手機(jī)通信干擾設(shè)備的設(shè)計(jì)

2 基本原理
    當(dāng)前通信制式下，基于FDMA/TDMA體制的GSM手機(jī)和基于CDMA體制的CDMA手機(jī)均是通過接收基站發(fā)射的某一頻率的電平信號(hào)實(shí)現(xiàn)通信。因此每一個(gè)手機(jī)接收機(jī)都有一個(gè)抗干擾容限，只要干擾信號(hào)與干擾目標(biāo)使用相同頻率且信號(hào)電平超過接收機(jī)的抗干擾容限，就使通信不能進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)通信干擾。
2．1 干擾策略
    (1)噪聲干擾 干擾信號(hào)占用通信系統(tǒng)的部分或整個(gè)頻譜，但是這些干擾信號(hào)值駐留在頻譜的一個(gè)地方。干擾載波信號(hào)采用隨機(jī)噪聲波形調(diào)制，即就是將噪聲注入接收機(jī)來干擾通信波形。由于有限干擾功率被擴(kuò)展，寬帶噪聲的干擾功率很低。
    (2)掃頻干擾 在整個(gè)或部分頻譜內(nèi)掃描波形，在擬干擾頻段和一定時(shí)間段內(nèi)，若干擾信號(hào)與通信信號(hào)的碰撞概率超過一定數(shù)量時(shí)，則對(duì)通信信號(hào)的信噪比，誤碼率或誤幀率造成嚴(yán)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(dá)到干擾目的。
    (3)音調(diào)干擾單個(gè)或多個(gè)音調(diào)根據(jù)干擾策略的需要將其置于頻譜內(nèi)相應(yīng)位置。其音調(diào)數(shù)量和位置都會(huì)影響干擾性能。單音調(diào)是一個(gè)單頻連續(xù)波音調(diào)的干擾信號(hào)，在一個(gè)頻率上發(fā)射單音調(diào)，又稱點(diǎn)頻干擾。多音調(diào)為干擾機(jī)發(fā)射的多個(gè)音調(diào)，這些音調(diào)或隨機(jī)分布或位于特定的頻率。當(dāng)總干擾功率一定時(shí)，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(gè)音調(diào)的功率大，從而提高抑制處理增益的概率。如果目標(biāo)系統(tǒng)易受特定音調(diào)干擾，而且干擾機(jī)知道這種情況，音調(diào)不能隨機(jī)分布。因此無論采用哪種音調(diào)干擾對(duì)策，系統(tǒng)都會(huì)默認(rèn)為該音調(diào)精確位于頻譜的一個(gè)頻率，使干擾音調(diào)通過接收機(jī)的濾波器，且不會(huì)產(chǎn)生失真或衰減。
    當(dāng)前干擾多采用噪聲或掃頻干擾實(shí)現(xiàn)通信干擾，針對(duì)數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基站所具有的頻點(diǎn)數(shù)量確定、頻率已知及可幀收等特點(diǎn)，提出采用音調(diào)干擾實(shí)現(xiàn)當(dāng)前通信制式的干擾。以C網(wǎng)手機(jī)干擾為例：干擾信號(hào)源針對(duì)干擾目標(biāo)生成的基帶信號(hào)進(jìn)行頻譜搬移得到對(duì)應(yīng)CDMA 800網(wǎng)絡(luò)下行工作頻段的射頻信號(hào)，將射頻信號(hào)送到發(fā)射機(jī)進(jìn)一步功率放大，并對(duì)大功率射頻信號(hào)的諧、雜波進(jìn)行濾波處理后發(fā)送至天線，由天線輻射干擾目標(biāo)。由于手機(jī)通信是由接收基站的信號(hào)電平實(shí)現(xiàn)的，因此只要干擾機(jī)發(fā)射的同頻信號(hào)電平到達(dá)干擾目標(biāo)手機(jī)的電平高于基站到達(dá)干擾目標(biāo)手機(jī)的信號(hào)電平，干擾目標(biāo)手機(jī)就不能正常通信。
2．2 設(shè)計(jì)要求與計(jì)算模型
    設(shè)干擾目標(biāo)在視距范圍內(nèi)，所需干擾目標(biāo)的接收信號(hào)和干擾信號(hào)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(hào)頻率；R為信號(hào)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(hào)傳輸損耗為L(zhǎng)ost_r_R，單位為dB；信號(hào)頻率為fc，單位為MHz。發(fā)射信號(hào)到達(dá)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L(zhǎng)sys，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(hào)傳輸損耗為L(zhǎng)ost_j_R，單位為dB；信號(hào)頻率為fc，單位為MHz(與干擾目標(biāo)相同)。則干擾信號(hào)到干擾目標(biāo)的功率為：

   
    由于GSM手機(jī)和CDMA手機(jī)都有一個(gè)抗干擾容限指標(biāo)，因此，只要干擾信號(hào)(不需要太強(qiáng)的功率)產(chǎn)生的綜合效果達(dá)到或超過手機(jī)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(jī)的正常通信。通過分析通信目標(biāo)的信號(hào)調(diào)制樣式，即可得到的有效干擾目標(biāo)的抗干擾門限為JSR。即：

