针对民用对讲机的扫频干扰源探讨

2022-09-12

对讲机主要应用在公安、民航、服务等行业, 用于团体成员间的联络和指挥调度。通话距离一般可达3km~5km, 并能提供一对一、一对多的通话方式, 通话成本低。因此, 民用对讲机也被一些特殊场合利用, 比如赌场、地下钱庄等违法场所, 便捷的对讲机成了不法分子通风报信的最好工具, 导致他们可以在公安人员进行的实地查处时提前逃逸或者及时销毁证据, 给公安人员的工作带来很大困难, 鉴于此在这些特殊场合, 提出了对民用对讲频段进行通信干扰的工程应用要求。工程基本要求如下。

(1) 工程实现为车载干扰设备, 方便移动干扰。

(2) 使用大容量蓄电池提供电源, 连续工作时间不少于2小时。

a三角波电路b 5 5 5锯齿波电路c微机数控锯齿波电路

(3) 能够对所有对讲机频段进行实时有效的全覆盖干扰, 使其不能通话联络。

现在市场上大部分民用对讲机多使用400MHz以上频段, 其中450MHz频段民用对讲机频率范围为450MHz~470MHz, 信道间隔25kHz, 射频发射功率最大为4w, 调制模式为FM调频。现在我们暂且以450MHz频段民用对讲机的干扰为例, 分析各种干扰方式实现的优缺点, 以提供实际的工程应用价值。

1 全频段扫频干扰分析

450MHz频段频率带宽为20MHz, 要对任何频点的对讲机均实施有效的最佳干扰, 就需要对整个频段进行实时干扰, 并且干扰信号的频谱间隔也要和对讲机频点间隔相同, 定为25kHz, 共有800个可用信号频点。

要实现450MHz~470MHz整个频段内所有信号的实时干扰, 设计采用多个振荡源分时输出, 并且使通信接收机的输出端由断续的脉冲干扰变为连续干扰输出, 就能达到有效干扰效果。而扫频干扰正是这样一种工程实现方式。扫频干扰实质上是一种以线性宽带调频为基础的通信干扰方式, 线性调频是其频率变化与时间成线性关系, 换句话说, 在干扰信号的重复周期下, 各频率出现的概率是相同的。线性调频有三角波调频和锯齿波调频, 三角波调频是双向的线性调频, 而锯齿波调频是单向的线性调频。

图1是干扰电路应用框图, 扫频信号单元产生线性调频信号以后, 和噪声信号一起去对压控振荡器 (VCO) 进行调制, 产生450MHz~470MHz整个频段的干扰信号源, 然后输入功率放大单元进行射频信号放大, 最后用相应的天线发射出去, 加上系统电源和控制部分, 这就是完整的干扰系统组成。

2 扫频电路的几种实现方式与区别

在工程实际应用中, 可以有不同的方法来产生三角波或锯齿波, 两种信号各有不同的应用特点, 可根据不同场合来选择使用。以下介绍了三种常用扫频信号产生电路, 并从各自的特点进行优缺点的分析, 以便于工程人员选择运用。

方波进行RC积分的三角波调频。首先我们选择由方波信号进行积分后变为三角波信号的方法, 模型电路见图2a。74HC04为非门芯片, 采用简单的阻容网络搭配, 可以方便调节方波频率值。74HC04器件的电平转换时间最大为100ns左右, 理论上可产生最高频率为2MHz左右的方波, 实际能产生正常平稳波形的方波最高频率不超过500kHz。方波频率由非门网络决定, 而out端三角波的电压值用来对后端压控振荡器VCO调频, 从而得到我们所需的干扰信号频率。对RC积分电路进行调整, 可以得到一定范围的电压值, 从而对VCO的输出频率进行调整。三角波的周期T决定了VCO输出连续频率的间隔。经过RC积分而得到的三角波不是线性波形, 其波形按抛物线变化, 虽然三角波幅度和频率调整方便, 但容易受环境温度和器件参数影响, 另外由其非线性调频引起的频谱不均匀性更加严重, 对实际干扰效果影响较大。

555组合电路锯齿波调频。定时器NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器, 利用NE555接成无稳态多谐振荡器电路, 可在7脚形成锯齿波, 如图2b所示。锯齿波的形成由外围的RC (R1/R2/R3组成R, C1=C) 充电电路主导, 改变充电电容C1的容量或充电电流的大小 (改变充电电阻大小) 都能改变充电速度, 因而锯齿波的频率也随着改变, 即改变锯齿波周期T。输出端out通过耦合电容C2正反馈到R2的上端, 所以C1在充电期间, R2上的压降是一常数, 使充电电流基本保持不变, 故输出为线性斜波。此即恒流源对RC电路充放电的情况, 这是产生线性三角波或锯齿波的前提。采用这种提高线性的方法, 电路的温度稳定性可以显著地的改善。此电路可产生的锯齿波频率在0~200kHz左右。

