CN114221842B - 一种8psk调制信号的载波射频指纹提取系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取系统及方法，属于射频指纹提取技术领域，采用三级倍频处理的方式来实现全模拟的8PSK载波恢复方法，三级倍频处理后的8PSK的高阶载波信号采用混频方式下变频到固定中频；系统采用高精度的原子钟作为参考时钟，同时采用单环或多环结构的超低相噪、极低杂散的频率合成器合成所需的本振信号和系统时钟信号；选取电台载波相位噪声和频率稳定度等稳态特征参数作为电台射频指纹特征。与已有的方法相比，本发明所提取的8PSK载波信号射频指纹特征参数的精度更高，更为纯净，可靠性也更高，进而可为利用载波射频指纹技术高精度识别8PSK调制的通信电台提供了技术手段。
Description
技术领域
本发明涉及射频指纹提取技术领域，更具体地，涉及一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取系统及方法。
背景技术
2003年，加拿大的Hall等人提出了“射频指纹”(RFF，Radio FrequencyFingerprinting)这一概念，从辐射源信号中提取一组具有差异性的细微特征集合，作为辐射源设备的物理层本质特征。“射频指纹”这一概念一经提出就得到了国内外的广泛关注，为无线电通信电台个体识别技术提供了全新的解决思路，带来了辐射源识别技术的研究热潮。射频指纹特征不依赖通信内容，且难以伪造，因而在无线网络安全和通信侦察对抗等民用和军事领域均具有重要的应用价值。
在无线电通信电台通信过程中，即便是同一厂家生产的同一批无线电通信电台，在工作时向外辐射的信号总是会因为无线电通信电台固有特性产生细微的差异，例如晶体振荡器产生的载频误差，相位噪声差异、载频稳定性差异、定时器的误差等，这种误差综合起来将会使得无线电通信电台通信设备发出的信号总是独一无二的，正如人类的指纹一样，故将这种误差称之为电台射频指纹。
现有的射频指纹特征提取方法主要分为两类，一类是基于瞬态特征的射频指纹提取方法，一类是基于稳态特征的射频指纹提取方法。
任何无线电通信电台在开机时，电台的各个部分都处于不稳定状态下工作，这一阶段电台信号主要表现为非线性的非平稳特征，这个特征我们称之为暂态特征。暂态特征来自通信电台各模块的各个方面，即使来自同一型号、同一厂家、同一批次的通信电台，因其在元器件特性和工艺等方面无法达到性能的完全相同，而在通信电台开机欠稳定状态下，这一差异显得尤为明显。通信电台从暂态到稳态的过程经历的时间较短，即使这一时期电台个体特征相对明显，但在如此短的时间内截获信号样本成为限制该领域发展的主要瓶颈，故基于电台信号瞬态特征的射频指纹提取方法在实际应用中变得非常困难。
当无线电通信电台处于稳定的工作状态后，可以按照预期设计实现通信信号的稳定调制发射，大量的信号发送将在这一时期内执行，拥有充足的时间获取通信电台发射的信号并进行分析，这一时期内获取的通信电台个体特征称之为稳态特征。稳态特征主要表现为信号调制样式的差异、系统噪声叠加、信号频率稳定度差异和杂散特征叠加等。基于无线电通信电台信号稳态特征的射频指纹提取技术和方法是研究通信电台个体识别技术手段的一个重要研究方向。
8PSK调制方式广泛应用于一些高速的数字无线通信系统中，如中继卫星通信系统、短波数据传输电台等，该调制方式具有频谱利用率高和较强的抗干扰能力。
TCM-8PSK基带信号解调方法(专利号：CN103532894A)发明专利中涉及有关载波快同步支路、载波慢同步支路和跟踪支路的实现方法，载波快同步支路采用简化的科斯塔斯环(costas)锁定频率，载波慢同步支路和跟踪支路采用载波跟踪方式将载波频率保持在可以接受的范围内波动，提高解调准确率，故其只能实现载波信号的快慢跟踪达到提高解调准确率的目的，无法实现8PSK调制信号载波指纹特征的精确提取。
