基于FPGA的信号屏蔽器结构设计探究

　　摘要：本文提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)芯片的信号屏蔽器，在借鉴被动式屏蔽法的干扰原理上，采用循环检索、分时发送的干扰模式，同时把 5G 通信频率也纳入屏蔽网络的设计范围。信号屏蔽器的调制模块让各电路参数产生动态调节使电路结构得以优化，而 FPGA 芯片功能的强大性保证了各模块高效地运行，优化了屏蔽器的结构，增强了其实用性。

　　本文源自◆魏路顺 熊洋 张帅 刘真真西南交通大学希望学院《网络安全技术与应用》2021 年第 06 期

　　关键词：FPGA;信号屏蔽;电磁干扰;通信网络

　　基金项目：四川省教育厅大学生创新创业训练计划项目：便携式屏蔽仪的研发(项目编号：S201914262009)

　　5G 商用的普及，推动了信息传播的速度，加速了信息时代的发展。手机因它的便携性和灵巧性，成为人们日常生活和工作中必不可少的工具[1]。但在某些特定的时间和地点内使用手机却会带来不利的影响，比如信息泄露和安全隐患等，手机信号屏蔽器则因此而生。

　　虽然现存市面上的屏蔽器型号众多，但也存在着一些不足。比如各类型屏蔽器的作用半径不同，不能灵活调节。若屏蔽范围过大，会造成资源浪费，影响公众的正常通信;若屏蔽范围过小，又有可能达不到理想的覆盖范围和屏蔽效果。因此，本文基于屏蔽器的现有技术，设计了一款采用 FPGA 芯片作为主控来对信号循环检索，并结合组网式屏蔽方案进行干扰，以实现对屏蔽器电路结构的优化和屏蔽范围的调控(如图 1)。

　　1 屏蔽器原理

　　手机通信工作原理是在国家规定的通信频率范围内，手机信号的接收端或发送端通过无线电波与基站建立连接，并以一定的波特率和调制方式来完成声音与数据的传输[2]，实现人们日常生活及工作的需求(如图 2)。而手机信号屏蔽器作用则是限制指定区域内的通信系统，在禁止使用移动网络通信设备的场所内形成电磁保护区，隔断手机接收端或发送端与通信基站的联络，从而达到一定的屏蔽效果。

　　表 1 为现在市面上手机通信网络发射频率参数表，目前实现手机信号屏蔽的方式有主动式和被动式。主动式屏蔽即连续发射与表 1 相同的各段频率信号来干扰手机通信与基站的连接，由于手机无法检测到基站发射的正常数据，从而达到屏蔽的目的。主动式的优点是屏蔽效果好，电路实现相对容易，但人体长时间处于连续发射的电磁信号范围内则会产生一些不利影响[3];电磁干扰信号的连续发射也会造成电能的浪费和环境的污染[4]。被动式屏蔽则是先侦测手机发出的通信信号，再与表 1 各段频率参数作对比判断，若在范围内则启动相关硬件实施电磁干扰信号来阻断手机通信，反之机器处于待机状态，因此本文的信号屏蔽器工作原理借鉴了被动式屏蔽法。

　　2 FPGA 屏蔽器硬件解析

　　传统的屏蔽器一般具有多个扫频波发生器、压控振荡器、功率放大器和发射天线等结构，从而满足对不同通信频段的屏蔽要求，但会因不同屏蔽范围的需求而增大其生产成本和设计空间。环保型屏蔽器以 RACH 脉冲作为触发信号，用单片机来控制干扰的启动和作用时间，但要屏蔽多类通信频段也要增加干扰模块的数量[5]。本屏蔽器用调制模块来动态改变各相关电路的参数，从而使屏蔽器发出不同频率的干扰信号，简化其设计空间，减少电能消耗。屏蔽器的结构(如图 3)，包括 FPGA 芯片、电源系统、显示模块、检测模块和干扰模块。

