一种基于四维天线阵的双通道定向调制系统的制作方法

本发明属于无线通信领域，它特别涉及利用四维天线阵进行双路定向的方向调制和保密通信。

背景技术：

传统的无线通信系统基于密钥加密，其安全性严重依赖于密钥的复杂度，已逐渐暴露出其安全隐患。有别于传统的高层密钥加密技术，物理层安全最显著的特点是无需复杂的数字密钥对隐私信息进行加密，而是从信息论的角度研究信息传输的安全性，完全利用无线信道的物理层特性，包括衰落、噪声和干扰等实现安全通信，并且不需要额外消耗频谱资源。方向调制作为一种新兴的物理层安全无线传输技术，近年来获得了学术界与工业界的广泛关注。方向调制技术可以控制调制信息的发送方向，同时使得期望方向上的合法接收者收到与发送端基带信号相同的星座图，而非期望方向上的星座图则产生严重的畸变，以此来解决旁瓣信息的泄漏问题。

saadmufti等人在2018ieeeinternationalsymposiumonantennasandpropagation&usnc/ursinationalradiosciencemeeting中发表的题为“dualchannelbroadcastusingphase-onlydirectionalmodulationsystem”的文献中介绍了一种仅使用相位控制的双通道方向调制系统，但使用大量移相器会增加系统的成本，且传输速率会受到一定限制；东南大学在cn103701514中公开一种利用单元天线随机扰动的方向调制方法，通过随机化单元天线发射加权系数，造成非期望方向星座点的畸变在没有噪声的情况下也随机变化。但该方法无法同时实现多路的保密通信；西安交大在cn106131824a中公开了一种无线通信网络联合信号反馈与人工噪声物理层安全通信方法，该发明通过引入人工噪声的方法干扰非法窃听者收到正确信息，但该方法没有考虑多路信号的实现方法，并且需要使用移相器改变信号发射的方向；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，但其只能实现单路的信号传输和保密通信，且不能任意调整信号的发射方向。

技术实现要素：

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双通道定向调制系统。其新颖性在于在不使用移相器的情况下，仅使用射频调制开关便可调节多路信号的发射方向。且多路信号均在天线端合成，无需调制，并同时实现各自的保密通信。例如，有两路通信信号，在信号1的发射方向上信号1的误码率低，在信号2的发射方向上信号2的误码率低，而在其他方向上误码率都很高，无法解调出信号1或者信号2。本方案提供了一种新的方向调制和保密通信的思路，增加了发射信号的数量，降低了系统成本，增加了灵活度，也在一定程度上提高了安全性能。

本发明的基本方案见附图1：

它的基本结构由天线阵列1、射频调制开关2、功分网络3、本振源4、开关管理系统5、时序存储器6、基带信号源一7、基带信号源二8等器件组成。天线单元为理想的全向辐射天线，阵列为直线阵列，相邻天线单元的间距为d＝0.5λ,其中λ为发射信号的波长，所有的阵元都由射频调制开关控制阵元的导通与关闭。开关管理系统根据接收到的两路信号的码字和需要发射的方向从时序存储器中调用相应的时序，来决定导通哪些天线单元，从而使两个不同方向上的期望接收者能够收到相应的信号，而在其他方向无法接收到正确信号。

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)可以使用bpsk、qpsk、qam等不同的信号调制方式。

2)可以使用不同形式的天线阵列。

3)可以将信号数量增加到3路及以上。

本发明最大的创新在于在没有移相器的情况下，仅使用射频调制开关，便实现了两路信号在空间上的定向调制，通过改变开关序列即可调节信号的发射方向。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)可以同时实现多路信号的保密通信。

