نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)
نویسندگان
1 گروه مهندسی برق، دانشکده مهاجر، دانشگاه فنی و حرفه ای، اصفهان، ایران
2 گروه مهندسی برق، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد شهرمجلسی
چکیده
کلیدواژهها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
In some locations, using cell phone causes interference in performance of some electronic systems. Further, certain locations require silence and information security. Cell phone blocker or jammer is a device to interrupt the connections in the mobile phone. The signal emitted by the jammer resembles the mobile signal. As a pre-requisite condition jammer should have more power than the BTS transmitter in the desired range. Under this condition, mobile signal will be zero. The purpose of this paper is to design, simulate, and fabricate mobile blocker in GSM frequency bands. The proposed device is a strong transmitter capable of producing and emitting an interference signal in the P-GSM-900, DCS-1800, and PCS-1900 bands. This signal looks like noise and interrupts the connection of cell phones within a 10 m radius of the jammer. The capability to function in various GSM bands and reduce the cost of construction are the benefits of this plan.
کلیدواژهها [English]
امروزه مخابرات سیار نقش مهمی در زندگی بشر پیدا کرده است. تلفن همراه از رایجترین کاربردهای مخابرات سیار است. در این فناوری، هر تلفن همراه از طریق ایستگاههای فرستنده ـ گیرنده مبنا[1] (BTS) قادر به برقراری ارتباط با سایر سیستمهای مخابراتی مانند تلفنهای ثابت و سیار و شبکه اینترنت است.
در شکل شماره 1 تبادل اطلاعات بین تلفن همراه و BTS نشان داده شده است. ارسال اطلاعات از تلفن همراه به BTS در لینک بالابر[2] و ارسال اطلاعات از BTS به تلفن همراه در لینک پایینبر[3] انجام میگیرد. اگرچه گسترش روزافزون سرویسهای تلفن همراه موجب رفاه و آسایش بشر است، ولی سبب بروز مشکلات و معضلاتی نیز شده است. امکان ایجاد اختلال در عملکرد تجهیزات الکترونیکی حساس بیمارستانی و ناوبری، احتمال سرقت اطلاعات، شکستن سکوت اطلاعاتی اماکن حفاظتشده، و ورود به حریم خصوصی افراد، از آسیبهای این فناوری است.
سیستمهای مخابرات سیار معمولاً از باند فرکانسی L در محدوده 900 الی 2000 مگاهرتز استفاده میکنند. سرویسهای تلفن همراه در باندهای فرکانسی موسوم به GSM[4] که توسط اتحادیه بینالمللی مخابرات راه دور[5] (ITU) تعریف شدهاند، ارائه میشوند. سه باند فرکانسی متداول GSM برای کاربردهای مخابرات سیار عبارتند از P-GSM-900، DCS[6] و PCS[7]. در جدول شماره 1 ویژگیهای باندهای رایج GSM ارائه شده است]1[.
مخدوشکنندۀ تلفن همراه یا جمر[8] دستگاهی است که با انتشار سیگنال تداخلی موجب اختلال در ارتباط بین گوشی تلفن همراه و BTS میشود. با روشنشدن دستگاه جمر، آنتندهی تلفنهای همراه در فاصله معینی از جمر به صفر رسیده و پیغام «شبکه در دسترس نیست»، روی صفحه نمایش ظاهر میشود. با خاموششدن دستگاه، آنتندهی تلفن همراه به حالت نخستین بازمیگردد و ارتباط موبایل و BTS دوباره برقرار میشود. نکتۀ مهم در دستگاه جمر این است که هرچه فاصلۀ آن از دکل مخابراتی بیشتر باشد، کارایی دستگاه بیشتر میشود.
