基于SDR的通信安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建

田曦++李星宇++劉文涵

摘要：隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，信息傳輸所帶來(lái)的安全問(wèn)題備受關(guān)注。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，以傳統(tǒng)硬件構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)體系正逐步被可編程、多模式、寬頻帶的SDR（Software-Defined Radio）架構(gòu)所取代。本文從研究典型的無(wú)線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手，通過(guò)分析系統(tǒng)潛在的安全問(wèn)題，闡述基于SDR技術(shù)的通信安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)所具有的性能優(yōu)勢(shì)，并利用AD9361芯片針對(duì)實(shí)際通信環(huán)境中的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行信號(hào)采集和頻譜分析，驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的廣闊應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：信息安全 實(shí)驗(yàn)教學(xué) SDR AD9361

中圖分類號(hào)：TN971 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）12-0196-03

Abstract： With the development of wireless communication technology， the security problem brought by information transmission is concerned. In experimental teaching， Experimental system which is composed of the traditional hardware is gradually replaced by the programmable， multi-mode， board frequency band Software-Defined Radio framework. This paper from the study of the typical structure of wireless communication system， describes the performance advantages of the communication security experiment teaching system based on SDR technology， using the AD9361 chip for signal acquisition and spectrum analysis of wireless signal in the actual communication environment， verified the broad application prospect of the experimental teaching system.

Key Words： Communication Security； Experiment Teaching； SDR； AD9361

隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，其便捷、靈活、高效的通信方式在軍事、經(jīng)濟(jì)、民生等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，公眾在對(duì)信息傳輸速率提出更高要求的同時(shí)，安全可靠的傳輸方式也正逐步被關(guān)注，保密通暢的無(wú)線通信系統(tǒng)已成為傳遞重要信息、保障民眾隱私、維護(hù)國(guó)家穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)設(shè)施，由此可見(jiàn)，深入研究無(wú)線通信技術(shù)對(duì)提升無(wú)線通信安全性能具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生熟悉硬件平臺(tái)各模塊組成、參數(shù)及功能，而后根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選用不同的模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的復(fù)雜性往往使學(xué)生忽視通信實(shí)驗(yàn)本身的教學(xué)目的，如若仿真效果不理想，將難以從無(wú)線通信過(guò)程中獲得深入地理解和探究。一種實(shí)時(shí)進(jìn)行無(wú)線信號(hào)采集的通信平臺(tái)將解決上述問(wèn)題，并有助于進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1 無(wú)線通信系統(tǒng)與通信安全教學(xué)

典型的無(wú)線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，在傳統(tǒng)基于硬件的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，為完成各通信模塊功能，需要集成大量電子元器件串行處理，但受制于芯片工藝和經(jīng)費(fèi)預(yù)算，單一電路板往往難以完成全部功能，從而造成了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)升級(jí)改造困難、應(yīng)用場(chǎng)景單一的問(wèn)題。伴隨著通信信號(hào)體制由簡(jiǎn)到繁，調(diào)制及編碼方式集復(fù)雜性、多樣性、可靠性于一體的技術(shù)浪潮，創(chuàng)新理論不斷推廣到通信課程教學(xué)中，迫切需要低硬件需求、結(jié)構(gòu)靈活、界面友好、具有良好開(kāi)放性的教學(xué)平臺(tái)完成配套的課程實(shí)驗(yàn)[1]。

無(wú)線通信安全教學(xué)方面，由于無(wú)線信號(hào)自身格式和無(wú)線信道物理特征的差異，為研究其內(nèi)在安全性和信息保密的能力，通常需要多種模式、多個(gè)頻段共存，以便靈活設(shè)計(jì)發(fā)射信號(hào)方式、擴(kuò)頻和跳頻加密、信道編碼加密、調(diào)制方式加密、預(yù)編碼等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)，從而拓寬學(xué)生的知識(shí)面[2]。借助諸如MATLAB、LabVIEW等軟件進(jìn)行仿真，固然可以利用其強(qiáng)大的計(jì)算能力和交互式圖形界面，使學(xué)生快速建立起抽象概念的理論模型，但上述仿真軟件所處理的數(shù)字信號(hào)，來(lái)源于上位機(jī)模擬運(yùn)算產(chǎn)生或同一組采樣數(shù)據(jù)，相對(duì)固定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和重復(fù)單調(diào)的工作易使學(xué)生感到乏味，極大影響了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的主觀能動(dòng)性與實(shí)踐創(chuàng)新性，學(xué)生將難以意識(shí)到處于實(shí)際通信環(huán)境中可能出現(xiàn)的復(fù)雜影響因素，因此，軟件無(wú)線電技術(shù)被廣大研究員和相關(guān)從業(yè)者積極關(guān)注。

2 軟件無(wú)線電技術(shù)及AD9361芯片介紹

軟件無(wú)線電技術(shù)以經(jīng)濟(jì)適用、系統(tǒng)開(kāi)放、操作靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明等優(yōu)勢(shì)為新型通信安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建提供了有力支撐。軟件無(wú)線電[3]是一種軟件定義頻段、調(diào)制方式、編碼結(jié)構(gòu)和信號(hào)波形的無(wú)線電廣播通信技術(shù)，核心思想是利用一個(gè)具有開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)化的、模塊化的通用硬件平臺(tái)，使數(shù)字化處理（A/D和D/A轉(zhuǎn)換）盡可能在靠近天線的前端進(jìn)行，減少模擬環(huán)節(jié)，將調(diào)制解調(diào)、信道選擇、協(xié)議設(shè)計(jì)、加密解密等通信功能通過(guò)高速數(shù)字信號(hào)處理單元軟實(shí)現(xiàn)，從而完成傳統(tǒng)基于硬件的無(wú)線通信平臺(tái)的各項(xiàng)功能，將硬件、軟件和無(wú)線技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，組成靈活多樣的多功能通信系統(tǒng)。

