手机屏蔽器屏蔽范围及对通信系统影响的计算 - 优秀论文

第 18卷 V01．18 第 4期 No．4 电子工程 Electronic Design Engineering 2010年 4月 Apr．2010 手机屏蔽器屏蔽范围及对通信系统影响的计算 刘惠熙，邹 澎 (郑州大学 信息工程 学院，河 南 郑 州 450052) 摘 要 ：近年 来 ，手机 信号屏 蔽器应用越 来越 广泛 ，虽然应 用该种设 备 实现 了在特 定场所禁打 手机 的 目的．但 同时也给 移动 通信 系统带来 了严重的干扰 。为 了规范手机信号屏 蔽器的使 用 ，定量研 究 出手机信号屏蔽 器的有效屏 蔽范围，以 及屏 蔽范围之外对移 动通信 系统的影响 ，从 手机信 号屏 蔽 器的工作原理 以及信 号在传播 中的损 耗研 究出发 ，依据 通 信行 业有 关标 准及 无线传播模型对手机信 号屏蔽器进行 了研 究。最后通过 对比分析计算数据与 实际测量数据 ．验证 了该模型计 算是正确可行的 关键词 ：手机 信号屏蔽 器；传播 损耗 ；无线传播模 型 ；控制信道 载频 中图分类号：TN011．9 文献标识码 ：A 文章编号 ：1674—6236(2010)04—0051-04 Calculation of mobile phone signal blocker’S shielding range and influence to com munication systems LIU Hui—xi，ZOU Peng (School ofInformation Engineering，Zhengzhou Unwe~ity，Zhengzhou 450052，China) Abstract：In recent years，the mobile phone signal blockers are extensively used，although the using of these equipments in particular places can restrict cell phone，but meanwhile bring serious interference to mobile communication systems．In or— der to regulate the use of mobile phone signal blockers，quantitative research the device’s effective shielding range and the influence to mobile communication systems，this paper began from the working principle of mobile phone signal blocke~ and the propagation losses during the signal transmission，and then gave the study of mobile phone signal blockem accord— ing to the relevant standards of the communications industry and wireless propagation nmdels．Finally though comparing and analyzing the calculation data and the measurement data，verified the model calculation method which is correct and feasible． Key words：mobile phone signal blocker；propagation loss；wireless propagation models；CCHTRX 手机信 号屏蔽器 的工 作原 理是通 过在 手机 整个工 作频 带 内发射大功率 电磁干扰信 号来 压制通信 系统信号 ，从 而达 到切 断手机与基站 的通讯 。这种 干扰方法简单 易行 ．