در دو دهه اخیر، کاربردهای جمر روزبهروز گسترش یافته است]8-2[. جمرهای تلفن همراه مدلهای مختلفی دارد:
¢ جمر قابلحمل ابعادی کوچک با توان اندک دارد و برق مورد نیاز خود را از باطری تأمین میکند. این دستگاه به محض روشنشدن میتواند در کمتر از 30 ثانیه، آنتندهی تمامی تلفنهای همراه در شعاع 10 متری دستگاه را قطع کند؛
¢ جمر ثابت با قدرت اندک، نسبت به نوع اول بزرگتر است و توان مخدوشکنندگی بیشتری (حدود 20 متر) دارد و با برق شهری 220 ولت تغذیه میشود؛
¢ جمر ثابت با قدرت زیاد مشابه نوع دوم است؛ با این تفاوت که توان خروجی زیادی دارد و برای مکانهایی که در نزدیکی آنها دکل فرستنده و گیرنده امواج موبایل قرار دارد، مناسبتر است؛
¢ جمر ثابت با قدرت متغیر، مشابه نوع سوم است؛ با این تفاوت که بسته به محدودۀ مورد نظر، میتوان توان خروجی جمر را تغییر داد.
در جمرهای نوع اول، دوم و سوم هنگامی که دستگاه روشن شود، قابلیت محدودسازی جمر وجود ندارد. همین مطلب میتواند سبب بروز مشکلات ارتباطی در مکانهایی شود که در اطراف آن قرار دارند.
هدف اصلی این مقاله، ارائه طرح نوینی برای ساخت دستگاه جمر است. جمر پیشنهادی در سه باند فرکانسی موبایل عمل میکند. قابلیت کار در باندهای مختلف GSM و سادگی طرح پیشنهادی و توجه به قطعات موجود در بازار که منجر به آسانشدنِ اجرا و در نهایت کاهش هزینۀ ساخت میشود، از مزایای طرح پیشنهادی است. در ادامه، پس از معرفی ساختار دستگاه جمر، بلوک دیاگرام طرح پیشنهادی ارائه میشود. این بلوک در محیط سیمیولینک[9] نرمافزار متلب شبیهسازی شده و کارایی آن تست میشود. در نهایت یک دستگاه جمر بر اساس طرح پیشنهادی ساخته میشود.
جدول شماره 1. ویژگیهای باندهای فرکانسی رایج[1]
Downlink (MHz) (Base to Mobile) |
Uplink (MHz) (Mobile to Base) |
ƒ (MHz) |
GSM band |
935.0-960.0 |
890.0-915.0 |
900 |
P-GSM-900 |
1805.2-1879.8 |
1710.2-1784.8 |
1800 |
DCS-1800 |
1930.2-1989.8 |
1850.2-1909.8 |
1900 |
PCS-1900 |
شکل شماره 1. لینکهای ارتباطی تلفن همراه و BTS
جمر در واقع دستگاه فرستندهای است که با انتشار سیگنالی در فرکانس موبایل، سبب ایجاد اختلال در ارتباط بین گوشی تلفن همراه و BTS میشود. دستگاه جمر روی فرکانس Downlink دستگاه تلفن همراه تأثیر گذاشته و ارتباط آن را با BTS مختل میکند. هرچه دستگاه تلفن همراه از آنتن BTS فاصله داشته و به دستگاه جمر نزدیکتر باشد، از آن تأثیر بیشتری میپذیرد، زیرا نویز محیطی به پارازیت ایجادشده توسط دستگاه جمر اضافه شده است؛ همچنین با افزایش فاصله، توان سیگنال افت کرده و تضعیف میشود؛ در نتیجه سیگنال به نویز کمتر میشود. وظیفۀ اصلی دستگاه جمر، تولید و انتشار سیگنال تداخلی است تا موجب اختلال در ارتباط موبایل شود. مخدوشکنندگی[10] زمانی موفقیتآمیز است که سیگنال جمر مانع برقراری ارتباط شود[7و11].
