CN114205051B - 基于无线电平台的认知干扰系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无线电平台的认知干扰系统，主要解决现有技术的干扰发送中干扰信号的类型和参数无法时事改变，灵活性差的问题。其包括上位机、调制干扰生成单元、常规干扰生成单元、上变频单元、命令解析单元和频率控制字计算单元。其中上位机的输出与命令解析单元相连，命令解析单元的输出分别与调制干扰生成单元、常规干扰生成单元和频率控制字计算单元相连，调制干扰生成单元和常规干扰生成单元的输出均与上变频单元相连，频率控制字计算单元的输出分别与常规干扰生成单元和上变频单元相连，上变频单元与外部数模转换芯片相连发出干扰信号。本发明能产生更灵活多变、更有效率的干扰，实现动态认知，可用于电磁环境下对无线电信号的干扰。

Description

基于无线电平台的认知干扰系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种认知干扰系统，可用于电磁环境下对无线电信号进行感知识别后根据认知结果动态发送干扰信号。
背景技术
无线电波信号作为无线通信中最为常见的传输载体，在当今各通信领域方面均发挥着重要的作用。
无线电信号在信道空间传输过程中难以避免会受到各式各样的干扰，其中既有空间自然存在的噪声，也有人为产生的干扰。这一类人为有意识发射或转发而形成的干扰信号，一般被归为有源干扰，又称积极干扰。有源干扰按干扰的作用性质又可分为压制性干扰和欺骗性干扰，压制性干扰原理是生成噪声或者与噪声相似的信号混入通信信号中，最终使接收端无法从中检测出真实有效的信号；欺骗性干扰的原理是产生与目标信号波形相近的假信号，使信号接收端接收错误的信息或影响其对真实信息的判别。介于传统的压制性干扰信号与目标信号的相关性较低，随着匹配滤波技术的发展，在很多情况下压制性干扰已经不能满足实际的需求。如果需要实现预期的干扰效果，需加大干扰功率，不但会浪费干扰能量，且硬件实现的难度也较大。两相比较之下，用较小的干扰功率达到更有效的干扰效果的欺骗性干扰则是更好的选择。
发明内容
本发明的目的在于针对现有欺骗性干扰的不足，提出一种基于无线电平台的认知干扰发送系统，以在建立对电磁环境认知的基础上，获取当前环境的状态信息，根据对信号的认知结果动态选择发送的干扰类型，调整干扰信号参数，实现最好的干扰效果。
为实现上述目的，本发明基于无线电平台的认知干扰系统，包括上位机、调制干扰生成单元、常规干扰生成单元和上变频单元，上位机下发指令传输给两个干扰生成单元，这两个干扰生成单元分别产生的不同干扰数据通过上变频单元传输给外部的数模转换芯片DAC进行发送，其特征在于：
所述上位机与两个干扰产生单元之间设有命令解析单元，用于对接收到的指令信息或状态信息进行解析与决策，生成与干扰信号对应的使能信号与参数信号；
所述常规干扰产生单元与命令解析单元之间设有频率控制字生成单元，用于将命令解析单元生成的与频率有关的参数信号转换成与频率对应的频率控制字后，分别输出给常规干扰产生单元和上变频单元。
进一步，所述调制干扰生成单元，包括：基带码生成子模块、信道编码子模块、调制子模块、扩频子模块和成型滤波子模块，基带码生成子模块产生基带码数据传输给信道编码子模块进行信道编码处理，经过编码后的数据传输给调制子模块或扩频子模块分别进行数字调制或扩频处理，调制子模块和扩频子模块产生的数据传输到成型滤波子模块进行成型滤波处理。
进一步，所述常规干扰生成单元，包括白噪声产生子单元、单音信号产生子单元、多音信号产生子单元和扫频信号产生子单元，这些子单元的输入端分别与命令解析单元和频率控制字生成单元相连，输出端分别与上变频单元相连。
进一步，所述上变频单元，包括：内插子模块、数字控制振荡器NCO子模块和数字混频子模块，该内插子模块的输入端分别与调制干扰生成单元和常规干扰生成单元相连，输出端与数字混频子模块相连；该数字控制振荡器NCO子模块的输入端与频率控制字生成单元相连，输出端与数字混频子模块相连；该数字混频子模块的输出传输给外部数模转换芯片DAC进行发送。
