基于FPGA的小型無人機通信干擾系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘 要：針對無人機快速發(fā)展帶來的黑飛無人機、無人機擾民等問題，以直接式數(shù)字頻率合成為技術(shù)原理，提出一種基于通信干擾的無人機干擾系統(tǒng)，選擇現(xiàn)場可編程門陣列作為核心芯片，設計無需鏡像抑制算法和濾波器的雙邊帶發(fā)射干擾硬件結(jié)構(gòu)。相關(guān)測試驗證了本系統(tǒng)的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：直接式數(shù)字頻率合成；無人機；通信干擾；系統(tǒng)設計；現(xiàn)場可編程門陣列

中圖分類號：TN972" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-5276（2024）05-0122-04

Design and Implementation of Communication Jamming System for Small UAV Based on FPGA

Abstract：To deal with the problems such as unauthorized UAV and UAV disturbing people due to the rapid development of UAV， according to the technical principle of direct digital frequency synthesis， proposes a UAV jamming system based on communication jamming. Field programmable gatee array is selected as the core chip to design a dual sideband jamming emitting hardware structure without image suppression algorithms and filters. And the feasibility and effectiveness of the proposed system is verified by relevant tests.

Keywords：direct digital frequency synthesis；UAV；communication jamming；system design； FPGA

0 引言

現(xiàn)在許多領域都需要使用無人設備進行探索，隨著無線電技術(shù)的發(fā)展，使得無人機的身影隨處可見，如利用無人機來運送快遞、無人機的燈光秀表演、無人機災后搜救等。但與此同時也帶來許多問題，且存在一定的危險，如無人機飛入禁飛區(qū)域、無人機產(chǎn)生的噪聲擾民、利用小型無人機運送毒品等。因此如何對無人機進行精準有效管控是迫切需要解決的問題。

目前對無人機的應對措施主要有物理摧毀和捕捉，如用石頭打擊、發(fā)射捕網(wǎng)彈進行捕獲；利用激光槍直接擊落無人機；利用聲波攻擊無人機的陀螺儀，使其飛行紊亂等。相較于對無人機進行通信干擾，其他方法局限性大，管控效果不高［1］。

無人機干擾技術(shù)是基于通信信號干擾原理，對無人機無線通信傳輸過程進行干擾，使無人機通信不穩(wěn)定甚至中斷?，F(xiàn)有的無人機干擾系統(tǒng)或者干擾手段復雜，或者系統(tǒng)設計不合理而達不到預期的干擾效果［2］。鑒于此，本文在了解無人機干擾技術(shù)的研究背景、應用現(xiàn)狀及發(fā)展方向后，提出了基于直接式數(shù)字頻率合成（direct digital frequency synthesis，DDS）的無人機干擾系統(tǒng)，通過STM32和現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array， FPGA）芯片，在上位機發(fā)送指令，動態(tài)地生成所需的雙邊帶干擾信號，對無人機的通信鏈路進行干擾，使得無人機無法正常飛行，最終降落或者懸停。

1 無人機干擾技術(shù)原理概述

無人機通信鏈路是無人機通信系統(tǒng)中最為重要的一部分，它是無人機能否正常飛行的關(guān)鍵。根據(jù)信號傳輸?shù)姆较?，將無人機的通信鏈路分為上行鏈路和下行鏈路。下行鏈路是信號從無人機傳輸?shù)降孛婵刂葡到y(tǒng)或無線控制設備的方向，上行鏈路是信號從地面控制系統(tǒng)傳輸?shù)綗o人機的方向。上行鏈路的安全性和穩(wěn)定性對無人機至關(guān)重要，若未能接收到信號或接收到錯誤的信號會使無人機丟失目標甚至被敵方控制［3］。

通信干擾的最佳干擾形式就是發(fā)射的干擾信號能夠完全壓制住敵方信號的無線通信。如圖1所示，壓制式干擾技術(shù)的原理是通過發(fā)射大功率信號壓制目標通信信號，具體可以分為對無人機遙控信號的干擾和對無人機定位GPS信號的干擾，在進行信號干擾時，通過定向增益天線向目標發(fā)射無線電信號來實現(xiàn)干擾［4］。

2 系統(tǒng)分析與設計

隨著FPGA的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，基于直接數(shù)字式頻率合成原理，與傳統(tǒng)硬件化信號發(fā)生器的整體設計不同的是，在FPGA上開發(fā)高性能的多種波形信號發(fā)生器，成本更低，操作更加靈活簡便，可以根據(jù)需求進行更新配置，系統(tǒng)開發(fā)趨于軟件化和自定義化［5］。

2.1 信號生成基本原理

本文所用方案的信號生成模塊以FPGA芯片為基礎，由無源晶振產(chǎn)生FPGA的時鐘信號，使用Verilog HDL硬件描述性語言并基于DDS原理，初步實現(xiàn)信號生成的功能。具體來說，是通過MATLAB軟件生成的目標信號以一定頻率采樣后存入FPGA ROM的IP核中，根據(jù)對無人機干擾的需要，選擇生成的信號主要有噪聲調(diào)幅信號、噪聲調(diào)頻信號、窄帶高斯白噪聲信號、線性調(diào)頻信號、多音干擾信號。

