基于AVR的寬頻信號阻斷設備的設計和實現(xiàn)

摘要 針對無線信號的阻斷，采用一種寬頻信號阻斷技術，解決了普通阻斷設備只能工作于某一特定窄頻段，而無法對外來異常信號實施完全阻斷的不足，給出了系統(tǒng)的硬件和軟件設計方案。實驗證明，產品可以較好地對信號實施阻斷。

隨著電子技術的快速發(fā)展，不法分子利用各種電子通信設備企圖獲取國家秘密，造成了國家技術信息的外泄。為了阻止不法分子通過無線技術手段實施信息竊取，設計一種寬頻信號阻斷器對異常信號實施阻斷。

與傳統(tǒng)設計方案不同，本次設計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法對某些信號進行屏蔽的問題，實現(xiàn)了全頻段覆蓋。設計采用110～240 V AC寬電壓輸入，多種工作模式可選，可單獨工作在低頻狀態(tài)下或高頻狀態(tài)下，也可兩者同時工作，對全頻段無線信號進行干擾。設備除了應用于信息保密單位外還可有效地應用于國家各種考試，對檢測到的非法無線信號實施干擾，實現(xiàn)考試的公平公正。

1 硬件部分設計

系統(tǒng)中無線信號阻斷設備由高、低頻組合構建。硬件設計充分考慮了組裝的便捷性，采用模塊化設計，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。設備接收服務器的指令對無線信號實施信號阻斷。

1.1 電源管理

電源管理部分主要承擔整個系統(tǒng)的供電。設備外供220 V，內部開關電源將220 V AC經過DC/DC轉換為5V和12V直流電源，如圖2所示。

220 V AC經過電壓轉換成5 V DC為高頻發(fā)射模塊供電;開關電源將220 V AC轉成12 V DC為控制板供電，12 V分為兩路，一路通過磁珠為低頻發(fā)射模塊的推動放大電路RD01MUS2供電，低頻發(fā)射模塊所需的5 V通過控制板上的LDO進行電壓轉換;一路采用兩級LDO進行電壓轉換，將12 V轉成5 V為單片機ATMEGA1280供電，網絡驅動芯片W5300所需的3.3 V由兩級LDO輸出的5 V經1117E33進行低電壓轉換。

1.2 低頻發(fā)射模塊

低頻發(fā)射模塊主要是對工作頻率為102～715 MHz的射頻信號進行干擾，發(fā)射1 W的干擾信號。在整個低頻頻段按照一定的分頻比劃分為6個子頻段，每個子模塊可以獨立工作。如圖3所示，VCO利用調諧電壓生成一個頻率，經過PLL產生穩(wěn)定的工作頻率，再經過小信號功率放大、低通濾波輸出射頻信號。

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，由控制板進行控制。推動放大電路所需的12 V電源由控制板通過磁珠提供。

1.3 高頻發(fā)射模塊

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

1.4 控制板

控制板是整個設備的控制核心，連接在外部的網絡服務器接收控制信息，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。手機及WiFi信號干擾，高頻發(fā)射模塊開，低頻發(fā)射模塊關;(3)模式3。定頻干擾，高頻發(fā)射模塊關，低頻發(fā)射模塊開;(4)模式4。待機，高頻發(fā)射模塊、低頻發(fā)射模塊關實施阻斷外來非法信號。

一方面控制板通過雙絞線與網絡服務器進行連接，接收指令信息，另一方面通過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，對其進行控制，12 V直流供電。

1.5 接口的設計

(1)外部接口的設計。外部接口主要有三相電源插座、程序升級JTAG插座、RJ45網口，AC插座采用型號為AC01的三合一插座，它將三相標準插座、保險絲座、船型開關結合在一起。JTAG插座采用5×2雙排間距為2.54 mm的連接器。RJ45網口采用14Pin的帶有LED顯示的插座放置在JTAG的左側，在網口插座的左邊5 mm間距位置放置有側裝的輕觸開關。

(2)內部接口的設計。內部接口主要有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個通道和低頻發(fā)射模塊6個通道的控制及電源輸入插座。

2 軟件部分設計

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

3 測試結果及討論

3.1 主要的測試儀表及項目

產品測試所用的儀表主要有變頻電源HY9002、頻譜分析儀HP8954E、PC、測試軟件。測試項目有輸入電壓、輸出功率、PD檢測、鎖定時間及模式檢測等。

3.2 測試結果

產品的測試結果如表1所示。

經測試，產品主要技術指標滿足設計輸入的要求。使用過程中工作穩(wěn)定、可對半徑為25 m范圍內的信號(點頻信號、WCDMA、TD—SCDMA、GSM/CDMA、WiFi)進行有效干擾，達到了阻斷的效果。

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

了產品性能。SGA5589Z替換實驗前后總消耗電流變化如圖5所示。

4 結束語

通過對產品的主要技術指標測試，輸入電壓、輸出功率、PD檢測、鎖定時間等都有一定的余量，并且使用穩(wěn)定，能夠滿足用戶要求。