基于GSM/CDMA/3G的信号屏蔽器设计与调试
2022-06-08
摘 要：某些特殊场合如考场、保密场所等都需要屏蔽手机的信号，手机屏蔽器便应运而生。屏蔽器主要由锯齿波发生器、压控振荡器、功率放大电路、天线等四部分组成。这次所设计的屏蔽器是一个可同时屏蔽几个波段的信号，也可以调节屏蔽器屏蔽一个或两个波段的信号。
关键词：手机屏蔽器；锯齿波；压控振荡；射频放大
随着移动通信技术的飞速发展，手机在时下人们的生活、生产领域扮演着极为重要的角色。手机信号屏蔽器，就是为保护考场、保密场所等禁止使用手机场所的安全和机密，从而对移动设备进行屏蔽的一种便携式装置。其作用是屏蔽掉指定范围内的手机信号，使其不能拨打电话、发送短信。
一、手机通信原理
手机在进行通信时都是通过信道的上行频率与基站联系，然后将信号转到移动业务交换中心（MSC）实现与其他通信设备的通话。手机通信的无线频率按频段可划分为：GSM段925—960MHz、CDMA段869—894MHz、WCDMA2110—2170MHz。每个频段又划分出许多具有一定带宽的信道，每个区域使用若干个信道，其中有一个信道叫广播控制信道（BCH）。
在待机状态下，手机接收电路用来接收所在区域中的BCH，一旦手机进行通话，首先是通过BCH向MSC请示，由MSC处理呼叫，MSC根据信道的状况分配手机从BCH上跳转到业务信道上实现通话。
二、信号屏蔽器的基本原理
如果在区域内人为地发射频率与该BCH下行频率相同的信号，且信号功率大于BCH，则处在该区域内的手机就无法接收BCH信号，从而使该区域的手机无法通话，手机信号屏蔽器就是根据这一原理制造的。
根据屏蔽原理设计的手机屏蔽器结构如图1所示，一般由电源、锯齿波发生电路、射频模块单元、功率放大器单元、发射天线单元等部分组成。其工作原理一般由锯齿波信号发生器产生信号，进入压控振荡器（VCO）调整到手机信号特定频段上，再经过功率放大器放大和稳压管控制，放大后的扫频信号以无线电波的形式向空中发射，覆盖BCH下行频率信号。
[GSM900天线][GSM1800天线][CDMA800天线][3G天线][GSM900
射频功放][GSM1800
射频功放][CDMA800
射频功放][3G
射频功放][CDMA800CVO][3G VCO][GSM1800 VCO][GSM900 VCO][10KHZ锯齿波
发生电路][30KHZ锯齿波
发生电路]
图1 屏蔽原理框图
以GSM信号屏蔽电路为例，首先由NE555定时器及外围电路产生的10KHz波段锯齿波，通过GSMVCO产生高频射频信号使频率达到900MHz左右，通过严格的传输线设置，达到射频功放输出相匹配的50Ω后，经过射频功放器件，达到功率40dB，再经过天线发射出去，达到屏蔽的目的。
三、器件选择
1.锯齿波产生部分
特定频率的锯齿波产生分为两个模块：一个是产生10KHz锯齿波波形；另一个是产生30KHz锯齿波波形。
数字电路能有效减小模拟器件特性与外部环境温度对产生锯齿波波形的影响。本设计采用由NE555定时器及外围器件组成的电路，产生的锯齿波频率在0～200kHz范围内，通过参数调节可以得到较为线性、稳定的10KHz锯齿波。NE555作为高稳度控制器用做精确定时脉冲，调频后得到的扫频波段范围内的波动也不超过3dB，使得生成波形比较精确，无高次谐波分量。
2.压控振荡器部分
压控振荡器部分是本设计的核心，根据频率调谐范围、输出功率选用，且只屏蔽基站的下行信道而非上行信道。压控振荡器指的是振荡器的输出频率是输入电压信号的函数，本设计采用日本村田公司的MQE、MQW系列压控振荡器，以GSM900信号为例，选用MQE920-2079-T7芯片，该芯片能满足较高的相位噪声要求，具有较快的调谐速度，频温特性和频漂性能好，功率平坦度好，电磁兼容性好。
