基于SDR的通信安全實驗教學系統構建

田曦++李星宇++劉文涵

摘要：隨著無線通信技術的發展，信息傳輸所帶來的安全問題備受關注。實驗教學方面，以傳統硬件構建的實驗體系正逐步被可編程、多模式、寬頻帶的SDR（Software-Defined Radio）架構所取代。本文從研究典型的無線通信系統結構入手，通過分析系統潛在的安全問題，闡述基于SDR技術的通信安全實驗教學系統所具有的性能優勢，并利用AD9361芯片針對實際通信環境中的無線信號進行信號采集和頻譜分析，驗證該實驗教學系統的廣闊應用前景。

關鍵詞：信息安全 實驗教學 SDR AD9361

中圖分類號：TN971 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著無線通信技術的飛速發展，其便捷、靈活、高效的通信方式在軍事、經濟、民生等領域得到廣泛應用，公眾在對信息傳輸速率提出更高要求的同時，安全可靠的傳輸方式也正逐步被關注，保密通暢的無線通信系統已成為傳遞重要信息、保障民眾隱私、維護國家穩定的重要基礎設施，由此可見，深入研究無線通信技術對提升無線通信安全性能具有十分重要的意義。傳統的無線通信實驗，要求學生熟悉硬件平臺各模塊組成、參數及功能，而后根據不同的實驗內容選用不同的模塊進行仿真驗證，實驗過程的復雜性往往使學生忽視通信實驗本身的教學目的，如若仿真效果不理想，將難以從無線通信過程中獲得深入地理解和探究。一種實時進行無線信號采集的通信平臺將解決上述問題，并有助于進一步培養學生的實踐創新能力。

1 無線通信系統與通信安全教學

典型的無線通信系統結構如圖1所示，在傳統基于硬件的實驗平臺中，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費預算，單一電路板往往難以完成全部功能，從而造成了實驗平臺升級改造困難、應用場景單一的問題。伴隨著通信信號體制由簡到繁，調制及編碼方式集復雜性、多樣性、可靠性于一體的技術浪潮，創新理論不斷推廣到通信課程教學中，迫切需要低硬件需求、結構靈活、界面友好、具有良好開放性的教學平臺完成配套的課程實驗[1]。

無線通信安全教學方面，由于無線信號自身格式和無線信道物理特征的差異，為研究其內在安全性和信息保密的能力，通常需要多種模式、多個頻段共存，以便靈活設計發射信號方式、擴頻和跳頻加密、信道編碼加密、調制方式加密、預編碼等關鍵技術實驗，從而拓寬學生的知識面[2]。借助諸如MATLAB、LabVIEW等軟件進行仿真，固然可以利用其強大的計算能力和交互式圖形界面，使學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字信號，來源于上位機模擬運算產生或同一組采樣數據，相對固定的實驗結果和重復單調的工作易使學生感到乏味，極大影響了實驗過程中的主觀能動性與實踐創新性，學生將難以意識到處于實際通信環境中可能出現的復雜影響因素，因此，軟件無線電技術被廣大研究員和相關從業者積極關注。

2 軟件無線電技術及AD9361芯片介紹

軟件無線電技術以經濟適用、系統開放、操作靈活、結構簡明等優勢為新型通信安全實驗教學系統的構建提供了有力支撐。軟件無線電[3]是一種軟件定義頻段、調制方式、編碼結構和信號波形的無線電廣播通信技術，核心思想是利用一個具有開放的、標準化的、模塊化的通用硬件平臺，使數字化處理（A/D和D/A轉換）盡可能在靠近天線的前端進行，減少模擬環節，將調制解調、信道選擇、協議設計、加密解密等通信功能通過高速數字信號處理單元軟實現，從而完成傳統基于硬件的無線通信平臺的各項功能，將硬件、軟件和無線技術有機地結合起來，組成靈活多樣的多功能通信系統。

ADI公司推出的AD9361芯片內部集成了模擬濾波、混頻器、數據轉換器、發射和接收通道頻率合成器以及包括可編程增益、直流偏置校準等數字域功能單元[4]。AD9361單路發送（接收）信道的關鍵元器件如圖2所示。這款器件采用零中頻架構，很好地解決了直流偏置和正交誤差限制，無需外置濾波單元，涵蓋70MHz～6GHz的工作頻率范圍，包括絕大部分特許執照和免執照頻段，真正實現了軟件可定義無線電從理論到實踐的硬件平臺搭建，是一款面向多層次應用的高性能、高集成度、2×2MIMO結構射頻捷變收發器。

