CN106411453A - 基于码域信道破坏式的无线信号阻断装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于码域信道破坏式的无线信号阻断装置，包括低噪声功率放大器、下变频器、模数转换器、FPGA、数模转换器、上变频器、功率放大器及提供时钟信号的时钟模块和进行参数配置、状态监测的控制主板；所述低噪声功率放大器与所述下变频器连接；所述下变频器与所述模数转换器连接；所述模数转换器和数模转换器均与所述FPGA相连接；所述上变频器与所述数模转换器连接；所述功率放大器与所述上变频器连接。本发明还提供该阻断装置所对应的阻断方法。本发明优点：通过对空间原始信号进行码域干扰，使得手机用户无法与基站正常通信，可以对用户移动通信装置的信号进行有效屏蔽，从而防止有人利用移动通信技术从事非法活动，确保信息安全。

Description

基于码域信道破坏式的无线信号阻断装置及方法
技术领域
本发明涉及一种通信设备，特别指一种基于码域信道破坏式的无线信号阻断装置及方法。
背景技术
随着移动通信技术的迅猛发展，移动通信相关的产品和服务已经深入社会的各个角落。移动通信技术在给人们生活带来极大便利的同时，也使少数人有可能利用移动通信技术从事考试作弊、泄露国家机密等非法活动。因此，在一些如政府机关、武警部队驻地、监狱、学校等重要场所就有必要部署信号屏蔽器，以对如用户设备的移动通信装置的信号进行屏蔽，从而防止有人利用移动通信技术从事非法活动。
现有技术在解决以上问题时，都是通过干扰无线信号的方式来中断手机和基站之间的通信。目前常用的干扰方式有两种：上行干扰和下行干扰；其中，上行干扰是干扰手机的发射信号，下行干扰是干扰手机的接收信号；由于上行干扰会阻塞基站，一般较少使用，因此，通常采用的干扰方式都是干扰基站的发射信号。现有的干扰方式是先通过锯齿波来控制一个压控振荡器，再通过扫频的方式产生某一频段内从低频至高频的震荡波来干扰基站的下行信号。还有一种干扰方式是通过产生一定带宽的随机序列信号进行干扰。由于干扰信号为同频载波干扰，没有基带信号的调制，故称为同频载波压制式干扰，通过不间断的发射全频段，用较大功率的高频干扰信号进行压制，使手机接收的信噪比达不到解调要求，从而达到干扰手机正常通信的作用。
现有的干扰方式针对第二代窄带移动通信系统(GSM)是有一定的效果，但还是需要提高一些功率进行压制，而对于采用宽带码分多址的移动通信系统(CDMA)而言，现有的同频压制方式方案已无法适应实际使用需求。请参照图1所示，码分系统(CDMA)在发射端对用户信号进行扩频处理，并将所有通信信道(包括用户信号和其它信号)都叠加在同一载频上(如图1a、1b所示)，当有干扰信号对通信信道进行干扰时，干扰信号也将叠加到载频上(如图1c所示)；在接收端需要进行解扩处理，在解扩时，终端会识别出与自身相关的码道信道并进行能量汇聚，以便解码，同时终端还会将所有无关信道及干扰信号的能量在一个很大的频谱范围内进行扩散(如图1d所示)，再经由滤波处理后将绝大部分无关信道及干扰信号进行滤除(如图1e所示)，因此，码分系统的抗干扰能力极强。而现有的屏蔽干扰方式由于不含有任何与终端自身相关的码道信息，因此在解扩时大部分干扰功率都会被滤除，从而导致干扰效果不理想，干扰屏蔽范围也比较小，且需要输出较大的功率才能取得一定的干扰效果(一般要比下行信号大23dB左右的功率)，这不仅会浪费能源，而且还会对人体和周围的环境造成不良的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种基于码域信道破坏式的无线信号阻断装置，通过该装置来对政府机关、武警部队驻地等重要场地的无线信号进行有效屏蔽，以防止有人利用移动通信技术从事非法活动，确保信息安全。
本发明是这样实现技术问题之一的：基于码域信道破坏式的无线信号阻断装置，该阻断装置包括一低噪声功率放大器、一下变频器、一模数转换器、一FPGA、一数模转换器、一上变频器、一时钟模块、一控制主板以及一功率放大器；
所述低噪声功率放大器与所述下变频器连接；所述下变频器与所述模数转换器连接；所述模数转换器和数模转换器均与所述FPGA相连接；所述上变频器与所述数模转换器连接；所述功率放大器与所述上变频器连接；
