admin 跳频通信技术因为具有较好的抗干扰和低截获性能，在军事通信中占有重要的地位，因此提高系统的保密性有着很重要的意义。为了提高保密性，提出了两种提高系统保密性的方法，其核心思想是将加密算法应用到跳频系统，分别在跳频通信系统发送端和接收端进行加密和解密。
一、系统模型分析
跳频通信实际上是一种扩频通信，通俗地讲，就是在不同时刻利用不同的频率传送信息，以达到抗干扰抗截获的目的。它的基本结构是在发送端首先进行MFSK(M进制频移键控)信息调制，然后进行跳频调制，经过信道后，接收端按照相同的跳频频率表来进行解跳，而后进行信息解调，如图1所示，本文采用4FSK进行信息调制，眺频调制主要体现在跳频码的选择上，这里采用RS码。
在域GF上，其中为大于2的正整数，码长的本原BCH码称为RS码。在RS码中，当时，码字不会重复出现，这种情况下，可以得到有最大跳频增益的跳频图案；当时，它不再是非重复码，这就会导致部分频率重复出现，而部分频率不出现，这样跳频增益会明显下降，所以RS码作为跳频码的性能最好，图2为基于(63，2) RS码的一种跳频图案。
二、加密算法
1、DES算法
DES是最常用的加密算法之一，自诞生至今一直被广泛应用于各个行业领域，由于DES算法保密性强，DES得到了广泛的应用。
（1）DES加密过程
DES加密算法是16轮的Feistel模型，输入64位的明文和64位的密钥信息（每个第八位是奇偶校验位，实际有效密钥是56位），其加密过程如图3所示。
加密步骤如下：
1)将需要进行加密的64位信息数据进行初始置换；
2)将置换后的数据分为各32位的左右两半部分；
3)进行16轮迭代．在每一轮中，右半部分在子密钥的作用下进行变换，得到的32位数据与左半部分按位异或，产生的32位数据作为下一轮迭代的右半部分，原右半部分直接作为下一轮迭代的左半部分，但第16轮（最后一轮）不进行左右互换。
4)对经过16轮迭代后的64位数据进行逆初始置换，所得结果即为密文。
（2）DES解密过程
DES算法的解密算法与加密算法相同，只是各子密钥的顺序相反，即为K16，K15，…，K1，解密时把64位密文当作明文输入，而且第1次解密迭代使用子密钥K16，第2次解密迭代使用K15，……，第16次解密迭代使用K1，最后的输出便是64位明文。
2、AES加密算法
（1）AES的加密
AES算法属于分组密码算法，AES与DES的结构不同，不是采用Feistel结构，而是进行了多轮的替换，行移位，列混合和密钥加操作。AES的明文分组大小为128 bit，密钥长度是不惟一的，支持128、192、256比特的三种密钥长度。
本文中采用的算法是AES-128，迭代轮数是10轮，其核心是对State矩阵（AES的数据处理单位是字节，128比特为16个字节，按顺序复制到4x4矩阵，该矩阵称为State）进行1O次轮操作，每次轮操作（除最后一轮外）都由字节代换( Sub Bytes)、行移位(ShiftRows)、列混淆(MixColumns)、轮密钥加( AddRoundKey)四个运算构成，最后一轮不包含列混淆操作，如图4所示。
（2）AES的解密
由于AES算法没有使用Feistel结构，因此AES的解密操作与DES算法不同，AES算法的解密需要使用相应变换的逆向变换，并且各个变换的使用顺序也不一样，首先对密文进行轮密钥加，然后进行第1轮的解密，分别为逆行移位，逆字节代换，轮密钥加和逆列混合，直到倒数第2轮的解密，最后1轮操作只有3步：逆行位移，逆字节代换，轮密钥加。
三、仿真与分析
1、采用DES对跳频系统加密
本系统是基于超短波跳频系统的仿真，根据GJB 2928—97规定，战术超短波跳频电台频率范围是30—87.975MHz，战术超短波跳频电台信道间隔是25kHz，本系统的跳频频率是：