3 實驗教學系統構建

實驗教學系統基本結構如圖3所示，Xilinx公司的ZC706開發板[5]作為基板，板載的ARM Cortex-A9雙核處理器作為處理系統（Processing System，PS），現場可編程門陣列（FPGA）作為邏輯運算資源（Programmable Logic，PL），通過SD卡啟動Ubuntu嵌入式系統，驅動AD9361芯片工作；AD-FMCOMMS3評估板作為子版，由FMC連接器與基板相聯，調用FPGA資源完成數字上變頻、下變頻、抽樣和內插等高速通用操作。由于AD9361芯片直接將射頻信號零中頻處理，因此學生只需在嵌入式操作系統下進行基帶數字信號處理的程序設計，即可完成射頻接收（發送）范圍內的通信安全類實驗，諸如跳/擴頻信號捕獲、OFDM調制解調、MIMO信噪比分析等[4，5]。本文選用開源的GNU Radio進行相關實驗驗證。

GNU Radio[6]既可使用軟件仿真，也能通過關聯硬件實時信號處理，真實的處理過程由Python腳本語言構造流圖，調用C++編譯的信號處理模塊來實現。系統集成了常規的諸如濾波器、FFT變換、調制解調器、信道編譯、時頻同步等上百種模塊，以及針對AD9361芯片定制的FMCOMMS2/3/4 Source（Sink）、IIO Oscilloscope Source（Sink）模塊，學生可根據實驗要求自行設計或利用集成的常規模塊快速開發從信源（Source）到信宿（Sink）的DSP過程，編譯生成.py文件后，運行得到實驗結果。

利用周邊環境中實時傳輸的FM調頻立體聲廣播信號，通過教學實驗系統設計一個信號采集和頻譜分析的實驗，構造GNU Radio流圖主要利用FMCOMMS2/3/4 Source、Ishort To Complex、QT GUI SINK三個庫內模塊，分別完成信號采集、數據格式轉換、頻譜顯示功能，如圖4-A所示。通過在FM頻段，以97.5MHz為中心頻率，采樣21MHz的數據，得到如圖4-B所示結果，利用Max Hold功能鎖定頻點峰值。查閱到的本地FM電臺頻率表（如圖4-C所示）， 并與圖4-B峰值頻點相比對，可以驗證采樣結果的正確性。此外，在Ubuntu命令窗口下利用命令行iio_fm_radio_play95.5，可以聽到金鷹之聲電臺的解碼語音信號，如圖4-D所示。

4 結語

本文以提高通信安全課程的實踐性和創新性為目的，通過SDR技術構建實驗教學環境，利用系統可擴展、可重構、集成度高的特性，可在4G、Wi-Fi、GSM、OFDM等多種實際通信場景中進行推廣，通過模塊化軟件編程的方式將解決基帶至射頻前端的全部數字信號處理過程。增強學生的實驗主動性和教學互動性，有助于培養學生的動手操作能力和理解能力。系統可利用配置的以太網接口靈活接入實驗室局域網， 實現軟件客戶端與硬件系統的遠程互訪，進一步優化了實驗教學資源配置和開放共享水平。

參考文獻

[1]皇甫麗英，勾秋靜，徐淑正等.無線通信系統電路設計實驗支撐平臺的研制與應用[J].實驗技術與管理，2009，26（1）：47-50.

[2]雷鵬，羅斐翔，張博誠等.基于軟件無線電的數字信號處理綜合實驗平臺[J].工業和信息化教育， 2016（7）.

[3]姜浩，張治.基于AD9361的軟件無線電平臺設計與實現[J].電視技術，2015，39（15）：51-54.

[4]Analog Devices Inc. AD9361 Reference Manual UG-570， www.analog.com， 2014.

[5]何賓，張艷輝.Xilinx Zynq-7000嵌入式系統設計與實現：基于ARM Cortex-A9雙核處理器和Vivado的設計方法[M].電子工業出版社，2016.

[6]李皓.基于GNU Radio平臺的通信演示系統實現[D].西安電子科技大學，2014.