如圖2所示，輸出目標信號頻率為f0，輸入系統(tǒng)時鐘頻率為fc，頻率控制字為M，相位累加器的位寬為n，ROM中存儲所需目標波形一個周期的2N點（N≤n），取相位累加器高N位作為地址對ROM進行尋址［6］，滿足以下關(guān)系：

2.2 系統(tǒng)設計

FPGA作為系統(tǒng)的實現(xiàn)核心，其性能直接決定了DDS系統(tǒng)的性能。綜合考慮FPGA的速度和性價比，最終選用SPARTAN-6系列的XC6SLX16，STM32選用STM32F030C8T6。

通過MATLAB軟件生成所需信號，采樣率與無源晶振產(chǎn)生的320 MHz時鐘頻率一樣，采樣1 024點存入FPGA的ROM IP核后，在ISE14.7軟件上用Verilog HDL使FPGA綜合實現(xiàn)DDS功能，選擇相位累加器32位，取其高10位對ROM進行尋址，頻率控制字為4 194 304。如圖3所示，根據(jù)芯片手冊，編寫好數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和本振芯片的配置文件，在CLK2下建立FPGA芯片與數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和本振芯片的SPI通信，先讀取高八位芯片寄存器地址，再讀取低八位對該寄存器進行寫入［7］。

如圖4所示，接著實現(xiàn)上位機、STM32、FPGA之間的通信。上位機選擇串口助手，在Keil軟件對STM32進行編程燒寫，調(diào)用對應的庫函數(shù)，設置波特率，失能硬件流，實現(xiàn)上位機與STM32的串口通信。配置STM32的引腳，并在FPGA實現(xiàn)與STM32的SPI功能，實現(xiàn)STM32與FPGA的通信，最后構(gòu)建三者的通信連接，使得上位機發(fā)送指令后經(jīng)STM32傳輸?shù)紽PGA［8］。

圖5所示為系統(tǒng)的總體設計，上位機發(fā)送特定指令，STM32將其轉(zhuǎn)化成FPGA能接收的形式，F(xiàn)PGA根據(jù)指令生成的對應干擾信號和配置完成的本振芯片產(chǎn)生的信號混頻到對應頻段，經(jīng)放大器放大后由天線發(fā)射至目標無人機。

對無人機進行壓制式干擾的信號一般為寬頻帶信號［9］，因此對于鏡像抑制的需求并不大，選擇雙邊帶發(fā)射，使得生成信號從本振左右兩邊開始同時掃頻，相較于單邊帶發(fā)射只有一半帶寬而言，生成信號的速度更快，且能量都在所需的干擾信號帶寬內(nèi)，無浪費功率，實現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低。

一線性調(diào)頻信號和本振混頻得到的理想信號頻譜如圖6所示，fx為信號頻譜中在載波f0左側(cè)的某一頻點，相應會存在另一頻點2f0-fx在載波f0右側(cè)，此兩頻點關(guān)于載波f0對稱。在干擾信號傳輸過程中，即使有一邊帶受到衰減，另一邊帶也能保證干擾效率［10］。因此干擾效果更佳。

3 系統(tǒng)測試

選用常用的民用無人機，本無人機干擾系統(tǒng)根據(jù)無人機GPS頻段1 575.42 MHz、遙控頻段2.4 GHz，配置本振芯片LTC6948，生成上述信號經(jīng)過AD9122數(shù)模轉(zhuǎn)換后混頻成在無人機目標頻段帶寬100 MHz的雙邊帶干擾信號，并經(jīng)過放大器及定向天線發(fā)射，對無人機進行干擾，圖7和圖8所示為在頻譜儀上呈現(xiàn)的信號。

如表1所示，選擇干擾對象為無人機精靈4pro2.0，干擾頻段為1 575.42MHz，設置干擾源與無人機的垂直距離為100m，水平距離為1 500m。不同干擾信號有不同的干擾效果，設定相應的信源通道功率和功放通道功率，所生成的噪聲調(diào)幅信號、噪聲調(diào)頻信號、帶限高斯白噪聲信號、線性調(diào)頻信號由于頻譜能較大范圍覆蓋GPS信號，干擾距離可達1 503m，具有較好的干擾效果。而多音干擾信號僅能作用目標頻段特定頻點處的信號，干擾效果不佳［11］。

如表2所示，干擾頻段為2.4GHz，設定相應的信源通道功率和功放通道功率，測試干擾信號與無人機通信信號的功率比，以2.4GHz常規(guī)功放的干信比為基準，帶限高斯白噪聲信號的干擾效果最佳，其次是線性調(diào)頻信號、噪聲調(diào)幅信號、噪聲調(diào)頻信號，最差是多音干擾。圖9、圖10所示為在有效干擾下無人機遙控設備指示信息。

4 結(jié)語

本文針對市面上主流小型無人機的控制技術(shù)，提出了對GPS信號和遙控信號通信鏈路進行有針對性的壓制式干擾的硬件設計結(jié)構(gòu)，并且對方案的可行性進行了論證及測試。相關(guān)測試結(jié)果表明：本文的無人機干擾系統(tǒng)可根據(jù)需要生成1 575.42MHz、2.4GHz頻段的干擾信號對無人機進行干擾，給無人機干擾系統(tǒng)的設計提供了有益的思路和方向。

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