虽然可 以阻止手 机之 间的通信 ，但 其覆 盖范 同难 以控制 ，大功 率 的 电磁辐射对人们身体健康有损害 ，而且手机信号屏蔽器可能 对移 动通信基站产 生干扰 ，甚至导 致附近 的通信 基站瘫痪 ， 使某一 区域 内的手机都无法接通 。本文 以 GSM 系统为例 ，在 实地测量 和仿真研 究的基础上 ，依据通信行 业有关标 准对手 机信号屏蔽器的有效屏蔽范围以及对移动通信系统产生的 影 响做 出定量 的研 究。 1 手机信号屏蔽器基本原理 1．1 手机信 号屏 蔽器工作原理 手机 信号屏 蔽器 是通过 发送高 功率 的三 角波 来干 扰不 同频段上的数字信号，对于不同的手机 ，干扰使用的频段不 同。GSM有 900 MHz和 1 800 MHz(又称 DCS)2种 ，窄带 CDMA 的上行 频率 为 ：824～849 MHz，下 行频 率 为：869—894 MHz，小灵通为 2 GHz频段。在 手机信号屏 蔽器 电路 中，220 V 交流电经变压整流器输出 5 V直流电压 。由波形发生电路产 生i 角波低频信号 ，i角 波信 号经 压控振荡器 (VCO)输 出高 频正 弦波信号 ，信号经过 电路板上功放模块 放大后传输 到发 射天 线 ，最后 由天线辐射 到空间中 。手机信 号屏蔽器原理 如 罔 1所示 发射天线、 网 1 手机信号屏蔽器原理 图 手机 在不受屏蔽器 干扰的正常情况 下 ，在初 次进入某 一 蜂窝小 区 内时 ，当地小 区基 站会对 该移 动台进行位置更新 管 理 l_．同时为 该移动 台分配新 的临时移 动用户识别 符等 临时 用户信息，移动台收到该基站信息后从而确定自己所在的小 区位置 。移动台在没有进行通话 的情况下仅接 收小 区基站广 收稿 日期 ：2010—01—18 稿 件编号 ：201001043 基金项 目：河南省 自然科 学研 究项 目(72102210091) 作者简介 ：刘惠熙(1984一 )，男，河 南新蔡人 ，硕士研 究生。研 究方向 ：电渡传播 、电磁干扰与 电磁 兼容。 一 5l一 《电子设计工程)2010年第 4期 播信道信息，当手机屏蔽器发出干扰信号后，该干扰信号对 基站广播信 道频 段上有效信号形成干扰 ，干扰 信号提高 了移 动通信信道的误码率，降低了信道的信噪比，从而影响移动 台对基站广播信号的有效接收，当信噪比降低到+9 dB(GSM 网络)时．移动台无法对基站的广播信息进行正常解码，从而 失去了与基站的联系，移动台在多次尝试搜索基站广播信号 失败的情况下无法确定 自己所在的服务区，所以干扰区域内 的手机显示为无信号，不在服务区，无法收发信息，无法拨人 拨出。 1．2 GSM 干扰级 别定 义 GSM 系统受 到的干扰有多种 ，其 中最重要的是上行干扰 和下行干扰。手机信号屏蔽器对移动通信系统产生的影响是 上行 干扰 ．上 行干扰会使 系统掉 话率增加 ，减少 基站的覆 盖 范 围．降低通话 质量 ，使 网络 指标和用 户的通话 质量受 到严 重影响。根据摩托罗拉 GSM 系统操作维护 中心对干扰级别 的定义 ，移动通 信的干扰分为 5个级别【2]，如表 l所示 。 4级的干扰将对移动通信产生非常大的影响 ，表现为电 话难于拨出和拨入．通话中断，话音质量严重下降，5级以上 的干扰将使手机脱 离服务 区，使基 站接 收堵 寨_3l。 表 1 移动通信的干扰级别 级别 干扰信号强度／dBm 级别 干扰信号强度／dBm O —ll0～-100 3 -95～——90 I 一100～-95 4 -94--47 2 —95--90 5 85～47 1．3 传播损耗及 无线传播模型 由于无线电波在空间中传播是会衰减的，不可能传输到 无限远处 ，这个传输衰减的过程就是信号能量 的衰 减过程。 在研究 电波传 播时 ．首先要研 究两个 天线在 自由空间 (各 向 同性 、无吸 收 、相对介 电常数 为 1的均匀介 质 )条件下 的特 性 。以理想全 向天线为例 ，由电磁场理论可得 自由空 间的路 径损耗为 ： Lp=32．4+201gf+201gd (1) 式中 厂为频率 ，MHz；d为距离 ，km。 有 了自由空间 的路径损耗后 ，可 以计算平 坦但不理 想 的表面上的两个天线之 间的实际传播情况 。假设整个传播 路径 的表 面绝 对平坦 ，基站 和手机天线 的高度 分别为 h 和 h 。则平坦地面传播的路径损耗为： Lp=32．