安防應(yīng)用的無(wú)線信號(hào)寬帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)兆玲，李雨澤，時(shí)翔

（常州工學(xué)院，江蘇常州，213002）

0 引言

無(wú)線信號(hào)監(jiān)測(cè)是對(duì)一定區(qū)域的射頻設(shè)備的輻射信號(hào)實(shí)施信號(hào)搜索、信息截獲、參數(shù)測(cè)量、分析統(tǒng)計(jì)以及信號(hào)識(shí)別等工作?！胺欠o(wú)線信號(hào)”的無(wú)線信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要對(duì)監(jiān)測(cè)場(chǎng)所及環(huán)境的無(wú)線（電磁）信號(hào)進(jìn)行搜索、截獲、參數(shù)測(cè)量、測(cè)向、定位、解調(diào)、分析、和處理，通過(guò)對(duì)參數(shù)信息的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)非法源后，還需進(jìn)行非法源的測(cè)向與定位，依照相關(guān)法律法規(guī)進(jìn)行查處。它為合法無(wú)線電頻率的規(guī)劃、指配、電磁環(huán)境的測(cè)試、非法無(wú)線電查處、確保通信與信息安全等方面提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，成為無(wú)線電頻譜安全管理的重要組成部分?；诎踩雷o(hù)目的的非法無(wú)線信號(hào)的全頻段掃描與分析、感知與定位系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)，目前已成為我國(guó)無(wú)線電監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種用于非法無(wú)線信號(hào)監(jiān)測(cè)和識(shí)別的全頻段掃描與感知系統(tǒng)，工作于50MHz～10GHz 頻率，能夠?qū)νㄐ械腞FID（433MHz）、廣域物聯(lián)網(wǎng)（699～2200MHz）、WiFi/藍(lán)牙/UWB/ZigBee（2400～5250MHz）、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（1100～1600MHz）等無(wú)線信號(hào)進(jìn)行掃描與接收、濾波與處理、頻譜變換及目標(biāo)識(shí)別，特別適用于酒店防窺防竊聽(tīng)，禁飛區(qū)無(wú)人機(jī)信號(hào)監(jiān)測(cè)以及機(jī)場(chǎng)安保等場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)信息與隱私防護(hù)、重要場(chǎng)所防非法無(wú)線信號(hào)入侵等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)人或重要場(chǎng)合的安全防護(hù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與原理

本文基于安全防護(hù)的目的，設(shè)計(jì)了一種非法無(wú)線信號(hào)的寬帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由4 個(gè)部分組成，包括天線、低噪聲寬帶放大器、檢波器、低頻放大器模塊。系統(tǒng)的射頻前端利用Microwave Office 軟件，進(jìn)行50MHz～10GHz 天線、低噪聲寬帶放大器以及檢波器的設(shè)計(jì)，利用Multisim軟件進(jìn)行10Hz～200Hz 低頻放大器的設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行50MHz～10GHz 超寬帶接收機(jī)的系統(tǒng)集成。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是能夠監(jiān)測(cè)常見(jiàn)主流的無(wú)線通訊信號(hào)。

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，各模塊功能描述如下。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

(1)寬帶天線將監(jiān)測(cè)環(huán)境中的無(wú)線信號(hào)進(jìn)入接收，輸入50MHz～10GHz 的寬帶放大器進(jìn)行低噪聲放大。低噪聲的目的保證系統(tǒng)輸出端具有足夠的可供判決的信噪比。

(2)放大后的射頻信號(hào)經(jīng)檢波器后，進(jìn)行能量的積分，實(shí)現(xiàn)功率-電壓的轉(zhuǎn)換，輸出近似直流的低頻信號(hào)。

(3)高增益的低頻放大器會(huì)首先濾除高頻及噪聲信號(hào)，將檢波器進(jìn)行能量積分后的信號(hào)進(jìn)行低頻放大，輸出信噪比合適、可通過(guò)示波器觀察到的較為理想的信號(hào)。

(4)告警器設(shè)定頻率值對(duì)比和幅度值門(mén)限，當(dāng)信號(hào)幅值達(dá)到門(mén)限時(shí)，向外報(bào)警。