ADI公司推出的AD9361芯片內(nèi)部集成了模擬濾波、混頻器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、發(fā)射和接收通道頻率合成器以及包括可編程增益、直流偏置校準(zhǔn)等數(shù)字域功能單元[4]。AD9361單路發(fā)送（接收）信道的關(guān)鍵元器件如圖2所示。這款器件采用零中頻架構(gòu)，很好地解決了直流偏置和正交誤差限制，無(wú)需外置濾波單元，涵蓋70MHz～6GHz的工作頻率范圍，包括絕大部分特許執(zhí)照和免執(zhí)照頻段，真正實(shí)現(xiàn)了軟件可定義無(wú)線電從理論到實(shí)踐的硬件平臺(tái)搭建，是一款面向多層次應(yīng)用的高性能、高集成度、2×2MIMO結(jié)構(gòu)射頻捷變收發(fā)器。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，Xilinx公司的ZC706開(kāi)發(fā)板[5]作為基板，板載的ARM Cortex-A9雙核處理器作為處理系統(tǒng)（Processing System，PS），現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）作為邏輯運(yùn)算資源（Programmable Logic，PL），通過(guò)SD卡啟動(dòng)Ubuntu嵌入式系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)AD9361芯片工作；AD-FMCOMMS3評(píng)估板作為子版，由FMC連接器與基板相聯(lián)，調(diào)用FPGA資源完成數(shù)字上變頻、下變頻、抽樣和內(nèi)插等高速通用操作。由于AD9361芯片直接將射頻信號(hào)零中頻處理，因此學(xué)生只需在嵌入式操作系統(tǒng)下進(jìn)行基帶數(shù)字信號(hào)處理的程序設(shè)計(jì)，即可完成射頻接收（發(fā)送）范圍內(nèi)的通信安全類實(shí)驗(yàn)，諸如跳/擴(kuò)頻信號(hào)捕獲、OFDM調(diào)制解調(diào)、MIMO信噪比分析等[4，5]。本文選用開(kāi)源的GNU Radio進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

GNU Radio[6]既可使用軟件仿真，也能通過(guò)關(guān)聯(lián)硬件實(shí)時(shí)信號(hào)處理，真實(shí)的處理過(guò)程由Python腳本語(yǔ)言構(gòu)造流圖，調(diào)用C++編譯的信號(hào)處理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)集成了常規(guī)的諸如濾波器、FFT變換、調(diào)制解調(diào)器、信道編譯、時(shí)頻同步等上百種模塊，以及針對(duì)AD9361芯片定制的FMCOMMS2/3/4 Source（Sink）、IIO Oscilloscope Source（Sink）模塊，學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自行設(shè)計(jì)或利用集成的常規(guī)模塊快速開(kāi)發(fā)從信源（Source）到信宿（Sink）的DSP過(guò)程，編譯生成.py文件后，運(yùn)行得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

利用周邊環(huán)境中實(shí)時(shí)傳輸?shù)腇M調(diào)頻立體聲廣播信號(hào)，通過(guò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)采集和頻譜分析的實(shí)驗(yàn)，構(gòu)造GNU Radio流圖主要利用FMCOMMS2/3/4 Source、Ishort To Complex、QT GUI SINK三個(gè)庫(kù)內(nèi)模塊，分別完成信號(hào)采集、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、頻譜顯示功能，如圖4-A所示。通過(guò)在FM頻段，以97.5MHz為中心頻率，采樣21MHz的數(shù)據(jù)，得到如圖4-B所示結(jié)果，利用Max Hold功能鎖定頻點(diǎn)峰值。查閱到的本地FM電臺(tái)頻率表（如圖4-C所示）， 并與圖4-B峰值頻點(diǎn)相比對(duì)，可以驗(yàn)證采樣結(jié)果的正確性。此外，在Ubuntu命令窗口下利用命令行iio_fm_radio_play95.5，可以聽(tīng)到金鷹之聲電臺(tái)的解碼語(yǔ)音信號(hào)，如圖4-D所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以提高通信安全課程的實(shí)踐性和創(chuàng)新性為目的，通過(guò)SDR技術(shù)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，利用系統(tǒng)可擴(kuò)展、可重構(gòu)、集成度高的特性，可在4G、Wi-Fi、GSM、OFDM等多種實(shí)際通信場(chǎng)景中進(jìn)行推廣，通過(guò)模塊化軟件編程的方式將解決基帶至射頻前端的全部數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程。增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)主動(dòng)性和教學(xué)互動(dòng)性，有助于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和理解能力。系統(tǒng)可利用配置的以太網(wǎng)接口靈活接入實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)， 實(shí)現(xiàn)軟件客戶端與硬件系統(tǒng)的遠(yuǎn)程互訪，進(jìn)一步優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源配置和開(kāi)放共享水平。

參考文獻(xiàn)

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