4+201gf+401gd-201gh~，一201gh (2) Okumura．Hata模 型 和 Cost231-Hata模 型 由在 日本 测得 的平均测量数据构成 。一般市区的路径损耗中值可以用 近似 解析式表示 。Okumura．Hata模 型的近似解析式为 ： 三I 69．55+26．161gf-13．821ghb+(44．9-6．551ghh)Ig0 (3) Cost231．Hata模型的近似解 析式 为： L =46．3+33．91d-13．821ghb+(44．9-6．551ghb)lgd—A0 23Ihl+c (4) 式 (3)和式 (4)中 ： - 52- 厶 为从基站或手机信号屏蔽器到移动台的路径损耗 ， dB；厂为载波频率 ，MHz；^b为基站或手机信号屏蔽器天线高 度，m；h ，为移动台天线高度(1～10 m)，一般取值 1．5 m；d为 基站或手机信号屏蔽器到移动台之间的距离，km；C 为大城 市修正，在中等城市或中等树木密度的市郊中心取值 0 dB， 在大城市取值 3 dB；A 为手机高度修正 ，在 中等城市取值 (~．11gt-o．7) m_(1．561g 0．8)； ，4㈣ 。I (1．11d-o．7)h (1．561g O．8) (5) 在郊 区 ，传播模型可 以修 正为 ： (市J夏)一2[1g9／28)] 一5．4 (6) 地形地物的种类千差万别，对移动通信电波传播损耗的 影响也是错综复杂的，实际应用中不可能存在绝对平坦地 形 。本文研究 的电波传播地形为郊 区大学城校 园 ，而且研究 的手机信号屏 蔽器均在室内使用 ，所 以在研究手机信号屏蔽 器的有效 屏蔽 范围时可 以采用平 坦地面传播 的路径 损耗公 式 而 Okumura—Hata模 型的适用 范同为 150～1 000 MHz宏 蜂 窝 预测 ．Cost231-Hata模 型适 用 范 同为 1 500～2 000 MHz 宏蜂窝预测，因此本文研究手机信号屏蔽器对移动通信系统 的影 响时可采用 Okumura—Hata模型研究 GSM900MHz网络 ， 采用 Cost231一Hata模 型研 究 DCS18o0MHz网络 。 2 手机屏蔽器屏蔽范围及对通信系统的影响 2．1 手机信号屏蔽器的有效屏蔽范围 本文研究用的手机信号屏蔽器技术参数如下：工作频段 ： CDMA，869～894 MHz；GSM，925N960 MHz；DCS，1 805～1 880 MHz；PHS，1 900~1 960MHz。电源适 配器 ：输入 ，AC 160-240 V； 输 出，DC 5 V。 本文研 究 的基站技 术参 数如下 ：共 站情况 ：G／1800／C， 控制信道载频 ：949 MHz／I 805 MHz／860 MHz，天线架高 ： 37 In，天线增 益 ：15 dBi，发 射功率 ：2O W，天线 线性 ：直立 全 向天线 由于屏蔽器 说明书中未给 出输 出功 率 ，本文采用安 捷伦 公司7402A型频谱仪在手机信号屏蔽器天线的馈电点处提 取 了屏蔽器的最大发射频率和信号幅度 ，如 图 2、图 3所示。 筒 鉴 出 坦 接收频率范围／G1]z 图2 手机信号屏蔽器 800 MHz～l GHz频谱图 刘惠熙，等 手机屏蔽器屏 蔽范围及对通信 系统影响的计算 } 兽 ＼ 犟 n 地 接 收频率 范围／6Hz 网 3 手机 信 号屏蔽器 1．8～2 GHz频谱图 由图 2可以渎出在 949 MHz的控 制信道载频上 ，手机 信 号屏蔽 器 的振 幅值 为 90 dBp~V，在 测量 过程 中使 用 了 20．6 dBp~V(949 MHz)的 衰减 器 和衰 减为 7．4 dBIxV(949 MHz)的 同轴电缆 ．故 949 MHz实际 的信号 强度为 118 dBtxV 同样 由 罔 3可以读 出 l 805 MHz的控制信道 载频上 ，手机 信号屏 蔽 器的振 幅值为 93．9 dBpN，在测量过程中使用了 18 dBt~V(1 805 MHz)的衰减 器 和 衰减 为 14．8 dBwV(1 805 MHz)的同 轴 电 缆 ，故 1 805 MHz实际 的信号强 度为 126．7 dB~xV。 考 虑剑 高频时 手机信号 屏蔽 器辐射 天线 和功 放输 出 口 都 会Ⅲ现阻抗 匹配问题 ．