手机信号自动监测屏蔽系统构成及关键技术研究

第33卷 第1期 2011-1(上) 【23】收稿日期：2010-08-19基金项目：长春市国际科技合作计划项目（08GH07）。作者简介：李念峰（1974－），男，山东德州人，副教授，博士，主要从事计算机自动控制、EMC等方面的研究工作。0引言信息时代，通信技术高速发展，手机已经成为人们日常工作和生活中不可缺少的重要辅助工具。据统计，2009年底中国手机数量已突破5亿部。但手机的广泛应用，也产生了一些不容忽视的问题，主要表现在：1）成为新的泄密渠道，对信息安全构成威胁。科学技术的发展，对手机的定位、跟踪和监听，已成为世界各国一项重要的侦察手段和情报来源。早在2000年，欧盟的一份报告就指出，美国国家安全局建立的一个代号“梯队”的全球电子监听侦测网络系统已使欧盟遭受了至少二百亿欧元的商业损失。这种情报收集的主要方式就是对手机通信内容的过滤监听。2）成为新的噪声污染源，干扰了正常工作秩序。公共场所日益严重的手机铃声污染使会议室、法庭、图书馆、学校等场所的工作环境进一步恶化，影响了人们正常工作的进行；另外，多手机信号共同作用下的电磁辐射也成为人们日常生活中的又一重要污染源。3）成为新的犯罪手段，对社会和谐稳定带来影响。手机在一些场合，已成为犯罪分子作案的工具，如一些投机取巧的人利用手机进行考试作弊，一些恐怖分子利用手机引爆炸弹等。本课题研制的手机信号自动监测屏蔽系统可以有效地解决上述问题。它作为一种新型信息安全产品，当监测到手机信号后，用特定的电磁信号，在需要屏蔽（保护）的范围内形成一个电篱网，使手机不能与基站建立联系，达到强制性屏蔽手机信号的目的，从而消除移动电话产生的负面影响和安全隐患，起到安全防护作用。1手机信号自动监测屏蔽系统的体系结构手机信号自动监测屏蔽系统由手机信号侦测器和手机信号屏蔽器及分控管理基站和装有管理软件的中控主机构成（如图1所示），其工作流程是：开启手机信号侦测器，使其处于监测状态，当侦测到布防区域内信号异常（有人违法违规使用通讯设备）时，侦测器判断信号的频段，并将相应的报警信息上传到分控管理基站，分控管理基站根据报警信息启动该布防区域内的信号屏蔽器进行信号干扰阻断，同时将报警信息上传到中控主机，中控主机自动显示该报警侦测器安装位置并将报警信息存储到数据库，同时提醒监控人员进行处理。本课题研制的自动监测与屏蔽系统体系结构如图1所示。1.1手机信号侦测器手机信号侦测器需要准确侦测CDMA、DCS、PHS等手机信号，当侦测到手机信号后侦测器主动向分控管理基站报警（如图2所示）。其工作原理是：天线接收到的无线信号经滤波和信号放大手机信号自动监测屏蔽系统构成及关键技术研究Studyoncompositionandkeytechnologiesofmobilephonesignalsautomaticallymonitoringandshieldingsystem李念峰，杨永吉，张彤，韩春LINian-feng，YANGYong-ji，ZHANGTong，HANChun（长春大学，长春130022）摘 要： 手机在给人们生活带来便利的同时也产生了一些不容忽视的问题，对手机信号的自动监测与屏蔽在某些场所非常必要。本文介绍了一种手机信号自动监测屏蔽系统的组成及体系结构，并结合这种体系结构给出了系统的工作原理，分析了研制过程中的关键技术及实现方法，在此基础上研制了样机并给出了试验结果及结果分析。试验及实践结果表明，研制的手机信号自动监测屏蔽系统能较好地实现对特定场所中违法违规信号的监测与屏蔽。关键词： 信号监测；信号屏蔽；电磁兼容；无线定位中图分类号：TP277　文献标识码：A　文章编号：1009-0134(2011)1(上)-0023-03Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).07【24】 第33卷 第1期 2011-1(上)图1手机信号自动侦测屏蔽系统结构图后送给场强计电路，场强计电路输出相应的直流电信号，该信号经过放大比较后送入单片机进行判断，当数值高于报警值时，单片机向分控管理基站报警。