对于8PSK调制方式的载波同步或恢复常采用一些数字锁相环，如改进的科斯塔斯环(costas)、松尾环、PFD载波恢复环等，这些数字的载波同步或恢复方法对于实现8PSK调制信号的载波跟踪解调没有问题，但上述方法均采用数字载波同步技术，其得到的数字载波信号与真正的原始载波信号存在较大的本质差异性，因此数字载波信号不具备原始载波信号所含有的射频指纹特征，因此数字跟踪载波信号不能作为8PSK调制信号的射频指纹提取目标信号，上述方法解调得到的信号存在失真可能。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有8PSK调制信号载波特征提取方法和技术的不足，提供一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取系统及方法，该系统及方法能够对8PSK调制信号实现高精度的载波恢复，进而实现载波相位噪声、载波频率稳定度等稳态射频指纹的提取。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取系统，包括侦测接受单元和多个倍频单元，侦测接受单元依次连接多个倍频单元后，接入载波变频单元，然后接入指纹提取单元；所述的指纹提取单元包括频率稳定特征提取和相位噪声特征提取两个模块，提取信号的相位噪声和频率稳定度等稳态特征参数。
更进一步地，所述的倍频单元由倍频模块和放大模块组成，倍频模块和放大模块之间连接由带通滤波器；所述的倍频模块的为2倍频模块，所述的放大模块为AGC放大模块。
更进一步地，所述的载波变频单元包括下变频模块和功分模块，信号经过多级倍频单元后，先接入下变频模块，再由功分模块分流，分别接入指纹提取单元的稳定特征提取模块和相位噪声特征提取模块。
更进一步地，系统还包括频率合成及参考时钟单元，该单元分别与侦测接受单元、载波变频单元和指纹提取单元电连接，为连接的单元提供参考时钟信号。
更进一步地，所述的频率合成及参考时钟单元包括原子钟参考源和三个锁相环PLL1、PLL2和PLL3，原子钟参考源分别与三个锁相环连接后，接入侦测接受单元、载波变频单元和指纹提取单元。
更进一步地，所述的倍频单元共设置三个，分别为第一倍频单元、第二倍频单元和第三倍频单元，所述的第一倍频单元中，带通滤波器采用晶体带通滤波器；第二倍频单元中，带通滤波器采用声表带通滤波器；第三倍频单元中，带通滤波器采用声表带通滤波器。
本发明的一种上述系统进行8PSK调制信号的载波射频指纹提取的方法，其步骤为：
步骤一、侦测接收单元接收8PSK信号，并将该信号变频到固定的模拟中频上，输出为IF1；
步骤二、经变频固定的信号进行三级倍频处理，将信号处理为8×IF1信号输出；
步骤三、步骤二输出的8×IF1信号经载波变频单元中的下变频模块，采用混频方式将信号变频的固定的25MHz频率上；
步骤四、步骤三滤波后的信号经功分模块后进入指纹提取单元，分别经频率稳定特征提取和相位噪声特征提取两个模块提取信号的相位噪声和频率稳定度等稳态特征参数。
更进一步地，所述的步骤一中，中频信号IF1的中心频率为70MHz，带通滤波器采用晶体带通滤波器，信号3dB带宽为不大于500KHz；同时，锁相环PLL1采用多环结构的超低相噪、极低杂散的介质振荡频率合成器，其为侦测接受单元提供的本振信号LO1的输出频率范围为71.5MHz～100MHz。
更进一步地，所述的步骤二中，信号依次经过第一倍频单元、第二倍频单元和第三倍频单元，每级倍频单元将信号进行二倍频，对信号进行分级补偿。
更进一步地，所述的步骤三中，锁相环PLL2采用双环结构的超低相噪、极低杂散的介质振荡频率合成器，其对应的本振信号LO2的输出频率为585MHz；所述的步骤四中，指纹提取单元所需的系统时钟信号sysclk为100MHz，锁相环PLL3提供，PLL3锁相环采用超低相噪、极低杂散的晶体振荡频率合成器。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)在数字通信电台中一般都会采用成型滤波器，成型滤波会在码元跳变点处载波信号相位突变的同时能够延缓载波波形的变化以抑制带外的能量泄露，因此经过成型滤波后，在码元跳变点附近的波形变化趋缓而造成能量损失较大。本发明的一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取系统，设置三级倍频模块，分三级逐一进行二倍频、带通滤波和AGC处理，逐级补偿因成型滤波造成的在码元跳变点附近的波形变化趋缓而能量损失较大问题，有效改善了成型滤波对恢复后载波波形的影响，提高了载波恢复的质量。