جمینگ به عواملی مانندِ نسبت توان جمر به توان سیگنال (J/S)، نوع مدولاسیون، و کدگذاری کانال بستگی دارد[9و10]. با استفاده از معادله انتقال فریس[11] و درنظرگرفتن تلفات محیط انتشار، نسبت سیگنال جمر به سیگنال اصلی با معادله (1) محاسبه میشود[7و11]:
(1) 14JS=PjGjrGrjRtr2LrBrPtGtrGrtRjr2LjBj">
که در آن Pj و Pt به ترتیب توان سیگنال جمر و توان سیگنال موبایل برحسب (W)، Gjr و Grj به ترتیب بهره آنتن جمر در جهت موبایل و بهره آنتن موبایل در جهت جمر، Gtr و Grt به ترتیب بهره آنتن BTS در جهت موبایل و بهره آنتن موبایل در جهت BTS، Rtr و Rjrبه ترتیب فاصله بین BTS و موبایل و فاصله بین جمر و موبایل برحسب (m)، Lr و Lj به ترتیب تلفات سیگنال اصلی و تلفات سیگنال جمر، Br و Bj به ترتیب پهنای باند گیرندۀ موبایل و پهنای باند فرستندۀ جمر برحسب (Hz) هستند. در باند GSM حداقل سیگنال به نویز قابلپذیرش سیستم dB9 بوده و حداکثر توان دستگاه موبایل dBm15- است[7]. شکل شماره 2 کمیّتهای استفادهشده در معادله (1) را نشان میدهد.
تلفات فضای آزاد یا تلفات مسیر[12] (FSPL یا سادهتر F) برای امواج الکترومغناطیس با معادله (2) نشان داده میشود.
(2) F = FSLP =20 log (4πd/λ) (dB)
که در آن (λ = c/f) طول موج سیگنال و d فاصله از فرستنده امواج بوده و هر دو برحسب متر اندازهگیری میشوند. f فرکانس موج برحسب هرتز و c سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در محیط برحسب (m/s) است. همانگونه که از معادله (2) مشخص است، بیشترین تلفات فضای آزاد (بدترین حالت F) هنگامی رخ میدهد که فرکانس کار ماکزیمم و یا طول موج مینیمم باشد.
با کمک روابط بالا میتوان نشان داد اگر دستگاه جمر در باند PCS و فرکانس MHz 1980 عمل کند و فاصلۀ آن از گوشی موبایل m 10 باشد، دارای تلفات مسیر dB58 خواهد بود؛ ازاینرو قدرت سیگنال جمر برای ایجاد تداخل و قطع ارتباط گوشیهای تلفن همراه که در شعاع 10 متری آن قرار دارند، باید حداقل dBm 24- باشد.
توان تشعشعی دستگاه جمر در مقیاس dB از رابطه (3) قابل محاسبه است:
(3) Radiated Power = J + F (dB)
با توجه به محاسبات انجامشده، توان تشعشعی (توان خروجی) دستگاه جمر در شرایط گفتهشده باید در حدود dBm 34 باشد[7].
شکل شماره 2. نمایش کمیّتهای استفادهشده در معادله (1)
شکل شماره 3. بلوکهای مدار دستگاه جمر پیشنهادی
مدار دستگاه جمر پیشنهادشده در این مقاله از شش قسمت اصلی تشکیل میشود که عبارتند از: مولد سیگنال فرکانس بالا، مولد نویز، میکسر یا مخلوطکننده، نوسانساز کنترلشده با ولتاژ[13] (VCO)، تقویتکنندۀ توان، و آنتن. ازآنجاکه جمینگ باید در هر سه باند فرکانسی GSM، DCS و PCS رخ دهد، پس از میکسر و متناسب با جمینگ مورد نظر مدارهای مختلف VCO و تقویتکننده قرار میگیرند.
بلوک دیاگرام دستگاه جمر پیشنهادی در شکل شماره 3 نمایش داده شده است. سیگنال ژنراتور این دستگاه یک سیگنال فرکانس بالا تولید میکند. یکی از دلایل استفاده از مولد سیگنال فرکانس بالا، کاهش نویز در قسمت میکسر است. نویز سفید تولیدشده توسط مولد نویز، با سیگنال RF مخلوط شده و به مدار VCO تحویل داده میشود. بلوک VCO علاوه بر کنترل ولتاژ، وظیفۀ تولید فرکانس در باندهای GSM، DCS، و PCS را بر عهده دارد. تقویتکنندۀ قدرت گذاشتهشده در انتهای مدار، توان سیگنال خروجی VCO را بالا برده و آن را برای انتشار تحویل آنتن میدهد. آنتنهای مختلفی را میتوان در این مدار استفاده کرد ولی آنتنهای تکقطبی[14] و میکرواستریپ متداولترند[12و13].