图2手机信号侦测器原理图1.2手机信号屏蔽器由移动通讯原理可知，手机工作是在一定的频率范围内，和基站通过无线电波链接，并以一定的波特率和调制方式完成数据传输。针对这种通讯方式，手机信号的屏蔽可以通过以一定的速度从信道的低端频率向高端扫描，利用扫描信号在手机接收到的报文信号中形成乱码干扰来实现。干扰信号使该通信频段的手机检测不出从基站发出的正常报文数据，从而不能与基站建立连接，最后表现为搜索网络、无信号、无服务系统等现象，阻止了手机的正常注册也就最终屏蔽了手机的正常通信功能。手机信号屏蔽器需要屏蔽的几个信号包括：1）800MHzCDMA下行；2）900MHzGSM下行；3）1800MHzDCS下行；4）1900MHz小灵通、3G手机下行；5）2100MHz3G手机下行。要实现手机信号的屏蔽可以使用两种方式：1）主动屏蔽方式，即采取在各频段连续发射下行频率信号从而干扰手机对基站信号的正常接收的方式。这种方式实际电路相对简单，屏蔽效果较好。但是，由于干扰信号连续发射会造成一定程度的电磁污染，不利于环境保护且浪费电能。2）被动屏蔽方式，即利用侦测器实时接收手机信号，当侦测器接收到防护范围内手机发射的应答信号后，通知控制机构启动屏蔽器，发射相应频率的干扰信号，使手机无法正常通信。本系统中采用第二种方案。电路由5组相同的信号发生电路构成，其结构是锯齿波发生电路产成相应的锯齿波，驱动VCO电路产生相应频率的信号，该频率信号经AMP放大电路输出成为有效的干扰信号，最后经天线辐射到特定空间范围（如图3所示）。图3手机信号屏蔽器原理图1.3分控管理基站及中控主机1.3.1分控管理基站该部分由ARM芯片、外围存储芯片及液晶显示屏构成，可完成系统的信息检测、监测信息状态的存储、信号控制、驱动液晶屏显示系统运行状态、同中控主机通信等功能。1.3.2中控主机中控主机采用主流PC机，安装为本系统设计的专用软件，用于同分控管理基站联机通信，接收传送上来的状态信息并存储到数据库，有报警时向值班人员提示。软件采用可视化RAD（Rapid手机信号侦测器D1中控主机客户端中控主机客户端中控主机客户端中控主机数据服务器基于ARM的分控管理基站手机信号侦测器Dm手机信号屏蔽器J1手机信号屏蔽器Jn……通信总线协议转换局域网通信总线…滤波器滤波器电源模块AMPAMP报警电路…场强计场强计指示电路AMPAMP单片机控制模块通信接口…AMPAMP电源模块滤波器滤波器报警电路…VCOVCO指示电路锯齿波电路锯齿波电路单片机控制电路通信接口…第33卷 第1期 2011-1(上) 【25】ApplicationDevelopment）工具Delphi开发，数据库使用Microsoft公司推出的SQLServer数据库管理系统的较新版本。研制的手机信号自动监测屏蔽系统提供两种工作模式：单侦测器和单屏蔽器协同工作或多侦测器多屏蔽器联网大面积协同工作。系统具有如下特点：1）可监测、屏蔽GSM/CDMA/DCS/PHS等多路频段；2）有效侦测、屏蔽距离可调；3）可组网布控，监测灵敏度高，屏蔽响应速度快；4）分控管理基站采用ARM芯片，处理能力强；5）对人体及环境无超标辐射破坏；6）防爆防水防日晒，可全天候正常工作。2手机信号自动监测屏蔽系统中的关键技术2.1侦测器灵敏度及抗干扰能力问题所谓敏感体（接收器）是指受干扰影响的系统、设备和电路。通常用电磁敏感度（ElectromagneticSusceptibility，EMS）的大小来表示接收器受干扰的难易程度，而用敏感电平阈值来表示敏感体最小不可分辨的非预期响应信号电平。接收器敏感度越高（敏感电平阈值越低），则其对干扰越灵敏，抗干扰能力就越差。在本项目中，手机信号侦测器需要准确侦测CDMA、DCS、PHS等5个频段的手机信号，频率范围自800MHz到2.1GHz，且不连续，因此侦测器采用分类侦测的办法，电气部分提供5路独立电路完成侦测功能。