量维度上采用扩维码的设计。此外，携带轨道角动量的电磁波还可以在其他传统维度上(如相位、幅度、频率等)进行扩频和加扰设计，能大幅度地增加信息的隐蔽效果。

发明内容

为达到上述目的，本发明提出了一种基于电磁波轨道角动量的隐蔽传输系统。

一种电磁波轨道角动量隐蔽传输系统，包括：信号发生子系统，包括依次连接的扩频加扰模块、调制器和射频发生模块，用户数据和控制数据分别输入扩频加扰模块，扩频加扰模块根据所述控制数据对所述用户数据进行扩频和加扰操作，从而获得主信道数据，调制器将所述主信道数据调制为中频信号，射频发生模块将所述中频信号上变频为主信道传输信号，其中，所述控制数据包含扩频序列生成多项式的有关信息以及扰码器抽头系数的有关信息；发射天线子系统，包括依次连接的扩维模块、轨道角动量选择产生模块以及发射天线阵列，所述控制数据还输入扩维模块，所述主信道传输信号输入轨道角动量选择产生模块，扩维模块对所述控制数据进行轨道角动量维度上的扩维操作，获得控制流扩维后数据，控制流扩维后数据输入轨道角动量选择产生模块，选择不同模式的轨道角动量电磁波将所述射频信号传输给发射天线阵列，所述发射天线阵列将所述射频信号转换成空间传输电磁波；信号接收子系统，包括解扩维模块和依次连接的接收天线阵列、射频接收模块、解调器、主信道解扩解扰模块，接收天线阵列将接收的空间传输电磁波转换成射频信号，射频接收模块将所述射频信号下变频为中频信号，解调器将所述中频信号恢复为主信道数据并传输给主信道解扩解扰模块，解扩维模块区别不同模式的轨道角动量，继而通过解扩维操作获得所述控制数据并传输给主信道解扩解扰模块，主信道解扩解扰模块利用所述控制数据对主信道数据进行解扩解扰操作，以获得隐蔽传输的用户数据。

优选地，解扩维模块利用接收天线阵列接收到的空间传输电磁波或下变频得到的中频信号来区别不同模式的轨道角动量。

优选地，轨道角动量选择产生模块内设置有查找表，输入的控制流扩维后数据根据查找表转换为多组以高低电平形式生成的二维数据，且各组二维数据与主信道数据相乘，形成对应的多组发射信号。并且在所述查找表中，任一组二维数据都至少具有一个高电平。

优选地，所述接收天线阵列接收到的数据分成两路：一路用来区别不同模式的轨道角动量，再通过控制流解扩维操作获得控制数据，之后根据扩频序列生成多项式的有关信息和扰码器抽头系数的有关信息，分别生成对应的解扰器以及相应扩频序列的匹配滤波器；另一路通过分集操作，获得最大信噪比的主信道数据，再结合解扰器以及相应扩频序列的匹配滤波器，对主信道数据进行解扩解扰操作，获得隐蔽传输的用户数据。

优选地，在发射天线子系统中，所述射频信号先通过信号延迟器进行缓存，再和控制流扩维后的数据一同输入到轨道角动量选择产生模块，并且，通过当前时刻的控制流扩维后的数据选择不同模式的轨道角动量电磁波对前一时刻的所述射频信号进行发射；在信号接收子系统中，通过寄存器把前一时刻通过区分不同模式轨道角动量电磁波而获得的控制流数据进行存储，并提前生成相应扩频序列的匹配滤波器以及解扰器，从而得到前一时刻隐蔽传输的用户数据。

优选地，在传输链路中加入中继模块，通过信号接收机子系统获得用户数据和控制数据，再通过信号发生器子系统和发射天线子系统将信号中继出去，以获得更远的传输距离。

优选地，所述电磁波包括光波、微波、毫米波以及太赫兹波中的一种或多种。

优选地，所述发射天线阵列和/或所述接收天线阵列中的天线为喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线、阵列天线中的一种。