برای شبیهسازی مدار پیشنهادی، از نرمافزار متلب استفاده شده است. بلوک دیاگرام دستگاه جمر پیشنهادی در محیط سیمولینک و با استفاده از بلوکهای موجود در نرمافزار ترسیم شد. ازآنجاکه چیدمان بلوکها در باندهای فرکانسی مختلف مشابه یکدیگر است، در شکل شماره 4، شیوۀ چیدمان و اتصال بلوکهای مدار در مد GSM در محیط شبیهساز نشان داده است. در باندهای دیگر فرکانسی کافی است فرکانس VCO را تغییر دهیم، منبع تولید موج را از نوع مثلثی انتخاب کرده و بلوک مولد نویز را در حالت گوسی قرار دهیم. فرکانس مدار VCO برای باندهای GSM، DCS و PCS به ترتیب روی 935، 1805 و 1930 مگاهرتز تنظیم شده است. شکل شماره 5 خروجی مدار VCO را در هر سه باند فرکانسی نشان میدهد.
شکل شماره 4. بلوکهای استفادهشده در سیمیولینک نرمافزار متلب
الف) سیگنال GSM در فرکانس 935 MHz ب) سیگنال DCS در فرکانس 1805 MHz
ج) سیگنال PCS در فرکانس 1930 MHz
شکل شماره 5. شکل موج خروجی مدار VCO در مدهای مختلف
در این بخش، مدار استفادهشده در هر بلوک از دستگاه جمر پیشنهادی معرفی میشود. در پایاننامه مرجع[14] روش کار به طور کامل تشریح شده است. شکل شماره 6 مدار مولد سیگنال را نمایش میدهد. تراشه معروف 555 وظیفۀ تولید موج مثلثی با فرکانس KHz 220 را بر عهده دارد. یکی از دلایل استفاده از سیگنال فرکانس بالا، کاهش نویز در طبقات بعدی مدار از جمله طبقه میکسر است. در این مدار، از تراشۀ LM386 برای تولید نویز سفید گوسی استفاده شده است. از ویژگیهای نویز سفید، دارابودن طیف یکنواخت در گسترۀ وسیعی از فرکانس است. طبقه میکسر است. در شکل شماره 7 خروجی مدار مولد موج روی صفحه اسیلوسکوپ مشاهده میشود.
شکل شماره 6. مدار مولد موج
شکل شماره 7. خروجی مدار مولد موج روی اسیلوسکوپ
شکل شماره 8. مدار مولد نویز
در شکل شماره 8 مدار مولد نویز ترسیم شده است. در این مدار از تراشه LM386 برای تولید نویز سفید گوسی استفاده شد. از ویژگیهای نویز سفید، دارابودن طیفی یکنواخت در گسترۀ وسیعی از فرکانس است. شکل موجهای تولیدشده توسط سیگنال ژنراتور و مدار مولد نویز، توسط مدار میکسر معرفیشده در شکل شماره 9 با یکدیگر مخلوط و وارد مدار VCO میشوند. شکل موج خروجی طبقه میکسر در شکل شماره 10 روی صفحه اسیلوسکوپ نمایش داده شده است.
تراشه LMX2604 در قسمت VCO وظیفه تولید مدهای GSM، DCS و PCS را با حداقل ولتاژ و کمترین نویز بر عهده دارد. در شکل شماره 11، نویز این تراشه در مدهای مخابراتی تلفن همراه ترسیم شده است[15]. مقدار نویز در فرکانسهای 917، 1788 و 2062 مگاهرتز به ترتیب تقریباً 8/63-، 4/58- و 6/57- دسیبل نسبت به کاریر (dBc) است. این مقادیر حاکی از کمبودن نویز و در نتیجه مناسببودن تراشه برای بخش VCO است. مدار کلمپر در ابتدای بخش VCO دامنه سیگنال ورودی را بین 0 تا 7/3V تنظیم میکند. مدار VCO برای مد GSM در شکل شماره 12 و شکل موج خروجی آن روی اسیلوسکوپ در شکل شماره 13 مشاهده میشود. همچنین مدار VCO برای مدهای DCS و PCS در شکل شماره 14 ترسیم شده است. توان خروجی مدار VCO در حدود dBm 6 است. برای اینکه این مدار بتواند عملکرد و پوشش بهتری داشته باشد باید از ICهای تقویتکننده استفاده کرد. برای این منظور از آیسی PF08109B ساخت شرکت هیتاچی استفاده شده است.