进一步，所述频率控制字生成单元，包括：串联连接的频率计算子单元和控制字生成子单元，该频率计算子单元的输入端与命令解析单元相连，其输出端与控制字生成子单元相连，该控制字生成子单元的输出端分别与常规干扰生成单元和上变频单元相连。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
1.本发明由于在上位机之后设立了命令解析单元，可以根据解析状态信息得到的信号参数进行判决，决策出最优的干扰信号种类与参数，从而实现认知过程，且决策结果会随着电磁空间中信号状态的改变而变化，相较于传统的发送固定种类固定参数的干扰信号，认知过程的实现能产生更加灵活多变、更有效率的干扰。
2.本发明由于在命令解析单元与上变频单元之间设立了频率控制字生成单元，可以将实际的频率参数换算为对应的频率控制字，从而动态控制生成信号的载波频率，避免了产生不同频率的信号时需要重新配置模块参数的繁琐过程，实现了频率参数的动态可控性。
3.本发明由于在上变频单元中采用了基于多相结构的低复杂度数字信道构造技术，一方面解决了FPGA中采样速率限制的问题，另一方面降低了计算量，大幅度减少了硬件逻辑资源的消耗。
附图说明
图1是本发明认知干扰发送系统整体结构框图；
图2是本发明中上变频单元的结构框图；
图3是本发明中成型滤波子模块的工作原理框图；
图4是本发明中数字控制振荡器的工作原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
参照图1，实施例包括：上位机1、调制干扰生成单元2、常规干扰生成单元3、上变频单元4、命令解析单元5和频率控制字计算单元6。其中上位机1的输出与命令解析单元5相连，命令解析单元5的输出分别与调制干扰生成单元2、常规干扰生成单元3和频率控制字计算单元6三个单元相连，调制干扰生成单元2和常规干扰生成单元3的输出分别与上变频单元4相连，频率控制字计算单元6的输出分别与常规干扰生成单元3和上变频单元4相连，该上变频单元4与外部数模转换芯片DAC相连，数模转换芯片DAC的工作时钟由外部的时钟供给芯片提供。
所述上位机1，用于对电磁环境进行频谱感知以确定信号存在的频段，根据感知结果对特定频段的信号进行参数估计，将得到的状态信息送往命令解析单元，此外上位机也可以下发指定的参数信息。
所述调制干扰生成单元2，用于生成基带码数据，并对基带数据依次进行信道编码，和调制成型，生成调制干扰基带信号，其包括：基带码生成子模块21、信道编码子模块22、调制子模块23、扩频子模块24、成型滤波子模块25，其中：
该基带码生成子模块21，根据命令解析单元5传输的使能信号选择生成的基带码类型，生成的基带码数据送往信道编码子模块22，该子模块包含的基带码类型有：随机码、线性递增码、线性递减码、字母表、文章片段；
该信道编码子模块22，根据接收到的使能信号选择信道编码方式，对基带码生成子模块21产生的基带数据进行信道编码，该子模块的编码类型包含：卷积码、RS编码、TCM编码、TPC编码；
该调制子模块23，将信道编码后的数据进行数字调制产生常规调制信号，由于不同调制类型对应的码片速率或符号速率不同，因此在模块中设计一个RAM存储编码后的数据，进行数字调制时按照不同的符号速率从RAM中读取数据，该子模块的调制信号类型包含：ASK调制、FSK调制、PSK调制和QAM调制；
该扩频子模块24，用于在常规的数字调制信号基础上实现直接扩频信号或跳频信号的产生，直接扩频信号与跳频信号的相关参数均由命令解析单元5传输的使能信号决定，该子模块中的扩频码通过m序列产生，跳频图案均通过ROM预置存储实现；
该成型滤波子模块25，用于对调制后的信号进行成型滤波，其设计了4种带宽的根升余弦成型滤波器：25KHz、50KHz、100KHz及200KHz，且为了后续处理的便捷统一，在成型滤波时对4种带宽分别进行了16倍、8倍、4倍、2倍内插，使成型滤波后的数据采样率统一为400KHz，其工作原理如图2所示，即该成型滤波子模块在接收到基带信号的同时对命令解析单元5传输的使能信号进行判断，判断其带宽为4种带宽中的哪种带宽后进行对应倍率的内插处理，使信号的采样率提升至400KHz，随后送入根升余弦滤波器阵列进行成型滤波生成调制信号。
所述常规干扰生成单元3，用于产生几种常规干扰信号：白噪声、单音信号、多音信号、扫频信号，其中：