3.射频功放模块设计
射频功放模块的主要作用是将压控振荡器输出的900MHz的信号进行功率放大，本设计采用的是RF3108芯片，RF3108芯片都是高效率的功率放大器，覆盖频率范围广，能从700MHz到2.7GHz，具有高线性、高增益和高功率附加效率等特性，并集成功率检测器，广泛应用在GSM或GPRS网络。它们内部都自动匹配50Ω输入端子和输出端子。
四、手机屏蔽器的调试
在电路焊接完成后，必须经过调试才能确保其正常工作。比如移动GSM900信号，它的工作频段是925M～960M，信号带宽为30M。要屏蔽电信信号，就要产生一个中心频率为945M，带宽为35M的干扰信号，且经过功率放大后，增益能超过40dB。
在实际调试过程中，我们需要使用频谱仪来调试信号的频率、带宽、大小。整机联调如下图所示：具体的调试流程图2。
[检查电路是否短路][否][检查电路是否短路][整机工作电压是否为5V][观察VCO频谱][调节10K，使频道的中心频点为880M][调节50K，使频道的带宽为30M][观察AMP是否有输出][调试完毕][否，检查555外围电路] [是][有]
图2 调试流程图
根据我们的测试结果和指标对比，手机信号屏蔽器基本满足指标要求，完全可以达到实际应用的需求，该产品已经在2014年深圳市职业技能鉴定中成功试用，效果良好。但是，如果在某些应用场合里面需要只是干扰数据业务而不需要干扰语音业务，那么就要求我们的手机信号屏蔽器能对语音和数据业务分开干扰，这也是我们后期继续努力的方向。
参考文献：
[1]戴美泰.GSM移动通信网络优化[M].北京人民邮电出版社，2002
[2]戴秉国.手机信号屏蔽器原理剖析与使用[J].家电维修技术，2009（08）.
[3]张毅刚.单片机原理与应用[M].北京高等教育出版社，2004.
关键词：手机屏蔽器；锯齿波；压控振荡；射频放大
随着移动通信技术的飞速发展，手机在时下人们的生活、生产领域扮演着极为重要的角色。手机信号屏蔽器，就是为保护考场、保密场所等禁止使用手机场所的安全和机密，从而对移动设备进行屏蔽的一种便携式装置。其作用是屏蔽掉指定范围内的手机信号，使其不能拨打电话、发送短信。
一、手机通信原理
手机在进行通信时都是通过信道的上行频率与基站联系，然后将信号转到移动业务交换中心（MSC）实现与其他通信设备的通话。手机通信的无线频率按频段可划分为：GSM段925—960MHz、CDMA段869—894MHz、WCDMA2110—2170MHz。每个频段又划分出许多具有一定带宽的信道，每个区域使用若干个信道，其中有一个信道叫广播控制信道（BCH）。
在待机状态下，手机接收电路用来接收所在区域中的BCH，一旦手机进行通话，首先是通过BCH向MSC请示，由MSC处理呼叫，MSC根据信道的状况分配手机从BCH上跳转到业务信道上实现通话。
二、信号屏蔽器的基本原理
如果在区域内人为地发射频率与该BCH下行频率相同的信号，且信号功率大于BCH，则处在该区域内的手机就无法接收BCH信号，从而使该区域的手机无法通话，手机信号屏蔽器就是根据这一原理制造的。
根据屏蔽原理设计的手机屏蔽器结构如图1所示，一般由电源、锯齿波发生电路、射频模块单元、功率放大器单元、发射天线单元等部分组成。其工作原理一般由锯齿波信号发生器产生信号，进入压控振荡器（VCO）调整到手机信号特定频段上，再经过功率放大器放大和稳压管控制，放大后的扫频信号以无线电波的形式向空中发射，覆盖BCH下行频率信号。
