CN114024555B - 一种射频指纹可重构的前端电路及其重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种射频指纹可重构的前端电路及其重构方法，属于射频通信技术领域。该前端电路通过在不同位置开关切换引入不同元器件实现射频指纹的重构，同时通过调整可变增益放大器的控制电压来调节可变增益放大器的增益，抵消链路中由元器件切换带来的增益波动，该方法简单易操作。

Description

一种射频指纹可重构的前端电路及其重构方法

技术领域

本发明属于射频通信技术领域，具体涉及一种射频指纹可重构的前端电路及其重构方法。

背景技术

“射频指纹”是一个类比于生物指纹的概念，就像每个人有不同的指纹，每个无线设备的硬件差异也是一种“射频指纹”。在生产过程中，由于设备材料、加工工艺等原因，电子元器件的电参数与标称值存在一定的差异。上述因素造成容差称为电路的容差效应。容差效应导致即使是同一厂家、同一型号、同一系列甚至是同一批次的无线设备的实际硬件参数也会存在差异。这些容差就像叶子的脉络一样，是不可复制的，具有唯一性，而这些容差势必会影响到无线设备传输信号的一些特征，具体可能表现在振荡器的频偏、相位噪声、调制器的调制误差、功放的非线性失真以及中频、射频滤波器等滤波器的失真等。并且这些信号特征因为容差的唯一性，也是不可复制的。这些唯一的信号特征就成为了射频指纹。

目前射频指纹识别方法大体分为两种，一种是基于瞬态信号的射频指纹特征提取，一种是基于稳态信号的射频指纹特征提取。基于瞬态信号的射频指纹特征提取方法主要关注发射机开启及关闭的瞬间，由于每个设备硬件能力不同，这会对这段时间内的发射信号产生特定的影响。该时间段的瞬态信号不包含任何数据信息，只与设备硬件独特影响有关。因此通过对该时间段的瞬态信号分析，可以得到硬件设备的射频指纹特征。基于稳态信号的射频指纹特征提取方法主要关注稳定的前导码序列信号。前导码序列是用于保证信号传输准确性而加入到信号数据段前的，在数字通信系统中被广泛应用。前导码提供的可识别信号具有一定的稳定性，因此来自于该稳态信号变化规律的射频指纹特征也将具有更稳定的特性，且携带了无线设备射频前端更多的硬件信息。通过分析含前导码序列的稳态信号，也可以得到硬件设备的射频指纹特征。而如果射频发射前端射频指纹不可变，一旦电路通信被敌方所拦截，发射源就会因其唯一的射频指纹而被就会被锁定。敌方锁定我方发射源后，发射源发射的信息就会有根可查，这将对局势造成难以估计的影响。

传统的可重构的射频前端主要目的是重构链路的性能，如通信频率、信号发射功率等。实际上，在通信频率固定时，现有的可重构发射前端的硬件参数也是固定的，因而其在固定的通信频段上的射频指纹也是不可变的。这类可重构的发射前端，无法满足在固定频段及固定信号发射功率上的射频指纹可变。

发明内容

针对背景技术所存在的在通信频率固定时射频指纹无法重构的问题，本发明的目的在于提供一种射频指纹可重构的前端电路及其重构方法。射频指纹可重构的前端电路通过在不同位置开关切换引入不同元器件实现射频指纹的重构，同时通过调整可变增益放大器的控制电压来调节可变增益放大器的增益，抵消链路中由元器件切换带来的增益波动，该方法简单易操作。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种射频指纹可重构的前端电路，包括依次串联得可变增益放大器、第一单刀多掷射频开关、混频器组、第二单刀多掷射频开关、移相器、固定增益放大器、第三单刀多掷射频开关、可重构带通滤波器组、第四单刀多掷射频开关、第五单刀多掷射频开关、功率放大器组、第六单刀多掷射频开关和发射天线；混频器组的本振信号输入端与本振信号发生链路相连，所述本振信号发生链路由第七单刀多掷射频开关、锁相环、第八单刀多掷射频开关和时钟源组串联组成；

所述混频器组为若干个混频器并联形成，可重构带通滤波器组为若干个可重构带通滤波器并联形成，功率放大器组为若干个功率放大器并联形成。

进一步地，所述可重构带通滤波器的中心频率可随着控制电压的升高而变大。

进一步地，所述移相器为数字移相器，由多个移相单元串联而成，每个移相单元的移相值不同，且每个移相单元由开关控制；通过导通或关闭开关，可实现信号相位及群延迟的变化。

进一步地，所述锁相环用于将时钟频率倍频，倍频系数可由数字信号控制；不同时钟源的时钟频率经过锁相环可产生同一个频率本振信号，区别在于由不同时钟频率的时钟源与不同倍频系数的锁相环产生的本振信号之间的频谱不同，频谱不同的本振信号与输入到混频器的基带信号进行混频，会使混频后的高频信号的相位噪声发生变化。

