基于AVR的寬頻信號(hào)阻斷設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

摘要 針對(duì)無(wú)線信號(hào)的阻斷，采用一種寬頻信號(hào)阻斷技術(shù)，解決了普通阻斷設(shè)備只能工作于某一特定窄頻段，而無(wú)法對(duì)外來(lái)異常信號(hào)實(shí)施完全阻斷的不足，給出了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)證明，產(chǎn)品可以較好地對(duì)信號(hào)實(shí)施阻斷。

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，不法分子利用各種電子通信設(shè)備企圖獲取國(guó)家秘密，造成了國(guó)家技術(shù)信息的外泄。為了阻止不法分子通過(guò)無(wú)線技術(shù)手段實(shí)施信息竊取，設(shè)計(jì)一種寬頻信號(hào)阻斷器對(duì)異常信號(hào)實(shí)施阻斷。

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案不同，本次設(shè)計(jì)采用高低頻干擾模塊，覆蓋頻率寬，可以覆蓋100 MHz～2.4 GHz，解決了普通阻斷器無(wú)法對(duì)某些信號(hào)進(jìn)行屏蔽的問題，實(shí)現(xiàn)了全頻段覆蓋。設(shè)計(jì)采用110～240 V AC寬電壓輸入，多種工作模式可選，可單獨(dú)工作在低頻狀態(tài)下或高頻狀態(tài)下，也可兩者同時(shí)工作，對(duì)全頻段無(wú)線信號(hào)進(jìn)行干擾。設(shè)備除了應(yīng)用于信息保密單位外還可有效地應(yīng)用于國(guó)家各種考試，對(duì)檢測(cè)到的非法無(wú)線信號(hào)實(shí)施干擾，實(shí)現(xiàn)考試的公平公正。

1 硬件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中無(wú)線信號(hào)阻斷設(shè)備由高、低頻組合構(gòu)建。硬件設(shè)計(jì)充分考慮了組裝的便捷性，采用模塊化設(shè)計(jì)，包含電源管理、低頻發(fā)射模塊、高頻發(fā)射模塊、控制板及接口等，系統(tǒng)框圖如圖1所示。設(shè)備接收服務(wù)器的指令對(duì)無(wú)線信號(hào)實(shí)施信號(hào)阻斷。

1.1 電源管理

電源管理部分主要承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的供電。設(shè)備外供220 V，內(nèi)部開關(guān)電源將220 V AC經(jīng)過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換為5V和12V直流電源，如圖2所示。

220 V AC經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換成5 V DC為高頻發(fā)射模塊供電;開關(guān)電源將220 V AC轉(zhuǎn)成12 V DC為控制板供電，12 V分為兩路，一路通過(guò)磁珠為低頻發(fā)射模塊的推動(dòng)放大電路RD01MUS2供電，低頻發(fā)射模塊所需的5 V通過(guò)控制板上的LDO進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換;一路采用兩級(jí)LDO進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，將12 V轉(zhuǎn)成5 V為單片機(jī)ATMEGA1280供電，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)芯片W5300所需的3.3 V由兩級(jí)LDO輸出的5 V經(jīng)1117E33進(jìn)行低電壓轉(zhuǎn)換。

1.2 低頻發(fā)射模塊

低頻發(fā)射模塊主要是對(duì)工作頻率為102～715 MHz的射頻信號(hào)進(jìn)行干擾，發(fā)射1 W的干擾信號(hào)。在整個(gè)低頻頻段按照一定的分頻比劃分為6個(gè)子頻段，每個(gè)子模塊可以獨(dú)立工作。如圖3所示，VCO利用調(diào)諧電壓生成一個(gè)頻率，經(jīng)過(guò)PLL產(chǎn)生穩(wěn)定的工作頻率，再經(jīng)過(guò)小信號(hào)功率放大、低通濾波輸出射頻信號(hào)。

低頻發(fā)射模塊的壓控振蕩(VCO)電路、鎖相環(huán)電路(PLL)、功率檢測(cè)電路、小功率放大電路、緩沖放大電路等采用5 V可控電源，由控制板進(jìn)行控制。推動(dòng)放大電路所需的12 V電源由控制板通過(guò)磁珠提供。

1.3 高頻發(fā)射模塊

高頻發(fā)射模塊主要是對(duì)工作頻率在870～960 MHz、1 805～1 920 MHz、2 000～2 030 MHz、2 110～2 160：MHz、2 400～2 480 MHz的高頻信號(hào)進(jìn)行干擾，也可以對(duì)WCDMA、TD—SCDMA、GSM/CDMA及WiFi等信號(hào)進(jìn)行干擾，并涵蓋了目前所有的手機(jī)及對(duì)講機(jī)。