优选地，所述扩频加扰模块的扩频方式是直接序列扩频、跳频扩频、跳时扩频中的一种或多种。

优选地，不同模态轨道角动量电磁波的产生方式是螺旋相位板、特定反射面天线、特定馈源天线、相控阵天线、空间光调制器、衍射光栅和超材料中的一种或多种。

本发明旨在至少在一定程度上解决隐蔽传输中由于扩频序列较长而造成的占用带宽过大、接收机计算复杂度过高等问题；也至少在一定程度上解决了背景中所述的隐蔽传输中由于扩频序列较短而造成的隐蔽效果不佳问题。本发明克服了传统扩频加扰隐蔽传输中扩频序列长度与数据传输速率的固有矛盾。该系统在电磁波轨道角动量维度上采用扩维设计，并同时在电磁波的传统维度上采用扩频加扰操作，通过控制不同模式的轨道角动量电磁波，即单一模态(模式数)轨道角动量电磁波或不同模态(模式数)轨道角动量电磁波的组合，完成对传统维度上的数据进行传输，达到隐蔽传输的效果。在带宽有限的情况下，该系统能够通过在轨道角动量上采用扩维操作，来实现一种极佳的隐蔽传输效果，达到扩频序列和扰码器的抽头系数在每次传输过程中都能改变的隐蔽传输方式，近似于“一次一密”的通信效果。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1为本发明实施例的电磁波轨道角动量隐蔽传输系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的控制数据帧结构的示意图；

图3为本发明实施例的主信道数据与控制流数据时序逻辑图；

图4为本发明实施例的轨道角动量选择产生模块信号处理框图；

图5为本发明实施例的轨道角动量选择产生模块中查找表逻辑示意图；

图6为本发明实施例的信号接收子系统的信号处理框图；

图7为本发明实施例的避免接收数据延迟的轨道角动量选择产生模块示意图；

图8为本发明实施例引入延迟模块后的主信道数据与控制数据时序逻辑图；

图9为本发明实施例引入中继模块后的电磁波轨道角动量隐蔽传输系统的结构示意图；

图10为本发明第一实例中的符号传输速率与序列长度关系图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的电磁波轨道角动量隐蔽传输系统的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

如图1所示，电磁波轨道角动量隐蔽传输系统10包括信号发生子系统100、发射天线子系统200和信号接收子系统300。其中，信号发生子系统100包括扩频加扰模块101、调制器102和射频发射模块103；发射天线子系统200包括轨道角动量选择产生模块201、扩维模块202以及发射天线阵列203；信号接收子系统300包括接收阵列301、射频接收模块302、解调器303、控制流解扩维模块304以及主信道解扩解扰模块305。下面分别说明各子系统的构成。

1.信号发生子系统

(1)扩频加扰模块101：输入为用户数据和控制数据，其中控制数据蕴含了扩频序列生成多项式的有关信息以及扰码器抽头系数的有关信息，具体的数据结构形式如图2所示。根据控制数据对用户数据进行扩频(直接序列扩频、跳频、跳时)和加扰操作，获得主信道数据；

(2)调制器102：将主信道数据调制到中频信号；

(3)射频发射模块103：将所述中频信号上变频至所发射频点，即转化为主信道传输信号。

2.发射天线子系统

(1)扩维模块：对控制数据进行轨道角动量维度上的扩维操作，获得控制流扩维后的数据。图3表示了主信道数据与控制流数据的时序逻辑图。用户数据的一个符号时间长度与扩频序列的周期相同；控制数据的一个符号时间长度对应n个用户数据符号的时长，即主信道数据1个数据段的时长；根据控制数据生成扩频序列；控制数据一个符号的时长与扩维序列的周期相同。

(2)轨道角动量选择产生模块：其中设置有多个模态的轨道角动量产生子模块，用以生成多个模态的轨道角动量，通过控制流扩维后数据来选择不同模式的轨道角动量电磁波来对主信道信号进行发射。轨道角动量选择产生模块中设置有查找表，图4为该模块的信号处理框图。首先，通过查找表模块将输入的控制流扩维后数据转换为n组二维数据输出，每一组二维数据是以高低电平的形式生成。图5为查找表的逻辑示意图，根据不同的输入符号来输出对应的n路高低电平。在该查找表中，避免了每一路高低电平全为零的情况，因为每一路高低电平全为零表示所有模态的轨道角动量电磁波都不会发射信号，即主信道数据不能被传输。然后，将输出的n路高低电平数据与射频信号携带的主信道数据进行相乘，形成n路发射信号，再输入到对应模态的轨道角动量产生子模块中。如图4中所示，n路发射信号分别输入到l₁到l_n模态的轨道角动量产生子模块中。

