CN104320210B - 一种无线信道特征检测系统 - Google Patents

Abstract

一种无线信道特征检测系统，包括两个均具有信号发射和接收功能的全双工通信节点A和全双工通信节点B，全双工通信节点A的信号发射和全双工通信节点B的信号接收为一个频点，全双工通信节点A的信号接收和全双工通信节点B的信号发送为另外一个不同的频点。全双工通信节点A和全双工通信节点B的组成相同，均包括射频模块、采集模块、授时模块、中央计算模块和存储器。本发明系统可以对无线信道的特征(强度、相位和多普勒频移)进行检测，为下一步采用无线信道特征生成与分发对称密钥提供技术支撑。

Description

一种无线信道特征检测系统

技术领域

本发明属于通信领域，涉及一种无线信道特征检测系统，实现了从无线电宏观特征中检测接收信号强度、相位和多普勒频移的功能。

背景技术

随着无线电通信技术的发展，对通信过程中的安全性要求越来越高。通过利用无线信道特征生成对称密钥，可以使通信双方在通信过程中实时生成并分发真随机的、具有高度安全性的密钥。这种方式可以用于导弹武器和在轨飞行器的无线通信数据链中，极大提高数据链的抗截获能力。

由于现有的通信系统并未针对密钥生成这一目的进行设计，因此现有通信系统尚不能对接收信号的强度、相位和多普勒频移进行高精度、高速率地检测，导致密钥生成速率极低甚至无法生成密钥。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种无线信道特征检测系统，可以对无线信道的特征(强度、相位和多普勒频移)进行检测，为下一步采用无线信道特征生成与分发对称密钥提供技术支撑。

本发明的技术解决方案是：一种无线信道特征检测系统，包括两个均具有信号发射和接收功能的全双工通信节点A和全双工通信节点B，全双工通信节点A的信号发射和全双工通信节点B的信号接收为一个频点，全双工通信节点A的信号接收和全双工通信节点B的信号发送为另外一个不同的频点，全双工通信节点A和全双工通信节点B的组成相同，均包括射频模块、采集模块、授时模块、中央计算模块和存储器，其中：

射频模块：采用频分双工模式，包括IQ调制单元、IQ解调单元、滤波器、合路器、前端放大器、上变频器和下变频器；信号接收时，合路器将天线接收到的射频信号与本地时钟进行混叠，前端放大器对混叠后的射频信号进行放大，滤波器对放大后的射频信号进行频域处理并过滤杂波，下变频器将滤波后的射频信号转换为基带信号，IQ解调单元对基带信号进行解调得到I路和Q路数据；信号发射时，IQ调制单元将从存储器获取的I路和Q路数据进行调制得到基带信号，上变频器将调制后的基带信号转换为射频信号，前端放大器对射频信号进行放大，合路器将放大后的射频信号与本地时钟进行混叠，滤波器对混叠后的射频信号进行频域处理并过滤杂波后送至天线发射；

采集模块：将IQ解调模块输出的模拟I路信号、Q路信号分别输入到两路ADC进行采样，采样后进行数字下变频把载波移到零频后送至存储器；

授时模块：从导航卫星获取同步参考时钟，将参考时钟输入一个参考锁相环进行锁相得到基准时钟，然后将基准时钟输入至时钟锁相环进行锁相得到本地时钟并送至射频模块；

存储器：存储采样模块传来的接收信号的波形数据，以及中央计算模块传来的发射信号的波形数据；

中央计算模块：与存储器进行数据交互，根据外部输入的参数配置确定信号形式并生成发射信号的波形数据送至存储器；从存储器获取接收信号的波形数据，计算获得接收信号的强度、相位和多普勒频移，其中：

信号强度A_I为I路信号的幅值，A_Q为Q路信号的幅值；

相位 $\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \frac{A_Q}{A_I}& A_I>0\\ \mathrm{\&pi;}+\arctan \frac{A_Q}{A_I}& A_I<0\\ \frac{\mathrm{\&pi;}}{2}& A_I=0,A_Q>0\\ -\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}& A_I=0,A_Q<0\end{array}\right.;$

多普勒频移采用基于FFT的频谱分析法计算获得。

本发明与现有技术相比的优点在于：现有通信系统并未针对密钥生成的目的来设计，因而不能对接收信号强度、相位和多普勒频移进行高精度、高速率地检测，本发明系统利用高速AD/DA实现高速率的信号包络采集，采用卫星校时方式提高本振精度，从而实现高精度的信号同步和解析，使用大容量存储器实现信道特征数据的海量收集。另外，本发明系统采用双节点相互握手协同通信的方式进行信号收发，实现双方检测到的接收信号强度、相位和多普勒频移有较高的对称性，能满足对称密钥生成的要求。

附图说明

图1为本发明的系统组成原理框图；

图2为本发明系统的双节点协同通信流程图。

具体实施方式

本发明无线信道特征检测系统由A、B两个全双工通信节点构成，两个通信节点均具有信号发射和接收的功能。A的发射与B的接收是一个频点，B的发射与A的接收是另一个频点。

A、B通信节点的结构相同，系统结构组成如图1所示，包括射频模块、采集模块、授时模块、中央计算模块和存储器。

系统工作时，A、B两个节点发送标准信号相互握手后，同时开始采集来自对方的信号，各自提取基带信号包络后存于各自的存储器中。通信节点通过数据线把信号包络传输到中央计算模块进行解算，得到接收信号的强度、相位和多普勒频移。

