基于FPGA的信號(hào)屏蔽器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

　　摘要：本文提出一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)芯片的信號(hào)屏蔽器，在借鑒被動(dòng)式屏蔽法的干擾原理上，采用循環(huán)檢索、分時(shí)發(fā)送的干擾模式，同時(shí)把 5G 通信頻率也納入屏蔽網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)范圍。信號(hào)屏蔽器的調(diào)制模塊讓各電路參數(shù)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)使電路結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化，而 FPGA 芯片功能的強(qiáng)大性保證了各模塊高效地運(yùn)行，優(yōu)化了屏蔽器的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了其實(shí)用性。

　　本文源自◆魏路順 熊洋 張帥 劉真真西南交通大學(xué)希望學(xué)院《網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用》2021 年第 06 期

　　關(guān)鍵詞：FPGA;信號(hào)屏蔽;電磁干擾;通信網(wǎng)絡(luò)

　　基金項(xiàng)目：四川省教育廳大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：便攜式屏蔽儀的研發(fā)(項(xiàng)目編號(hào)：S201914262009)

　　5G 商用的普及，推動(dòng)了信息傳播的速度，加速了信息時(shí)代的發(fā)展。手機(jī)因它的便攜性和靈巧性，成為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦斜夭豢缮俚墓ぞ遊1]。但在某些特定的時(shí)間和地點(diǎn)內(nèi)使用手機(jī)卻會(huì)帶來(lái)不利的影響，比如信息泄露和安全隱患等，手機(jī)信號(hào)屏蔽器則因此而生。

　　雖然現(xiàn)存市面上的屏蔽器型號(hào)眾多，但也存在著一些不足。比如各類型屏蔽器的作用半徑不同，不能靈活調(diào)節(jié)。若屏蔽范圍過(guò)大，會(huì)造成資源浪費(fèi)，影響公眾的正常通信;若屏蔽范圍過(guò)小，又有可能達(dá)不到理想的覆蓋范圍和屏蔽效果。因此，本文基于屏蔽器的現(xiàn)有技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款采用 FPGA 芯片作為主控來(lái)對(duì)信號(hào)循環(huán)檢索，并結(jié)合組網(wǎng)式屏蔽方案進(jìn)行干擾，以實(shí)現(xiàn)對(duì)屏蔽器電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和屏蔽范圍的調(diào)控(如圖 1)。

　　1 屏蔽器原理

　　手機(jī)通信工作原理是在國(guó)家規(guī)定的通信頻率范圍內(nèi)，手機(jī)信號(hào)的接收端或發(fā)送端通過(guò)無(wú)線電波與基站建立連接，并以一定的波特率和調(diào)制方式來(lái)完成聲音與數(shù)據(jù)的傳輸[2]，實(shí)現(xiàn)人們?nèi)粘Ｉ罴肮ぷ鞯男枨?如圖 2)。而手機(jī)信號(hào)屏蔽器作用則是限制指定區(qū)域內(nèi)的通信系統(tǒng)，在禁止使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的場(chǎng)所內(nèi)形成電磁保護(hù)區(qū)，隔斷手機(jī)接收端或發(fā)送端與通信基站的聯(lián)絡(luò)，從而達(dá)到一定的屏蔽效果。

　　表 1 為現(xiàn)在市面上手機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)射頻率參數(shù)表，目前實(shí)現(xiàn)手機(jī)信號(hào)屏蔽的方式有主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式屏蔽即連續(xù)發(fā)射與表 1 相同的各段頻率信號(hào)來(lái)干擾手機(jī)通信與基站的連接，由于手機(jī)無(wú)法檢測(cè)到基站發(fā)射的正常數(shù)據(jù)，從而達(dá)到屏蔽的目的。主動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是屏蔽效果好，電路實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，但人體長(zhǎng)時(shí)間處于連續(xù)發(fā)射的電磁信號(hào)范圍內(nèi)則會(huì)產(chǎn)生一些不利影響[3];電磁干擾信號(hào)的連續(xù)發(fā)射也會(huì)造成電能的浪費(fèi)和環(huán)境的污染[4]。被動(dòng)式屏蔽則是先偵測(cè)手機(jī)發(fā)出的通信信號(hào)，再與表 1 各段頻率參數(shù)作對(duì)比判斷，若在范圍內(nèi)則啟動(dòng)相關(guān)硬件實(shí)施電磁干擾信號(hào)來(lái)阻斷手機(jī)通信，反之機(jī)器處于待機(jī)狀態(tài)，因此本文的信號(hào)屏蔽器工作原理借鑒了被動(dòng)式屏蔽法。

　　2 FPGA 屏蔽器硬件解析

　　傳統(tǒng)的屏蔽器一般具有多個(gè)掃頻波發(fā)生器、壓控振蕩器、功率放大器和發(fā)射天線等結(jié)構(gòu)，從而滿足對(duì)不同通信頻段的屏蔽要求，但會(huì)因不同屏蔽范圍的需求而增大其生產(chǎn)成本和設(shè)計(jì)空間。環(huán)保型屏蔽器以 RACH 脈沖作為觸發(fā)信號(hào)，用單片機(jī)來(lái)控制干擾的啟動(dòng)和作用時(shí)間，但要屏蔽多類通信頻段也要增加干擾模塊的數(shù)量[5]。本屏蔽器用調(diào)制模塊來(lái)動(dòng)態(tài)改變各相關(guān)電路的參數(shù)，從而使屏蔽器發(fā)出不同頻率的干擾信號(hào)，簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì)空間，減少電能消耗。屏蔽器的結(jié)構(gòu)(如圖 3)，包括 FPGA 芯片、電源系統(tǒng)、顯示模塊、檢測(cè)模塊和干擾模塊。

