基于超声波的空潜安全通信系统

北京航空航天大学　孙 超　宋晨光　曲欣茹

指导教师: 金 天

摘 要

在三网发展日臻完善的今天, 空潜安全通信技术却相对滞后。 因此, 设计可靠的空潜通信系统是很有必要的。 本作品利用FPGA与PC端软件技术, 实现了以超声波为载体的空潜安全通信系统; 解决了传统电磁波在水下无法通信的问题。 作品采用ASK调制技术, 实现以超声波为载体的空潜基础通信;采用AES算法加密, 提高通信过程的安全性; 对用户进行身份认证, 提高进入系统的安全性。 本作品可广泛用于如潜艇通信、 灾害监测、 水底作业等诸多领域。

The Safety Communication System Through The Air and Water Based on The Ultrasound

Abstract

Nowadays, although the three traditional networks have developed well, the development of wireless communication technology through the air and water just starts. So it is worthwhile to design a reliable communication system through the air and water. This work has made the reliable communication system through the air and water based on the ultrasound by using the Nexys 3 and Atlys FPGA as the development platform combining with the client software on PC. The work has solved the problem that the traditional electromagnetic wave couldn't transfer due to the serious attenuation in water. This work has three main functions. First, this work could communicate on the condition of air to air, water to water, air to water based on the ultrasound. Second, the cryptographic file using the AES algorithm improves the security of the communication process. Third, the desktop software of this work is written by JAVA and the authentication function improves the safety of the whole system further. This work can be widely used at military aspect after being produced, such as listening and collecting marine military intelligence and industry, managing the marine environment, protecting marine resources and working under the sea.

1 背景介绍

空潜通信技术具有巨大的军用和商用价值。 军事上, 空潜通信技术对于海洋军事情报的监听与收集、 港口及近岸的检测, 特别是对于水下侦察与作战群体的管理、 指挥与调度等方面都有十分重要的作用。 商业上, 空潜通信技术在海洋环境管理、 海洋资源保护、 灾害监测、 海底生产作业等方面都有广阔的应用前景。

本系统正是基于以上背景利用指定FPGA平台以及相关模拟电路, 通过对信息的调制解调, 对文件进行AES加密, 实现了空-空、 水-水以及空-水间的加密通信。 同时具有PC端身份认证功能, 为空潜通信系统的安全提供有力的保障。

2 方案论证

2.1 海洋通信特征

从通信理论看, 海洋就是声信道, 其传播特性较无线电信道要恶劣得多。 海洋信道属于不平整双界面随机不均匀介质信道, 又是时间、 空间弥散的慢衰落信道, 能量损失不仅随距离并且随频率增加而变大, 传播过程中时变及多途效应严重。 主要特征有: ①通信带宽有限; ②相干多途信道; ③浅海声信道; ④多普勒效应。

2.2 调制解调方案

水声通信信道环境恶劣, 声信号在水中的衰减、 延迟、 失真、 散射和噪声等影响不可忽略。 在水声条件下, 利用FSK与PSK的调制解调相对复杂, 硬件要求高。 考虑到水声信道的混响与起伏特性, 信号的相位与幅度都严重畸变, 而基于能量检测的ASK方式对相位畸变是不敏感的, 并解决了载波相位跟踪问题; 其抗干扰性、 抗衰落性能好, 信号的产生、 解调容易, 可以满足超声波通信的需要, 实现灵活。 故本系统采取ASK(幅移键控)的调制解调方法。

2.3 编码方案

由于水声信道的多变性和复杂性, 为了进一步提高通信可靠性和准确性, 本系统增加了对通信信息的编解码处理。 通过对常用信道编码技术的对比研究, 本系统选用RS编码技术对信号进行差错控制编码。

RS(Reed-Solomon)码是一类纠错能力很强的特殊的非二进制BCH码。 对于任选正整数S可构造一个相应的码长为n=q S-1的q进制BCH码, 而q作为某个素数的幂。 当S=1, q＞2时所建立的码长n=q-1的q进制BCH码, 称它为RS码。 本系统采用的RS编码参数如下: 块长度:7个符号; 消息长度:4个符号; 奇偶校验长度:3个符号; 最小距离:4个符号。

