Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Цифровой частотомер «Омега-1000»
НТТМ-2017-1344 | Категория II

Автор:

Комарский Рафаэль Ильязович

Научный руководитель:
Хакимов Наиль Тимерханович
Организация:
ВУНЦ ВВС «ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»,
Воронежская область, Воронеж
Цель работы
Целью работы является конструирование измерительного прибора, работающего по принципу частотомера, который будет удовлетворять заданным характеристикам. Также имеется ряд других целей:
- расширение типов выпускаемых промышленностью частотомеров;
- использование отечественных элементов (импортозамещение):
- снижение себестоимости.
Обзор предметной области
Аппаратура автоматизированного радиомониторинга (АРМ) получила широкое применение как инструмент решения задач в самых различных областях от управления использованием радиочастотного спектра (РЧС) до контроля радиообстановки при проведении контртеррористических операций. Она служит базой технических мероприятий по противодействию несанкционированному съему информации, в том числе специальных исследований побочных элекетромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН).
Под радиомониторингом в данном случае понимается получение информации о работающих передатчиках в определенной местности (или в пределах объекта), определение их типа, основных характеристик, количества и демодуляция передаваемой информации.
Перечень задач, решаемых с помощью средств АРМ, включает выявление и анализ радиоизлучений для идентификации источников сигналов и помех, изменение параметров сигналов и помех, оценку их опасности или ценности для пользователя, измерение напряженности электромагнитного поля или плотности потока мощности, определение положения источников радиосигналов и радиопомех на местности.
Основными функциями АРМ являются постоянное или периодическое наблюдение за эфиром в широком диапазоне частот, оперативное обнаружение, анализ и локализация потенциальных или специально организованных радиоканалов утечки информациии и проведение других мероприятий по противодействию съему информации в контролиоуемых зонах (помещениях). В частности, аппаратура АРМ позволяет проверять радиотехнические устройства и вычислительную технику на наличие и уровень ПЭМИН, а также оценивать эффективность мер по предотвращению электромагнитного доступа к конфиденциальным данным (например, экранирование, зашумление).
Необходимо сконструировать измерительный прибор, который можно будет применить в качестве частотомера для обнаружения и измерения частоты радиопередающего устройства.
В качестве средств АРМ рассматриваются такие приборы, как индикаторы поля, анализаторы спектра, анализаторы сигналов и т.п.
Они позволяют обнаружить работу устройств несанкционированного съема информации («жучки»), определить их местонахождение, зафиксировать их рабочую частоту.
Рассмотрим основные из имеющихся аналогов (информация согласно характеристикам, представленным на сайте www.spydetect.ru)
Индикатор поля «Hunter». Предназначен для поиска и локализации подслушивающих устройств. Прост в использовании, позволяет обнаружить в помещении в радиусе до 5 м аналоговый «жучок» мощностью до 10мВт.
Диапазон рабочих частот………………………………………………………...50…3500 МГц
Дальность обнаружения источника излучения……………………………………………...5 м
Питание………………………………………………………………………………………3,7 В
Вес…………………………………………………………………………………………….300 г
Время непрерывной работы………………………………………………………………….10 ч
Размеры…………………………………………………………………………….115х46х21 мм
Цена…………………………………………………………………………………….12 500 руб

Мультидетектор камер и жучков «СС308» сочетает в себе два устройства – прибор для оптического обнаружения скрытых видеокамер и детектор подслушивающих устройств. Встроенный частотомер обнаруживает любые подслушивающие устройства, включая сотовые телефоны, радиомикрофоны, гарнитуры Bluetooth.
Диапазон рабочих частот……………………………………………….….…….50…6500 МГц
Дальность обнаружения источника излучения…………………………………………до 10 м
Питание……………………………………………………………………………………….3,7В
Вес………………………………………………………………………………………………58г
Размеры……………………………………………………………………………... 93х48х17мм
Цена………………………………………………………………………………………4900 руб

Детектор жучков BugHunter Professional-3. Предназначен для обнаружения и локализации беспроводных микрофонов, мобильных телефонов, камер, глушителей сотовой связи.
Диапазон рабочих частот, 10…3500МГц
Дальность обнаружения источника излучения…….........……..радиопередатчик 5 мВт – 5 м
мобильный телефон - 50м
Питание……………………………………………………........................................................3В
Вес……………………………………………………………………………………..………110г
Время непрерывной работы…………………………………………………….…………. 400ч
Размеры…………………………………………………………………………...105х58х18,5мм
Цена…………………………………………………………………………………….18 700 руб

Цифровой частотомер «Омега-1000». Предназаначен для обнаружения радиопередающих устройств и определения их рабочей частоты в диапазоне 70…1000 МГц.