所述下变频器、模数转换器、FPGA、数模转换器以及上变频器均由所述时钟模块提供时钟信号；所述低噪声功率放大器、下变频器、模数转换器、FPGA、数模转换器、上变频器以及功率放大器均由所述控制主板进行参数配置和状态监测。
进一步地，还包括一存储器，所述存储器与所述FPGA相连接。
进一步地，所述FPGA设置有一光口和一网口。
本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种基于码域信道破坏式的无线信号阻断方法，通过该方法来对政府机关、武警部队驻地等重要场地的无线信号进行有效屏蔽，以防止有人利用移动通信技术从事非法活动，确保信息安全。
本发明是这样实现技术问题之二的：基于码域信道破坏式的无线信号阻断方法，所述方法使用上述无线信号阻断装置，该方法包括如下步骤：
步骤1、使用低噪声放大器对天线接收的无线通信信号进行低噪声放大，并将放大的信号传送给下变频器；
步骤2、下变频器将接收到的信号下变频至中频信号，并将中频信号传送给模数转换器；
步骤3、模数转换器将接收到的中频信号转换成数字信号，并将数字信号传送给FPGA；
步骤4、FPGA获取并解析数字信号中的导频信道，捕获基站的导频偏置信息，并对导频偏置信息进行加扰处理生成加扰导频信道，之后将加扰后的干扰信号源传送给数模转换器；
步骤5、数模转换器将接收到的干扰信号源转换成模拟信号，并将模拟信号传送给上变频器；
步骤6、上变频器对接收到的模拟信号进行上变频，并将经过上变频的干扰信号传送给功率放大器；
步骤7、功率放大器对接收到的干扰信号进行功率放大处理，并将放大后的干扰信号通过天线发送给终端接收。
进一步地，所述步骤4具体包括：
步骤41、FPGA对接收到的数字信号进行抽取；
步骤42、将抽取的信号通过NCO下变频搬移至0频，并通过带通滤波处理取出下行信号；
步骤43、先从下行信号中获取出导频信道，并采用相关滑动法从导频信道中捕获出基站的导频偏置信息；然后，对捕获的导频偏置信息进行加扰处理生成加扰导频信道，形成能够被终端识别为主导扇区信号的下行干扰信号源；
步骤44、对下行干扰信号源进行插值处理；
步骤45、将插值处理后的下行干扰信号源通过NCO数字上变频至中频，并通过带通滤波进行滤波，之后将下行干扰信号源传送给数模转换器。
进一步地，所述“对捕获的导频偏置信息进行加扰处理生成加扰导频信道，形成能够被终端识别为有效信号的下行干扰信号源”具体为：在捕获到基站的导频偏置信息后，通过FPGA内部产生一个或若干个具有相同偏置或者在偏置误差范围内的相近偏置的导频信号，并将产生的导频信号叠加到导频信道中生成加扰导频信道，从而形成能够被终端识别为主导扇区信号的下行干扰信号源。
本发明具有如下优点：1、本发明通过对空间原始信号进行码域干扰，使得手机用户无法与基站正常通信，从而达到阻断通信的目的，根据实际测试得出，当干扰信号与空间信号电平相当时便可达到阻断通信的目的；在使用时，通过将本发明信号阻断装置和信号阻断方法应用到政府机关、武警部队驻地、监狱、学校等重要场中，可以实现对用户移动通信装置的信号进行有效屏蔽，从而防止有人利用移动通信技术从事非法活动，确保信息安全；2、本发明可以实现多种码分通信制式无线信号的阻断，且成本低，阻断效果好。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为现有CDMA系统抗干扰原理的流程框图。
图1a为现有CDMA系统抗干扰原理中用户信号的示意图。
图1b为现有CDMA系统抗干扰原理中对用户信号进行扩频的示意图。
图1c为现有CDMA系统抗干扰原理中对用户信号进行干扰的示意图。
图1d为现有CDMA系统抗干扰原理中对干扰后的信号进行解扩的示意图。
图1e为现有CDMA系统抗干扰原理中对干扰后的信号进行滤波的示意图。
图2为本发明基于码域信道破坏式的无线信号阻断装置的硬件结构图。
图3为本发明进行码域信道破坏的流程框图。
图4为本发明生成导频信号的原理图。
图5为本发明进行CDMA导频干扰的流程框图。
图5a为本发明进行CDMA导频干扰时用户信号的示意图。
图5b为本发明进行CDMA导频干扰时对用户信号进行扩频的示意图。
图5c为本发明进行CDMA导频干扰时对用户信号进行导频干扰的示意图。
