安防應用的無線信號寬帶監測系統設計

儲兆玲，李雨澤，時翔

（常州工學院，江蘇常州，213002）

0 引言

無線信號監測是對一定區域的射頻設備的輻射信號實施信號搜索、信息截獲、參數測量、分析統計以及信號識別等工作。“非法無線信號”的無線信號監測設備主要對監測場所及環境的無線（電磁）信號進行搜索、截獲、參數測量、測向、定位、解調、分析、和處理，通過對參數信息的統計分析，發現非法源后，還需進行非法源的測向與定位，依照相關法律法規進行查處。它為合法無線電頻率的規劃、指配、電磁環境的測試、非法無線電查處、確保通信與信息安全等方面提供了強大的技術支撐，成為無線電頻譜安全管理的重要組成部分。基于安全防護目的的非法無線信號的全頻段掃描與分析、感知與定位系統及其相關技術，目前已成為我國無線電監測領域的重要應用領域。

本項目設計一種用于非法無線信號監測和識別的全頻段掃描與感知系統，工作于50MHz～10GHz 頻率，能夠對通行的RFID（433MHz）、廣域物聯網（699～2200MHz）、WiFi/藍牙/UWB/ZigBee（2400～5250MHz）、全球衛星導航系統（1100～1600MHz）等無線信號進行掃描與接收、濾波與處理、頻譜變換及目標識別，特別適用于酒店防窺防竊聽，禁飛區無人機信號監測以及機場安保等場景，實現信息與隱私防護、重要場所防非法無線信號入侵等功能，實現對個人或重要場合的安全防護。

1 系統總體設計與原理

本文基于安全防護的目的，設計了一種非法無線信號的寬帶監測系統。該系統主要由4 個部分組成，包括天線、低噪聲寬帶放大器、檢波器、低頻放大器模塊。系統的射頻前端利用Microwave Office 軟件，進行50MHz～10GHz 天線、低噪聲寬帶放大器以及檢波器的設計，利用Multisim軟件進行10Hz～200Hz 低頻放大器的設計，最后進行50MHz～10GHz 超寬帶接收機的系統集成。系統的設計目的是能夠監測常見主流的無線通訊信號。

系統的總體設計框圖如圖1 所示，各模塊功能描述如下。

圖1 系統總體框圖

(1)寬帶天線將監測環境中的無線信號進入接收，輸入50MHz～10GHz 的寬帶放大器進行低噪聲放大。低噪聲的目的保證系統輸出端具有足夠的可供判決的信噪比。

(2)放大后的射頻信號經檢波器后，進行能量的積分，實現功率-電壓的轉換，輸出近似直流的低頻信號。

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

(4)告警器設定頻率值對比和幅度值門限，當信號幅值達到門限時，向外報警。

2 分系統設計

2.1 天線設計

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

天線設計的第一階段是快速確定幾何模型天線的形式。第二階段創建幾何模型天線的計算參數模型，并將計算出的結果與相關文獻直接給出計算結果的數據結合在一起作對比。第三階段實現幾何模型天線的參數模型計算，獲得若干種天線的設計和性能指標，快速計算并驗證天線的性能。

天線工作頻帶和增益大小對整個接收鏈路的噪聲特性有很大影響。因此，在選擇天線時，要保證其具有較高的增益和足夠低且相對穩定的回波損耗。通過以上的設計流程得到天線的結構和幾何模型，再借助仿真技術和系統優化的方法，進一步地設計和驗證天線的設計和性能。設計好的2×2 單元的天線結構及其增益仿真結果如圖2 所示。

資本投入量計算。華南地區四省份均以2011年為基期，用本地區年末資本存量表示資本投入量，并采用永續盤存法估算年末資本存量，資本存量估算的公式是

圖2 平面天線的天線結構及方向圖

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，同時解決了采用微帶線端饋電時天線陣列的不對稱問題。單個貼片可以看作是一個諧振腔，貼片的每一端都有輻射槽，邊緣場有效長度是半波長貼片的長度，小于介電介質中的半波長。