把这5个独立电路合理封装，在保证较高灵敏度的前提下提高抗干扰能力是项目研究需解决的关键问题之一。在系统研制过程中，为抑制干扰，综合采用了屏蔽、滤波、接地和搭接、分隔、旁路、吸收、合理布线等技术手段，并重点采用改进型卡尔曼滤波器[1,2]及其他软件抗干扰技术解决系统集成中的干扰问题，取得了良好效果。2.2系统的电磁兼容问题电磁兼容（ElectromagneticCompatibility，EMC）在国标（GB/T4365）中定义为：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能忍受的电磁干扰的能力”。在本系统中，为达到屏蔽手机信号的效果，系统中的屏蔽器需向周围空间发射干扰信号，干扰信号连续发射会造成一定程度的电磁污染[3]，这种干扰发射如不科学计算、合理控制势必不利于环境保护且浪费电能。因此，利用合理算法控制屏蔽器干扰信号的发射方向和功率，在一定时间范围、一定空间范围内既保持对手机信号的屏蔽效果又不对周围环境造成污染是项目研究内容的又一个关键问题。目前，因为系统主要应用在监狱、看守所等人员密集的场所，因此，在EMC问题上主要考虑干扰信号对人的影响。从生物效应角度分析，电磁波对人体产生的影响主要有三种[4]：1）热效应；2）非热效应；3）累积效应。计量学采用“比吸收率（SpecificAbsorptionRate，SAR）”这一概念来定量地计算电磁波与人体的相互作用关系。SAR是指单位重量的组织中吸收的电磁波功率，单位为W/kg。系统通过动态调整屏蔽器辐射干扰信号的场强密度与安全滞留时间的关系，能够保证在一定范围内不会使电磁能量存留体内而造成对人体的伤害。2.3拨号手机的定位问题在有的场所，用户不仅要求能屏蔽住手机信号，还要要求能对违规使用的手机信号进行定位。采用直达波环境下多维标度法(MultidimensionalScaling,MDS)结合非直达波环境下基于TOA(TimeofArrival)和AOA(angleofarrival)测量的增强型定位方法[5,6]及多传感器联合智能定位实现对拨号手机快速定位是项目研究的又一关键问题及创新点。3实验结果及分析表1给出了本系统在某监狱使用过程中比较典型的实验数据。数据表明：1）研制的手机信号自动监测屏蔽系统能够成功实现对特定场所手机信号的监测与屏蔽过程；2）手机信号侦测器的抗干扰能力有待进一步完善；3）综合运用监测数据对拨号手机的定位算法有待改进。表1手机信号自动监测屏蔽系统现场实验数据观测时间测得信号有效信号信号屏蔽率硬件响应时间软件平均响应时间软件定位准确度4周23次18次100%1秒1.2秒67%4结束语手机信号自动监测屏蔽系统是一套复杂的软硬件配合工作系统，开发难度较大。本文提出了一种手机信号自动监测屏蔽系统的组成与体系结构，并结合这种结构给出了主要构件的工作原理，对系统【下转第31页】第33卷 第1期 2011-1(上) 【31】速度/转矩耦合可以通过静态方式和动态方式实现，静态指在西门子840D的机床参数MD37250和MD37252中设定，动态指的是使用MASLDEF和MASLDEL命令在程序中动态建立或者取消速度/扭矩耦合。动态耦合命令格式如下：MASLDEF(slv1，slv2，...，masteraxis)//分配一个或者多个耦合MASLDEL(slv1，slv2，...)//取消耦合图4速度/转矩耦合示意图2四种进给轴功能之间的区别与应用1）龙门轴功能主要应用在龙门架结构的机床中，其功能要求组成龙门轴的几个进给轴之间在机械上存在严格的联系，并且NC系统内部对各进给轴的位置和速度进行严格监控，避免由于误差造成机械、零件或者驱动的损坏；2）进给轴耦合功能在耦合的进给轴之间在机械上不需要紧密联系，而只是使耦合中的轴按照编程的命令运行，耦合的轴之间不进行速度和位置监控，其精度取决于机械特性、液压特性或者电气拖动特性，主要应用在有特殊要求的机床中；3）机床坐标系耦合指的是几个坐标