[发明专利]一种基于四维天线阵的动态方向调制方法

说明书

本发明公开了一种基于四维天线阵的动态方向调制方法。其基本系统包括天线阵列、射频开关、开关管理系统、功分器、本振信号源。本发明最大的创新在于在四维天线阵上实现了动态的方向调制，使得在整个信号发射过程中，期望方向接收到标准信号而非期望方向上接收到的信号发生动态随机的畸变，大大增强了系统的保密性能。并且，信号的调制直接在天线端完成，发射信号的期望方向也可以由射频开关任意调节。相比已有的物理层保密通信方式，此方法物理系统结构简单，成本较低并且拥有更强的保密效果。本发明用于无线通信系统中。

技术领域

本发明属于无线通信领域，它特别涉及利用四维天线阵实现动态的方向调制。

背景技术

无线通信技术飞速发展，极大地促进了生产力的进步。与此同时，数据失密所造成的后果也愈发严重，所以无线通信的安全问题也越来越受到人们的重视。传统的天线或天线阵在不同方向发射的信号携带相同的信息，不同方向发射的信号的唯一不同之处在于信号功率电平与时间延迟。理论上有足够灵敏度的接收机是可以捕获天线阵副瓣方向发射电磁波所携带的信息。抑制副瓣电平(SLL)可以降低敌方所窃取信号的信噪比(SNR)，提高传输信号的安全性。然而，工程中低副瓣的实现是受到很多限制的，包括成本限制和技术限制。技术上各种误差限制了低副瓣的实现，例如系统误差和随机误差。在无线保密通信系统中，为了保证信息传输的可靠性和秘密性，常用扩频调制技术和信息加密技术。然而，采用传统天线阵发射的这种加密信号从理论上仍然能够通过破解等方式来截获到所需信息。为了从物理上提供一个安全的通信链路，近来有学者提出了射频前端方向调制技术。这些技术的共同特点是发射的信号与方向有关或者说发射的信号是方向调制信号，在期望的主瓣方向发射正确信号，在不期望的副瓣方向发射失真信号从而阻止窃听者破解。相对于一些传统的方向调制技术，基于四维天线阵的方向调制更加新颖，实现起来也更加简单，只需要在射频前端层面进行开关调制就可以了。综上所述，基于四维天线阵的保密通信技术有着保密效果好，实现较为简单等显著特点，在通信安全越来越重要的今天，有着广泛的应用前景。

1990年，ELIE J.BAGHDADY在IEEE Trans.Commun发表题为“Directional signalmodulation by means of switched spaced antennas”的文献中首次提出方向调制的概念，运用两个间距为d的天线单元和一个单刀双掷开关，实现了向不同方向发射不同相位差的信号。M.P.Daly等在IEEE Trans.Antennas Propag发表题为“Directional modulationtechnique for phased arrays”提出了基于相控阵天线的方向调制技术，通过合理地改变每个单元的相位，在射频前端部分重新合成数字信号，并使得在不期望方向发射的信号失真。由于该技术依赖于时变的相移，实现起来比较复杂。Zhu Q在“A directionalmodulation technique for secure communication based on 4D antenna arrays”中分析了四维天线阵方向调制的基本原理，并通过仿真和实验验证了四维天线阵方向调制技术，讨论在模拟信号(AM调制)和数字信号(BPSK调制)的情况下，四维天线阵在不同方向上信号的频谱及一定带宽下的误码率；在题为《基于圆环四维天线阵的物理层保密通信研究》的硕士论文中设计了一款圆环四维天线阵并应用于保密通信，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，但该专利提出的的基于四维天线阵的保密通信系统在非期望方向上发射信号的幅度相位失真是固定的，可以使用一些较为简单的技术手段加以破解，并且其期望方向是固定的，无法任意调节。

发明内容