中心議題：
- 通信干擾的基本原理
- 通信干擾設(shè)備的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
解決方案：
- 音調(diào)干擾基帶信號源模塊設(shè)計(jì)
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(shí)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(dāng)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(jī)的普及，手機(jī)犯罪案例的上升，當(dāng)前通信制式下的手機(jī)干擾亦成為研究的熱點(diǎn)。
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實(shí)現(xiàn)通信。因此每一個手機(jī)接收機(jī)都有一個抗干擾容限，只要干擾信號與干擾目標(biāo)使用相同頻率且信號電平超過接收機(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(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(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(yīng)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(diǎn)頻干擾。多音調(diào)為干擾機(jī)發(fā)射的多個音調(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，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(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)干擾對策，系統(tǒng)都會默認(rèn)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(jī)的濾波器，且不會產(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，針對數(shù)字移動通信網(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：干擾信號源針對干擾目標(biāo)生成的基帶信號進(jìn)行頻譜搬移得到對應(yīng)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(jī)進(jìn)一步功率放大，并對大功率射頻信號的諧、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電平實(shí)現(xiàn)的，因此只要干擾機(jī)發(fā)射的同頻信號電平到達(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(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(biāo)相同）。則干擾信號到干擾目標(biāo)的功率為：
由于GSM手機(jī)和CDMA手機(jī)都有一個抗干擾容限指標(biāo)，因此，只要干擾信號（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。
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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(jìn)行功率放大），天線（發(fā)射干擾信號至干擾目標(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)用專用動態(tài)連接庫內(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)干擾基帶信號源；信號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；干擾信號源將該波形送至射頻激勵源，產(chǎn)生對應(yīng)干擾目標(biāo)所需的射頻信號；再經(jīng)功率放大器放大，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)干擾。對于手機(jī)通信使用的GSM，CDMA，DCS 3種通信制式，只要對其上行或下行進(jìn)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(diǎn)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(shí)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(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)對通信頻段的廣譜干擾，音調(diào)干擾基帶信號源模塊的硬件電路如圖2所示。
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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(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(jì)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(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個以上的DDS，該DDS的時鐘頻率大于等于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，關(guān)斷該段頻率對應(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：干擾各個通信頻點(diǎn)，而不是整個頻帶，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。
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)時運(yùn)算的干擾數(shù)據(jù)傳入干擾激勵模塊，干擾激勵模塊根據(jù)指令實(shí)時更新從終端計(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。
4 結(jié)論
實(shí)驗(yàn)證明，在通視環(huán)境下，目標(biāo)接收信號電平為一65 dBm（在實(shí)際的G網(wǎng)和C網(wǎng)中，一65dBm的信號屬于較強(qiáng)信號）時，若GSM，DCS，CDMA干擾系統(tǒng)均選用200 W的功率放大器，對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。