轨道角动量产生模块内设置有查找表，输入的控制流扩维后数据根据查找表转换为多组以高低电平形式生成的二维数据，且各组二维数据与主信道数据相乘，形成对应的多组发射信号。

(3)发射天线阵列：将传输线中的主信道传输信号(即传输线中的导行电磁波)转换成空间传输电磁波。

3.信号接收子系统

(1)接收天线阵列：将空间传输电磁波(在自由空间中传输的电磁波)转换成射频信号(即传输线中的导行电磁波)；

(2)射频接收模块：将天线阵列接收到的射频信号下变频为中频信号；

(3)控制流解扩维模块：利用天线阵列接收到的射频信号或下变频得到的中频信号来区别不同模式轨道角动量，通过解扩维操作获得控制数据；

(4)解调器：从中频信号获得主信道数据；

(5)主信道解扩解扰模块：利用控制数据对主信道数据进行解扩解扰操作，以获得隐蔽传输的用户数据。

信号接收子系统具体的信号处理框图如图6所示，将天线阵列接收到的数据分成两路：一路用来区别不同模式的轨道角动量，再通过控制流解扩维操作获得控制数据，之后根据扩频序列生成多项式的有关信息和扰码器抽头系数的有关信息，分别生成对应的解扰器以及相应扩频序列的匹配滤波器；另一路通过分集操作，获得最大信噪比的主信道数据，再结合解扰器以及相应扩频序列的匹配滤波器，对主信道数据进行解扩解扰操作，获得隐蔽传输的用户数据。

整个隐蔽传输系统的信号处理工作流程如下：控制数据为扩频加扰模块101提供扩频序列生成多项式的有关信息以及扰码器抽头系数的有关信息。如图2所示，扩频序列生成多项式的有关信息包括A₀直到A_n个数据，扰码器抽头系数的有关信息包括B₀直到B_m个数据。用户数据通过扩频加扰模块101后，经过扩频和加扰操作得到主信道数据，调制器102将其调制到中频，再上变频得到主信道传输信号。在发射天线子系统中，控制数据先通过扩维模块202进行轨道角动量维度上的扩维码操作，得到控制流扩维后数据，将其和主信道传输信号同时输入到轨道角动量选择产生模块201，控制流扩维后的数据控制轨道角动量选择产生模块，选择不同模式的轨道角动量电磁波对射频信号进行传输，通过发射天线阵列203将传输线中的导行电磁波转化为自由空间中的电磁波。在接收端，通过接收天线阵列301对自由空间中的电磁波进行接收，将其转化为传输线中的导行电磁波，并经过射频接收模块302，将射频信号下变频至中频；同时，将射频信号或者中频信号输入到控制流解扩维模块304，获得控制数据；将控制数据和经过解调器303解调后的数据流输入到主信道解扩解扰模块，获得用户数据。

综上所述，电磁波轨道角动量隐蔽传输系统能够在轨道角动量维度上进行扩维操作。与此同时，在电磁波的传统维度上，也进行了扩频和加扰操作。与传统的方法相比，增加了轨道角动量维度上的扩维操作，具有更好地隐蔽传输效果。

本发明的电磁波轨道角动量隐蔽传输系统增加了在轨道角动量维度上的扩维操作，也增加了一定的发射信号的信号处理复杂度以及信号接收子系统的信号处理的复杂度，但与利用和扩维码序列长度相同的扩频序列进行扩频的传统隐蔽传输方法相比，本发明并没有引入过多的复杂度，只是增加了传统维度上的扩频和加扰的复杂度，但由于控制数据相对于用户数据较短，对应的扩频序列相对较短，解码器也相对简单，本发明的计算复杂度与传统方法相比并没有数量级上的增加。综上所述，隐蔽传输要求长距离、窄带宽、低复杂度、高可靠性、快速接收，而基于电磁波轨道角动量的隐蔽传输系统恰好能满足这种需求。由于携带轨道角动量的电磁波存在能量奇点以及传输发散角，在进行长距离传输时，传统地接收整个相位面基本不可能实现；不同模式的轨道角动量电磁波在长距离小范围内接收的非正交性又限制了传输速率，而这正好对隐蔽传输有利。在较低传输速率下进行解扩解扰操作降低了信号接收子系统的处理难度，同时利用电磁波轨道角动量维度进行扩维设计，在不增加带宽的情况下，又能支持很长的扩维序列，能够达到很强的隐蔽传输效果。