2.2 寬帶放大器設計

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放大，并盡可能的濾除干擾信號。檢波器則將放大后的射頻信號進行功率-電壓的轉換，處理變頻到頻率較低處進行解調。

寬帶放大器為低噪聲放大器，一般位于各種無線電接收機的前端或者作為各種精密電子探測裝備的放大電路，能夠接受到十分微弱的信號，然后對其進行放大出來。低噪聲放大器的噪聲系數性能決定了整個接收機的噪聲性能。較低的噪聲系數能夠抑制后面各個元器件所產生的各種噪聲對整個射頻電路的影響。本系統采用最佳噪聲的匹配方式減少反射消耗，讓接收到的信號能夠傳送到下一級的網絡。

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的能力和保證良好的通信質量，接收機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，其噪聲系數對接收機的性能影響最大，本系統要求的LNA 工作在DC～10GHz，單級增益18dB，噪聲＜4.5dB。

設計采用柵長為0.15μm GaAs pHEMT 低噪聲管，其柵寬w 在一定范圍內可以任意取值。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，通過對不同柵寬管子的仿真對比，在增益、噪聲與功率容量做折衷考慮后，采用四級級聯放大的結構，四級放大器的總噪聲系數定義如下：

Gn，NFn分別為第n級的增益和噪聲系數，放大器的總噪聲系數主要取決于前兩級的噪聲。因此，設計中前兩級側重于最佳噪聲匹配 ，后兩級側重于共軛匹配以獲得更大增益。通過原理圖仿真和場仿真相結合，設計滿足系統要求的低噪聲放大器。二級低噪聲放大器的輸出匹配仿真模型如圖3 所示。

圖3 二級低噪放輸出匹配仿真模型

2.3 寬帶檢波器設計

在非法無線信號的帶寬檢測系統中，寬帶檢波器起著至關重要的作用，信號、功率、增益等都可以被其敏感地檢測出來。寬帶檢波器通過二極管的非線性伏安特性進行頻率變換，再通過低通平滑濾波完成檢測，能夠從調幅波中取出低頻調制信號且較為穩定。寬帶檢波器能將射頻信號強度成比例地轉化為直流電壓輸出，也叫“視頻輸出”。本設計采用零偏壓肖特基（Schottky）二極管檢波器，用于成比例地輸出與射頻信號強度相對應的電壓信號，如圖4 所示。

圖4 二極管檢波器工作過程

2.4 低頻放大器設計

設計一個放大倍數在5000 倍左右，帶寬在1kHz 以內的低頻放大電路用于放大直流/低頻信號，同時具有一定的濾波作用。用Multisim 軟件對電路進行仿真，信號選擇交流的正弦波，在一定的理論增益下一定頻率下對不同幅值通過放大電路進行放大。經過模型電路設計與仿真優化，最終采取能夠實現低噪聲、高速響應直流/低頻放大功能的OP27 精密運算放大器作為第一級放大，后面放大鏈路采用多級LF353 放大器實現后級放大。OP27 放大電路如圖5所示。

圖5 OP27 低噪聲放大電路

3 系統集成與聯調

系統集成的實物圖如圖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。將各級模塊用同軸線連接起來測試整體性能，對無線信號監測結果如圖7 所示。

圖6 無線信號寬帶監測系統實物圖

圖7 系統在各種無線信號下的監測波形

4 結束語

本文主要設計了一款用于無線信號監測的寬帶接收機，基于Microwave Office 軟件設計接收機射頻前端，用Multisim 完成寬帶接收機中頻后系統。整個系統設計方法是自上而下，首先確定好接收機的整體架構，再一步一步的對每一個模塊進行模擬仿真和増益分配，再去進行電路設計與仿真、芯片選型與電路制作，最后進行電路測試、系統集成與聯調，將整體的設計分解成很多小模塊的設計的設計方法便于迅速得找出系統鏈路中的缺陷與不足，有針對性地進行改進。最終完成的系統能夠達到預定的目標，監測到一些常見的非法無線信號，后續的系統改進將致力于信號的分類識別及其智能化應用方面。