(2)本发明的一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取系统，在系统中设置频率合成及参考时钟单元，其中设置的锁相环PLL1、PLL2、PLL3均使用单环或多环结构的超低相噪、极低杂散的频率合成器，有效得到信号的指纹特征，不会被自身特征掩盖了，大大提高了PLL1、PLL2、PLL3自身的相位噪声水平，防止自身相位噪声指标过低严重影响载波恢复后信号的相位噪声指标，有效提高了载波信号的相位噪声射频指纹特征提取的精度和可靠性。
(3)本发明的一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取方法，不同于基于数字锁相环技术的传统8PSK调制信号载波同步或恢复方法，本发明采用全模拟8PSK载波恢复方法，可以有效保留8PSK载波信号中所携带的电台射频指纹特征信息，为电台载波信号稳态射频指纹特征参数的提取和电台分选识别提供了基础。
(4)本发明的一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取方法，利用频率合成及参考时钟单元提供参考信号，大大提高了系统工作时钟的频率稳定度，防止自身系统时钟的频率稳定度指标过低严重影响载波恢复后信号的频率稳定度指标，有效提高了载波信号的频率稳定度射频指纹特征提取的精度和可靠性。
(5)与已有的方法相比，本发明的一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取方法，提取的8PSK载波信号射频指纹特征参数的精度更高，更为纯净，可靠性也更高，进而可为利用载波射频指纹技术高精度识别8PSK调制的通信电台提供了可靠而有力的技术手段和方法。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例
结合图1，本实施例的一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取系统，包括侦测接受单元和多个倍频单元，侦测接受单元依次连接多个倍频单元后，接入载波变频单元，然后接入指纹提取单元；所述的指纹提取单元包括频率稳定特征提取和相位噪声特征提取两个模块，提取信号的相位噪声和频率稳定度等稳态特征参数。所述的倍频单元由倍频模块和放大模块组成，倍频模块和放大模块之间连接由带通滤波器；所述的倍频模块的为2倍频模块，所述的放大模块为AGC放大模块。所述的载波变频单元包括下变频模块和功分模块，信号经过多级倍频单元后，先接入下变频模块，再由功分模块分流，分别接入指纹提取单元的稳定特征提取模块和相位噪声特征提取模块。本实施例中，倍频单元共设置三个，分别为第一倍频单元、第二倍频单元和第三倍频单元，所述的第一倍频单元中，带通滤波器采用晶体带通滤波器；第二倍频单元中，带通滤波器采用声表带通滤波器；第三倍频单元中，带通滤波器采用声表带通滤波器。在数字通信电台中一般都会采用成型滤波器，成型滤波会在码元跳变点处载波信号相位突变的同时能够延缓载波波形的变化以抑制带外的能量泄露，因此经过成型滤波后，在码元跳变点附近的波形变化趋缓而造成能量损失较大。本实施例设置三级倍频模块，分三级逐一进行二倍频、带通滤波和AGC处理，逐级补偿因成型滤波造成的在码元跳变点附近的波形变化趋缓而能量损失较大问题，有效改善了成型滤波对恢复后载波波形的影响，提高了载波恢复的质量。