另外，根据本发明的电磁波轨道角动量隐蔽传输系统还可以具有以下附加的技术特征：

在一个可选实施例中，以上所示的系统结构是通过同一时间段内的控制数据作为主信道数据的扩频序列生成多项式和扰码器抽头系数的信息载体的。在这种情况下，在信号接收子系统中，需要先通过控制流解扩维模块区别不同模式的轨道角动量电磁波，进而获得控制数据，再对主信道数据进行解扩解扰操作，这就存在着一定的延时，并需要一定量的存储空间来存储该主信道数据。如图7所示，在发射天线子系统中，所述射频信号先通过信号延迟器进行缓存，再和控制流扩维后的数据一同输入到轨道角动量选择产生模块，并且，通过当前时刻的控制流扩维后的数据选择不同模式的轨道角动量电磁波对前一时刻的所述射频信号进行发射。图8表示加入延时模块后主信道数据与控制数据的时序逻辑图，与图3相比，只是进行了主信道数据的延时，各个数据的长度并没有变化。在信号接收子系统中，通过寄存器把前一时刻通过区分不同模式轨道角动量电磁波而获得的控制流数据进行存储，并提前生成相应扩频序列的匹配滤波器以及解扰器，从而得到前一时刻隐蔽传输的用户数据。

在一个可选实施例中，以上所示的系统结构是通过单次通信完成隐蔽传输的。这种单次通信对隐蔽传输距离存在着一定的约束，因此，可以利用中继模块来完成远距离的通信。如图9所示，在发送端和接收端之间加入一定数量的中继模块，也就是说，该电磁波轨道角动量隐蔽传输系统还包括至少一个设置在发射天线子系统和信号接收子系统之间的中继模块，所述中继模块包括至少一个设置在发射天线子系统和接收子系统之间的中继模块，所述中继模块包括一次连接的所述信号接收子系统、所述信号发生子系统和所述发射天线子系统。利用中继模块的信号接收子系统获得用户数据和控制数据，然后再通过中继模块的信号发射器子系统和发射天线子系统将信号中继发射出去，以达到扩展传输距离的作用。

在一个可选实施例中，所述电磁波包括光波、微波、毫米波以及太赫兹波中的一种或多种。

在一个可选实施例中，所述发射天线阵列和/或所述接收天线阵列中的天线为喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线、阵列天线中的一种。

在一个可选实施例中，所述扩频加扰模块的扩频方式是直接序列扩频、跳频扩频、跳时扩频中的一种或多种。

在一个可选实施例中，不同模态轨道角动量电磁波的产生方式是螺旋相位板、特定反射面天线、特定馈源天线、相控阵天线、空间光调制器、衍射光栅和超材料中的一种或多种。

第一实例

下面以发射端能够产生两种模态的轨道角动量电磁波，而接收端是由两根天线构成的接收天线阵列为例来说明该隐蔽传输系统的传输速率。为了不失一般性，假设模式数为l₁的轨道角动量电磁波在由两根天线构成的天线阵处引起的接收相位差为模式数为l₂的轨道角动量电磁波在由两根天线构成的天线阵处引起的接收相位差为因此，对于两种不同模式数的轨道角动量电磁波，由两根天线构成的天线阵的接收相位差的差别为假设接收信号的幅度为A，噪声方差为σ²，则切换不同模式数进行轨道角动量电磁波发射主信道数据来传输控制流数据的方法的误码率为

其中η_SNR2表示接收端信噪比，E_b表示信号能量，n₀表示接收端噪声功率谱密度。相似地，在本发明的一个具体实施例中，主信道数据的调制方式为BPSK，对应的误码率为

假设主信道误码率ε_main达到阈值10^-5时对应的信噪比为η_SNR1，控制流达到相同的误码率ε_control对应的信噪比为在接收功率为P时，主信道数据和控制流数据的传输速率分别为