如图1所示，射频模块采用频分双工模式，包括IQ调制、IQ解调、滤波器、合路器、前端放大器、上变频器和下变频器，其中IQ调制主要用于I路和Q路基带信号的调制，IQ解调模块主要用于I路和Q路射频信号的解调，滤波器用于信号的频域处理、过滤杂波，合路器用于通信信号与本地时钟频率的混叠，前端放大器用于信号的功率放大，上变频器用于将基带信号转换为射频信号，下变频器用于将射频信号转换为基带信号。

采集模块将模拟I路、Q路信号分别输入到两路ADC进行采样，其后进行数字下变频，把载波移到零频。

授时模块从空中获取同步参考时钟的频率(GPS或北斗导航卫星信号)，参考时钟的频率输入至一个参考锁相环，锁相后可以得到一个基准时钟，并将该基准时钟输入至时钟锁相环，时钟锁相环就以输入的基准时钟作为本地的校准时钟，校准时钟输出至射频模块，射频模块内部本地时钟就以该校准时钟为基准进行重置。

中央计算模块实现与存储器的交互通信，并进行信号强度、相位和多普勒频移的解算。

存储器用以存储发射信号的波形数据与接收信号的波形数据。

本发明的两个节点协同通信，各自的工作流程分为两个并行分支，发射流程与接收流程同时进行。

发射流程包括信号参数配置、信号生成、信号写入、IQ调制、前端放大。信号生成是根据中央计算模块的参数配置确定信号形式并生成波形；信号写入是将中央计算模块的信号波形传输至存储器；IQ调制是将存储器中的发射信号波形进行IQ调制和变频，上变频为高频调制信号；前端放大是将上变频器送来的信号进行放大后，经合路器合路和滤波后输出到天线向外部发射。

接收流程包括信号耦合放大、IQ解调、ADC采样、原始数据存储、原始数据传输、数据分析与存储。信号耦合放大是将空中信号经过天线耦合，接收的信号经滤波器和合路器后，放大并输出至IQ解调；IQ解调是将射频前端送来的射频信号下变频，经解调后输出IQ信号；ADC采样是由采集模块将IQ两路信号分别进行ADC采样；原始数据存储是将采样后的数据存储到存储器中；原始数据传输是在中央计算模块的控制下，将存储器中的原始数据传输至中央计算模块；数据分析与存储是将中央计算模块的原始数据文件进行计算分析，得到信号强度、相位和多普勒频移。

信号强度的计算方法是：射频信号经过解调之后得到I、Q两路信号，根据两路信号的幅值A_I和A_Q计算强度值：

相位的计算方法是，射频信号经过解调之后得到I、Q两路信号，根据两路信号的幅值A_I和A_Q计算相位值θ：

$\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \frac{A_Q}{A_I}& A_I>0\\ \mathrm{\&pi;}+\arctan \frac{A_Q}{A_I}& A_I<0\\ \frac{\mathrm{\&pi;}}{2}& A_I=0,A_Q>0\\ -\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}& A_I=0,A_Q<0\end{array}\right.;$

多普勒频移的计算方法是：采用一般性地基于FFT的频谱分析法进行计算。

本发明的A、B两个通信节点的握手协同通信包括系统上电、空中授时、双方握手、信号发送/接收、工作结束，如图2所示。其中，系统上电是A、B两个通信节点接通适配电源、并打开电源开关；空中授时是从空中获取同步参考时钟；双方握手是由A、B两个通信节点的中央计算模块发起询问，相互发送一个询问数据，双方收到后立即回复确认数据，双方都收到确认数据后即在本地时钟的下一个整秒开始信号发送/接收；信号发送/接收的具体流程如前所述，该流程结束后即代表A、B通信节点的工作结束。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种无线信道特征检测系统，其特征在于：包括两个均具有信号发射和接收功能的全双工通信节点A和全双工通信节点B，全双工通信节点A的信号发射和全双工通信节点B的信号接收为一个频点，全双工通信节点A的信号接收和全双工通信节点B的信号发送为另外一个不同的频点，全双工通信节点A和全双工通信节点B的组成相同，均包括射频模块、采集模块、授时模块、中央计算模块和存储器，其中：

射频模块：采用频分双工模式，包括IQ调制单元、IQ解调单元、滤波器、合路器、前端放大器、上变频器和下变频器；信号接收时，合路器将天线接收到的射频信号与本地时钟进行混叠，前端放大器对混叠后的射频信号进行放大，滤波器对放大后的射频信号进行频域处理并过滤杂波，下变频器将滤波后的射频信号转换为基带信号，IQ解调单元对基带信号进行解调得到I路和Q路数据；信号发射时，IQ调制单元将从存储器获取的I路和Q路数据进行调制得到基带信号，上变频器将调制后的基带信号转换为射频信号，前端放大器对射频信号进行放大，合路器将放大后的射频信号与本地时钟进行混叠，滤波器对混叠后的射频信号进行频域处理并过滤杂波后送至天线发射；

采集模块：将IQ解调模块输出的模拟I路信号、Q路信号分别输入到两路ADC进行采样，采样后进行数字下变频把载波移到零频后送至存储器；

授时模块：从导航卫星获取同步参考时钟，将参考时钟输入一个参考锁相环进行锁相得到基准时钟，然后将基准时钟输入至时钟锁相环进行锁相得到本地时钟并送至射频模块；

存储器：存储采样模块传来的接收信号的波形数据，以及中央计算模块传来的发射信号的波形数据；

中央计算模块：与存储器进行数据交互，根据外部输入的参数配置确定信号形式并生成发射信号的波形数据送至存储器；从存储器获取接收信号的波形数据，计算获得接收信号的强度、相位和多普勒频移，其中：

信号强度A_I为I路信号的幅值，A_Q为Q路信号的幅值；

多普勒频移采用基于FFT的频谱分析法计算获得。