　　2.1 FPGA 芯片

　　FPGA 中文释义为现场可编程门阵列，是运用在专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路[6]。它有效地解决了原有可编程元器件门电路数不足的问题，同时避免了定制电路本身的不足，使得它在数字电路设计领域得到了广泛的应用[7]。采用 FPGA 芯片作为主控，控制屏蔽器的干扰启动和持续时间，可以保证各模块高效稳定地运行。

　　2.2 检测模块

　　如图 4 所示，虚线框内即为信号检测模块的原理图，包括调制模块 α、检索天线、过滤处理器、功率放大器和模数转换器。检索天线将定时采样屏蔽器周围的手机通信频段(表 1)，并将收到的信号传递给过滤处理器。过滤处理器会依次保留表 1 中一类通信频段的信号，但其他信号不会向下传递;例如在 t1时刻只把 α1传递给下一级，则 t1+△tn时刻只会把 αn(n 为 1~10 的整数)传递给下一级。若检索天线未能接收到表 1 中某类通信频段的信号，则传递 αn+1。当 α10传递完成后，过滤处理器将会再次跳转到保留 α1，以此往复循环;若天线未能检测到任何通信信号，则屏蔽器的信号干扰模块将会处于待机状态。

　　功率放大器则将上级传递来的信号放大，并进行介质过滤处理来提高信噪比，最后通过模数转换器变为数字信号后传递给 FPGA 芯片。FPGA 芯片收到信号检测模块发来的信号后，随即按照相关程序的进行优化处理，再传入信号干扰模块中去。由于每次是不同种类的通信频段传递到功率放大器和模数转换器中，所以电路的某些参数需要动态调节。调制模块 α 则是信号检测模块中的关键部分，负责检索天线、过滤处理器的时钟控制以及功率放大器和模数转换器某些参数的动态调整，从而保障供给 FPGA 芯片信号的高质量。

　　2.3 干扰模块

　　干扰模块在前人研究的基础上，增加 FPGA 芯片和调制模块 β[4]。如图 5 所示，虚线框内即为信号干扰模块的原理图，包括调制模块 β、发射天线、功率放大器、滤波电路、压控振荡器、锯齿波电路。调制模块 β 的功能与调节模块 α 相同，其动态调整功能可以让锯齿波电路产生不同频率的锯齿波，但干扰模块中的锯齿波电路产生何种频率的锯齿波，由 FPGA 芯片执行的程序来决定。锯齿波则可以驱动压控振荡器来产生相应频率的信号，此信号经功率放大器放大后，由滤波电路提高信噪比后再输出成为有效的通信干扰信号，最后由天线辐射到屏蔽器周围。经过此过程则完成了一类通信频段的信号屏蔽，然后由 FPGA 芯片反馈与调制模块 α，调制模块 α 则调整过滤处理器参数，传递 αn+1 的信号;即天线在 t1 时刻发送的是 α1 的屏蔽信号，而在 t1+△tn 时刻发送的是 αn 的屏蔽信号，实现屏蔽器干扰机制是循环检索、分时发送。

　　2.4 显示模块

　　显示面板展示编号为 A～J 分别代表 α1、α2……α10 的屏蔽状态，由 FPGA 芯片反馈于显示模块。若 αn 对应字母闪烁，则表示正在屏蔽相应的通信信号;若 αn 灰色显示，则表示在屏蔽范围内无相应的通信信号。通过指示灯，用户可以清晰地了解到屏蔽器的工作状态和屏蔽器周围是否有表 1 中对应频段的信号。

　　3 结束语

　　本文提出了基于 FPGA 芯片的信号屏蔽器，其干扰原理在被动式屏蔽法的基础上做出了改进。区别于传统屏蔽器，该屏蔽器的干扰机制是循环检索、分时发送，用调节模块来动态改变各相关电路的参数，从而使干扰模块分时输出不同频率的干扰信号。本文提供了基于 FPGA 芯片屏蔽器的结构组成和工作原理，但实现难点在于 FPGA 程序的编写和各元器件大小的限制，若能突破限制，应用在考场、科研机构、机密会议等场所，则会产生不错的经济、社会效益。