R_main＝P/(η_SNR1·n₀) (3)

根据公式(3)和(4)，不难得出结论，控制流信道传输速率随着的减小而不断减小。对于电磁波轨道角动量隐蔽传输系统，接收天线阵列布置的范围必然有限制，这就导致了两根接收天线的相位差随着距离增加不断减少，控制流信息传输速率降低。

根据上面的分析，当主信道数据的调制方式为BPSK(二进制相移键控)，传输速率为R_main＝10Mbps，在成形滤波器的冲激响应为方波时，对应的传输带宽为10MHz，接收天线阵列的两根天线对于不同模式数的轨道角动量电磁的相位差区别为因此对应的控制流的传输速率为R_control＝1kbps。根据公式(3)和(4)得到的控制流信道传输速率和主信道传输速率，可以设计出如下的电磁波轨道角动量传输系统。

首先利用长度为1.27×10⁶的m序列作为扩维码序列对控制数据进行扩维操作，获得控制流扩维后的数据。同时，利用控制数据中与扩频序列生成多项式有关信息生成长度为127的m序列作为扩频序列，利用其余部分的信息构成扰码器，对用户数据进行扩频加扰操作，生成主信道数据。主信道数据先通过调制器得到中频信号，再经过射频发生模块上变频至所发射频点。利用控制流扩维后的数据对轨道角动量选择产生模块进行控制，切换模式数l₁的轨道角动量电磁波与模式数l₂的轨道角动量电磁波对主信道射频信号进行发射。在接收端利用由两根天线构成的天线阵进行接收，将自由空间中的电磁波转化为传输线中的导行电磁波，通过对比两根天线接收到信号的相位差判断所传输的轨道角动量电磁波的模式数，获得控制流扩维后的数据，再利用长度为1.27×10⁶的扩维码序列对控制流扩维后的数据进行解扩维操作获得控制数据，再根据控制数据中蕴含的信息，分别生成对应扩频序列的匹配滤波器以及解码器，对主信道数据进行解扩解扰操作，获得用户数据。

下面对上述的实施例进行分析，在上述的实施例中，扩频序列为长度为127的m序列，则利用该扩频序列对主信道传输数据进行直接序列扩频后，主信道的带宽为1.27GHz。相似的，对于控制数据，在轨道角动量维度上进行扩维码设计，在不占用额外带宽的情况下，扩维码序列的长度可以达到1.27×10⁶，具有很强的隐蔽传输的效果，盲估计和破译难度极大。在这种情况下，还可以改变控制流所传输的数据，即改变了主信道的扩频序列生成多项式。在极致情况下，可以使主信道的扩频序列在每次传输时都不一样，达到了一次一扩频的效果。在第三方只侦听主信道数据的情况下，不可能对主信道数据进行盲估计而破译扩频序列。即使破译了主信道的扩频序列，由于采用一次一扩频的隐蔽传输体制，第三方也不能正确获得信息数据流。而如果第三方采用相同的方式对控制信道进行监听，由于扩频序列的长度极长，在本发明的一个具体实施例中扩维序列的长度达到了1.27×10⁶，按照目前的计算能力，几乎不可能被盲估计并破译。

与传统的隐蔽通信模式对比，如果不利用电磁波轨道角动量隐蔽传输系统，直接对主信道传输的数据进行扩频序列长度为1.27×10⁶的扩频，在限定带宽为1.27GHz的条件下，主信道数据的传输速率只有1kbps，这是不能让人接受的，而基于电磁波轨道角动量的传输速率可以达到10Mbps。如果传统的扩频通信数据传输速率达到10Mbps，同样采用长度为1.27×10⁶的极长扩频序列进行扩频，在这种情况下，所占用的带宽过大，达到了1.27×10¹³Hz，在毫米波波段是不能实现的。图10表示了本发明第一实例中的符号传输速率与序列长度的关系图。显而易见，传统的直接序列扩频隐蔽通信系统符号传输速率随着扩频序列长度的增加而减少。而电磁波轨道角动量隐蔽传输系统，在序列长度相同的情况下，能够传输的符号速率比传统的高出10⁶，优势非常明显。