本实施例中，系统还包括频率合成及参考时钟单元，该单元分别与侦测接受单元、载波变频单元和指纹提取单元电连接，为连接的单元提供参考时钟信号。所述的频率合成及参考时钟单元包括原子钟参考源和三个锁相环PLL1、PLL2和PLL3，原子钟参考源分别与三个锁相环连接后，接入侦测接受单元、载波变频单元和指纹提取单元。频率合成和参考时钟单元主要功能：一方面提供以原子钟为基准的高精度参考时钟信号，并以此产生系统时钟信号SYSCLK输出给载波射频指纹提取模块；另一方面，使用单环或多环结构的超低相噪、极低杂散的频率合成模块输出超低相噪、极低杂散的本振信号LO1和LO2，分别提供给侦测接收单元和载波变频单元进行变频处理；电源单元要提供系统所需的低噪声、低杂散及低相噪的纯净电源。本实施例在系统中设置频率合成及参考时钟单元，其中设置的锁相环PLL1、PLL2、PLL3均使用单环或多环结构的超低相噪、极低杂散的频率合成器，有效得到信号的指纹特征，不会被自身特征掩盖了，大大提高了PLL1、PLL2、PLL3自身的相位噪声水平，防止自身相位噪声指标过低严重影响载波恢复后信号的相位噪声指标，有效提高了载波信号的相位噪声射频指纹特征提取的精度和可靠性。
本实施例在每个功能单元模块均采用独立的电磁屏蔽处理，适当使用吸波材料提高系统单元模块间的电磁兼容性，防止电磁干扰影响载波射频指纹特征参数提取的精度和可靠性。
本实施例的一种上述系统进行8PSK调制信号的载波射频指纹提取的方法，其步骤为：
步骤一、侦测接收单元接收8PSK信号，并将该信号变频到固定的模拟中频上，输出为IF1：中频信号IF1的中心频率为70MHz，带通滤波器采用晶体带通滤波器，信号3dB带宽为不大于500KHz；同时，锁相环PLL1采用多环结构的超低相噪、极低杂散的介质振荡频率合成器，其为侦测接受单元提供的本振信号LO1的输出频率范围为71.5MHz～100MHz。
步骤二、经变频固定的信号进行三级倍频处理，将信号处理为8×IF1信号输出：信号依次经过第一倍频单元、第二倍频单元和第三倍频单元，每级倍频单元将信号进行二倍频，对信号进行分级补偿。对变频后的8PSK中频信号IF1分别进行三级倍频处理的目的是：在数字通信系统中一般都会采用成型滤波器，成型滤波会在码元跳变点处载波信号相位突变的同时能够延缓载波波形的变化以抑制带外的能量泄露，因此经过成型滤波后，在码元跳变点附近的波形变化趋缓而造成能量损失较大。分三级逐一进行二倍频、带通滤波和AGC处理，分级补偿由于成型滤波造成的在码元跳变点附近的波形变化趋缓而能量损失较大问题，有效改善成型滤波对恢复后载波波形的影响，提高载波恢复的质量。
步骤三、步骤二输出的8×IF1信号经载波变频单元中的下变频模块，采用混频方式将信号变频的固定的25MHz频率上：锁相环PLL2采用双环结构的超低相噪、极低杂散的介质振荡频率合成器，其对应的本振信号LO2的输出频率为585MHz。
步骤四、步骤三滤波后的信号经功分模块后进入指纹提取单元，分别经频率稳定特征提取和相位噪声特征提取两个模块提取信号的相位噪声和频率稳定度等稳态特征参数：指纹提取单元所需的系统时钟信号sysclk为100MHz，锁相环PLL3提供，PLL3锁相环采用超低相噪、极低杂散的晶体振荡频率合成器。
本实施例在频率合成及参考时钟单元中的PLL1、PLL2、PLL3均使用单环或多环结构的超低相噪、极低杂散的频率合成器，着力提高PLL1、PLL2、PLL3自身的相位噪声水平，防止自身相位噪声指标过低严重影响载波恢复后信号的相位噪声指标，进而影响载波信号的相位噪声射频指纹特征提取的精度和可靠性。本实施例中频率合成及参考时钟单元中使用铷原子钟或铯原子钟作为高精度的参考时钟，提高系统工作时钟的频率稳定度，防止自身系统时钟的频率稳定度指标过低严重影响载波恢复后信号的频率稳定度指标，进而影响载波信号的频率稳定度射频指纹特征提取的精度和可靠性。
本实施例中，整个系统的电源均采用低噪声、低杂散、低相位噪声的电源模块给每级系统供电，每个单元模块均采用独立的电源供给网络，防止电源干扰影响载波射频指纹特征参数提取的精度和可靠性。