进一步地，所述可变增益放大器由衰减器、固定增益放大器串联而成；所述衰减器由多个衰减单元串联而成，每个衰减单元衰减值不同，且每个衰减单元由开关控制，通过导通或关断实现信号增益的衰减；所述固定增益放大器是将衰减器输出的信号放大，从而完成信号的增益变化；所述增益可由S参数中的S21表征。

一种射频指纹可重构的前端电路的重构方法，利用射频前端电路中开关切换接入不同元器件从而实现射频指纹的重构，同时通过调整可变增益放大器的控制电压来调节可变增益放大器的增益，抵消链路中由元器件切换带来的增益波动。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明通过在常规前端电路的不同位置中引入多个并联器件，通过开关切换实现不同元器件的接入，使得发射前端射频指纹发生重构；同时在前端电路中加入了移相器来改变发射信号相位的群延迟，使得发射前端射频指纹发生重构；整个指纹重构过程简单易于实现。

2.本发明前端电路还能实现不同频段的重构，使得前端电路的应用可能性更为广泛。

附图说明

图1为本发明射频指纹可重构的发射前端电路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

图1为本发明射频指纹可重构的发射前端电路结构示意图，一种基于单刀多掷射频开关实现可重构的发射前端架构，包括可变增益放大器、单刀多掷射频开关、移相器、混频器组、固定增益放大器、时钟源组、可重构带通滤波器组、功率放大器组及发射天线；

所述可重构发射前端的第一级为可变增益放大器，其一端与基带相连，另一端与单刀三掷射频开关的转动端相连，用于基带信号放大；

位于可重构发射前端第二级为单刀三掷射频开关，其转动端与可变增益放大器的另一端相连，三个固定端分别与三个混频器相连，用于切换不同的混频器，单刀多掷射频开关由数字信号进行控制；

位于可重构发射前端第三级为三个混频器，其射频输入端分别与单刀多掷射频开关的三个固定端相连，输出端与第八级单刀三掷射频开关三个固定端相连；所述三个混频器，用于将基带信号混频至高频信号，这三个混频器物理结构不同，工作频带重叠；

位于可重构发射前端第四级为单刀三掷射频开关，其三个固定端分别与三个混频器的本振信号输入端相连，转动端与锁相环的输出端相连，用于切换物理结构不同的混频器；

位于可重构发射前端第五级为锁相环，其输出端与位于第四级的单刀三掷的转动端相连，输入端与单刀三掷射频开关的转动端相连，用于为混频器提供本振信号，其中锁相环可将参考时钟倍频至其他频率；

位于可重构发射前端第六级为单刀三掷射频开关，其转动端与位于第五级的锁相环的输入端相连，三个固定端分别与三个时钟源相连，用于切换时钟源；

位于可重构发射前端第七级为三个时钟源，其输出端分别与单刀三掷射频开关的三个固定端相连，用于为锁相环提供参考时钟，且各时钟源的时钟频率不同；

位于可重构发射前端第八级为单刀三掷射频开关，其三个固定端与三个混频器的射频输出端分别相连，转动端与移相器相连，用于切换物理结构不同的混频器；

位于可重构发射前端第九级为移相器，其一端与位于第八级的单刀三掷射频开关的转动端相连，另一端与固定增益放大器的一端相连，用于改变混频后的高频信号的相位；

位于可重构发射前端第十级为固定增益放大器，其一端与位于第九级的移相器的另一端相连，另一端与单刀三掷射频开关的转动端相连，用于放大移相后的高频信号；

位于可重构发射前端第十一级为单刀三掷射频开关，其转动端与固定增益放大器的输出端相连，三个固定端分别与三个重构带通滤波器的输入端相连，用于切换结构不同的可重构带通滤波器。

位于可重构发射前端第十二级为可三个重构带通滤波器，其输入端分别与位于第十一级的单刀三掷射频开关的固定端相连，输出端与单刀三掷射频开关三个固定端相连；可重构带通滤波器用于对高频信号进行滤波，将通信频带外的干扰信号滤除；另外由于可重构滤波器的中心频率是可重构的，单独的可重构滤波器对通信频率固定时的射频指纹的变化并无贡献，但可以使得整个发射链路能在不同频段进行通信，而非局限于单一频段；由于三个可重构滤波器的非线性失真不同，通过开关切换三个不同的可重构滤波器来对同一频段进行滤波，可以重构射频链路在该频段的射频指纹；

