CN111092642B - 一种基于四维天线阵的动态方向调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于四维天线阵的动态方向调制方法。其基本系统包括天线阵列、射频开关、开关管理系统、功分器、本振信号源。本发明最大的创新在于在四维天线阵上实现了动态的方向调制，使得在整个信号发射过程中，期望方向接收到标准信号而非期望方向上接收到的信号发生动态随机的畸变，大大增强了系统的保密性能。并且，信号的调制直接在天线端完成，发射信号的期望方向也可以由射频开关任意调节。相比已有的物理层保密通信方式，此方法物理系统结构简单，成本较低并且拥有更强的保密效果。本发明用于无线通信系统中。

Description

一种基于四维天线阵的动态方向调制方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，它特别涉及利用四维天线阵实现动态的方向调制。
背景技术
无线通信技术飞速发展，极大地促进了生产力的进步。与此同时，数据失密所造成的后果也愈发严重，所以无线通信的安全问题也越来越受到人们的重视。传统的天线或天线阵在不同方向发射的信号携带相同的信息，不同方向发射的信号的唯一不同之处在于信号功率电平与时间延迟。理论上有足够灵敏度的接收机是可以捕获天线阵副瓣方向发射电磁波所携带的信息。抑制副瓣电平(SLL)可以降低敌方所窃取信号的信噪比(SNR)，提高传输信号的安全性。然而，工程中低副瓣的实现是受到很多限制的，包括成本限制和技术限制。技术上各种误差限制了低副瓣的实现，例如系统误差和随机误差。在无线保密通信系统中，为了保证信息传输的可靠性和秘密性，常用扩频调制技术和信息加密技术。然而，采用传统天线阵发射的这种加密信号从理论上仍然能够通过破解等方式来截获到所需信息。为了从物理上提供一个安全的通信链路，近来有学者提出了射频前端方向调制技术。这些技术的共同特点是发射的信号与方向有关或者说发射的信号是方向调制信号，在期望的主瓣方向发射正确信号，在不期望的副瓣方向发射失真信号从而阻止窃听者破解。相对于一些传统的方向调制技术，基于四维天线阵的方向调制更加新颖，实现起来也更加简单，只需要在射频前端层面进行开关调制就可以了。综上所述，基于四维天线阵的保密通信技术有着保密效果好，实现较为简单等显著特点，在通信安全越来越重要的今天，有着广泛的应用前景。
1990年，ELIE J.BAGHDADY在IEEE Trans.Commun发表题为“Directional signalmodulation by means of switched spaced antennas”的文献中首次提出方向调制的概念，运用两个间距为d的天线单元和一个单刀双掷开关，实现了向不同方向发射不同相位差的信号。M.P.Daly等在IEEE Trans.Antennas Propag发表题为“Directional modulationtechnique for phased arrays”提出了基于相控阵天线的方向调制技术，通过合理地改变每个单元的相位，在射频前端部分重新合成数字信号，并使得在不期望方向发射的信号失真。由于该技术依赖于时变的相移，实现起来比较复杂。Zhu Q在“A directionalmodulation technique for secure communication based on 4D antenna arrays”中分析了四维天线阵方向调制的基本原理，并通过仿真和实验验证了四维天线阵方向调制技术，讨论在模拟信号(AM调制)和数字信号(BPSK调制)的情况下，四维天线阵在不同方向上信号的频谱及一定带宽下的误码率；在题为《基于圆环四维天线阵的物理层保密通信研究》的硕士论文中设计了一款圆环四维天线阵并应用于保密通信，电子科技大学在CN102857280中公布了一种基于四维天线阵的保密通信系统及方法，但该专利提出的的基于四维天线阵的保密通信系统在非期望方向上发射信号的幅度相位失真是固定的，可以使用一些较为简单的技术手段加以破解，并且其期望方向是固定的，无法任意调节。
