物理层安全是在无线通信信道中实现收发双方所传递数据达到信息论意义上安全的一个新颖而又极具吸引力的研究方向。与传统经典加密方式相比,物理层安全可以根据无线信道自身的固有特性而不是依赖于通信更高层的安全方案,达到扰乱窃听者接收质量的目的,从而确保通信安全。无线通信中利用多天线和多载波所提供的空域、时域和频域自由度,可以在提高通信信道性能的同时,削弱窃听信道性能。因此,本文主要讨论基于多天线和多载波的物理层安全发射设计问题,用以提升通信收发双方信息传递的安全性。论文的主要贡献如下:（1）详细论述了基于多天线、多载波以及多天线和多载波混合的物理层安全发射设计研究现状。（2）研究了基于多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）的物理层安全发射设计问题。针对传统随机高斯输入,提出了一种基于极大极小化（Minorization-Maximization,MM）技术的有效算法以实现安全速率最大化。所提出的算法推导出一个线性函数对非凸目标函数进行极小化,而且每次迭代时可以求得解析解。同时,可以保证所提出算法是收敛的。此外,为了提高所提出算法的收敛速度,提出了一个平方迭代方法（Squared Iterative Method,SQUAREM）。然后,扩展了所提出的算法以求解基于发射功率最小化准则的发射设计问题。与现有算法相比,在性能相同的前提下,所设计的算法计算复杂度明显降低。（3）研究了基于多输入单输出（Multiple Input Single Output,MISO）的物理层安全发射设计问题。与传统随机高斯输入相比,在实际通信系统中通常采用离散信道输入,并考虑峰均比（Peak-to-Average-Power Ratio,PAPR）约束。因此,针对离散有限字母输入,构建了恒定包络约束下最小化参考输入和设计输入之间欧式距离的问题模型。然后,为了求解基于恒定包络约束的非凸优化问题,提出了一个基于MM的迭代算法。此外,扩展了所提出的算法,求解基于低PAPR约束的非凸优化问题。结果表明,所提出的算法可以实现安全通信的目的。（4）研究了基于正交频分复用（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing,OFDM）的物理层安全发射设计问题。针对离散信道输入,提出了一个频域人工噪声（Artificial Noise,AN）辅助的发射设计方案。构建了一个最大化累积安全速率的问题模型,以实现子载波分配、信息信号功率和AN信号功率的联合优化。然后,基于次优子载波分配方案,提出了一种基于拉格朗日对偶的迭代算法,以实现在信息信号和AN信号之间分配功率。可以发现,所提出的算法明显提升了安全速率。（5）研究了基于MIMO-OFDM的物理层安全发射设计问题。具体而言,研究了MIMO-OFDM窃听信道的两种安全速率优化问题:安全速率最大化问题和功率最小化问题。由于非凸安全速率约束,这些优化问题都不是凸的。为求解这些非凸问题,提出了一个基于半正定规划（Semi-Definite Programming,SDP）的迭代算法,并证明了算法收敛性。由于MIMO-OFDM的维度高导致基于SDP的算法难于求解,提出了一种基于MM准则的高效算法。该算法通过线性函数极小化目标函数,并且保证收敛。同时,可以保证每次迭代中得到显式解。此外,通过SQUAREM方法提高所提算法的收敛速度。然后,扩展所提出的算法以求解发射功率最小化问题。结果表明,所提出的算法可以实现MIMO-OFDM窃听信道的安全发射。（6）研究了基于OFDM的物理层安全通信系统设计问题。针对系统功能要求,设计了系统物理层协议的帧结构,提出了一个基于OFDM的系统功能设计方案以及相应的硬件实现方案。