基于GSM/CDMA/PHS移动通信屏蔽系统的设计

陈 松, 刘 翔, 姚潇玉

(湖南理工学院 信息与通信工程学院, 湖南 岳阳 414006)

引言

当今, 在人们的生活、生产等领域扮演着各种重要角色的通信技术的发展日新月异. 手机作为最常用的移动通信设备在给人们的生活带来极大便利的同时, 也产生一些不容忽视的问题. 例如: ①成为新的泄密渠道, 对保密信息安全构成威胁; ②成为新的噪声污染源, 干扰了正常工作秩序; ③成为新的不安全因素, 给企业安全生产带来隐患; ④成为新的犯罪手段, 给社会稳定带来不利影响. 因此在某些特殊场所就需要人为地破坏或限制这种网络, 避免移动网络带来的危害, 于是手机信号屏蔽器就应运而生了.

伴随着手机信号的频带迁移拓宽、功率加大、通信速率提高等趋势, 对屏蔽器的性能也提出了新的要求. 从当初的屏蔽单一频段, 发展到现在已具有集各移动通信频段于一体、扫频速率越来越快等特性, 并逐渐拓展到更低的广播频段甚至是语音频段. 目前市场上销售和使用的手机屏蔽器, 其工作原理基本上是采用电子对抗中多频段扫描, 宽频谱同频覆盖的方法来阻断基站和移动终端的通信通道. 该类设备一般由电源、电子扫描控制单元、分段射频模块单元、功率放大器单元、发射天线单元等部分组成. 但由于缺乏管理规范, 扫描频段宽窄不一, 射频功率高低不同(从几瓦到几十瓦), 杂散发射参数更是大小不等,有的甚至对移动电话信道和设备造成损伤.

基于以上原因, 本文提出的方案采用仅屏蔽上行频段, 不屏蔽下行频段, 并设计合理的屏蔽带宽、规范了发射功率、提高了扫频速率等措施, 解决原屏蔽器的缺陷, 有效减小正常信道阻隔性现象, 并不会对移动设备造成伤害.

1 总体方案设计

1.1 系统方案论证

为了产生足够能量的同频上行频段信号, 系统通过锯齿波发生器产生的锯齿波作用于各频段射频VCO, 控制VCO分别产生GSM900、DCS1800、CDMA800、PHS1900频段的振荡波, 使其在工作过程中以一定的速度从前向信道的低端频率向高端扫描, 经射频功率放大器放大后, 由全向天线发射出去. 此频率信号经手机解码后在手机接收报文信号中形成乱码干扰, 使手机与基站不能正常通信, 以此实现屏蔽.系统框图如图1所示.

图1 GSM/CDMA/PHS移动通信屏蔽系统原理框图

图2 锯齿波波形示意图

锯齿波发生器产生峰值受始点和终点控制的锯齿波, 其周期 T连续可调. 锯齿波波形如图 2所示, 它输出的电压 ()Vt与时间 t呈线性变化. 由锯齿波控制的VCO(压控振荡器)的输出频率 f在周期 T内与控制电压 V呈线性关系, 即有f= kV(t), 其中k为常数. 即可由锯齿波幅值来控制所产生信号频率 f的大小, 锯齿波的周期T, 即为扫描频率f的周期. 为了保证屏蔽所有的手机, 必须将 f的周期扫描范围设置得大于基站的发射频段. 要干扰手机报文接收, 就必须在手机接收的帧数据中插入一电平, 使得手机解码后的数字信号与基站发射的数据不一致, 那么手机与基站就会断开连接, 无法通信.对于GSM900/DCS1800每帧数据频率大约为10kHz,那么 GSM900/DCS1800可设置扫描速率控制为10kHz. CDMA800以及3G频段(含PHS1900)每帧数据频率大约为 30kHz, 那么可将扫描速率控制为30kHz. 故只需要两个锯齿波发生器控制即可.

对于射频功放部分功率的要求, 我们必须要了解手机发射功率是怎么控制的. 以 GSM 手机为例,GSM协议规定, 手机发射功率是可以被基站控制的. 基站通过下行SACCH信道, 发出命令控制手机的发射功率级别, 每个功率级别差 2dB, GSM900手机最大发射功率级别是 5(33dBm), 最小发射功率级别是19(5dBm), DCS1800手机最大发射功率级别是0(30dBm), 最小发射功率级别是15(0dBm).