发明内容
本发明鉴于上述技术背景而实现，目的在于提供一种基于四维天线阵的动态方向调制方法。其新颖性在于通过每个天线单元的幅度相位方向图获得一部分天线单元工作时的幅度相位方向图，使得信号的综合更加精准；同时信号的调制在天线端进行，正确信号的发射方向可以由射频开关进行控制；并实现了动态的方向调制，使得在期望方向上获得可以正确解调的信号，而在非期望方向上只能收到随机杂乱的信号，保密效果大大增强；并且非期望方向上信号的杂乱程度可以控制。本方法适用于所有基于幅度相位调制方式，如BPSK，QPSK和QAM等数字信号的调制。本方案提供了一种新的四维天线阵保密通信方法，弥补了现有方向调制系统精度不高，安全性不足，灵活性不高，系统复杂实现困难等问题。
本发明的基本方案见附图1：
它的基本结构由天线阵列1、射频开关2、开关管理系统3、功分器4、本振信号源5等器件组成。本振信号经由功分器和射频开关传输到天线阵列的各天线单元，开关管理系统可以通过对射频开关的控制使得天线阵列的一部分天线单元处于工作状态；先设定一个允许的误差范围，通过计算机仿真得出天线阵列中每个天线单元单独工作时在远区场产生的幅度和相位方向图，根据这些方向图进行叠加计算出不同天线单元组合工作时期望方向上信号的幅度与相位，从中找出与标准码字的幅相误差在该误差范围内的所有结果，记录每个结果所对应的天线单元序号组合并将所有符合要求其编为一组；按照上述方法计算出各个方向不同码字所对应的一组结果，在需要向特定方向发射特定信号时，从所对应记录的一组结果中随机选取一个，控制开关管理系统让其对应序号的天线单元处于工作状态，从而使该方向上的接收者收到正确的信号，而非期望方向上的接收者只能接收到随机杂乱的信号。信号的调制在天线端完成，仅通过对射频开关的控制便可调节正确信号的发射方向，并且在期望方向上的接收者能够接收到非失真信号，而非期望方向的接收者只能接收到随机的杂乱信号。
我们提供的基本方案主要为原理性说明，在实际应用中可以根据具体情况对此基本方案进行改进
1)增加天线单元的数目，可以达到更窄的保密通信宽度，并能使非期望方向的信号更加杂乱。
2)本方法适用于不同形式的天线阵列，当使用平面阵列时，在俯仰角也有保密通信效果。
本发明最大的创新在于：通过每个天线单元的幅度相位方向图获得一部分天线单元工作时的幅度相位方向图，使得信号的综合更加精准；使用了动态的方向调制，使得非期望方向信号产生随机的不可预测的畸变；非期望方向的信号杂乱程度可以根据需要进行调节；与现有的四维天线阵保密技术相比，本发明具有以下优点：
1)用天线单元的幅度相位方向图代替原来的点源模型进行方向调制的综合，使得实际合成出的信号更加精准，也为动态随机调制提供了可能性。
2)由于采用了动态的方向调制，非期望方向信号的畸变是动态随机的，该方法保密效果远好于原来静态的和周期性的方向调制，并且有效通信角度更窄。
3)非期望方向的信号杂乱程度可以根据需要进行调节，系统具有更高的灵活度。
附图说明
图1为本发明中的基于四维天线阵的动态方向调制方法的结构框图，其中1是天线阵列、2是射频开关、3是开关管理系统、4是功分器、5是本振信号源。
图2为实施实例中所采用的印刷偶极子天线单元示意图，其中a为天线正面，b为天线背面。
图3为16单元天线阵列每个单元单独工作时向15度方向发射信号的幅度和相位的复矢量形式。
图4为误差范围为5％时，向15度发射信号的星座图(左图)和向25度发射信号的星座图(右图)。
图5为误差范围为10％时，向15度发射信号的星座图(左图)和向25度发射信号的星座图(右图)。
图6为误差范围为20％时，向15度发射信号的星座图(左图)和向25度发射信号的星座图(右图)。
图7为误差范围为20％,信噪比为10dB时的误码率方向图。
具体实施方式
实施例1：基于四维天线阵的动态方向调制方法在QPSK调制的具体应用