其中初始频率Fi=30.OOOMHz，=1，2，…，64。
信息调制的频率分别是f1=3kHz，f2=9kHz，f3=15kHz，f4 =21kHz。
如图l所示，在信息（以下称为明文）进入跳频系统之前对其加密成密文，通过跳频系统传输，接收端进行解跳、解调之后进行解密，还原出明文。图5为仿真结果。
可以看出当接收端使用与发送端同样的密钥1进行解密，得到了正确的原始信息，而使用与发送端不相同的密钥2是无法进行解密的，误码率达到了46.88c70，图6为不同密钥对误码率的影响，第一个点是密钥与发送端密钥的第一位不同，第二个点是密钥与发送端密钥的第二位不同，……，第65个点是发送端密钥，可见当第8位，第16位，第24位，第32位，第40位，第48位，第56位，第64位与发送端密钥不同时也能正确接收到信息，这是因为DES密钥输入64位，但每个第8位用作奇偶校验，所以密钥的长度实际是56位，其他情况接收端均不能正确还原出原始信息，从图中可以看出，其误码率基本维持在较高的0.4—0.6之间，可见使用DES对跳频系统加密可以提高跳频系统的安全性。
2、采用AES对跳频系统加密
AES-128生成的跳频序列可以是跳频在128个频率下跳频，系统只有64个频率，所以在跳频频率表中，AES码中的O与64同时对应Fi，l与65对应F2，……，63与127对应F64。
采用AES加密的仿真图如图7，可以看出只有用与发送端同样的密钥l进行解密，才能得到正确的信息，而使用与发送端不相同的密钥，即使是只有第一位密钥不同的密钥2，依然是无法进行正确解密的，误码率达到了43.75%，接近50%，图8为不同密钥对误码率的影响，第一个点是密钥与发送端密钥的第一位不同，第二个点是密钥与发送端密钥的第二位不同……，第129个点是发送端密钥，可见密钥与发送端密钥不同时，无法正确接收到发送端的信息，其误码率也基本维持在较高的0.4—0.6之间，所以使用AES对跳频系统加密提高了跳频系统的安全性。
3、实时性安全性分析
用PC机(CPU:lntel( R) Pentium( R)Dual-Core E5700，内存：3GB）测试两种算法的实时性，运行次数为100次，测试结果如表1所示。
由表1可见，在军事通信信息是少，实时性要求不高的情况下，两种加密算法都可以应用在这种场合。
对于DES密码，R=256≈7×1016，如果使用运算能力为每秒30亿次的普通计算机来破译DES密钥，假设每次运算能完成一次加密的情况，要完成一次DES密钥的搜索破解过程，需要(256/(30×IOH))/(60×60×24)=278d，但如果用最新最怏的超级计算机，则在几个小时就可以破译。
对于AES密码，假如使用IBM的超级计算机蓝色基因的运算能力（每秒280.6万亿次）来计算，假设每次运算能完成一次加密的情况，要完成一次AES-128密钥的搜索破解过程，需要(2128/(280.6×1012))1( 60×60×24×365)=3.845×1016a的时间，所以可以预见在未来很长时间内，AES的算法依然安全。
通过以上的比较，可以看出，实时性和安全性往往是矛盾的，AES的密钥更安全，但DES的实时性更好，在实际应用中，要通过实际通信指标的要求，选择合理的加密方式。
小知识之跳频技术
跳频技术 (Frequency-Hopping Spread Spectrum；FHSS)在同步、且同时的情况下，接收两端以特定型式的窄频载波来传送讯号，对于一个非特定的接受器，FHSS所产生的跳动讯号对它而言，只算是脉冲噪声。FHSS所展开的讯号可依特别设计来规避噪声或One-to-Many的非重复的频道，并且这些跳频讯号必须遵守FCC的要求，使用75个以上的跳频讯号、且跳频至下一个频率的最大时间间隔 (Dwell Time)为400ms。