3 实现原理

3.1 系统硬件

系统硬件部分主要由FPGA开发板、 超声波发射端模拟电路以及超声波接收端模拟电路三部分组成。 其中FPGA开发板为将PC端已编码好的信息调制到40K的载波上, 经过发射端模拟电路(见图1、图2)放大后, 驱动水中或空气中的超声波换能器, 发送频率为40K的超声波。 超声波可通过水或空气多种信道到达接收端, 接收端电路(见图3、 图4)对信号依次进行多级放大、 包络检波、 滤波放大、 比较输出, 将解调回来的信号输入到FPGA中, 然后由FPGA对信号进行采样后进行TTL电平充电, 输回PC, 由PC端进行解码和解密后得到明文信息, 完成整个通信过程。

图1 发射端放大电路图

图2 发射端功率放大电路图(三级并联实现功率放大)

图3 前段放大电路及包络检波电路图

图4 下一级放大电路、 低通滤波和整形电路图

3.2 发射与接收

本系统通信总体流程如图5所示。

图5 通信总体流程图

发射端为驱动换能器发送超声波信号, FPGA输出已调制好的信号, 先由电平转换电路滤除其直流分量, 然后通过放大和扩流电路增大其发射功率, 以驱动换能器。

接收端将接收到的信号解调后输入FPGA中进行电平重建。 接收到换能器的信号后, 先由两级放大电路将信号放大, 然后再通过包络检波电路得到信号包络, 进而经过滤波器和比较器得到占空比变化的方波信号, 输入到FPGA中。

3.3 系统流程

本系统主要分为空气中的加密传输系统,水中的无线控制系统,水空之间的身份认证系统等三部分。

(1) 加密传输系统

加密传输系统实现对传输信息的加密、 解密, 其流程如图6所示。 首先在发送端输入密钥和传输信息, 通过多种信道发送, 接收端获取到密文信息, 需要输入解密密钥, 若正确则可成功解密, 若不正确, 则不能解密, 不能获取信息。

(2) 身份认证系统

在身份认证系统中可实现系统对用户的认证, 和用户对数据信息的获取, 其流程如图7所示。

图6 加密传输系统流程图

图7 身份认证流程图

(3) 水下无线控制系统

在水下无线控制系统中可实现对水下机械设备的无线控制和操作, 其流程如图8所示。

图8 水下无线控制系统框图

4 测试结果

4.1 测试设备

装有Windows7操作系统的笔记本电脑2台、 NEXYS 3与ATLYS FPGA开发板、 RS232串口线8根、超声波发射接收探头4个、 超声波发射接收探头4个、65cm高亚克力管3支、 超声波发射驱动模拟电路板4块、 超声波接收处理模拟电路4块、 开关电源2个。

4.2 系统性能测试

(1) 空-空加密文件传输功能测试结果

测试数据表明, 在空-空通信环境下该加密文件传输系统在1200Baud条件下的传输距离可以达到3m,如果继续加大发射功率, 其通信距离能够继续增加。

(2) 水-水加密文件传输功能测试结果

测试数据表明, 水中该加密文件传输系统在600 Baud条件下的传输距离可以达到1m, 如继续加大发射功率, 其通信距离能够继续增加。

(3) 身份认证测试结果

在传输距离为65cm, 传输速率为600 Baud, 水深30cm条件下, 在空气端PC填写正确身份认证信息, 在水端PC界面显示“认证成功”, 如图9所示。

在空气端PC填写错误身份认证信息, 在水端PC界面显示“认证失败”, 如图10所示。

图9 “认证成功”界面

图10 “认证失败”界面

对比测试结果截图可以发现, 在距离65cm, 传输速率600Baud条件下, 发送正确身份认证信息,水端PC界面显示“认证成功”, 空气端PC界面跳转到文件加密传输界面; 当输入身份认证信息不正确时, 水端连接的PC界面没有显示“接收到身份认证信息”, 空气端PC界面显示“身份认证失败”, 证明空-水超声波通信系统可以完成身份认证的功能。

5 结语

本系统实现了在空-空、 水-水、 空-水、 水-空四种通信环境下稳定的安全通信, 打造了水空一体化的通信平台。 身份认证和文件加密传输功能, 使得系统通信的安全性得到了有效的保障。

专家点评

参赛作品针以空-水安全通信为背景, 利用了XiLinx的Nexys 3和AtlysFPGA开发板资源, 设计并制作了以超声波为载体的加密通信系统。 作品立意新颖, 制作量大。 演示过程中完成了空-空、 空-水、 水-水的加密数据传输, 具有应用前景。