图5d为本发明进行CDMA导频干扰时对干扰后的信号进行解扩的示意图。
图5e为本发明进行CDMA导频干扰时对干扰后的信号进行滤波的示意图。
具体实施方式
请参照图2所示，基于码域信道破坏式的无线信号阻断装置，包括一低噪声功率放大器1、一下变频器2、一模数转换器(ADC)3、一FPGA 4(现场可编程门阵列)、一数模转换器(DAC)5、一上变频器6、一时钟模块7、一控制主板8、一存储器9以及一功率放大器10；
所述低噪声功率放大器1与所述下变频器2连接；所述下变频器2与所述模数转换器3连接；所述模数转换器3和数模转换器5均与所述FPGA 4相连接；所述上变频器6与所述数模转换器5连接；所述功率放大器10与所述上变频器6连接；其中，FPGA 4是一种现场可编程器件，具有较高的灵活性，在进行信号处理时，只要修改软件便可以实现不同制式的系统升级。
所述下变频器2、模数转换器3、FPGA 4、数模转换器5以及上变频器6均由所述时钟模块7提供时钟信号；所述低噪声功率放大器1、下变频器2、模数转换器3、FPGA 4、数模转换器5、上变频器6以及功率放大器10均由所述控制主板8进行参数配置和状态监测。
所述存储器9与所述FPGA 4相连接，所述存储器9包括Flash存储器91和DDR存储器92，其中，Flash存储器又名闪存，是一种长寿命的非易失性(在断电情况下仍能保持所存储的数据信息)的存储器；DDR存储器(即DDR内存)是一个时钟周期内传输两次数据，它能够在时钟的上升期和下降期各传输一次数据，因此又称为双倍速率同步动态随机存储器。
所述FPGA 4设置有一光口11和一网口12，以便于光纤的近远端传输以及网络的相互通信。
请参照图3，基于码域信道破坏式的无线信号阻断方法，所述方法使用上述无线信号阻断装置，该方法包括如下步骤：
步骤1、使用低噪声放大器1对天线接收的无线通信信号进行低噪声放大，并将放大的信号传送给下变频器2；
步骤2、下变频器2将接收到的信号下变频至中频信号，并将中频信号传送给模数转换器3；
步骤3、模数转换器3将接收到的中频信号转换成数字信号，即对中频信号进行奎斯特采样，并将数字信号传送给FPGA 4；模数转换器3的采样时钟为61.44M，将接收到的中频信号转换成数字信号，即采样率为61.44MSPS。
步骤4、FPGA 4获取并解析数字信号中的导频信道，捕获基站的导频偏置信息，并对导频偏置信息进行加扰处理生成加扰导频信道，之后将加扰后的干扰信号源传送给数模转换器5；该步骤4具体包括：
步骤41、FPGA 4对接收到的数字信号进行抽取；FPGA在抽取时，其内部多个通道将采用复用处理机制，在此以单通道的数据速率流程为例：61.44—>15.36—>3.84—>3.84—>15.36—>61.44，混频是在61.44M位置进行混频，混频及滤波器采用三倍复用的方式，系统跑184.32M的时钟，为了将资源的合理利用，以下为抽取滤波器的设计:第一级61.44—>15.36主要是采用CIC滤波器，由于此滤波器抑制要求不高，同时只消耗slice，不用消耗DSP，因为后面的设计需要大量的DSP；第二级15.36—>3.84主要是做防混叠的设计；第三级3.84主要是进行单速率滤波，这级采样率较低，这样容易达到较好的抑制。
步骤42、将抽取的信号通过NCO(数控振荡器)下变频搬移至0频，并通过带通滤波处理取出下行信号；
步骤43、先从下行信号中获取出导频信道，并采用相关滑动法从导频信道中捕获出基站的导频偏置信息；然后，对捕获的导频偏置信息进行加扰处理生成加扰导频信道，形成能够被终端识别为主导扇区信号的下行干扰信号源；
在实施时，导频信道的获取算法如下：导频信道(F-PICH)输入为全0，未经过编码交织，用Walsh序列0进行扩频，由于PN码序列的周期为2^15＝32768码片，所以一个导频信号的PN序列周期内可容纳512个码长为64的Walsh函数序列。所有基站的导频信号均使用相同的短PN码，不同的基站之间通过对应的时间偏置来识别。每个偏置是64码片的整倍数，所以共有32768/64＝512个不同偏置。
CDMA系统要实现通信，首先要通过导频序列保持同步，CDMA的导频序列是伪随机序列，所谓伪随机序列的同步就是保持其时差为(相位差)为0的状态，如：a(t-τ1),a(t-τ2)为两个长度相等的伪随机序列，保持同步就是保持τ1＝τ2或Δτ＝τ1-τ2＝0，在码分系统中要求发送的导频码与本地码同步。伪码同步分为两个过程：粗同步和细同步，粗同步又称捕获，细同步又称跟踪。下面我们对捕获的基本原理做进一步分析：