Диапазон рабочих частот………………………………………….…….……….70…1000 МГц
Дальность обнаружения источника излучения………………………………………….…15 м
Питание………………………………………………………………………………………....9В
Вес……………………………………………………………………………………………..300г
Размеры…………………………………………………………………………......133х22х68мм Цена………………………………………………………………………………………1200 руб


Из анализа аналогичных устройств следует вывод, что при конструировании средств АРМ особое внимание уделяется диапазону рабочих частот и дальности обнаружения источника излучения
Описание результатов проекта
Анализируя принципы действия рассмотренных аналогов прибора, следует вывод, что в большинстве приборов радиомониторинга и радиоконтроля заложен принцип действия частотомера.
Из имеющихся типовых схем измерителей частоты выбрана наиболее удовлетворяющая заявленным требованиям, на основе которой собрана рабочая схема частотомера. Далее осуществлен монтаж платы, распайка элементов и сборка прибора, после чего проведены измерения частоты при осуществлении радиосвязи по портативным радиостанциям.

Схема электрическая принципиальна цифрового частотомера представлена на рис.1.
Для конструирования была выбрана схема, включающая в себя доступные радиодетали, в частности, микроконтроллер PIC16F84A, позволяющий использовать программирование для управления различными узлами радиоэлектронной аппаратуры.
Основными узлами схемы являются:
 стабилизатор напряжения 5 В, выполненный на трехвыводном интегральном стабилизаторе 78L05 и конденсаторах С3, С4, С5. Конденсатор С3 на входе необходим для ликвидации ВЧ помех при подачи входного напряжения, а конденсаторы С4, С5 на выходе стабилизатора обеспечивают стабильность питания при резком изменении тока нагрузки, и уменьшают степень пульсаций;
 последовательный колебательный контур, являющийся простейшей резонансной (колебательной) цепью. Он состоит из последовательно включенных катушки индуктивности L1 и конденсатора C1 и служит для обнаружения электромагнитных колебаний в заданном диапазоне частот и передаче их в последующие каскады;
 делитель СВЧ, основу которого составляет микросхема SAB6456 и конденсаторы С1, С2, С12, а также диоды VD1, VD2. Частотомер, собранный на одном лишь микроконтроллере сможет измерить частоту в пределах лишь до 50 МГц. Данный узел служит для расширения диапазона измеряемых частот путем деления частоты входного колебания на заданный коэффициент деления и формирования на выходе импульсной последовательности с частотой значительно меньшей, чем частота следования входных импульсов. Эта операция позволяет микроконтроллеру осуществить анализ входного колебания и после умножения частоты на соответствующий коэффициент определить и вывести на жидкокристаллический индикатор конечное значение зафиксированной частоты;
 резистивный усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером, включающий в себя также резисторы R1, R3, R6, R7 и конденсаторы С6, С11. Данный усилительный каскад предназначен для усиления сигнала на выходе делителя СВЧ для дальнейшего его анализа;
 кварцевый резонатор ZQ1, предназначенный для стабилизации частоты опорного генератора. Конденсатором С9 подстраивается в небольших пределах частота генерации по принципу чем меньше ёмкость, тем выше частота;
 микроконтроллер PIC16F84A, выполняющий роль «головного мозга» устройства. Он принимает усиленные предыдущим каскадом импульсы, считает их и преобразует в 10-разрядные десятичные числа;
 жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) WH0802-YGH-CT, который отображает информацию о частоте обнаруженной электромагнитной волны.
Для увеличения радиуса действия прибора автором было принято решении о включении во входную цепь прибора двухкаскадного транзисторного усилителя. Схема данного усилителя представлена на рис. 2.