该白噪声产生子单元31，通过控制地址读取ROM中预存的白噪声信号片段实现白噪声的产生；
该单音信号产生子单元32，根据频率控制字计算单元6传输的信号频率控制字，生成一个与控制字对应的单一频率正弦波形信号；
该多音信号产生子单元33，可看作多个频率不同的单音信号的叠加，对于给定NCO多个不同频率的控制字，将生成的多路波形叠加形成多音信号；
该扫频信号产生子单元34，根据频率控制字计算单元6传输的信号频率控制字在命令解析单元5给定的频段范围内按照设定速率递增或递减，并通过自身带有的数字控制振荡器生成频率递增或递减的信号波形，实现线性扫频信号的产生。
所述上变频单元4，用于将基带信号的频谱搬移到50MHz-400MHz中频上去，其包括由三级内插构成的内插子模块41、生成载波信号的数字控制振荡器NCO子模块42和包括多相滤波结构在内的数字混频子模块43，如图3所示，其中：
该内插子模块41，用于将基带数据的采样率提高到和载波采样率相同，为了实现将成型后的400KHz采样率的数据上升到800MHz采样率，需要进行共计2000倍内插处理，考虑到硬件逻辑资源及计算量等因素的限制，本系统将其分为5倍、10倍、5倍、8倍共四级内插来实现，其中前三级内插通过常规内插滤波器在该子模块中实现，且第三级内插后的数据采样速率为100MHz，直接进行8倍内插后的速率远超FPGA内的最高可实现速率，因此第四级8倍内插运用多相结构在数字混频过程中实现，既解决了速率限制的问题，也大大减少了计算时间；
该数字控制振荡器NCO子模块42，包括相位累加器和ROM查找表两部分，其工作原理是根据频率控制字计算单元6传输的载波频率控制字控制其相位累加器的相位累加幅度，通过该累加的相位控制ROM查找表输出对应频率的多路载波信号，生成的载波信号传输给数字混频子模块43，如图4所示；
该数字混频子模块43，该模块用于将内插子模块41传输的干扰信号和数字控制振荡器42传输的载波信号进行数字混频，数字混频通过将多相滤波后的每个支路信号分别与数字控制振荡器42生成的每个支路的正交载波进行相乘以实现基带信号的频谱搬移。
所述频率控制字计算单元6，用于将与频率有关的参数信号换算成对应的频率控制字，且由于频率控制字的作用载体是数字控制振荡器NCO，因此其计算公式中的部分参数与NCO的配置有关，设NCO子模块的工作时钟频率为fc，频率控制字的位宽为N，所需要的实际频率为f0，则该频率对应的控制字K为：
由于在上变频过程中采用多相结构实现内插，因此除了频率控制字之外，还需要通过相位控制字来控制每一路信号的初始相位偏移量。设此处实现的多相结构为M路，相位控制字为P＝{P1，P2...Pi...PM}其中第i路相位控制字的计算公式为：
公式中K为上文所述的频率控制字，由公式可得，第一路数据的相位控制字为0，即没有相位偏移，之后每一路数据的相位控制字都较前一路有K/M的相位偏移量，依次类推，第M路的相位控制字相较于第一路有(M-1)/M的偏移量，第M+1路则为第一路的下一周期的起始数据，从而完成一个周期的偏移。
本系统的工作原理如下：
上位机1对电磁环境进行频谱感知以确定信号存在的频段，根据感知结果对特定频段的信号进行参数估计，将得到的状态信息送往命令解析单元5，此外上位机下发指定的参数信息传输给命令解析单元5；命令解析单元5根据上位机1传输的指令信息或状态信息进行解析与决策，生成与决策结果对应的使能信号与参数信号，送往与其连接的调制干扰生成单元2、常规干扰生成单元3和频率控制字计算单元6；频率控制字计算单元6，根据命令解析单元5传输的使能信号和参数信号计算出对应信号的频率控制字，并将载波频率控制字送往上变频单元4控制生成的载波频率，将信号频率控制字则送往常规干扰生成单元3控制干扰信号的频率参数；调制干扰生成单元2中的基带码生成子模块21根据命令解析单元5传输的使能信号产生基带数据，信道编码子模块22对基带数据进行信道编码处理后分别送往调制子模块23和扩频子模块24，在调制子模块23中完成对信号的数字调制，在扩频子模块24中完成直接扩频信号或跳频信号的生成，调制子模块23与扩频子模块24中产生的信号分别传输到上变频单元4进行后续处理；常规干扰生成单元3中的白噪声产生子单元31、单音信号产生子单元32、多音信号产生子单元33和扫频信号产生子单元34，根据命令解析单元5传输的使能信号选择产生的干扰信号种类，根据频率控制字计算单元6传输的信号频率控制字来控制干扰信号的参数，最终产生的干扰信号送往上变频单元4进行后续处理；在上变频单元4中，对调制干扰生成单元2和常规干扰生成单元3传输的干扰信号先经过插子模块41进行内插处理，内插后的数据与数字控制振荡器NCO子模块42产生的多路载波信号分别传输给数字混频子模块43进行数字混频处理，将基带信号转变成中频信号，并送往外部数模转换芯片DAC进行发送。