捕获同步部分的输入分别是RFI和RFQ，这两路数据分别是滤波器的输出，捕获的基本方法是滑动相关法。采用32路并行捕获，为了降低捕获的时间，分两步完成，第一步：对32路同时以较短的积分时间(1024，由四个256码片积分值的绝对值累加得到)判断是否有超过门限的，如果有超过门限的(当多路同时超过门限时，选择最大的那一路)，则输出捕获指示为“1”，并停止PN码时钟滑动；第二步：当某一路超过门限(当多路同时超过门限时，选择最大的那一路)时，再连续进行31次捕获，将32次累加后与门限比较，进行同步验证，如果仍超过门限，则输出同步指示为“1”，以及所对应的PN选择号码，完成捕获过程；如低于门限，则输出捕获指示为“0”，开始PN码时钟滑动，重新开始捕获过程。在捕获过程完成后，一直以256个PN码元时间为积分时间，进行32×4次捕获，完成128次累加后，判断是否超过门限，以监测系统是否处于同步状态，如低于门限，则输出捕获指示和同步指示为“0”，开始PN码时钟滑动，重新开始捕获过程。导频信道获取后，便可以解析出同步信道，寻呼信道，业务信道等。
其中，所述“对捕获的导频偏置信息进行加扰处理生成加扰导频信道，形成能够被终端识别为有效信号的下行干扰信号源”具体为：在捕获到基站的导频偏置信息后，通过FPGA 4内部产生一个或若干个具有相同偏置或者在偏置误差范围内的相近偏置(最大偏置误差不大于网络侧多径搜索窗设定的值)的导频信号，并将产生的导频信号叠加到导频信道中生成加扰导频信道，从而形成能够被终端识别为主导扇区信号的下行干扰信号源。请参照图4所示，导频信号的生成过程如下：先将经过沃尔什码调制后的数据符号序列的复用数据分别与两个不同的短PN码相乘，这两个PN码相当于I路和Q路的正交载波分量；然后分别通过FIR基带滤波器进行滤波，最后通过载波调制输出完整的导频信号。
步骤44、对下行干扰信号源进行插值处理；
步骤45、将插值处理后的下行干扰信号源通过NCO数字上变频至中频，并通过带通滤波进行滤波，之后将下行干扰信号源传送给数模转换器。
步骤5、数模转换器5将接收到的干扰信号源转换成模拟信号，并将模拟信号传送给上变频器6；
步骤6、上变频器6对接收到的模拟信号进行上变频，并将经过上变频的干扰信号传送给功率放大器10；
步骤7、功率放大器10对接收到的干扰信号进行功率放大处理，并将放大后的干扰信号通过天线发送给终端接收，终端在解扩干扰信号时，由于导频信道所解扩出的功率能量将远大于业务信道及控制信道信息的功率能量，因此终端接收的信噪比将达不到解调要求，从而实现干扰终端(手机)正常通信的作用。
本发明实现码分通信制式无线信号的阻断，其基本出发点在于产生一个干扰信号，使CDMA终端将该干扰信号识别为自身信号，从而在解扩时将干扰信号与有效信道信号功率同时进行功率收集，以此实现高效码域信道加扰。考虑到加扰的信号必须可以被所有终端识别，因此本发明选择产生一个或若干个小区导频信号，利用CDMA系统自干扰特性，实现CDMA系统内严重的自干扰，进而导致终端无法解调业务信道信息。
由于在当前基站配置中，小区导频的功率能量一般仅占基站总功率的10％～20％，而其它信道功率能量则占比更小，因此当加强某一小区导频信号时，该扇区即可被基站识别为主导扇区，从而将其它基站排除在搜索集范围。请参照图5所示，本发明在对用户信号进行扩频，并将所有通信信道(包括用户信号和其它信号)都叠加在同一载频上后(如图5a、5b所示)，首先获取用户信号中最强扇区的导频偏置信息，并通过FPGA内部产生成一个或若干个相同或相近偏置的导频信号，并将产生的导频信号叠加到导频信道中形成加扰导频信道(如图5c所示)，此时主导扇区的导频信号将明显增强，相邻扇区的信号将被排除在终端的搜索集之外，即不被终端所接收，因此终端只能接收到主导扇区信号。而在主导扇区信号中，由于导频信号功率占比很大，而其它信道功率占比相对较小，因此终端在解扩时，导频信道所解扩出的功率能量将远大于业务信道及控制信道信息的功率能量(即实现CDMA系统内严重的自干扰)，经过滤波后，大部分干扰导频信号都不会被滤除(如图5d、5e所示)，因此可以使手机接收的信噪比达不到解调要求，从而达到干扰手机正常通信的作用。