基于基本方案，可以构成如参照图1所示QPSK调制系统。本实例采用16个印刷偶极子天线单元构成均匀直线天线阵列，相邻天线单元间距为半波长，天线单元如图2所示，工作频率为2.6GHz。该发射机系统主要由天线阵列1、射频开关2、开关管理系统3、功分器4、本振信号源5等器件组成。具体的操作步奏如下：1、设定一个正确信号发射的期望方向，以15度为例，利用计算机电磁仿真软件计算出天线阵列中每个天线单元单独工作时的幅度和相位方向图，从中提取15度方向各个天线单元增益的幅度与相位，其结果的复矢量形式如图3所示。2、将各天线单元在15度方向的幅度相位矢量叠加来计算不同天线单元组合工作时，在15度方向上合成的信号的幅度和相位。3、设定一个期望方向信号的误差范围如5％，与标准码字的幅度相位进行比较，将合成信号幅度相位在误差5％以内的天线单元组合序号编为一组，由于QPSK信号有4种码字，所以四种码字分别计算，并得到4组结果，表1给出了当误差范围为5％、10％、20％时4种码字对应的结果数量，其中每一个结果代表一种天线单元组合方式。
表1不同误差范围得到的各个码字结果数量
误差范围 5％ 10％ 20％
码字‘11’数量 15 68 293
码字‘01’数量 18 66 222
码字‘00’数量 11 52 267
码字‘10’数量 35 142 576
总计数量 79 328 1358
4、向期望方向(15度)发射信号时，根据需要发射的码字从第3步得到对应码字的一组结果中随机选择一个结果，利用开关管理系统打开该结果对应序号的天线单元组合，从而向期望方向(15度)发射正确幅度和相位的信号，向非期望方向发射随机信号。图4、5、6分别给出了误差范围为5％、10％、20％时期望方向(15度)和非期望方向(以25度为例)的信号星座图，从星座图可以看出，在期望方向上各码字信号可以被明确区分，而在非期望方向4种码字的星座混杂在一起，很难相互区分。误差范围越大，混杂程度就越高，当误差范围为20％时，非期望方向上各码字的星座几乎完全无法分辨。由于误差范围的提高也会对期望方向信号产生一定不利影响，故误差范围可以根据实际需要进行调节。误差范围为20％，信噪比为10dB时的误码率方向图由图7给出，可以看到在期望方向误码率很低，而在非期望方向上误码率很高，均在0.1以上，误码率不随信噪比增加而改善。需要向其他方向发射正确信号时，只需将以上步骤中的期望方向设为相应角度即可。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (3)

1.一种基于四维天线阵的动态方向调制方法，其基本系统包括天线阵列、射频开关、开关管理系统、功分器、本振信号源，本振信号经由功分器和射频开关传输到天线阵列的各天线单元，开关管理系统可以通过对射频开关的控制使得天线阵列的一部分天线单元处于工作状态；先设定一个允许的误差范围，通过计算机仿真得出天线阵列中每个天线单元单独工作时在远区场产生的幅度和相位方向图，根据这些方向图进行叠加计算出不同天线单元组合工作时期望方向上天线阵列增益的幅度与相位，从中找出与标准码字的幅度相位误差在该误差范围内的所有结果，记录每个结果所对应的天线单元序号组合，并将所有符合要求的结果编为一组；按照上述方法计算出各个方向不同码字所对应的一组结果，在需要向期望方向发射特定信号时，从所对应记录的一组结果中随机选取一个，让其对应序号的天线单元处于工作状态，从而使期望方向上的接收者收到正确的信号，而非期望方向上的接收者只能接收到随机杂乱的信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于四维天线阵的动态方向调制方法，其特征在于：仅通过对射频开关的控制便可调节正确信号的发射方向。
3.根据权利要求1所述的一种基于四维天线阵的动态方向调制方法，其特征在于：可以通过调节允许的误差范围来改变非期望方向接收信号的杂乱程度。
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