与已有的方法相比，本实施例的一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取方法，提取的8PSK载波信号射频指纹特征参数的精度更高，更为纯净，可靠性也更高，进而可为利用载波射频指纹技术高精度识别8PSK调制的通信电台提供了可靠而有力的技术手段和方法。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取方法，其特征在于，所用的系统包括侦测接受单元和多个倍频单元，侦测接受单元依次连接多个倍频单元后，接入载波变频单元，然后接入指纹提取单元；所述的指纹提取单元包括频率稳定特征提取和相位噪声特征提取两个模块，提取信号的相位噪声和频率稳定度稳态特征参数；
所述的倍频单元由倍频模块和放大模块组成，倍频模块和放大模块之间连接由带通滤波器；所述的倍频模块的为2倍频模块，所述的放大模块为AGC放大模块；
所述的载波变频单元包括下变频模块和功分模块，信号经过多级倍频单元后，先接入下变频模块，再由功分模块分流，分别接入指纹提取单元的稳定特征提取模块和相位噪声特征提取模块；
其步骤为：
步骤一、侦测接收单元接收8PSK信号，并将该信号变频到固定的模拟中频上，输出为IF1；
步骤二、经变频固定的信号进行三级倍频处理，将信号处理为8×IF1信号输出；
步骤三、步骤二输出的8×IF1信号经载波变频单元中的下变频模块，采用混频方式将信号变频的固定的25 MHz频率上；
步骤四、步骤三滤波后的信号经功分模块后进入指纹提取单元，分别经频率稳定特征提取和相位噪声特征提取两个模块提取信号的相位噪声和频率稳定度稳态特征参数。
2.根据权利要求1所述的一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取方法，其特征在于：所述的步骤一中，中频信号IF1的中心频率为70MHz，带通滤波器采用晶体带通滤波器，信号3dB 带宽为不大于500KHz；同时，锁相环PLL1采用多环结构的超低相噪、极低杂散的介质振荡频率合成器，其为侦测接受单元提供的本振信号LO1的输出频率范围为71.5MHz~100MHz。
3.根据权利要求2所述的一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取方法，其特征在于：所述的步骤二中，信号依次经过第一倍频单元、第二倍频单元和第三倍频单元，每级倍频单元将信号进行二倍频，对信号进行分级补偿。
4.根据权利要求3所述的一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取方法，其特征在于：所述的步骤三中，锁相环PLL2采用双环结构的超低相噪、极低杂散的介质振荡频率合成器，其对应的本振信号LO2的输出频率为585MHz；所述的步骤四中，指纹提取单元所需的系统时钟信号sysclk为100MHz，锁相环PLL3提供，PLL3锁相环采用超低相噪、极低杂散的晶体振荡频率合成器。
5.根据权利要求4所述的一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取方法，其特征在于：系统还包括频率合成及参考时钟单元，该单元分别与侦测接受单元、载波变频单元和指纹提取单元电连接，为连接的单元提供参考时钟信号。
6.根据权利要求5所述的一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取方法，其特征在于：所述的频率合成及参考时钟单元包括原子钟参考源和三个锁相环PLL1、PLL2和PLL3，原子钟参考源分别与三个锁相环连接后，接入侦测接受单元、载波变频单元和指纹提取单元。
7.根据权利要求6所述的一种8PSK调制信号的载波射频指纹提取方法，其特征在于：所述的倍频单元共设置三个，分别为第一倍频单元、第二倍频单元和第三倍频单元，所述的第一倍频单元中，带通滤波器采用晶体带通滤波器；第二倍频单元中，带通滤波器采用声表带通滤波器；第三倍频单元中，带通滤波器采用声表带通滤波器。
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2021
- 2021-12-03 CN CN202111468081.4A patent/CN114221842B/zh active Active
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