当然，以上实施例仅是以CDMA系统码域加扰为例来对本发明进行详细说明的，但是本发明并不局限于此，本发明同样可以适用于其它码分多址系统，例如WCDMA、GOTA等系统。
综上所述，本发明具有如下优点：1、本发明通过对空间原始信号进行码域干扰，使得手机用户无法与基站正常通信，从而达到阻断通信的目的，根据实际测试得出，当干扰信号与空间信号电平相当时便可达到阻断通信的目的；在使用时，通过将本发明信号阻断装置和信号阻断方法应用到政府机关、武警部队驻地、监狱、学校等重要场中，可以实现对用户移动通信装置的信号进行有效屏蔽，从而防止有人利用移动通信技术从事非法活动，确保信息安全；2、本发明可以实现多种码分通信制式无线信号的阻断，且成本低，阻断效果好。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种基于码域信道破坏式的无线信号阻断装置，其特征在于：包括一低噪声功率放大器、一下变频器、一模数转换器、一FPGA、一数模转换器、一上变频器、一时钟模块、一控制主板以及一功率放大器；
所述低噪声功率放大器与所述下变频器连接；所述下变频器与所述模数转换器连接；所述模数转换器和数模转换器均与所述FPGA相连接；所述上变频器与所述数模转换器连接；所述功率放大器与所述上变频器连接；
所述下变频器、模数转换器、FPGA、数模转换器以及上变频器均由所述时钟模块提供时钟信号；所述低噪声功率放大器、下变频器、模数转换器、FPGA、数模转换器、上变频器以及功率放大器均由所述控制主板进行参数配置和状态监测。
2.如权利要求1所述的基于码域信道破坏式的无线信号阻断装置，其特征在于：还包括一存储器，所述存储器与所述FPGA相连接。
3.如权利要求1所述的基于码域信道破坏式的无线信号阻断装置，其特征在于：所述FPGA设置有一光口和一网口。
4.一种基于码域信道破坏式的无线信号阻断方法，其特征在于：所述方法使用如权利要求1至3之一所述的基于码域信道破坏式的无线信号阻断装置，所述方法包括如下步骤：
步骤1、使用低噪声放大器对天线接收的无线通信信号进行低噪声放大，并将放大的信号传送给下变频器；
步骤2、下变频器将接收到的信号下变频至中频信号，并将中频信号传送给模数转换器；
步骤3、模数转换器将接收到的中频信号转换成数字信号，并将数字信号传送给FPGA；
步骤4、FPGA获取并解析数字信号中的导频信道，捕获基站的导频偏置信息，并对导频偏置信息进行加扰处理生成加扰导频信道，之后将加扰后的干扰信号源传送给数模转换器；
步骤5、数模转换器将接收到的干扰信号源转换成模拟信号，并将模拟信号传送给上变频器；
步骤6、上变频器对接收到的模拟信号进行上变频，并将经过上变频的干扰信号传送给功率放大器；
步骤7、功率放大器对接收到的干扰信号进行功率放大处理，并将放大后的干扰信号通过天线发送给终端接收。
5.根据权利要求4所述的基于码域信道破坏式的无线信号阻断方法，其特征在于：所述步骤4具体包括：
步骤41、FPGA对接收到的数字信号进行抽取；
步骤42、将抽取的信号通过NCO下变频搬移至0频，并通过带通滤波处理取出下行信号；
步骤43、先从下行信号中获取出导频信道，并采用相关滑动法从导频信道中捕获出基站的导频偏置信息；然后，对捕获的导频偏置信息进行加扰处理生成加扰导频信道，形成能够被终端识别为主导扇区信号的下行干扰信号源；
步骤44、对下行干扰信号源进行插值处理；
步骤45、将插值处理后的下行干扰信号源通过NCO数字上变频至中频，并通过带通滤波进行滤波，之后将下行干扰信号源传送给数模转换器。
6.根据权利要求5所述的基于码域信道破坏式的无线信号阻断方法，其特征在于：所述“对捕获的导频偏置信息进行加扰处理生成加扰导频信道，形成能够被终端识别为有效信号的下行干扰信号源”具体为：在捕获到基站的导频偏置信息后，通过FPGA内部产生一个或若干个具有相同偏置或者在偏置误差范围内的相近偏置的导频信号，并将产生的导频信号叠加到导频信道中生成加扰导频信道，从而形成能够被终端识别为主导扇区信号的下行干扰信号源。
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