从以上不难看出当手机远离基站, 或者处于屏蔽器之下时, 基站可以命令手机发出较大功率, 直至33dBm(GSM900), 约为 2W, 以克服远距离传输或建筑物遮挡所造成的信号损耗. 如果手机离基站很近,且无任何遮挡物时, 基站可以命令手机发出较小功率, 直至5dBm(GSM900), 约为3.2mW, 以减少手机对同信道、相邻信道的其它GSM用户的干扰和其它无线设备的干扰, 而且这样还可以有效延长手机待机时间和通话时间. 可以看到如果要保证完全屏蔽手机信号, 那么信号屏蔽器的发射功率应当不小于手机发射功率, 才能使得基站与手机通信的信号在解码后, 数字电平发生改变, 形成乱码, 从而达到屏蔽效果,所以该射频功放的功率应当大于 33dBm. 这就对射频功放的发射功率提出了一定的要求. 除此之外射频线路阻抗、天线匹配也是影响功率非常重要的因素, 若匹配未达到要求, 功率会大大受损, 就难以达到屏蔽要求.

1.2 方案比较

通过以上分析, 我们知道了本屏蔽系统一些功能指标要求, 以下提出两种方案.

方案一: 采用低频锁相环LM567控制产生锯齿波, 来控制美国美信公司max2622～max2624系列高频VCO, 作用于摩托罗拉公司MHW系列集成功放, 产生屏蔽信号.

方案二: 用 NE555定时器产生一定频率的锯齿波分别作用于通常手机内部所使用的GSM/CDMA/PHS频段的 VCO, 使其产生各自通信频段的频率信号, 再将这种频率信号送入射频功放RF3108, 经放大后信号由各自天线辐射出去.

方案一采用摩托罗拉公司MHW系列集成功放能产生较大的功率, 可以使屏蔽范围加大, 但该方案成本高, 功放价格高, 而且要求在硬件设计中保证各电路单元部分阻抗匹配至 50Ω, 才能使功率辐射出来,这无疑加大了工作的难度.

方案二采用RF3108最大发射功率为35dBm, 经研究RF3108资料, 射频信号输入阻抗为50Ω, 射频信号输出端也已经将各频段与天线匹配为 50Ω, 我们只需要保证天线线路阻抗为 50, 这就使得线路的匹配工作变得简单, 该方案成本较低, 功率方面也满足屏蔽的要求. 所以选择方案二来实现本系统.

2 系统原理图的具体设计

2.1 锯齿波部分

通过采用NE555分别产生10kHz和30kHz的锯齿波, 本部分原理图如图3所示.

通过分析 NE555各引脚功能与内部结构图, 可知其内部含有两个电压比较器, 一个分压器, 一个 RS触发器, 一个放电晶体管和一个功率输出级. 以下给出图3的原理分析.

图3中, Q1、R25、R1与D1组成一可变电流源, 给电容 C1充电, Pin2端点的电压随 C1电容充电曲线变化, 如图 4所示, 随着C1电压的抬高, 三极管Q1的基极电压也跟着抬高. 由于发光二极管特殊的导通特性, 基极变化电压如图5所示, 随着基极电压的升高, 三极管Q1的导通性也随之加强,给C1的充电电流就会越来越大, 那么就使得C1的充电电压曲线更趋于锯齿波的上升期.

图3 锯齿波产生电路

接下来由NE555内部结构图来分析电路如何快速给C1放电, 形成完整的锯齿波. Pin2在NE555内部为电压比较器的负比较端, 比较电压为VCC, 比较输出接RS触发器的S端; Pin6在NE555内部为电压比较器的正比较端, 比较电压为VCC, 比较输出接RS触发器的R端; Pin7为内部三极管的发射极, 在这里用作电容C1的放电端. 当C1充电电压上升到VCC时, RS触发器的R端为高电平, S端为低电平, 则触发RS触发器输出为高电平, 使Pin7对地导通, 快速给电容C1放电, 形成了完整的锯齿波, 如图2所示.

图4 电容充电波形图

图5 发光二极管V-I曲线图

控制各部分VCO的锯齿波电压范围见表1.

表1 VCO的锯齿波电压范围

2.2 VCO部分

在本系统中, 只需要考虑频率调谐范围和输出功率大小. 系统所用VCO是muRata公司的MQW系列双通道VCO, 只需要两种VCO就可以实现GSM900、CDMA800、DCS1800、PHS1900标准的手机屏蔽.以GSM900部分为例, 电路原理图如图6所示.

图6中, VT1为锯齿波产生电路输出的锯齿波, R15与R4为锯齿波提供直流偏置, 使得锯齿波落到所需频段的扫频范围之内, 对于GSM1800、CDMA800以及PHS1900各部分原理都一样, 只需调节直流偏置的大小使其落入各自扫频范围之内. 对于VCO的输出功率, 末级RF3108输入频率信号所需推动功率为+6dB, 本系列射频VCO其足以驱动RF3108.

