安防应用的无线信号宽带监测系统设计

储兆玲，李雨泽，时翔

（常州工学院，江苏常州，213002）

0 引言

无线信号监测是对一定区域的射频设备的辐射信号实施信号搜索、信息截获、参数测量、分析统计以及信号识别等工作。“非法无线信号”的无线信号监测设备主要对监测场所及环境的无线（电磁）信号进行搜索、截获、参数测量、测向、定位、解调、分析、和处理，通过对参数信息的统计分析，发现非法源后，还需进行非法源的测向与定位，依照相关法律法规进行查处。它为合法无线电频率的规划、指配、电磁环境的测试、非法无线电查处、确保通信与信息安全等方面提供了强大的技术支撑，成为无线电频谱安全管理的重要组成部分。基于安全防护目的的非法无线信号的全频段扫描与分析、感知与定位系统及其相关技术，目前已成为我国无线电监测领域的重要应用领域。

本项目设计一种用于非法无线信号监测和识别的全频段扫描与感知系统，工作于50MHz～10GHz 频率，能够对通行的RFID（433MHz）、广域物联网（699～2200MHz）、WiFi/蓝牙/UWB/ZigBee（2400～5250MHz）、全球卫星导航系统（1100～1600MHz）等无线信号进行扫描与接收、滤波与处理、频谱变换及目标识别，特别适用于酒店防窥防窃听，禁飞区无人机信号监测以及机场安保等场景，实现信息与隐私防护、重要场所防非法无线信号入侵等功能，实现对个人或重要场合的安全防护。

1 系统总体设计与原理

本文基于安全防护的目的，设计了一种非法无线信号的宽带监测系统。该系统主要由4 个部分组成，包括天线、低噪声宽带放大器、检波器、低频放大器模块。系统的射频前端利用Microwave Office 软件，进行50MHz～10GHz 天线、低噪声宽带放大器以及检波器的设计，利用Multisim软件进行10Hz～200Hz 低频放大器的设计，最后进行50MHz～10GHz 超宽带接收机的系统集成。系统的设计目的是能够监测常见主流的无线通讯信号。

系统的总体设计框图如图1 所示，各模块功能描述如下。

图1 系统总体框图

(1)宽带天线将监测环境中的无线信号进入接收，输入50MHz～10GHz 的宽带放大器进行低噪声放大。低噪声的目的保证系统输出端具有足够的可供判决的信噪比。

(2)放大后的射频信号经检波器后，进行能量的积分，实现功率-电压的转换，输出近似直流的低频信号。

(3)高增益的低频放大器会首先滤除高频及噪声信号，将检波器进行能量积分后的信号进行低频放大，输出信噪比合适、可通过示波器观察到的较为理想的信号。

(4)告警器设定频率值对比和幅度值门限，当信号幅值达到门限时，向外报警。

2 分系统设计

2.1 天线设计

系统天线设计采用Microwave Office 作为仿真设计软件，天线基板采用Rogers 5880 基板材料，厚度0.127mm，天线微带的宽缝长度为5.1mm，窄缝长度为1.9mm，背面为金属地（镀金）。

天线设计的第一阶段是快速确定几何模型天线的形式。第二阶段创建几何模型天线的计算参数模型，并将计算出的结果与相关文献直接给出计算结果的数据结合在一起作对比。第三阶段实现几何模型天线的参数模型计算，获得若干种天线的设计和性能指标，快速计算并验证天线的性能。

天线工作频带和增益大小对整个接收链路的噪声特性有很大影响。因此，在选择天线时，要保证其具有较高的增益和足够低且相对稳定的回波损耗。通过以上的设计流程得到天线的结构和几何模型，再借助仿真技术和系统优化的方法，进一步地设计和验证天线的设计和性能。设计好的2×2 单元的天线结构及其增益仿真结果如图2 所示。

资本投入量计算。华南地区四省份均以2011年为基期，用本地区年末资本存量表示资本投入量，并采用永续盘存法估算年末资本存量，资本存量估算的公式是

图2 平面天线的天线结构及方向图

天线与后端的宽带放大器之间采用同轴线探针馈电，外圆柱为空气，制造成本得到了下降，同时解决了采用微带线端馈电时天线阵列的不对称问题。单个贴片可以看作是一个谐振腔，贴片的每一端都有辐射槽，边缘场有效长度是半波长贴片的长度，小于介电介质中的半波长。