此电路可以有效得到较为线性的锯齿波, 调频后得到的干扰频谱在整个干扰带宽内波动不超过3dB。但相对第一种类型的电路来说此锯齿波幅度调整范围有一定的局限性, 有时候需要提高VCC值来达到宽调谐电压范围。

微机+DAC数控锯齿波调频。前面两种波形产生均是利用硬件电路直接生成, 波形质量受元器件参数的影响较大, 调整的幅度和宽度均受限制, 而用微机控制数模转换器件DAC来产生所需波形, 则可实现编程控制波形的参数, 包括波形周期和步进间隔, 充分发挥了精确定点的特性, 更适合于宽带调频的场合。并且用微机作为控制单元, 可以有效减小器件特性和环境温度对波形的影响。图2c是单片机作为控制单元, 结合数模转换芯片实现的锯齿波产生电路模型。

单片机使用了PIC16F8系列, 具有指令少、执行速度快等优点, 可配置40MHz的晶体, 其单个指令时间为100ns。AD7524是CMOS单片低功耗8位DA转换器, AD826为运算放大器, 将电流输出转换为电压输出, 其out端输出电压波形呈阶梯形, 输出电压与输入数字量的关系如下。

一般8位DAC器件速度最快能达到500ns, 而10位DAC转换速度能达到200ns, 因此对于8位DAC来说满量程转换周期最小为128us, 而同样满量程的10位DAC一个转换周期将要204us, 鉴于本工程应用所需对讲机频谱间隔25kHz (周期为40us) 的要求, 我们采取折中的办法, 即采用8位DAC, 损失频谱间隔指标要求, 采用100KHz的步进间隔, 增加宽带噪声调制达到边带覆盖的需要, 通过实验来论证实际干扰效果。

3 调频频谱结果分析

如图3a、b、c所示, 三种扫频电路得到的信号频谱在20MHz带宽范围内有明显不同。图三a是三角波调频得到的频谱, 由图可得, 频谱范围为20MHz, 频谱间隔如图d所示为25kHz (由于三角波或者锯齿波周期都相同, 得到的频谱间隔也相同。微机数控DAC产生锯齿波由于器件性能的限制, 实际产生信号的频谱间隔暂且为100kHz, 只用作实验效果的比较和论证) , 但在频谱均匀度上即信号幅度A上波动很大, 波动幅度最大达到10dB。图3b是NE555产生锯齿波调频得到的频谱, 由图可得, 频谱范围为20MHz, 频谱间隔为25kHz, 频谱均匀度上即信号幅度A上波动减小, 波动幅度最大不超过5dB。图3c是微机数控锯齿波调频得到的频谱, 由图可得, 频谱范围为20MHz, 频谱间隔为100kHz, 频谱均匀度上即信号幅度A上波动范围得到有效控制, 波动幅度最大不超过3dB。

根据通信干扰理论分析, 锯齿波调频的特点如下:调谐电压范围决定调频的总频偏, 也就是决定了干扰频段范围;频谱内各分量的频率间隔等于锯齿波的频率;频谱以中心频率为中心, 两边对称, 且为均匀频谱。

根据实际电路产生的频谱分析, 基本符合以上特点, 三角波的频谱最不均匀。

以上三种干扰源产生同样20MHz带宽的信号, 分别用来推动相同的功率放大器, 得到功率为20w的干扰射频信号, 通过增益为3dB的天线发射出去。干扰对象采用普通的2w民用对讲机两个, 进行点对点单频通信干扰, 以459MHz为通信信道, 通过实验比较, 可实现的有效干扰距离 (使对讲机之间无法进行语音通信为有效干扰) 分别为100m、130m和140m, 即三种干扰源的效率之比为1∶1.3∶1.4。由于微机数控干扰源频谱间隔并未以25kHz对准目标信号, 因此干扰效果不是处于最佳状态, 还有提高效率的空间。对于整个20MHz带宽内的不同频点对讲通信而言, 同样的干扰信号实现的干扰距离会有所差别, 这是由干扰信号的频谱特性有波动而引起的。如何得到更平坦的干扰频谱, 并且使干扰信号各频谱特征调整方便, 是工程应用中必须考虑的设计关键。另外, 不同频段的对讲机需要改变干扰源的频段范围, 以及干扰频段宽度, 每个不同的干扰源电路形式都有其自身的设计局限性, 我们必须根据实际使用环境来选择合适的电路方案, 从设计成本、可靠性和灵活性角度真正来实现最佳干扰。

摘要：民用对讲机因其高效便捷的通讯方式, 被不法分子应用于地下赌场或钱庄等场所, 作为通风报信的工具, 给公安人员的实地查处带来困难, 因此工程上提出了对民用对讲机实施定位通信干扰的要求。为实现全频段有效干扰, 选定扫频模式作为干扰手段。扫频电路可由三角波或者锯齿波调频得到, 不同的扫频电路有不同的实现方式和工程局限性, 干扰效果即有所差异。因此应针对实际需要选择不同的扫频模式, 以实现最佳干扰效果。

关键词：民用对讲机,扫频干扰,锯齿波,频谱间隔,干扰效果