    由此可根據(jù)干擾距離要求，以及對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的參數(shù)分析，可得到相應(yīng)的干擾機(jī)發(fā)射功率。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)組成
    該系統(tǒng)由音調(diào)干擾基帶信號(hào)源(產(chǎn)生音調(diào)干擾基帶信號(hào))，射頻激勵(lì)源(對(duì)音調(diào)干擾基帶信號(hào)上變頻產(chǎn)生音調(diào)干擾信號(hào))，功放(對(duì)音調(diào)干擾信號(hào)進(jìn)行功率放大)，天線(發(fā)射干擾信號(hào)至干擾目標(biāo))等部分組成。圖1為系統(tǒng)模塊框圖。

    系統(tǒng)工作原理：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)干擾目標(biāo)的技術(shù)參數(shù)調(diào)用專用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)內(nèi)的波形發(fā)生函數(shù)，運(yùn)算后生成相應(yīng)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(hào)源；信號(hào)源通過高速控制器控制高速D／A轉(zhuǎn)換實(shí)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(hào)源將該波形送至射頻激勵(lì)源，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)干擾目標(biāo)所需的射頻信號(hào)；再經(jīng)功率放大器放大，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)干擾。對(duì)于手機(jī)通信使用的GSM，CDMA，DCS 3種通信制式，只要對(duì)其上行或下行進(jìn)行干擾即可。該系統(tǒng)是對(duì)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(duì)于每一種通信制式，其音調(diào)干擾基帶信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的基帶信號(hào)，上變頻的本振、功放和天線的頻率范圍都不相同。對(duì)于上述3種不同的干擾策略，最根本的不同只是基帶信號(hào)源的產(chǎn)生信號(hào)不同。因此以下重點(diǎn)介紹音調(diào)干擾基帶信號(hào)源。
3．2 音調(diào)干擾基帶信號(hào)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(hào)，因此必須產(chǎn)生一組干擾頻帶的基帶信號(hào)，考慮到濾波效果以及可實(shí)現(xiàn)性，D／A轉(zhuǎn)換器輸出不小于120 MHz帶寬的基帶信號(hào)，該基帶信號(hào)可受控在某一段頻帶上留出信號(hào)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(tái)實(shí)現(xiàn)，采用多套基帶電路板配合不同的混頻器、功放以及前端天線實(shí)現(xiàn)對(duì)通信頻段的廣譜干擾，音調(diào)干擾基帶信號(hào)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(gè)干擾頻點(diǎn)，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(gè)頻點(diǎn))。要做到干擾頻點(diǎn)可控，即根據(jù)終端計(jì)算發(fā)送的指令決定產(chǎn)生何種頻點(diǎn)／段，簡(jiǎn)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(hào)的要求，若干擾信號(hào)信噪比大于40 dB，經(jīng)計(jì)算約需要450個(gè)以上的DDS模塊，對(duì)于FPGA，這是一個(gè)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(jià)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(dá)1．6 GHz，完全滿足基帶采樣要求。
    以0．02 MHz為步進(jìn)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(gè)以上的DDS，該DDS的時(shí)鐘頻率大于等于500 MHz，且受指令控制。當(dāng)FPGA根據(jù)終端計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令解析為某段頻率為本方通信頻率時(shí)，關(guān)斷該段頻率對(duì)應(yīng)的所有DDS。最后FPGA將所有DDS產(chǎn)生的頻點(diǎn)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(diǎn)是：干擾各個(gè)通信頻點(diǎn)，而不是整個(gè)頻帶，即使有較嚴(yán)重的交調(diào)，但是其在該干擾點(diǎn)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(jì)算所需功率。這種方式在終端計(jì)算機(jī)中需根據(jù)指令實(shí)時(shí)運(yùn)算相應(yīng)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(dá)很高，不受控制激勵(lì)模塊硬件資源的限制嘲。圖3為音調(diào)干擾基帶信號(hào)源模塊的流程圖。

    具體實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)直接參數(shù)控制是通過USB總線，將終端控制計(jì)算機(jī)中根據(jù)控制指令實(shí)時(shí)運(yùn)算的干擾數(shù)據(jù)傳入干擾激勵(lì)模塊，干擾激勵(lì)模塊根據(jù)指令實(shí)時(shí)更新從終端計(jì)算機(jī)傳送的干擾數(shù)據(jù)，并按照查表法將相應(yīng)數(shù)據(jù)送入D／A轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生基帶干擾信號(hào)。

4 結(jié)論
    實(shí)驗(yàn)證明，在通視環(huán)境下，目標(biāo)接收信號(hào)電平為一65 dBm(在實(shí)際的G網(wǎng)和C網(wǎng)中，一65dBm的信號(hào)屬于較強(qiáng)信號(hào))時(shí)，若GSM，DCS，CDMA干擾系統(tǒng)均選用200 W的功率放大器，對(duì)C網(wǎng)手機(jī)、G網(wǎng)手機(jī)的干擾半徑分別為180 m，185 m。在同樣的環(huán)境下，白噪聲和掃頻干擾方式的干擾半徑分別為80 m和90 m，而在使用定向天線的情況下，音調(diào)干擾較白噪聲和掃頻干擾的效果更優(yōu)。因此，對(duì)于制式固定，頻點(diǎn)固定且為已知的手機(jī)通信，采用音調(diào)干擾最為有效。并且隨著3G手機(jī)的商用化，音調(diào)干擾對(duì)于3G手機(jī)的干擾效果同樣明顯，而基于軟件無線電原理的基帶信號(hào)源實(shí)現(xiàn)音調(diào)干擾的方式是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)干擾效果的較好方式。