2 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 天線設(shè)計(jì)

系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)采用Microwave Office 作為仿真設(shè)計(jì)軟件，天線基板采用Rogers 5880 基板材料，厚度0.127mm，天線微帶的寬縫長(zhǎng)度為5.1mm，窄縫長(zhǎng)度為1.9mm，背面為金屬地（鍍金）。

天線設(shè)計(jì)的第一階段是快速確定幾何模型天線的形式。第二階段創(chuàng)建幾何模型天線的計(jì)算參數(shù)模型，并將計(jì)算出的結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)直接給出計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起作對(duì)比。第三階段實(shí)現(xiàn)幾何模型天線的參數(shù)模型計(jì)算，獲得若干種天線的設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)，快速計(jì)算并驗(yàn)證天線的性能。

天線工作頻帶和增益大小對(duì)整個(gè)接收鏈路的噪聲特性有很大影響。因此，在選擇天線時(shí)，要保證其具有較高的增益和足夠低且相對(duì)穩(wěn)定的回波損耗。通過(guò)以上的設(shè)計(jì)流程得到天線的結(jié)構(gòu)和幾何模型，再借助仿真技術(shù)和系統(tǒng)優(yōu)化的方法，進(jìn)一步地設(shè)計(jì)和驗(yàn)證天線的設(shè)計(jì)和性能。設(shè)計(jì)好的2×2 單元的天線結(jié)構(gòu)及其增益仿真結(jié)果如圖2 所示。

資本投入量計(jì)算。華南地區(qū)四省份均以2011年為基期，用本地區(qū)年末資本存量表示資本投入量，并采用永續(xù)盤(pán)存法估算年末資本存量，資本存量估算的公式是

圖2 平面天線的天線結(jié)構(gòu)及方向圖

天線與后端的寬帶放大器之間采用同軸線探針饋電，外圓柱為空氣，制造成本得到了下降，同時(shí)解決了采用微帶線端饋電時(shí)天線陣列的不對(duì)稱問(wèn)題。單個(gè)貼片可以看作是一個(gè)諧振腔，貼片的每一端都有輻射槽，邊緣場(chǎng)有效長(zhǎng)度是半波長(zhǎng)貼片的長(zhǎng)度，小于介電介質(zhì)中的半波長(zhǎng)。

2.2 寬帶放大器設(shè)計(jì)

在寬帶接收射頻電路中，寬帶放大器的作用是將天線接收微弱的射頻信號(hào)放大，并盡可能的濾除干擾信號(hào)。檢波器則將放大后的射頻信號(hào)進(jìn)行功率-電壓的轉(zhuǎn)換，處理變頻到頻率較低處進(jìn)行解調(diào)。

寬帶放大器為低噪聲放大器，一般位于各種無(wú)線電接收機(jī)的前端或者作為各種精密電子探測(cè)裝備的放大電路，能夠接受到十分微弱的信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行放大出來(lái)。低噪聲放大器的噪聲系數(shù)性能決定了整個(gè)接收機(jī)的噪聲性能。較低的噪聲系數(shù)能夠抑制后面各個(gè)元器件所產(chǎn)生的各種噪聲對(duì)整個(gè)射頻電路的影響。本系統(tǒng)采用最佳噪聲的匹配方式減少反射消耗，讓接收到的信號(hào)能夠傳送到下一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。

本方案需要選用50MHz～10GHz頻帶的低噪聲放大器，為了提高接收微弱信號(hào)的能力和保證良好的通信質(zhì)量，接收機(jī)必須有良好的噪聲特性。低噪聲放大器作為最靠近接收天線的電路，其噪聲系數(shù)對(duì)接收機(jī)的性能影響最大，本系統(tǒng)要求的LNA 工作在DC～10GHz，單級(jí)增益18dB，噪聲＜4.5dB。

設(shè)計(jì)采用柵長(zhǎng)為0.15μm GaAs pHEMT 低噪聲管，其柵寬w 在一定范圍內(nèi)可以任意取值。w 取值大可以獲得較高的功率容量和低頻增益，但是特征頻率將下降。在10GHz 頻段，通過(guò)對(duì)不同柵寬管子的仿真對(duì)比，在增益、噪聲與功率容量做折衷考慮后，采用四級(jí)級(jí)聯(lián)放大的結(jié)構(gòu)，四級(jí)放大器的總噪聲系數(shù)定義如下：