2.2 宽带放大器设计

在宽带接收射频电路中，宽带放大器的作用是将天线接收微弱的射频信号放大，并尽可能的滤除干扰信号。检波器则将放大后的射频信号进行功率-电压的转换，处理变频到频率较低处进行解调。

宽带放大器为低噪声放大器，一般位于各种无线电接收机的前端或者作为各种精密电子探测装备的放大电路，能够接受到十分微弱的信号，然后对其进行放大出来。低噪声放大器的噪声系数性能决定了整个接收机的噪声性能。较低的噪声系数能够抑制后面各个元器件所产生的各种噪声对整个射频电路的影响。本系统采用最佳噪声的匹配方式减少反射消耗，让接收到的信号能够传送到下一级的网络。

本方案需要选用50MHz～10GHz频带的低噪声放大器，为了提高接收微弱信号的能力和保证良好的通信质量，接收机必须有良好的噪声特性。低噪声放大器作为最靠近接收天线的电路，其噪声系数对接收机的性能影响最大，本系统要求的LNA 工作在DC～10GHz，单级增益18dB，噪声＜4.5dB。

设计采用栅长为0.15μm GaAs pHEMT 低噪声管，其栅宽w 在一定范围内可以任意取值。w 取值大可以获得较高的功率容量和低频增益，但是特征频率将下降。在10GHz 频段，通过对不同栅宽管子的仿真对比，在增益、噪声与功率容量做折衷考虑后，采用四级级联放大的结构，四级放大器的总噪声系数定义如下：

Gn，NFn分别为第n级的增益和噪声系数，放大器的总噪声系数主要取决于前两级的噪声。因此，设计中前两级侧重于最佳噪声匹配 ，后两级侧重于共轭匹配以获得更大增益。通过原理图仿真和场仿真相结合，设计满足系统要求的低噪声放大器。二级低噪声放大器的输出匹配仿真模型如图3 所示。

图3 二级低噪放输出匹配仿真模型

2.3 宽带检波器设计

在非法无线信号的带宽检测系统中，宽带检波器起着至关重要的作用，信号、功率、增益等都可以被其敏感地检测出来。宽带检波器通过二极管的非线性伏安特性进行频率变换，再通过低通平滑滤波完成检测，能够从调幅波中取出低频调制信号且较为稳定。宽带检波器能将射频信号强度成比例地转化为直流电压输出，也叫“视频输出”。本设计采用零偏压肖特基（Schottky）二极管检波器，用于成比例地输出与射频信号强度相对应的电压信号，如图4 所示。

图4 二极管检波器工作过程

2.4 低频放大器设计

设计一个放大倍数在5000 倍左右，带宽在1kHz 以内的低频放大电路用于放大直流/低频信号，同时具有一定的滤波作用。用Multisim 软件对电路进行仿真，信号选择交流的正弦波，在一定的理论增益下一定频率下对不同幅值通过放大电路进行放大。经过模型电路设计与仿真优化，最终采取能够实现低噪声、高速响应直流/低频放大功能的OP27 精密运算放大器作为第一级放大，后面放大链路采用多级LF353 放大器实现后级放大。OP27 放大电路如图5所示。

图5 OP27 低噪声放大电路

3 系统集成与联调

系统集成的实物图如图6 所示，包括工作频率范围为50MHz-10GHz 的天线、SMA 射频接头、50MHz-10GHz 的低噪声放大器、检波器、低频放大器以及电源模块。将各级模块用同轴线连接起来测试整体性能，对无线信号监测结果如图7 所示。

图6 无线信号宽带监测系统实物图

图7 系统在各种无线信号下的监测波形

4 结束语

本文主要设计了一款用于无线信号监测的宽带接收机，基于Microwave Office 软件设计接收机射频前端，用Multisim 完成宽带接收机中频后系统。整个系统设计方法是自上而下，首先确定好接收机的整体架构，再一步一步的对每一个模块进行模拟仿真和増益分配，再去进行电路设计与仿真、芯片选型与电路制作，最后进行电路测试、系统集成与联调，将整体的设计分解成很多小模块的设计的设计方法便于迅速得找出系统链路中的缺陷与不足，有针对性地进行改进。最终完成的系统能够达到预定的目标，监测到一些常见的非法无线信号，后续的系统改进将致力于信号的分类识别及其智能化应用方面。