[发明专利]一种基于反向天线阵的方向调制信号的设计方法

说明书

技术领域

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

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。

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0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&Propagation,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

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。

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：

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，阵元间距为其中：λ为信号的波长对应的频率f₀，阵元分别用序号1,2,……N表示，VCO为高精度的本阵频率为2f₀，w₁,w₂,…,w_N为数字式相移动器，其中：n＝1,2,…,N，相移值φ_n与相移器输出比特位数相关，F₁,F₂,…,F_N为中心频率为f₀的带通滤波器，a_m∈{+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θ₁的合法用户Bob向发射机发射中心频率为f₀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：ψ₁为接收信号载波相位滞后，z₁(t)为均值为0方差为的加性高斯白噪声。