1.4 控制板

控制板是整個(gè)設(shè)備的控制核心，連接在外部的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接收控制信息，并且按照指令控制低頻發(fā)射模塊和高頻發(fā)射模塊工作，有4種工作模式：模式1。全頻段干擾，高頻發(fā)射模塊開，低頻發(fā)射模塊開;(2)模式2。手機(jī)及WiFi信號(hào)干擾，高頻發(fā)射模塊開，低頻發(fā)射模塊關(guān);(3)模式3。定頻干擾，高頻發(fā)射模塊關(guān)，低頻發(fā)射模塊開;(4)模式4。待機(jī)，高頻發(fā)射模塊、低頻發(fā)射模塊關(guān)實(shí)施阻斷外來(lái)非法信號(hào)。

一方面控制板通過(guò)雙絞線與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行連接，接收指令信息，另一方面通過(guò)Board to Board的連接器及射頻電纜分別與低頻發(fā)射模塊和高頻發(fā)射模塊連接，對(duì)其進(jìn)行控制，12 V直流供電。

1.5 接口的設(shè)計(jì)

(1)外部接口的設(shè)計(jì)。外部接口主要有三相電源插座、程序升級(jí)JTAG插座、RJ45網(wǎng)口，AC插座采用型號(hào)為AC01的三合一插座，它將三相標(biāo)準(zhǔn)插座、保險(xiǎn)絲座、船型開關(guān)結(jié)合在一起。JTAG插座采用5×2雙排間距為2.54 mm的連接器。RJ45網(wǎng)口采用14Pin的帶有LED顯示的插座放置在JTAG的左側(cè)，在網(wǎng)口插座的左邊5 mm間距位置放置有側(cè)裝的輕觸開關(guān)。

(2)內(nèi)部接口的設(shè)計(jì)。內(nèi)部接口主要有220 V電源輸入插座，6Pin 5 V輸出插座和6Pin高頻發(fā)射模塊電源輸入插座，6Pin 12 V輸出插座和6Pin控制板電源輸入插座，高頻發(fā)射模塊和控制板的控制插座，控制板6個(gè)通道和低頻發(fā)射模塊6個(gè)通道的控制及電源輸入插座。

2 軟件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)，用C語(yǔ)言編寫，使用AVR單片機(jī)。主要由主程序、低頻干擾子程序、高頻干擾子程序組成。接通電源后進(jìn)入程序初始化狀態(tài)，CPU供電，進(jìn)入模式Ⅳ，接收系統(tǒng)指令，發(fā)送干擾頻率，軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

3 測(cè)試結(jié)果及討論

3.1 主要的測(cè)試儀表及項(xiàng)目

產(chǎn)品測(cè)試所用的儀表主要有變頻電源HY9002、頻譜分析儀HP8954E、PC、測(cè)試軟件。測(cè)試項(xiàng)目有輸入電壓、輸出功率、PD檢測(cè)、鎖定時(shí)間及模式檢測(cè)等。

3.2 測(cè)試結(jié)果

產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

經(jīng)測(cè)試，產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)輸入的要求。使用過(guò)程中工作穩(wěn)定、可對(duì)半徑為25 m范圍內(nèi)的信號(hào)(點(diǎn)頻信號(hào)、WCDMA、TD—SCDMA、GSM/CDMA、WiFi)進(jìn)行有效干擾，達(dá)到了阻斷的效果。

產(chǎn)品在使用過(guò)程中緩沖級(jí)芯片SGA5589Z容易損壞，給生產(chǎn)過(guò)程及成本帶來(lái)了一定壓力，為解決芯片損壞問題，通過(guò)收集大量的緩沖級(jí)放大集成電路的技術(shù)并進(jìn)行改進(jìn)，確定使用SGA6589Z替換SGA5589Z。原因有：(1)SGA6589Z和SGA5589Z為Pin對(duì)Pin不需要改動(dòng)PCB。(2)SGA5589Z的驅(qū)動(dòng)工作電壓范圍為3.9～4.3 V，SGA6589Z的驅(qū)動(dòng)電壓為4.5～5.3 V，后者的工作電壓范圍更接近產(chǎn)品電源5 V的理論要求。(3)價(jià)格上SGA6589Z和SGA5589Z相同。(4)使用SGA6589Z各個(gè)模塊的總耗電量均有所下降，最大下降電流達(dá)50 mA，可以更好地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，提高

了產(chǎn)品性能。SGA5589Z替換實(shí)驗(yàn)前后總消耗電流變化如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試，輸入電壓、輸出功率、PD檢測(cè)、鎖定時(shí)間等都有一定的余量，并且使用穩(wěn)定，能夠滿足用戶要求。