Gn，NFn分別為第n級(jí)的增益和噪聲系數(shù)，放大器的總噪聲系數(shù)主要取決于前兩級(jí)的噪聲。因此，設(shè)計(jì)中前兩級(jí)側(cè)重于最佳噪聲匹配 ，后兩級(jí)側(cè)重于共軛匹配以獲得更大增益。通過(guò)原理圖仿真和場(chǎng)仿真相結(jié)合，設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)要求的低噪聲放大器。二級(jí)低噪聲放大器的輸出匹配仿真模型如圖3 所示。

圖3 二級(jí)低噪放輸出匹配仿真模型

2.3 寬帶檢波器設(shè)計(jì)

在非法無(wú)線信號(hào)的帶寬檢測(cè)系統(tǒng)中，寬帶檢波器起著至關(guān)重要的作用，信號(hào)、功率、增益等都可以被其敏感地檢測(cè)出來(lái)。寬帶檢波器通過(guò)二極管的非線性伏安特性進(jìn)行頻率變換，再通過(guò)低通平滑濾波完成檢測(cè)，能夠從調(diào)幅波中取出低頻調(diào)制信號(hào)且較為穩(wěn)定。寬帶檢波器能將射頻信號(hào)強(qiáng)度成比例地轉(zhuǎn)化為直流電壓輸出，也叫“視頻輸出”。本設(shè)計(jì)采用零偏壓肖特基（Schottky）二極管檢波器，用于成比例地輸出與射頻信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，如圖4 所示。

圖4 二極管檢波器工作過(guò)程

2.4 低頻放大器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)放大倍數(shù)在5000 倍左右，帶寬在1kHz 以內(nèi)的低頻放大電路用于放大直流/低頻信號(hào)，同時(shí)具有一定的濾波作用。用Multisim 軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，信號(hào)選擇交流的正弦波，在一定的理論增益下一定頻率下對(duì)不同幅值通過(guò)放大電路進(jìn)行放大。經(jīng)過(guò)模型電路設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化，最終采取能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲、高速響應(yīng)直流/低頻放大功能的OP27 精密運(yùn)算放大器作為第一級(jí)放大，后面放大鏈路采用多級(jí)LF353 放大器實(shí)現(xiàn)后級(jí)放大。OP27 放大電路如圖5所示。

圖5 OP27 低噪聲放大電路

3 系統(tǒng)集成與聯(lián)調(diào)

系統(tǒng)集成的實(shí)物圖如圖6 所示，包括工作頻率范圍為50MHz-10GHz 的天線、SMA 射頻接頭、50MHz-10GHz 的低噪聲放大器、檢波器、低頻放大器以及電源模塊。將各級(jí)模塊用同軸線連接起來(lái)測(cè)試整體性能，對(duì)無(wú)線信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7 所示。

圖6 無(wú)線信號(hào)寬帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

圖7 系統(tǒng)在各種無(wú)線信號(hào)下的監(jiān)測(cè)波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要設(shè)計(jì)了一款用于無(wú)線信號(hào)監(jiān)測(cè)的寬帶接收機(jī)，基于Microwave Office 軟件設(shè)計(jì)接收機(jī)射頻前端，用Multisim 完成寬帶接收機(jī)中頻后系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是自上而下，首先確定好接收機(jī)的整體架構(gòu)，再一步一步的對(duì)每一個(gè)模塊進(jìn)行模擬仿真和増益分配，再去進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真、芯片選型與電路制作，最后進(jìn)行電路測(cè)試、系統(tǒng)集成與聯(lián)調(diào)，將整體的設(shè)計(jì)分解成很多小模塊的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法便于迅速得找出系統(tǒng)鏈路中的缺陷與不足，有針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)。最終完成的系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，監(jiān)測(cè)到一些常見(jiàn)的非法無(wú)線信號(hào)，后續(xù)的系統(tǒng)改進(jìn)將致力于信號(hào)的分類(lèi)識(shí)別及其智能化應(yīng)用方面。