位于可重构发射前端第十三级为单刀三掷射频开关，其固定端与三个可重构带通滤波器的输出端相连，转动端与一个单刀八掷射频开关的转动端相连，用于切换结构不同的可重构带通滤波器；

位于可重构发射前端第十四级为单刀八掷射频开关，其转动端与单刀三掷射频开关的转动端相连，八个固定端分别与八个功率放大器相连，用于切换结构不同的功率放大器；

位于可重构发射前端第十五级为八个功率放大器，其输入端分别与位于第十四级的单刀八掷射频开关的八个固定端相连，用于将高频信号进一步放大；位于第十五级的功率放大器的物理结构不同，工作频带相同或相互交叠，保证切换放大器后，放大器依旧支持原来的通信频率；

位于可重构发射前端第十六级为单刀八掷射频开关，其八个固定端分别与八个功率放大器的输出端相连，转动端与天线相连，用于切换功率放大器；

位于可重构发射前端第十七级为天线，其与位于第十六级的单刀多掷射频开关的转动端相连，用于将高频信号发射出去。

采用本发明射频指纹可重构的发射前端电路进行射频指纹重构的具体过程为：

步骤1.利用控制信号同时控制射频发射前端第十四级和第十六级的单刀八掷射频开关的转动端，使两个刀同时转至一个功率放大器；

步骤2.利用控制信号调节移相器中各移相单元的通断，使移相器的相位在当前相位的基础上增加，增加范围为22.5°～90°，使得高频信号的相位发生改变；

步骤3.利用控制信号同时控制射频发射前端第十一级和第十三级单刀三掷射频开关的转动端，使这两个刀同时转至任意其他可重构带通滤波器；并通过调整控制电压，将切换后的可重构滤波器的中心频率调整至当前通信频段的中心频率。

步骤4.利用控制信号同时控制射频发射前端第二级、第四级和第八级的单刀三掷射频开关的转动端，使这三个刀同时转至任意其他混频器；

步骤5.利用控制信号控制射频发射前端第六级的单刀三掷射频开关的转动端，使刀转至任意其他时钟源；

步骤6.利用控制信号改变锁相环的倍频系数，使倍频系数与时钟源的时钟频率数值的乘积为原来的本振频率的数值，保证接入到混频器的本振信号频率不变，这样混频器的输出频率就不变，从而保证通信频率不变；

步骤7.由于功率放大器、可重构滤波器、混频器的切换，发射链路的增益与之前相比发生了变化；通过改变可变增益放大器的控制电压，使得可变增益放大器的增益发生变化，从而补偿发射链路的增益波动，使发射链路的增益与原来一致。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种射频指纹可重构的前端电路，其特征在于，所述前端电路包括依次串联的可变增益放大器、第一单刀多掷射频开关、混频器组、第二单刀多掷射频开关、移相器、固定增益放大器、第三单刀多掷射频开关、可重构带通滤波器组、第四单刀多掷射频开关、第五单刀多掷射频开关、功率放大器组、第六单刀多掷射频开关和发射天线；混频器组的本振信号输入端还与本振信号发生链路相连，所述本振信号发生链路由第七单刀多掷射频开关、锁相环、第八单刀多掷射频开关和时钟源组串联组成；

所述混频器组为若干个混频器并联形成，可重构带通滤波器组为若干个可重构带通滤波器并联形成，功率放大器组为若干个功率放大器并联形成。

2.如权利要求1所述的前端电路，其特征在于，所述可重构带通滤波器的中心频率随着控制电压的升高而变大。

3.如权利要求1所述的前端电路，其特征在于，所述移相器为数字移相器，由多个移相单元串联而成，每个移相单元的移相值不同，且每个移相单元由开关控制；通过导通或关闭开关，可实现信号相位及群延迟的变化。

4.如权利要求1所述的前端电路，其特征在于，所述锁相环用于将时钟频率倍频，倍频系数可由数字信号控制；不同时钟源的时钟频率经过锁相环可产生同一个频率本振信号。

5.如权利要求1所述的前端电路，其特征在于，所述可变增益放大器由衰减器、固定增益放大器串联而成；所述衰减器由多个衰减单元串联而成，每个衰减单元衰减值不同，且每个衰减单元由开关控制，通过导通或关断实现信号增益的衰减。

6.一种射频指纹可重构的前端电路的重构方法，其特征在于，利用射频前端电路中开关切换接入不同元器件从而实现射频指纹的重构，同时通过调整可变增益放大器的控制电压来调节可变增益放大器的增益，抵消链路中由元器件切换带来的增益波动。

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