因而本文采用 HP4396B阻抗分析 仪进行 了实际测 量。测得数据如表 2所示 。 表 2 手机 信号屏蔽器辐射天线和功放输 出口阻抗测量数据 另 外 在 949 MHz和 1 805 MHz时线 路 长度 分 别 为 k／6 和 M80，根据传 输线 理论 ．从 而可 以得到 手机信号 屏蔽 器在 949 MHz实际辐射功 率为 17．88 dBm，在 】805 MHz实际辐 射功率 为 15．66 dBm。设置 屏蔽器高 度为 1．3 in，要使 手机在 该频段内无法接收到基站信号，根据干扰信号强度的定义， 必须使手机接 收到的干扰强度 ≥47 dBm。 由于人坐立 时 ，下机 高度 一般 在 O．5～1．5 Ill内 ，由式 (2) 我们 可 以得到 当手 机 高度 为 0．5～1．5 ITI时 ，手 机屏 蔽 器在 949 MHz频段 内的有效屏 敞范同如图 4所 示 。同理 呵得 ，当 手机高 度为 0．5—1．5 m 时 ，手机屏蔽器在 1 805 MHz频段 内 的有效屏蔽 范围如图 5所示。 6o 5o 善 磷 4O 糟 30 畦 2o ， ／ 一一 ，。 r 手机信 号屏蔽 器形 成的为类 似对称 阵 子天线 形成 的面 包 圈形屏蔽范 围，由上两图可知 ，当设置屏蔽器高度 为 1．3 In时 ， 手 机信号屏蔽器 在 0．5～1．5 ITI的高度范同 内的 GSM 900 MHz 的有效屏蔽范围为 33．8～58．5 m。同样 DCS 1800 MHz的有效 屏蔽 范嗣为 29．7～51．5 in。 2．2 手机信号屏蔽器对通信基站 的影 响 手 机信 号屏蔽 器对通信 基站 产生 4级及 以上 的干扰 时 会 严重影 响通信 ，甚至 导致基 站瘫痪 ，根 据干扰信 号强度 的 定义．干扰信号的临界强度为一85 dBm，而设置屏蔽器高度一 般 为 0．5～1．5 m。 由式(3)可以得到手机信号屏蔽器能对周围天线高度为 37 111的 GSM 900 MHz基站产生 4级十扰如图 6所示。同理 由 式 (6)可以得到手机信号屏蔽器能对周围天线高度为 37 in的 DCS 1800MHz基站产生 4级干扰如图 7所示。 一 一一 O．5 1 l 5 手机信号屏蔽器放置高度／m 图 6 手机信号屏蔽器对 GSM 900 MHz基站的影响 ／ 0． 1 1． 手机信号屏蔽器放置高度／m 图 7 手机 信号屏蔽器对 DCS l 800 MHz基站的影响 由上 2图可知，手机信号屏蔽器设置高度为0．5—1．5 m 时 ，能 对 周 围 677～1 172 In以 内 的 天 线 高 度 为 37 m 的 GSM900MHz基站产生 4级干扰。同理 ，能对周围 596～l 032 in 以内的天线高度 为 37 m的 DCS1800MHz基站产生 4级干扰 。 - 53- {阻 零 督瑚 重。。 wS。 i i 0 2 “u i ， g＼醴 辱蘸j莹堵张 要墓竺∽ 一 《电子设计工程)2010年第 4期 3 计算数据与实地测量数据的对比 为了验证计算方法的正确性 ．需要进行实地测量 ，本文 的测量系统采用安捷伦 E7402A型频谱仪外接 _二维天线放置 在仪器推车上在室内进行实地测量。将得到的测量数据与计 算数据之 间的误差进行 了统计 ．80％的误差变 化在±4 dB以 内。满足电磁兼容测量要求。 4 结束语 本 文给出 了一种 手机信号屏 蔽器有 效屏蔽 范 同以及在 屏蔽范围外对移动通信系统干扰的定量计算方法．该方法需 要实际测得手机信号屏蔽器在屏蔽控制信道频率的辐射功 率才能对手机信号屏蔽器有效屏蔽范围以及在屏蔽范围外 对移动通信系统干扰给出定量结论。本文的定量研究方法对 使用和规范手机信号屏蔽器有一定的指导意义。 参考文献 ： 【1]韩斌杰．GSM原理及其网络优化fM]．机械工业出版社，2004． [2】蒋学勤．对 GSM的一种优化干扰法[J]．通信技术，2008(6)： l22-126． 『31国家工业与信息化部．9001180oMHzTDMA数字蜂窝通信 系统的电磁兼容性要求及测量方法(YD1139—2001)【S】．中 华人 民共和 国通信行业标准。2001． 【4】华为技术有限公司．GSM无线网络规划与优化【M】．