一种宽频信号阻断设备的设计和实现

2014-12-18董峰军

电子科技 2014年3期

董峰军，姚广

(陕西凌云电器集团有限公司研究所，陕西宝鸡 721006)

随着电子技术的快速发展，不法分子利用各种电子通信设备企图获取国家秘密，造成了国家技术信息的外泄。为了阻止不法分子通过无线技术手段实施信息窃取，设计一种宽频信号阻断器对异常信号实施阻断。

与传统设计方案不同，本次设计采用高低频干扰模块，覆盖频率宽，可以覆盖100 MHz～2.4 GHz，解决了普通阻断器无法对某些信号进行屏蔽的问题，实现了全频段覆盖。设计采用110～240 V AC宽电压输入，多种工作模式可选，可单独工作在低频状态下或高频状态下，也可两者同时工作，对全频段无线信号进行干扰。设备除了应用于信息保密单位外还可有效地应用于国家各种考试，对检测到的非法无线信号实施干扰，实现考试的公平公正。

1 硬件部分设计

系统中无线信号阻断设备由高、低频组合构建。硬件设计充分考虑了组装的便捷性，采用模块化设计，包含电源管理、低频发射模块、高频发射模块、控制板及接口等，系统框图如图1所示。设备接收服务器的指令对无线信号实施信号阻断。

图1 系统框图

1.1 电源管理

电源管理部分主要承担整个系统的供电。设备外供220 V，内部开关电源将220 V AC经过DC/DC转换为5 V和12 V直流电源，如图2所示。

220 V AC经过电压转换成5 V DC为高频发射模块供电;开关电源将220 V AC转成12 V DC为控制板供电，12 V分为两路，一路通过磁珠为低频发射模块的推动放大电路RD01MUS2供电，低频发射模块所需的5 V通过控制板上的LDO进行电压转换;一路采用两级LDO进行电压转换，将12 V转成5 V为单片机ATMEGA1280供电，网络驱动芯片 W5300所需的3.3 V由两级LDO输出的5 V经1117E33进行低电压转换。

图2 控制板电源管理框图

1.2 低频发射模块

低频发射模块［1］主要是对工作频率为 102～715 MHz的射频信号进行干扰，发射1 W的干扰信号。在整个低频频段按照一定的分频比划分为6个子频段，每个子模块可以独立工作。如图3所示，VCO利用调谐电压生成一个频率［2］，经过 PLL［3］产生稳定的工作频率，再经过小信号功率放大、低通滤波输出射频信号。

图3 低频发射模块框图

低频发射模块的压控振荡(VCO)电路、锁相环电路(PLL)、功率检测电路、小功率放大电路、缓冲放大电路等采用5 V可控电源，由控制板进行控制。推动放大电路所需的12 V电源由控制板通过磁珠提供。

1.3 高频发射模块

高频发射模块［4］主要是对工作频率在870～960 MHz、1 805 ～1 920 MHz、2 000 ～2 030 MHz、2 110 ～2 160 MHz、2 400～2 480 MHz的高频信号进行干扰，也可以对 WCDMA、TD－SCDMA、GSM/CDMA及 WiFi等信号进行干扰，并涵盖了目前所有的手机及对讲机。

1.4 控制板

控制板是整个设备的控制核心，连接在外部的网络服务器接收控制信息，并且按照指令控制低频发射模块和高频发射模块工作，有4种工作模式:模式1。全频段干扰，高频发射模块开，低频发射模块开;(2)模式2。手机及WiFi信号干扰，高频发射模块开，低频发射模块关;(3)模式3。定频干扰，高频发射模块关，低频发射模块开;(4)模式4。待机，高频发射模块、低频发射模块关实施阻断外来非法信号。

一方面控制板通过双绞线与网络服务器进行连接，接收指令信息，另一方面通过Board to Board的连接器及射频电缆分别与低频发射模块和高频发射模块连接，对其进行控制，12 V直流供电。

1.5 接口的设计

(1)外部接口的设计。外部接口主要有三相电源插座、程序升级 JTAG［5］插座、RJ45［6］网口，AC 插座采用型号为AC01的三合一插座，它将三相标准插座、保险丝座、船型开关结合在一起。JTAG插座采用5×2双排间距为2.54 mm的连接器。RJ45网口采用14Pin的带有LED显示的插座放置在JTAG的左侧，在网口插座的左边5 mm间距位置放置有侧装的轻触开关。

(2)内部接口的设计。内部接口主要有220 V电源输入插座，6Pin 5 V输出插座和6Pin高频发射模块电源输入插座，6Pin 12 V输出插座和6Pin控制板电源输入插座，高频发射模块和控制板的控制插座，控制板6个通道和低频发射模块6个通道的控制及电源输入插座。

2 软件部分设计

系统软件采用模块化程序设计，用C语言编写，使用AVR［7］单片机。主要由主程序、低频干扰子程序、高频干扰子程序组成。接通电源后进入程序初始化状态，CPU供电，进入模式Ⅳ，接收系统指令，发送干扰频率，软件设计流程如图4所示。

图4 软件设计流程图

3 测试结果及讨论

3.1 主要的测试仪表及项目

产品测试所用的仪表主要有变频电源HY9002［8］、频谱分析仪HP8954E、PC、测试软件。测试项目有输入电压、输出功率、PD检测、锁定时间及模式检测等。

3.2 测试结果

产品的测试结果如表1所示。

表1 测试结果

经测试，产品主要技术指标满足设计输入的要求。使用过程中工作稳定、可对半径为25 m范围内的信号(点频信号、WCDMA、TD － SCDMA、GSM/CDMA［9］、WiFi［10］)进行有效干扰，达到了阻断的效果。

产品在使用过程中缓冲级芯片SGA5589Z［11］容易损坏，给生产过程及成本带来了一定压力，为解决芯片损坏问题，通过收集大量的缓冲级放大集成电路的技术并进行改进，确定使用SGA6589Z替换SGA5589Z。原因有:(1)SGA6589Z和SGA5589Z为Pin对Pin不需要改动PCB。(2)SGA5589Z的驱动工作电压范围为3.9～4.3 V，SGA6589Z的驱动电压为4.5～5.3 V，后者的工作电压范围更接近产品电源5 V的理论要求。(3)价格上SGA6589Z和SGA5589Z相同。(4)使用SGA6589Z各个模块的总耗电量均有所下降，最大下降电流达50 mA，可以更好地对产品进行优化，提高了产品性能。SGA5589Z替换实验前后总消耗电流变化如图5所示。