手機通信系統(tǒng)硬件設(shè)計資料下載

??1 引言 ? ??隨著無線電技術(shù)的迅速發(fā)展．恐怖組織和不法分子利用無線通信網(wǎng)絡(luò)實施高科技恐怖和間諜活動越來越猖獗，給國家安全和人民生活帶來諸多不安定因素，更是對當前世界和平穩(wěn)定發(fā)展的大環(huán)境提出挑戰(zhàn)。因此研究抑制信息犯罪的電子對抗技術(shù)具有重要意義。隨著手機的普及，手機犯罪案例的上升，當前通信制式下的手機干擾亦成為研究的熱點。 ? ??2 基本原理 ? ??當前通信制式下，基于FDMA/TDMA體制的GSM手機和基于CDMA體制的CDMA手機均是通過接收基站發(fā)射的某一頻率的電平信號實現(xiàn)通信。因此每一個手機接收機都有一個抗干擾容限，只要干擾信號與干擾目標使用相同頻率且信號電平超過接收機的抗干擾容限，就使通信不能進行，從而實現(xiàn)通信干擾。 ??2．1 干擾策略 ??（1）噪聲干擾 干擾信號占用通信系統(tǒng)的部分或整個頻譜，但是這些干擾信號值駐留在頻譜的一個地方。干擾載波信號采用隨機噪聲波形調(diào)制，即就是將噪聲注入接收機來干擾通信波形。由于有限干擾功率被擴展，寬帶噪聲的干擾功率很低。 ??（2）掃頻干擾 在整個或部分頻譜內(nèi)掃描波形，在擬干擾頻段和一定時間段內(nèi)，若干擾信號與通信信號的碰撞概率超過一定數(shù)量時，則對通信信號的信噪比，誤碼率或誤幀率造成嚴重影響，產(chǎn)生有效干擾。因此，只要在通信系統(tǒng)使用頻段內(nèi)掃描波形，使其信噪比或誤碼率受到影響即可達到干擾目的。 ??（3）音調(diào)干擾單個或多個音調(diào)根據(jù)干擾策略的需要將其置于頻譜內(nèi)相應位置。其音調(diào)數(shù)量和位置都會影響干擾性能。單音調(diào)是一個單頻連續(xù)波音調(diào)的干擾信號，在一個頻率上發(fā)射單音調(diào)，又稱點頻干擾。多音調(diào)為干擾機發(fā)射的多個音調(diào)，這些音調(diào)或隨機分布或位于特定的頻率。當總干擾功率一定時，將有更多功率分配給單音調(diào)，且比多音調(diào)干擾分配給每個音調(diào)的功率大，從而提高抑制處理增益的概率。如果目標系統(tǒng)易受特定音調(diào)干擾，而且干擾機知道這種情況，音調(diào)不能隨機分布。因此無論采用哪種音調(diào)干擾對策，系統(tǒng)都會默認為該音調(diào)精確位于頻譜的一個頻率，使干擾音調(diào)通過接收機的濾波器，且不會產(chǎn)生失真或衰減。 ??當前干擾多采用噪聲或掃頻干擾實現(xiàn)通信干擾，針對數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)基站所具有的頻點數(shù)量確定、頻率已知及可幀收等特點，提出采用音調(diào)干擾實現(xiàn)當前通信制式的干擾。以C網(wǎng)手機干擾為例：干擾信號源針對干擾目標生成的基帶信號進行頻譜搬移得到對應CDMA 800網(wǎng)絡(luò)下行工作頻段的射頻信號，將射頻信號送到發(fā)射機進一步功率放大，并對大功率射頻信號的諧、雜波進行濾波處理后發(fā)送至天線，由天線輻射干擾目標。由于手機通信是由接收基站的信號電平實現(xiàn)的，因此只要干擾機發(fā)射的同頻信號電平到達干擾目標手機的電平高于基站到達干擾目標手機的信號電平，干擾目標手機就不能正常通信。 ??2．2 設(shè)計要求與計算模型 ??設(shè)干擾目標在視距范圍內(nèi)，所需干擾目標的接收信號和干擾信號的距離衰減可視為自由空間傳播衰減，自由空間的傳播衰減為： ?? ??式中：f為信號頻率；R為信號傳播距離；32．4是頻率單位路徑衰減。 ??設(shè)發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射功率為Pc，單位為W；發(fā)射天線增益為Gc，單位為dB；發(fā)射距離為Rc，單位為km；信號傳輸損耗為Lost_r_R，單位為dB；信號頻率為fc，單位為MHz。發(fā)射信號到達接收系統(tǒng)的功率為： ?? ??同理，設(shè)干擾系統(tǒng)的發(fā)射功率為Pj，單位為W；系統(tǒng)損耗為Lsys，單位為dB；發(fā)射天線增益為Gi，單位為dB；發(fā)射距離為Rj，單位為km；信號傳輸損耗為Lost_j_R，單位為dB；信號頻率為fc，單位為MHz（與干擾目標相同）。則干擾信號到干擾目標的功率為： ?? ??由于GSM手機和CDMA手機都有一個抗干擾容限指標，因此，只要干擾信號（不需要太強的功率）產(chǎn)生的綜合效果達到或超過手機接收部分的抗干擾容限，就能產(chǎn)生有效干擾，從而阻止手機的正常通信。通過分析通信目標的信號調(diào)制樣式，即可得到的有效干擾目標的抗干擾門限為JSR。即： ?? ??