基于SDR的通信安全实验教学系统构建

田曦++李星宇++刘文涵

摘要：随着无线通信技术的发展，信息传输所带来的安全问题备受关注。实验教学方面，以传统硬件构建的实验体系正逐步被可编程、多模式、宽频带的SDR（Software-Defined Radio）架构所取代。本文从研究典型的无线通信系统结构入手，通过分析系统潜在的安全问题，阐述基于SDR技术的通信安全实验教学系统所具有的性能优势，并利用AD9361芯片针对实际通信环境中的无线信号进行信号采集和频谱分析，验证该实验教学系统的广阔应用前景。

关键词：信息安全 实验教学 SDR AD9361

中图分类号：TN971 文献标识码：A 文章编号：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

隨着无线通信技术的飞速发展，其便捷、灵活、高效的通信方式在军事、经济、民生等领域得到广泛应用，公众在对信息传输速率提出更高要求的同时，安全可靠的传输方式也正逐步被关注，保密通畅的无线通信系统已成为传递重要信息、保障民众隐私、维护国家稳定的重要基础设施，由此可见，深入研究无线通信技术对提升无线通信安全性能具有十分重要的意义。传统的无线通信实验，要求学生熟悉硬件平台各模块组成、参数及功能，而后根据不同的实验内容选用不同的模块进行仿真验证，实验过程的复杂性往往使学生忽视通信实验本身的教学目的，如若仿真效果不理想，将难以从无线通信过程中获得深入地理解和探究。一种实时进行无线信号采集的通信平台将解决上述问题，并有助于进一步培养学生的实践创新能力。

1 无线通信系统与通信安全教学

典型的无线通信系统结构如图1所示，在传统基于硬件的实验平台中，为完成各通信模块功能，需要集成大量电子元器件串行处理，但受制于芯片工艺和经费预算，单一电路板往往难以完成全部功能，从而造成了实验平台升级改造困难、应用场景单一的问题。伴随着通信信号体制由简到繁，调制及编码方式集复杂性、多样性、可靠性于一体的技术浪潮，创新理论不断推广到通信课程教学中，迫切需要低硬件需求、结构灵活、界面友好、具有良好开放性的教学平台完成配套的课程实验[1]。

无线通信安全教学方面，由于无线信号自身格式和无线信道物理特征的差异，为研究其内在安全性和信息保密的能力，通常需要多种模式、多个频段共存，以便灵活设计发射信号方式、扩频和跳频加密、信道编码加密、调制方式加密、预编码等关键技术实验，从而拓宽学生的知识面[2]。借助诸如MATLAB、LabVIEW等软件进行仿真，固然可以利用其强大的计算能力和交互式图形界面，使学生快速建立起抽象概念的理论模型，但上述仿真软件所处理的数字信号，来源于上位机模拟运算产生或同一组采样数据，相对固定的实验结果和重复单调的工作易使学生感到乏味，极大影响了实验过程中的主观能动性与实践创新性，学生将难以意识到处于实际通信环境中可能出现的复杂影响因素，因此，软件无线电技术被广大研究员和相关从业者积极关注。

2 软件无线电技术及AD9361芯片介绍

软件无线电技术以经济适用、系统开放、操作灵活、结构简明等优势为新型通信安全实验教学系统的构建提供了有力支撑。软件无线电[3]是一种软件定义频段、调制方式、编码结构和信号波形的无线电广播通信技术，核心思想是利用一个具有开放的、标准化的、模块化的通用硬件平台，使数字化处理（A/D和D/A转换）尽可能在靠近天线的前端进行，减少模拟环节，将调制解调、信道选择、协议设计、加密解密等通信功能通过高速数字信号处理单元软实现，从而完成传统基于硬件的无线通信平台的各项功能，将硬件、软件和无线技术有机地结合起来，组成灵活多样的多功能通信系统。