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于无线电平台的认知干扰系统，包括上位机(1)、两个干扰生成单元和上变频单元(4)，其中两个干扰生成单元为调制干扰生成单元(2)和常规干扰生成单元(3)；上位机下发指令传输给两个干扰生成单元，这两个干扰生成单元分别产生的不同干扰数据通过上变频单元(4)传输给外部的数模转换芯片DAC进行发送，其特征在于：
所述上位机(1)与两个干扰生成单元之间设有命令解析单元(5)，用于对接收到的指令信息或状态信息进行解析与决策，生成与干扰信号对应的使能信号与参数信号；
所述常规干扰生成单元(3)与命令解析单元(5)之间设有频率控制字生成单元(6)，用于将命令解析单元生成的与频率有关的参数信号转换成与频率对应的频率控制字后，分别输出给常规干扰生成单元(3)和上变频单元(4)；
所述上变频单元(4)，包括：内插子模块(41)、数字控制振荡器NCO子模块(42)和数字混频子模块(43)，该内插子模块(41)的输入端分别与调制干扰生成单元(2)和常规干扰生成单元(3)相连，输出端与数字混频子模块(43)相连；该数字控制振荡器NCO子模块(42)的输入端与频率控制字生成单元(6)相连，输出端与数字混频子模块(43)相连；该数字混频子模块(43)的输出传输给外部数模转换芯片DAC进行发送。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调制干扰生成单元(2)，包括：基带码生成子模块(21)、信道编码子模块(22)、调制子模块(23)、扩频子模块(24)和成型滤波子模块(25)，基带码生成子模块(21)产生基带码数据传输给信道编码子模块(22)进行信道编码处理，经过编码后的数据传输给调制子模块(23)或扩频子模块(24)分别进行数字调制或扩频处理，调制子模块(23)和扩频子模块(24)产生的数据传输到成型滤波子模块(25)进行成型滤波处理。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述基带码生成子模块(21)产生的基带码包含：随机码、线性递增码、线性递减码、字母表和文章片段。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述信道编码子模块(22)进行信道编码的方式包含：卷积码、RS编码、TCM编码和TPC编码。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述调制子模块(23)进行数字调制类型包含：ASK调制、PSK调制、QAM调制和FSK调制。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述常规干扰生成单元(3)，包括白噪声产生子单元(31)、单音信号产生子单元(32)、多音信号产生子单元(33)和扫频信号产生子单元(34)，这些子单元的输入端分别与命令解析单元(5)和频率控制字生成单元(6)相连，输出端分别与上变频单元(4)相连。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述频率控制字生成单元(6)，包括：串联连接的频率计算子单元(61)和控制字生成子单元(62)，该频率计算子单元(61)的输入端与命令解析单元(5)相连，其输出端与控制字生成子单元(62)相连，该控制字生成子单元(62)的输出端分别与常规干扰生成单元(3)和上变频单元(4)相连。
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