由此可根據(jù)干擾距離要求，以及對目標系統(tǒng)的參數(shù)分析，可得到相應的干擾機發(fā)射功率。 ? ??3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 ? ??3．1 系統(tǒng)組成 ??該系統(tǒng)由音調(diào)干擾基帶信號源（產(chǎn)生音調(diào)干擾基帶信號），射頻激勵源（對音調(diào)干擾基帶信號上變頻產(chǎn)生音調(diào)干擾信號），功放（對音調(diào)干擾信號進行功率放大），天線（發(fā)射干擾信號至干擾目標）等部分組成。圖1為系統(tǒng)模塊框圖。 ? ?? ? ??系統(tǒng)工作原理：計算機控制系統(tǒng)根據(jù)干擾目標的技術(shù)參數(shù)調(diào)用專用動態(tài)連接庫內(nèi)的波形發(fā)生函數(shù)，運算后生成相應的波形控制文件，然后利用USB高速接口將波形數(shù)據(jù)文件快速加載至音調(diào)干擾基帶信號源；信號源通過高速控制器控制高速D／A轉(zhuǎn)換實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生O～120 MHz帶寬的任意正交波形；干擾信號源將該波形送至射頻激勵源，產(chǎn)生對應干擾目標所需的射頻信號；再經(jīng)功率放大器放大，實現(xiàn)目標干擾。對于手機通信使用的GSM，CDMA，DCS 3種通信制式，只要對其上行或下行進行干擾即可。該系統(tǒng)是對下行干擾，具體干擾頻段為CDMA：869～894 MHz；GSM：935—960 MHz；DCS：1 805~1 880 MHz。對于每一種通信制式，其音調(diào)干擾基帶信號發(fā)生器產(chǎn)生的基帶信號，上變頻的本振、功放和天線的頻率范圍都不相同。對于上述3種不同的干擾策略，最根本的不同只是基帶信號源的產(chǎn)生信號不同。因此以下重點介紹音調(diào)干擾基帶信號源。 ??3．2 音調(diào)干擾基帶信號源模塊 ??由于現(xiàn)階段的D／A轉(zhuǎn)換器件幾乎不可能產(chǎn)生3 GHz的信號，因此必須產(chǎn)生一組干擾頻帶的基帶信號，考慮到濾波效果以及可實現(xiàn)性，D／A轉(zhuǎn)換器輸出不小于120 MHz帶寬的基帶信號，該基帶信號可受控在某一段頻帶上留出信號通行區(qū)域，經(jīng)過混頻后產(chǎn)生所需干擾的頻譜和留出的通信通道。 ??根據(jù)以上干擾樣式的要求，權(quán)衡考慮可使用FPGA+D／A轉(zhuǎn)換器的硬件平臺實現(xiàn)，采用多套基帶配合不同的混頻器、功放以及前端天線實現(xiàn)對通信頻段的廣譜干擾，音調(diào)干??基帶信號源模塊的硬件電路如圖2所示。 ? ?? ? ??在干擾頻帶內(nèi)，通信頻率產(chǎn)生梳狀譜，一般相隔約0．02 MHz產(chǎn)生一個干擾頻點，即可滿足干擾要求（GSM，DCS網(wǎng)絡(luò)的信道間隔均為0．02 MHz，CDMA共使用7個頻點）。要做到干擾頻點可控，即根據(jù)終端計算發(fā)送的指令決定產(chǎn)生何種頻點／段，簡單可靠的方法是數(shù)字直接頻率合成，因此可在FPGA內(nèi)產(chǎn)生DDS模塊，根據(jù)FPGA產(chǎn)生基帶信號的要求，若干擾信號信噪比大于40 dB，經(jīng)計算約需要450個以上的DDS模塊，對于FPGA，這是一個龐大的資源量，因此選用FPGAStratix II EP2S90，由于系統(tǒng)要求基帶最小輸出功率，因此根據(jù)系統(tǒng)要求的信噪比及成本，選用AD97XX系列高性能高性價比D／A轉(zhuǎn)換器AD9779。AD97xX系列的采樣率都在800 MHz以上、最高可達1．6 GHz，完全滿足基帶采樣要求。 ??以0．02 MHz為步進產(chǎn)生梳狀譜為例，根據(jù)系統(tǒng)選擇的基帶頻譜的范圍、信噪比依次產(chǎn)生450個以上的DDS，該DDS的時鐘頻率大于等于500 MHz，且受指令控制。當FPGA根據(jù)終端計算機發(fā)送的指令解析為某段頻率為本方通信頻率時，關(guān)斷該段頻率對應的所有DDS。最后FPGA將所有DDS產(chǎn)生的頻點疊加輸出到D／A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換器送入前端混頻器。該方案的優(yōu)點是：干擾各個通信頻點，而不是整個頻帶，即使有較嚴重的交調(diào)，但是其在該干擾點上的輸出功率較整頻帶干擾方式還是大得多，并且功放較為容易計算所需功率。這種方式在終端計算機中需根據(jù)指令實時運算相應干擾參數(shù)，幾乎可以選擇任意可干擾和可開窗頻段，且信噪比可達很高，不受控制激勵模塊硬件資源的限制嘲。圖3為音調(diào)干擾基帶信號源模塊的流程圖。