第二实例

下面以第二实例来对比分析电磁波轨道角动量隐蔽传输系统的抗截获能力与传统的直接序列扩频隐蔽通信的抗截获能力。

利用的扩维码序列是m序列，为了和传统方法进行对比分析，假设传统直接扩频序列也是m序列。m序列是一种基于线性反馈移位寄存器结构的伪随机序列。描述其工作过程的一组递归方程为：

在已知m序列长度的条件下，第三方只需要连续接收2n个码字，就可以构造一个n元逻辑方程组：

通过解此逻辑方程组就可以确定产生m序列的抽头系数，众所周知，矩阵求逆的计算复杂度为O(n³)。因此，对于扩频序列是m序列的隐蔽传输系统，在第三方对扩频序列进行估计，需要的存储空间是2n，计算复杂度是O(n³)。而在m序列长度未知的情况下，假设其抽头个数为C，在第三方进行解调时，需要对序列长度在1～C中进行扫描，所需要的计算复杂度为O(n⁴)。同时也要存储更长的序列来进行抽头系数的计算，比较每组计算得到的抽头系数是否相同，因此，也需要更多的存储空间。对于长度为1.27×10⁶的m序列估计所需要的计算复杂度远大于长度为127的扩频序列的计算复杂度。而对于更一般的情况，在扩频序列为一般序列的情况下，可利用特征值分解的方法对扩频码进行盲估计。其原理和计算复杂度如下。

假设扩频序列的符号时长为T_c，周期为T₀。对接收数据按T₀进行连续周期分段形成的数据向量为

x(k)＝s(k)+n(k) (7)

其中s(k)为接收到的第k周期有用信号，n(k)是一个独立同分布的零均值、方差为的高斯白噪声。数据向量的长度为L，与扩频序列相同。不失一般性，假设x(k)包含连续的两位信息符号的扩频序列，即

s(k)＝d_kc₁+d_k+1c₂ (8)

其中d_k和d_k+1是连续两位信息符号，并且互不相关。假设数据序列的采样起始点位于整个序列的T_x时间点处，则c₁包含时长为T₀-T_x的扩频序列后段，后面紧接着时长为T_x的零值，则c₂包含时长为T₀-T_x的零值，后面紧接着时长为T_x的扩频序列前端。由此，数据向量x(k)可以表示为

x(k)＝d_k||c₁||u₁+d_k+1||c₂||u₂+n(k) (9)

u₁和u₂分别是c₁和c₂作幅度归一化之后的向量，显然，u₁和u₂是正交归一化向量。数据向量的自相关矩阵可表示为

由公式(10)可知，在信噪比大于0的情况下，自相关矩阵R_x的两个最大特征值对应的特征向量就是u₁和u₂。则扩频序列可表示为

c＝c₁+c₂＝sgn(u₁)+sgn(u₂) (11)

而求解矩阵特征值以及特征向量的计算复杂度为O(L³)，因此，对扩频序列进行估计的计算复杂度即为O(L³)，其中L为扩频序列或扩维序列的长度。

假设计算机的运算速度为1×10¹²MOPS，工作5天，可破解的扩频序列长度为表示为图10中的竖线，在该竖线左边的隐蔽传输系统都可以被破解，但是本实施例中提到的电磁波轨道角动量隐蔽传输系统在该竖线的右边，即不能被破解。对于同等带宽下同样传输速率的传统直接扩频的隐蔽传输系统，扩频序列长度仅为127，该计算机仅需到127³/10¹²＝2μs即可破解。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁波轨道角动量隐蔽传输系统，其特征在于，包括：

信号发生子系统，包括依次连接的扩频加扰模块、调制器和射频发射模块，用户数据和控制数据分别输入扩频加扰模块，扩频加扰模块根据所述控制数据对所述用户数据进行扩频和加扰操作，从而获得主信道数据，调制器将所述主信道数据调制为中频信号，射频发射模块将所述中频信号上变频为主信道传输信号，

其中，所述控制数据包含扩频序列生成多项式的有关信息以及扰码器抽头系数的有关信息；

发射天线子系统，包括依次连接的扩维模块、轨道角动量选择产生模块以及发射天线阵列，

所述控制数据还输入扩维模块，所述主信道传输信号输入轨道角动量选择产生模块，扩维模块对所述控制数据进行轨道角动量维度上的扩维操作，获得控制流扩维后数据，控制流扩维后数据输入轨道角动量选择产生模块，选择不同模式的轨道角动量电磁波将所述主信道传输信号传输给发射天线阵列，所述发射天线阵列将所述主信道传输信号转换成空间传输电磁波；