ADI公司推出的AD9361芯片内部集成了模拟滤波、混频器、数据转换器、发射和接收通道频率合成器以及包括可编程增益、直流偏置校准等数字域功能单元[4]。AD9361单路发送（接收）信道的关键元器件如图2所示。这款器件采用零中频架构，很好地解决了直流偏置和正交误差限制，无需外置滤波单元，涵盖70MHz～6GHz的工作频率范围，包括绝大部分特许执照和免执照频段，真正实现了软件可定义无线电从理论到实践的硬件平台搭建，是一款面向多层次应用的高性能、高集成度、2×2MIMO结构射频捷变收发器。

3 实验教学系统构建

实验教学系统基本结构如图3所示，Xilinx公司的ZC706开发板[5]作为基板，板载的ARM Cortex-A9双核处理器作为处理系统（Processing System，PS），现场可编程门阵列（FPGA）作为逻辑运算资源（Programmable Logic，PL），通过SD卡启动Ubuntu嵌入式系统，驱动AD9361芯片工作；AD-FMCOMMS3评估板作为子版，由FMC連接器与基板相联，调用FPGA资源完成数字上变频、下变频、抽样和内插等高速通用操作。由于AD9361芯片直接将射频信号零中频处理，因此学生只需在嵌入式操作系统下进行基带数字信号处理的程序设计，即可完成射频接收（发送）范围内的通信安全类实验，诸如跳/扩频信号捕获、OFDM调制解调、MIMO信噪比分析等[4，5]。本文选用开源的GNU Radio进行相关实验验证。

GNU Radio[6]既可使用软件仿真，也能通过关联硬件实时信号处理，真实的处理过程由Python脚本语言构造流图，调用C++编译的信号处理模块来实现。系统集成了常规的诸如滤波器、FFT变换、调制解调器、信道编译、时频同步等上百种模块，以及针对AD9361芯片定制的FMCOMMS2/3/4 Source（Sink）、IIO Oscilloscope Source（Sink）模块，学生可根据实验要求自行设计或利用集成的常规模块快速开发从信源（Source）到信宿（Sink）的DSP过程，编译生成.py文件后，运行得到实验结果。

利用周边环境中实时传输的FM调频立体声广播信号，通过教学实验系统设计一个信号采集和频谱分析的实验，构造GNU Radio流图主要利用FMCOMMS2/3/4 Source、Ishort To Complex、QT GUI SINK三个库内模块，分别完成信号采集、数据格式转换、频谱显示功能，如图4-A所示。通过在FM频段，以97.5MHz为中心频率，采样21MHz的数据，得到如图4-B所示结果，利用Max Hold功能锁定频点峰值。查阅到的本地FM电台频率表（如图4-C所示）， 并与图4-B峰值频点相比对，可以验证采样结果的正确性。此外，在Ubuntu命令窗口下利用命令行iio_fm_radio_play95.5，可以听到金鹰之声电台的解码语音信号，如图4-D所示。

4 结语

本文以提高通信安全课程的实践性和创新性为目的，通过SDR技术构建实验教学环境，利用系统可扩展、可重构、集成度高的特性，可在4G、Wi-Fi、GSM、OFDM等多种实际通信场景中进行推广，通过模块化软件编程的方式将解决基带至射频前端的全部数字信号处理过程。增强学生的实验主动性和教学互动性，有助于培养学生的动手操作能力和理解能力。系统可利用配置的以太网接口灵活接入实验室局域网， 实现软件客户端与硬件系统的远程互访，进一步优化了实验教学资源配置和开放共享水平。

参考文献

[1]皇甫丽英，勾秋静，徐淑正等.无线通信系统电路设计实验支撑平台的研制与应用[J].实验技术与管理，2009，26（1）：47-50.

[2]雷鹏，罗斐翔，张博诚等.基于软件无线电的数字信号处理综合实验平台[J].工业和信息化教育， 2016（7）.

[3]姜浩，张治.基于AD9361的软件无线电平台设计与实现[J].电视技术，2015，39（15）：51-54.

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

[5]何宾，张艳辉.Xilinx Zynq-7000嵌入式系统设计与实现：基于ARM Cortex-A9双核处理器和Vivado的设计方法[M].电子工业出版社，2016.

[6]李皓.基于GNU Radio平台的通信演示系统实现[D].西安电子科技大学，2014.