射频功放][GSM1800
射频功放][CDMA800
射频功放][3G
射频功放][CDMA800CVO][3G VCO][GSM1800 VCO][GSM900 VCO][10KHZ锯齿波
发生电路][30KHZ锯齿波
发生电路]
图1 屏蔽原理框图
以GSM信号屏蔽电路为例，首先由NE555定时器及外围电路产生的10KHz波段锯齿波，通过GSMVCO产生高频射频信号使频率达到900MHz左右，通过严格的传输线设置，达到射频功放输出相匹配的50Ω后，经过射频功放器件，达到功率40dB，再经过天线发射出去，达到屏蔽的目的。
三、器件选择
1.锯齿波产生部分
特定频率的锯齿波产生分为两个模块：一个是产生10KHz锯齿波波形；另一个是产生30KHz锯齿波波形。
数字电路能有效减小模拟器件特性与外部环境温度对产生锯齿波波形的影响。本设计采用由NE555定时器及外围器件组成的电路，产生的锯齿波频率在0～200kHz范围内，通过参数调节可以得到较为线性、稳定的10KHz锯齿波。NE555作为高稳度控制器用做精确定时脉冲，调频后得到的扫频波段范围内的波动也不超过3dB，使得生成波形比较精确，无高次谐波分量。
2.压控振荡器部分
压控振荡器部分是本设计的核心，根据频率调谐范围、输出功率选用，且只屏蔽基站的下行信道而非上行信道。压控振荡器指的是振荡器的输出频率是输入电压信号的函数，本设计采用日本村田公司的MQE、MQW系列压控振荡器，以GSM900信号为例，选用MQE920-2079-T7芯片，该芯片能满足较高的相位噪声要求，具有较快的调谐速度，频温特性和频漂性能好，功率平坦度好，电磁兼容性好。
3.射频功放模块设计
射频功放模块的主要作用是将压控振荡器输出的900MHz的信号进行功率放大，本设计采用的是RF3108芯片，RF3108芯片都是高效率的功率放大器，覆盖频率范围广，能从700MHz到2.7GHz，具有高线性、高增益和高功率附加效率等特性，并集成功率检测器，广泛应用在GSM或GPRS网络。它们内部都自动匹配50Ω输入端子和输出端子。
四、手机屏蔽器的调试
在电路焊接完成后，必须经过调试才能确保其正常工作。比如移动GSM900信号，它的工作频段是925M～960M，信号带宽为30M。要屏蔽电信信号，就要产生一个中心频率为945M，带宽为35M的干扰信号，且经过功率放大后，增益能超过40dB。
在实际调试过程中，我们需要使用频谱仪来调试信号的频率、带宽、大小。整机联调如下图所示：具体的调试流程图2。
[检查电路是否短路][否][检查电路是否短路][整机工作电压是否为5V][观察VCO频谱][调节10K，使频道的中心频点为880M][调节50K，使频道的带宽为30M][观察AMP是否有输出][调试完毕][否，检查555外围电路] [是][有]
图2 调试流程图
根据我们的测试结果和指标对比，手机信号屏蔽器基本满足指标要求，完全可以达到实际应用的需求，该产品已经在2014年深圳市职业技能鉴定中成功试用，效果良好。但是，如果在某些应用场合里面需要只是干扰数据业务而不需要干扰语音业务，那么就要求我们的手机信号屏蔽器能对语音和数据业务分开干扰，这也是我们后期继续努力的方向。
参考文献：
[1]戴美泰.GSM移动通信网络优化[M].北京人民邮电出版社，2002
[2]戴秉国.手机信号屏蔽器原理剖析与使用[J].家电维修技术，2009（08）.
[3]张毅刚.单片机原理与应用[M].北京高等教育出版社，2004.