2)无需移相器便可调节多路信号的发射方向。

3)结构简单成本较低。

4)具有更好的保密通信效果。

附图说明

图1为基于20单元四维直线阵的双路qpsk信号定向调制系统的结构示意图。

图2为基于20单元四维直线阵的双路qpsk信号定向调制系统向-15度和37度方向发射信号时所需调用的时序组合示意图。

图3为基于四维直线阵的双路qpsk信号定向调制系统中，两路qpsk信号的码字与调用时序的关系示意图。

图4为基于20单元四维直线阵的双路qpsk信号定向调制系统向-15度和37度方向发射信号时，在几个典型方向上发射信号的星座图。

图5为基于20单元四维直线阵的双路qpsk信号定向调制系统向-15度和37度方向发射信号时的误码率方向图。

图6为基于20单元四维圆弧阵的双路qpsk信号定向调制系统的结构示意图。

图7为基于20单元四维圆弧阵的双路qpsk信号定向调制系统向0度和80度方向发射信号时所需调用的时序组合示意图。

图8为基于20单元四维圆弧阵的双路qpsk信号定向调制系统向0度和80度方向发射信号时，在几个典型方向上发射信号的星座图。

图9为基于20单元四维圆弧阵的双路qpsk信号定向调制系统向0度和80度方向发射信号时的误码率方向图。

具体实施方式

实施例1：基于20单元四维直线阵的双路qpsk信号定向调制

基于基本方案，可以构成如参照图1所示qpsk调制系统。本实施例采用20个全向性阵列单元构成时间调制天线阵。该发射机系统主要包括20单元均匀直线天线阵1、射频调制开关2、功分网络3、本振源4、开关管理系统5、时序存储器6、基带信号源一7、基带信号源二8等。在本实施例中，我们将基本方案中的信号源确定为qpsk信号源，天线单元为理想的全向辐射天线，相邻天线单元的间距为d＝0.5λ,其中λ为发射信号的波长。天线阵列的20个天线单元分别由20个射频调制开关控制导通，射频调制开关由开关管理系统集中控制。由于qpsk信号有四种码字，两路qpsk信号就有16种组合。使用计算机对开关时序进行优化，目的是得到相对应的16组开关时序组合，使得天线方向图能在两个期望方向上能有正确的幅度与相位，并将优化得到的不同方向上的开关时序组合存储在时序存储器中，在使用时根据需要进行调用。本实例设置两路信号分别指向-15度和37度方向，于是从时序存储器中调用-15度和37度的16组开关时序组合，其时序组合如图2所示，两路qpsk信号的码字与调用时序的关系如图3所示。图4给出了不同方向上发射信号的星座图，可以看到在-15度和37度方向信号的星座在正确位置附近，可以解调出正确信号；而其他方向上信号的星座呈比较杂乱的分布，无法解调出正确信号。图5给出了误码率方向图，在-15度方向上信号1的误码率出现零深，在37度方向上信号2的误码率出现零深，而在其他方向上，两个信号的误码率都很高。

实施例2：基于20单元四维圆弧阵的双路qpsk信号定向调制

对于直线阵列有两个明显的缺点：无法在零度方向附近合成qpsk信号；无法在比较大的角度方向合成qpsk信号。这是由直线阵列的物理结构决定的，无法通过时序的调整进行优化。为了克服直线阵列的缺陷，在本实例中将实例1中的天线阵列更换为20单元均匀分布的圆弧阵列，相邻阵元间距d＝0.5λ,其中λ为发射信号的波长，圆弧半径为6.4λ，系统的其他结构保持不变。系统的构成如图6所示。为了体现圆弧阵列的优势，本实例将发射方向定为0度方向和大角度80度方向。从时序存储器中调用0度和80度方向的16组开关时序组合，其时序组合如图7所示。两路qpsk信号的码字与调用时序的关系如图3所示，于实例1一致。图8给出了不同方向上发射信号的星座图，可以看到在0度和80度方向信号的星座在正确位置附近，可以解调出正确信号；而其他方向上信号的星座呈比较杂乱的分布，无法解调出正确信号。图9给出了误码率方向图，在0度方向上信号1的误码率出现零深，在80度方向上信号2的误码率出现零深，而在其他方向上，两个信号的误码率都很高。

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。