این تراشه توان سیگنال خروجی VCO را تا حدود W1 (dBm 15 تا dBm30) تقویت کرده و برای انتشار تحویل آنتن میدهد. اگر از حداکثر توان مدار استفاده میشود، باید از هیت سینک و فن برای خنککردن آیسی استفاده کرد. شکل شماره 15 آنتنهای استفادهشده در مدار را نشان میدهد. آنتنها از نوع تکقطبی میلهای به طول λ/4 و امپدانس 50 Ω هستند که بهرۀ آنها 3dB و 5dB است. آنتن 3dB برای مد GSM و آنتن 5dB برای مدهای DCS و PCS به کار میرود. بُرد مدار چاپی طراحی و ساختهشده برای دستگاه جمر پیشنهادی در شکل شماره 16 نمایش داده میشود.
برای طراحی PCB از نرمافزار پروتئوس و اورکد استفاده شده است. جنس برد فایبرگلاس بوده و ابعاد آن cm2 20Ï12 است. این بُرد به صورت دو لایه طراحی شده است و لایه رویی به رنگ مشکی و لایه زیرین به رنگ طوسی است. در محل استقرار آیسیهای اسیلاتور و تقویتکننده، یک لایۀ سرتاسری شیلد قرار گرفته است که به منظور کاهش نویز آیسی اسیلاتور، زمین شده است. مدار جمر ساختهشده در شکل شماره 17 مشاهده میشود.
شکل شماره 9. مدار میکسر
شکل شماره 10. شکل موج خروجی میکسر
الف) باند P-GSM-900 ب) باند DCS
ج) باند PCS
شکل شماره 11. نویز تراشه LMX2604 در باندهای مختلف GSM[15]
شکل شماره 12. قسمت VCO و تقویتکننده مد GSM
شکل شماره 13. شکل موج خروجی تقویتکننده برای مد GSM
شکل شماره 14. مدار VCO و تقویتکننده قدرت مدهای DCS و PCS
الف) آنتن GSM ب) آنتن DCS و PCS
شکل شماره 15. آنتنهای تک قطبی استفادهشده در مدار جمر
شکل شماره 16. برد مدار چاپی طراحیشده
شکل شماره 17. مدار جمر ساختهشده
در این مقاله، دستگاه مخدوشکنندۀ امواج تلفن همراه طراحی و ساخته شد. دستگاه ساختهشده در سه باند فرکانسی P-GSM-900، DCS وPCS از عملکرد خوبی برخوردار بوده و در شعاع 10 متری مانع برقراری ارتباطات تلفن همراه میشود. پس از شبیهسازی طرح پیشنهادی در نرمافزار متلب و اطمینان از درستیِ کارکرد آن، پیادهسازی مدار انجام گرفت. در ساخت مدار، با توجه کامل به قطعات موجود در بازار داخل، تلاش شد تا هزینۀ ساخت با حفظ کیفیت و کارایی دستگاه کمینه شود. بدینمنظور از یک برد مدار چاپی با کیفیت بالا استفاده شد. اگرچه این بُرد نسبتاً گران بوده اما به دلیل استفاده از تراشههای مناسب و ارزانقیمت، ساخت آن در مقایسه با دستگاههای مشابه موجود هزینۀ کمتری دارد و این از مزایای دستگاه پیشنهادی است. به نظر میرسد برای افزایش بُرد مفید دستگاه، استفاده از آنتنهای لگاریتمی سودمند باشد؛ ازاینرو یکی از سوژههای تحقیقاتی آتی در راستای بهینهسازی دستگاه، تحقیق در بخش آنتن و یافتن مناسبترین نوع آنتن، متناسب با محل استقرار دستگاه است. در پایان باید به این نکته توجه داشت که تشعشعات دستگاه جمر خطرناک است و باید در استفاده از آن احتیاط کرد.