一种基于反向天线阵的方向调制信号的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于反向天线阵的方向调制信号的设计方法，属于无线通信技术 领域。
【背景技术】
[0002] 当今，随着无线通信技术在不同行业中的广泛应用，通信信息在传输过程中的安 全性问题越发引起人们地关注。对于传统调制方式的无线通信发射机，其数字通信信号的 调制功能在基带完成，再经过放大器激励发射天线辐射无线通信信息。这种方式下发射的 无线通信信号在主瓣范围内以及旁瓣方向，窃听接收机接收信号与主瓣方向合法用户接收 信号具有相同的调制信号星座图，唯一的不同之处在于接收信号的幅度差别，对于高灵敏 度的窃听接收机仍然可以从接收信号中解调出有用的通信信息。
[0003] M.P.Daly 在 IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 57, NO. 9, 2009.上发表了 "Directional modulation technique for phased array"文中提出了一种基于相控阵的方向调制信号，利用相控阵射频端的相移器 完成数字信号调制功能，这样发射的信号在空间不同方位具有不同的接收信号星座图。在 期望方向合法用户接收信号星座图与传统基带数字调制信号相同，接收机可以正常的解调 通信信息；而在非期望方位接收信号星座图产生畸变，窃听接收机从接收信号中无法解调 出有用的通信信息。但采用这种相移器综合的方向调制信号需要相移器在〇度到360度范 围内具有连续的相移值，在现实工程中数字式相移器很难实现。并且需要根据合法用户的 方位信息采用复杂的遗传算法实时的综合出相移器相移值码本，如果合法用户方位发生变 化，相移器的相移值码本就需要实时更新。Hong-zhe Shi在IET Microwaves, Antennas&Pro pagation, VOL. 7, NO. 8, 2013.中发表了"Enhancing the security of communication via directly modulated antenna arrays"文中提出了采用2比特的数字式相移器综合方向调 制信号，但基于数字式相移器的方向调制信号综合方法只能在空间中离散有限的方向上综 合出方向调制信号，无法做到全空间覆盖，如果合法用户不在离散的空间集合中就需要调 节发射阵列的阵列间距，这种方法在实际的工程应用中也存在一定的问题。而本发明能够 很好地解决上面的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于提供一种基于反向天线阵的方向调制信号的设计方法，该方法能 够很好地为无线通信信息的传输提供安全方法，并且该方法能够在空间任意方位综合出方 向调制信号，克服了数字式相移器只能在空间离散有限方位综合出方向调制信号的缺点； 本发明的相移码本与期望接收机所在的空间方位无关，能够在预先建立的码本中采用查询 的方式得到相移器的相移值，克服了传统方向调制信号需要根据期望接收机的方位实时采 用遗传算法综合出相移器的相移值的缺点，使得工程实现难度大大降低；根据本发明提出 的方法，不同的相位组合能够在期望方位综合出同一基带数字调制星座图，这样可以通过 改变同一数字通信信息对应的相移器码本使得非期望方向星座点产生动态的畸变，窃听接 收机更加难以从接收信号中提取有用的通信信息。
[0005] 本发明提供了一种基于反向天线阵的方向调制信号的设计方法，该方法包括如下 步骤：
[0006] 步骤1 :发射机Alice的系统框图如图1所示：发射阵列中包含的阵元都是相同 的全向辐射天线，阵元间距为'
【主权项】
1. 一种基于反向天线阵的方向调制信号的设计方法，其特征在于，所述方法包括如下 步骤： 步骤1:发射阵列中包含的阵元都是相同的全向辐射天线，阵元间距为
其中：入 为信号的波长对应的频率阵元分别用序号1，2,……N表示，VCO为高精度的本阵频率为24,Wpw2，…，wN为数字式相移动器，其中：
，相移值与相移器输出 比特位数相关，Fi，F2，…，FN为中心频率为h的带通滤波器，ame{+1，_1}为待发送的数字 通信信息； 步骤2 :导频信号；空间方位为0i的合法用户Bob向发射机发射中心频率为h的导频 信号，对于Alice天线阵列各阵元接收信号表示如下：
其中为接收信号载波相位滞后，Zl(t)为均值为0方差为of的加性高斯白噪声； 步骤3 :基于反向天线阵的方向调制信号；方向天线阵相位共轭：通过本阵频率为 混频器混频，经过带通滤波后信号变为：
利用反向天线阵的特性，对入射波相位共轭； 步骤4:数字式相移器建立星座图码本：相移器为1比特数字式相移器，则N个阵 元的阵列共有种相位组合，从相位组合的集合中选取对应星座点为期望的基带数 字调制信号星座点，即满足
> 其中￡>?为期望的基带调制信号星座点集合
中的第i个星座点； 步骤5:接收信号；在期望方位的合法用户和在非期望方位0 2的窃听接收机接收 信号：
其中：z2(t)和以〇为均值为0方差分别为cx22和4的加性高斯白噪声，化为期望接 收机载波相位滞后。
2. 根据权利要求1所述的一种基于反向天线阵的方向调制信号设计方法，其特征在 于：所述方法的期望接收机接收信号经下变频后的基带信号星座图的星座点与期望的基带 数字调制信号相同，普通的数字信号接收机正常解调接收信号；而在非期望方位接收机接 收信号在相位上产生畸变，畸变程度与相移器码本和接收机所在空间方位差别相关，窃听 接收机无法从接收信号中解调出有用的通信信息。
3. 根据权利要求1所述的一种基于反向天线阵的方向调制信号的设计方法，其特征在 于：所述方法能够在空间任意方位综合出方向调制信号。
4. 根据权利要求1所述的一种基于反向天线阵的方向调制信号的设计方法，其特征在 于：所述方法的相移码本与期望接收机所在的空间方位无关，在预先建立的码本中采用查 询的方式得到相移器的相移值。
5. 根据权利要求1所述的一种基于反向天线阵的方向调制信号的设计方法，其特征在 于：所述方法使用不同的相位组合，在期望方位综合出同一基带数字调制星座图；而在非 期望方位由于相移器相位组合的变化，导致星座点的畸变方式发生动态的变化，这种方式 产生的方向调制信号是一种动态变化的方向调制信号。
【专利摘要】本发明公开了一种基于反向天线阵的方向调制信号设计方法，该方法是通过反向天线阵使入射波相位共轭和数字式相移器构建方向调制信号星座图码本的方法，其实现了在空间任意方向综合出期望的方向调制信号。本发明包含一个方向调制信号发射机和两个空间方位不同的普通数字信号接收机，合法用户接收机所在的空间方位为期望方向，窃听接收机所在的方位为非期望方向。利用本发明发射的方向调制信号，合法用户可以正常解调接收信号；而窃听接收机由于接收信号星座图的动态畸变，即使接收到与合法用户相似的信号能量也无法解调出有用的通信信息。这样发射的方向调制信号为通信信息的无线传输提供了一种安全的传输方法。
【IPC分类】H04L27-20, H04B7-04
【公开号】CN104579440
【申请号】CN201410680575
【发明人】洪涛, 宛汀, 梁雪松
【申请人】南京邮电大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年11月24日