人民邮 电 出版 社 ．20O4． 【5】李航 ，屈伟．GSM／CDMA手机信号 RF无线干扰器设计【J]． 通信技 术，2003(4)：87—89． 【6]中国联通有 限公 司郑州分公 司．GSM11期 ，GSM12期 ， GSM2007年 工程和 CDMA5期 工程基站建设 项 目环境影 响报告书[R1．郑州：中国联通有限公司郑州分公司，2007． (上接第 5O页) 在 C#编程环境下完成 了基于 SAE J1939 的发 动机总线 数据模拟器开发。该系统与待开发总线仪表连接，可以模拟 发动机的各项工况数据输出。一旦选定某个发动机参数，发 动机参 数即在报 文规定 的更新 率下持续 发送到待 开发总线 仪表。 此软件 可部分替代 真实的发动机 ，随机进行 发动机各项 工 况检 测 ，灵活性强 ，其选 择范 围较实 际发动机 更广 。该 系 统可以辅助总线仪表等硬件开发．从而简化总线仪表测试 过 程。 参考文献： 【1]SAE．J1939．Recommended practice for a serial control and communication evhicle network[S]．USA：Society of Automo一 {H ·H }{_}{}{·}{H }{·}{ {}{ }{}{} tive Engineers，2005． 【2】程军，苟凯英．车辆控制系统总线通信和控制协议 SAE J19 390]．世界汽车，2000(2)：19—21． 【3]3 SAE．J1939—71．Vehicle application layer(through December 2004)[S]．USA：Society of Automotive Engineers．2006． [4】王建，戴方全．SAE J1939协议在汽车仪表 中的应用【J]．轻 型汽 车技术 ，2006(12)：7—9． [5】韩伟伟，王建．基于SAE Jl939协议的发动机虚拟仪表系 统的开发fJ1．汽车科技，2009(2)：24—26． [6】陈家斌，龚进 ，谭祖香．SAE J1939协议在发动机上应用[J]． 现代机械 ，2006(2)：64～66． {H·}{}{_}{H H }{_}{}{} }{}{}{H }{·}{} 赛灵思 45 nm Spartan一6 FPGA系列实现全面量产供货 赛灵思 Spartan-6 FPGA 系列取得三星 电子旗下晶 圆代 工厂 三星代 工(Samsung Foundry)的 45 nm 工 艺技术的全面生产认 证。这种先进 的工艺节点技术结合业界一流的 FPGA 设计 ，可实现低成本 、低 功耗 、高性能的最佳平衡 ，从 而使 Spartan一6系列 FPGA能够满足成本敏感型 市场 的各种应 用需求。今 天发布的 消息标 志着在三 星代 工制造 的赛灵思 45 nm Spartan一6 FPGA 系列 已经能够立即 实现量产供货 。 Spartan一6系列是第六代 Spartan FPGA系列，采用业经验证的 45 nm低功耗 (I )双氧化物工艺技术制造而成。在快速发 展的 45 am低功耗技 术领域 ，复杂的设计 需要 赛灵 思和三 星代工 两家工程设计 团队的 密切合作。赛灵思不仅充分利 用三 星代 工的 45 nm 低功耗工 艺技 术开发 出 了更高能效的器件 ，而且还通过将 晶体管 密度提升 两倍 缩一J、了芯片尺 寸．从 而使 其能为客 户提供极 富竞争力的高性能低功耗 FPGA解决。生产产品得到 赛灵思 ISE设计套件 l1．5版 本的全面支持 。 三星代 工的 45 nm低 功耗工艺节点应用于 大批量制造领域，利 用 了最先进 的沉浸光刻技 术与基 于模 型的光 学邻近校 正 (OPC)，以及赛灵思 Spartan一6 FPGA 系列最佳可制造性设 计(DFM)类的设计。三星代 工与赛灵思密切 合作 ，利用这些先进技 术 实现 了稳定的设计和更高的产品产量 三星代 工现在 已经开始实现赛灵思 45 nm产品的量产 ，对 于赛灵思 FPGA解决方案 日益增长的 市场需求 ，将提供有 力的 支持 。 咨询 编号 ：2010041004 - 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