На транзисторе VT1 реализован каскад предварительного усиления с общим эмиттером (ОЭ), на транзисторе VT2 – усилитель с общей базой (ОБ).
Усилитель с ОЭ обладает большими коэффициентами усиления как по току, так и по напряжению. Также данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности
Усилитель с ОБ характеризуется отсутствием усиления по току, высоким коэффициентом усиления по напряжению и умеренным (по сравнению со схемой с ОЭ) коэффициентом усиления по мощности. К тому же, данная схема включения транзистора компенсирует ухудшение частотных свойств усилителя, свойственное схеме с ОЭ.
Таким образом, каскадное соединение описанных выше двух усилителей позволяет получить усиление как по напряжению и току, так и по мощности со стабильными частотными свойствами. Кроме того, каскад с ОЭ обладает высоким входным и малым выходным сопротивлениями, а каскаду с ОБ присуще малое входное сопротивление и большое выходное , что позволит добиться согласования между каскадами.
Включение данного усилителя во входной каскад частотомера позволило усилить фиксируемый прибором сигнал, тем самым увеличив радиус действия. Улучшение столь немаловажного для аппаратуры АРМ показателя увеличивает возможности применения данного прибора.
С использованием сконструированного прибора была исследована зависимость качества радиосвязи от частоты радиосвязи в городских условиях.
Эксперимент проводился в городских условиях с применением измерителя частоты «Омега-1000» и двух пар маломощных портативных радиостанций Midland GXT-400 и Midland-Alan-42. Он заключался в следующем.
По одной радиостанции каждого типа были установлены в городском парке и на спортивном стадионе. Расстояние между объектами 2 км, между ними находились различные препятствия в виде деревьев, зданий и других различных сооружений. По обеим рациям одновременно осуществлялась связь, во время которой с помощью частотомера была зафиксирована частота. Согласно показаниям прибора связь по радиостанциям Midland GXT-400 была на частоте 433.075 МГц, по радиостанциям Midland-Alan-42 - 30.105 МГц. Зафиксированные прибором частоты были сверены с частотами, указанными в инструкциях по применению радиостанций. Отклонения были незначительные и не превысили несколько десятков Гц, что позволило сделать вывод об исправности прибора и достоверности его показаний.
Однако в ходе эксперимента наблюдалось ухудшение качества связи на частоте 433.075 МГц в виде шумов в динамике и неразборчивой речи. В это же время на частоте 30.105 МГц никаких помех не наблюдалось. Эксперимент проводился 5 раз, конечный результат не изменился.
Учитывая факт, что длина электромагнитной волны обратно пропорциональна ее частоте, можно судить о следующем. Радиоволны, излучаемые радиостанцией Midland-Alan-42, имеют длину волны больше, чем Midland GXT-400. Следовательно, распространяясь в пространстве, они огибают более габаритные препятствия, чем сигналы радиостанции Midland GXT-400. Иными словами, в той местности, где много препятствий, связь будет лучше осуществляться по тем радиостанциям, у которых рабочая частота меньше. Это обусловлено тем, что для электромагнитных волн характерно явление дифракции.
Описание применимости
Сконструированный цифровой частотомер может быть успешно применен в качестве прибора АРМ для обнаружения средств несанкционированного съема информации и определения частоты радиоканала передачи информации в диапазоне от 70 МГц до 1000 МГц.
Так же возможно применение данного прибора в радиолюбительской практике при конструировании и наладке радиопередатчиков и радиоприемников. Следует отметить возможность применения прибора в ходе проведения учебных занятий. Так, результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Радиотехника» Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова и используются при преподавании курса «Основы теории систем и комплексов радиоэлектронной борьбы» в рамках специальности 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы», специализация «Радиоэлектронные системы передачи информации».
Дальнейшее развитие проекта
В ближайшее время планируется совершенствование данного прибора и дальнейшее совершенствование его возможностей:  установка разъемов, с помощью которых возможно будет измерение частоты модулирующего напряжения;  доработка программы микроконтроллера PIC16F84A, добавление функции памяти, секундомера;  замена делителя СВЧ SAB6456 делителем с большим коэффициентом деления для увеличения диапазона рабочих частот;  замена транзисторного усилителя усилителем с большим коэффициентом усиления, выполненным на интегральной микросхеме, что позволит уменьшить размеры печатной платы, занимаемой усилителем;  разработка дополнительных усилительных каскадов на входе устройства для, увеличения радиуса действия прибора;  разработка устройств, позволяющих «прослушивать» зафиксированную частоту и демодулировать передаваемый сигнал.

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