　　2.1 FPGA 芯片

　　FPGA 中文釋義為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，是運(yùn)用在專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路[6]。它有效地解決了原有可編程元器件門電路數(shù)不足的問(wèn)題，同時(shí)避免了定制電路本身的不足，使得它在數(shù)字電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[7]。采用 FPGA 芯片作為主控，控制屏蔽器的干擾啟動(dòng)和持續(xù)時(shí)間，可以保證各模塊高效穩(wěn)定地運(yùn)行。

　　2.2 檢測(cè)模塊

　　如圖 4 所示，虛線框內(nèi)即為信號(hào)檢測(cè)模塊的原理圖，包括調(diào)制模塊 α、檢索天線、過(guò)濾處理器、功率放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。檢索天線將定時(shí)采樣屏蔽器周圍的手機(jī)通信頻段(表 1)，并將收到的信號(hào)傳遞給過(guò)濾處理器。過(guò)濾處理器會(huì)依次保留表 1 中一類通信頻段的信號(hào)，但其他信號(hào)不會(huì)向下傳遞;例如在 t1時(shí)刻只把 α1傳遞給下一級(jí)，則 t1+△tn時(shí)刻只會(huì)把 αn(n 為 1~10 的整數(shù))傳遞給下一級(jí)。若檢索天線未能接收到表 1 中某類通信頻段的信號(hào)，則傳遞 αn+1。當(dāng) α10傳遞完成后，過(guò)濾處理器將會(huì)再次跳轉(zhuǎn)到保留 α1，以此往復(fù)循環(huán);若天線未能檢測(cè)到任何通信信號(hào)，則屏蔽器的信號(hào)干擾模塊將會(huì)處于待機(jī)狀態(tài)。

　　功率放大器則將上級(jí)傳遞來(lái)的信號(hào)放大，并進(jìn)行介質(zhì)過(guò)濾處理來(lái)提高信噪比，最后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后傳遞給 FPGA 芯片。FPGA 芯片收到信號(hào)檢測(cè)模塊發(fā)來(lái)的信號(hào)后，隨即按照相關(guān)程序的進(jìn)行優(yōu)化處理，再傳入信號(hào)干擾模塊中去。由于每次是不同種類的通信頻段傳遞到功率放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，所以電路的某些參數(shù)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)。調(diào)制模塊 α 則是信號(hào)檢測(cè)模塊中的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)檢索天線、過(guò)濾處理器的時(shí)鐘控制以及功率放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器某些參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而保障供給 FPGA 芯片信號(hào)的高質(zhì)量。

　　2.3 干擾模塊

　　干擾模塊在前人研究的基礎(chǔ)上，增加 FPGA 芯片和調(diào)制模塊 β[4]。如圖 5 所示，虛線框內(nèi)即為信號(hào)干擾模塊的原理圖，包括調(diào)制模塊 β、發(fā)射天線、功率放大器、濾波電路、壓控振蕩器、鋸齒波電路。調(diào)制模塊 β 的功能與調(diào)節(jié)模塊 α 相同，其動(dòng)態(tài)調(diào)整功能可以讓鋸齒波電路產(chǎn)生不同頻率的鋸齒波，但干擾模塊中的鋸齒波電路產(chǎn)生何種頻率的鋸齒波，由 FPGA 芯片執(zhí)行的程序來(lái)決定。鋸齒波則可以驅(qū)動(dòng)壓控振蕩器來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后，由濾波電路提高信噪比后再輸出成為有效的通信干擾信號(hào)，最后由天線輻射到屏蔽器周圍。經(jīng)過(guò)此過(guò)程則完成了一類通信頻段的信號(hào)屏蔽，然后由 FPGA 芯片反饋與調(diào)制模塊 α，調(diào)制模塊 α 則調(diào)整過(guò)濾處理器參數(shù)，傳遞 αn+1 的信號(hào);即天線在 t1 時(shí)刻發(fā)送的是 α1 的屏蔽信號(hào)，而在 t1+△tn 時(shí)刻發(fā)送的是 αn 的屏蔽信號(hào)，實(shí)現(xiàn)屏蔽器干擾機(jī)制是循環(huán)檢索、分時(shí)發(fā)送。

　　2.4 顯示模塊

　　顯示面板展示編號(hào)為 A～J 分別代表 α1、α2……α10 的屏蔽狀態(tài)，由 FPGA 芯片反饋于顯示模塊。若 αn 對(duì)應(yīng)字母閃爍，則表示正在屏蔽相應(yīng)的通信信號(hào);若 αn 灰色顯示，則表示在屏蔽范圍內(nèi)無(wú)相應(yīng)的通信信號(hào)。通過(guò)指示燈，用戶可以清晰地了解到屏蔽器的工作狀態(tài)和屏蔽器周圍是否有表 1 中對(duì)應(yīng)頻段的信號(hào)。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出了基于 FPGA 芯片的信號(hào)屏蔽器，其干擾原理在被動(dòng)式屏蔽法的基礎(chǔ)上做出了改進(jìn)。區(qū)別于傳統(tǒng)屏蔽器，該屏蔽器的干擾機(jī)制是循環(huán)檢索、分時(shí)發(fā)送，用調(diào)節(jié)模塊來(lái)動(dòng)態(tài)改變各相關(guān)電路的參數(shù)，從而使干擾模塊分時(shí)輸出不同頻率的干擾信號(hào)。本文提供了基于 FPGA 芯片屏蔽器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，但實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于 FPGA 程序的編寫(xiě)和各元器件大小的限制，若能突破限制，應(yīng)用在考場(chǎng)、科研機(jī)構(gòu)、機(jī)密會(huì)議等場(chǎng)所，則會(huì)產(chǎn)生不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。