图6 GSM900 VCO电路

2.3 射频功放部分

本系统采用集成射频功放 RF3108, 它是一大功率、高效率的集成功放, 其输入输出阻抗都已在内部匹配为50Ω, 采用GaAs HBT工艺实现, 可作为GSM/DCS和PCS频段的末级功率放大器. GSM模式中频率范围为880～915MHZ, 适用于GSM900与CDMA800频段功率放大, PCS模式中频率范围为1710～1910MHZ, 适用于 DCS1800与PHS1900频段功率放大. 芯片所需电源功率超过 70dB, 采用LCC(9mm×10mm)的超小集成封装,可节省硬件电路空间.

图7 射频功率放大电路

以 GSM900部分为例, 系统电路如图7所示.

J3为GSM900发射天线, ESD3为静电抑制器, 防止天线端静电损坏RF3108芯片. 此部分最大难度在于硬件电路制作时线路走线与线路阻抗控制.

3 PCB板具体设计

本电路中, 信号连线较少, 各部分电路都有一定的相似性, 所以电路的走线可以仿照同一模式. PCB设计时要特别注意以下三点:

(1)电源走线处理

本系统电源走线应作两类型来看, 射频功放的供电电压Pin11脚是一类, 芯片Pin1与Pin7低频供电电压与其他器件供电电压是一类, 走线时应采用星型走线, 分别接到主干电源 VCC之上, 以免相互干扰.对于Pin11脚供电端走线线宽应尽量的粗, 并且在接近芯片引脚地方摆放一个104的贴片电容, 以此措施来减小电源纹波. 各部分电源线都要避免从射频信号线与射频器件底部穿过, 并把电源线用地线包裹, 这可以大大降低电源纹波, 以保证电源的稳定.

(2)射频走线处理

由于射频信号发射所需天线短, 极易辐射出来干扰其他信号, 所以射频信号线走线要保证圆滑, 避免锐角与直角走线, 尽量缩短走线长度. 射频信号线对阻抗匹配要求高, 对于不同的PCB板材, 不同的线宽有不同的阻抗, 要使功率信号衰减降低, 必须将射频走线匹配至 50Ω. 经过进行阻抗计算, 采用建涛板材时, 此电路中射频信号线宽应控制在1.2mm左右. 射频信号线需要一个参考地层, 若PCB板为多层线路板, 则要将射频信号线下的板层都掏空, 仅留下需要留下的一层地, 作为射频线的参考地. 天线部分 ESD器件要紧靠天线, 防止静电, 周围射频线需多打地孔, 地孔的放置最好是整齐密集有规律, 以保证射频线被地充分包裹, 防止其干扰其他部分或者受到其他部分干扰.

(3)地线的处理

对于射频电路而言一般都要保证射频器件与走线下有一层整地, 以防止相邻板层之间的相互干扰.对于VCO部分与RF3108部分, 要保证地孔大且数量多, 以加强芯片地的充分的连接, 防止电路寄生振荡.多个地孔还扮演着另一个重要的角色, 由于芯片都是贴片式封装, 芯片底部都为接地, 热量就要依赖这些过孔传导到底部散热片之上. 对于模拟地与数字地是否分离, 还有待考虑, 通过实践证明模拟地与数字地分离要考虑是否能方便实现一点连接, 又保证各部分能充分接地, 否则会得不偿失, 反而使系统性能降低,所以分地要慎重, 需综合考虑各方面因素.

4 测试与总结

表2 测试结果

本文设计的基于GSM/CDMA/PHS移动通信屏蔽系统的设计, 经过实测能够同时屏蔽GSM、CDMA、PHS以及 3G手机, 范围大于400m2. 手机通信频段频率极高, 在空中几乎以面波形式的传播, 受到阻力大, 衰减非常快,几乎不能发生衍射, 对钢筋水泥墙的穿透能力差, 所以在一个 400m2的房间内能做到屏蔽, 但将手机移至与屏蔽器相隔不过几十米的房外, 屏蔽器也不能对其实现屏蔽. 测试结果见表2.

[1]高吉祥. 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程: 电子仪器仪表设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007

[2]黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛系统设计[M]. 北京: 北京航天航空大学出版社, 2006

[3]鲍威尔. 射频电路设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2006

[4]高吉祥. 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程: 数字系统与自动控制系统设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007

[5]赵茂泰. 智能仪器原理及应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2004

[6]康华光. 电子技术基础[M]. 北京: 高等教育出版社, 1999

[7]黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛训练教程[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005

[8]朱锡仁. 电路测试技术与仪器[M]. 北京: 清华大学出版社, 1989

[9]黄智伟. 射频功率放大器设计[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2009