信号接收子系统，包括解扩维模块和依次连接的接收天线阵列、射频接收模块、解调器、主信道解扩解扰模块，

接收天线阵列将接收的空间传输电磁波转换成射频信号，射频接收模块将所述射频信号下变频为中频信号，解调器将所述中频信号恢复为主信道数据并传输给主信道解扩解扰模块，

解扩维模块区别不同模式的轨道角动量，继而通过解扩维操作获得所述控制数据并传输给主信道解扩解扰模块，主信道解扩解扰模块利用所述控制数据对主信道数据进行解扩解扰操作，以获得隐蔽传输的用户数据。

2.根据权利要求1所述的电磁波轨道角动量隐蔽传输系统，其特征在于，解扩维模块利用接收天线阵列接收到的空间传输电磁波或下变频得到的中频信号来区别不同模式的轨道角动量。

3.根据权利要求1所述的电磁波轨道角动量隐蔽传输系统，其特征在于，轨道角动量选择产生模块内设置有查找表，输入的控制流扩维后数据根据查找表转换为多组以高低电平形式生成的二维数据，且各组二维数据与主信道数据相乘，形成对应的多组发射信号，并且在所述查找表中，任一组二维数据都至少具有一个高电平。

4.根据权利要求1所述的电磁波轨道角动量隐蔽传输系统，其特征在于，

所述接收天线阵列接收到的数据分成两路：一路用来区别不同模式的轨道角动量，再通过控制流解扩维操作获得控制数据，之后根据扩频序列生成多项式的有关信息和扰码器抽头系数的有关信息，分别生成对应的解扰器以及相应扩频序列的匹配滤波器；

另一路通过分集操作，获得最大信噪比的主信道数据，再结合解扰器以及相应扩频序列的匹配滤波器，对主信道数据进行解扩解扰操作，获得隐蔽传输的用户数据。

5.根据权利要求1所述的电磁波轨道角动量隐蔽传输系统，其特征在于，

在发射天线子系统中，所述主信道传输信号先通过信号延迟器进行缓存，再和控制流扩维后的数据一同输入到轨道角动量选择产生模块，并且，通过当前时刻的控制流扩维后的数据选择不同模式的轨道角动量电磁波对前一时刻的所述主信道传输信号进行发射；

在信号接收子系统中，通过寄存器把前一时刻通过区分不同模式轨道角动量电磁波而获得的控制流数据进行存储，并提前生成相应扩频序列的匹配滤波器以及解扰器，从而得到前一时刻隐蔽传输的用户数据。

6.根据权利要求1所述的电磁波轨道角动量隐蔽传输系统，其特征在于，

所述电磁波轨道角动量隐蔽传输系统还包括至少一个设置在发射天线子系统和信号接收子系统之间的中继模块，每个中继模块包括依次连接的所述信号接收子系统、所述信号发生子系统和所述发射天线子系统，通过中继模块的信号接收子系统获得用户数据和控制数据，再通过中继模块的信号发生子系统和中继模块的发射天线子系统将信号中继发射出去，以获得更远的传输距离。

7.根据权利要求1所述的电磁波轨道角动量隐蔽传输系统，其特征在于，所述电磁波包括光波、微波、毫米波以及太赫兹波中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的电磁波轨道角动量隐蔽传输系统，其特征在于，所述发射天线阵列和/或所述接收天线阵列中的天线为喇叭天线、抛物面天线、卡塞哥伦天线、贴片天线、阵列天线中的一种。

9.根据权利要求1所述的电磁波轨道角动量隐蔽传输系统，其特征在于，所述扩频加扰模块的扩频方式是直接序列扩频、跳频扩频、跳时扩频中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的电磁波轨道角动量隐蔽传输系统，其特征在于，通过螺旋相位板、特定反射面天线、特定馈源天线、相控阵天线、空间光调制器、衍射光栅和超材料中的一种或多种产生不同模态轨道角动量电磁波。