智能环保型手机信号屏蔽器设计

摘要：目前的手机屏蔽器工作时都是连续发射大功率射频干扰信号，但是连续发射也是其缺点，主要原因有两个：一是连续发射使得人员长时间受大功率射频辐射照射，即不环保；二是当使用场所内手机用户不使用时也进行干扰，即不智能。本设计针对以上两个问题进行了系统的研究，以手机发送的RACH脉冲作为触发信号，触发屏蔽器工作，以单片机作为主控，控制干扰启动和持续时间，达到智能环保的要求。

关键词：手机屏蔽器；自检；侦测；干扰

引言

人们在享受手机带来方便的同时，也在受到其带来的不利影响。在大学的课堂、图书馆、会议室等需要安静的地方，经常受到手机来电响铃的骚扰。更有甚者，在需要公平的考场内，人们利用手机的隐蔽性和通信的方便性进行作弊。因此，希望有一种电子设备能破坏手机和基站的联络，使得手机脱离于基站而不能发挥其功能，作用范围一般都在半径20m左右，该电子设备就是手机屏蔽器。

目前市场上的手机信号屏蔽器都是采用大功率干扰的方法来设计的，屏蔽器要连续发射大功率干扰信号，否则不起作用。大功率的电磁辐射对人体带来了巨大的伤害，因此有必要设计一款智能环保的屏蔽器。当使用场所内有移动电话处于呼人或呼出状态时，切断移动电话与基站的信号连接，阻止移动电话与外界的通信，达到屏蔽的作用。当没有移动电话与外界通信时，该机器处于侦测状态，不发出电磁辐射，降低功耗，实现智能化、环保化。本设计采用智能干扰法作为设计指导思想。

系统算法设计

要设计符合要求的手机信号屏蔽器，必须分析移动电话的通信建立过程，选择最佳的侦测方法。在屏蔽使用场所内的用户时，不能对附近的移动基站有影响。因为当基站受到影响时，整个基站覆盖区的所有用户都将受到影响，这是国家法律不允许的。

下面简单分析一下移动通信的建立过程。主叫时，手机首先给基站发送通道请求，即发送一个短的随机接入信道(RACH)突发脉冲；当手机被叫时，首先由BTS在BCH呼叫通道上使用SIM中的IMIS号码来呼叫用户，手机用户响应后发送RACH脉冲给基站。

综合用户的主叫、被叫建立过程，可以明显地看到，随机接入信道突发脉冲是用户和基站联络的关键信号，手机为主叫／被叫时都要发送。

因此，可以将RACH脉冲作为侦测的关键信息来源。当手机发送RACH脉冲时，最大功率发送，GSM手机可达30dBm以上，CDMA手机也在23dBm以上，且RACH脉冲持续的时间在10ms以上，这些因素都为实现侦测提供了物理依据。图1为手机主叫过程中发射功率水平状态图。

实验结果表明，当有1个用户发送RACH时，功率就明显有一个峰值。因此可设定一个门限值，当超过门限时，就认为有呼叫请求。此时的门限值远大于背景噪声功率值，背景噪声包括广播信号、电视信号、工频干扰等。

本设计中最关键的就是选择侦测参数，当侦测标准确定了，设计的整体思路就比较简单了。本系统可分为三个组成部分：背景噪声自检、侦测、干扰，下面依次介绍。

自检

由于屏蔽器的使用场所不同，背景噪声也不同，在闹市区和在农村是完全不同的，为了适应不同的使用场所，屏蔽器工作后的首要任务就是检测背景噪声。背景射频噪声的检测采用对数检波器测量。可选用检波器芯片AD8313，其工作频段为0~1GHz-2，5GHz，完全覆盖手机的所有工作频段。

本系统选择AD8313检波器将背景射频功率值转换为电平值，再进行A／D采样，通过单片机处理，获取背景噪声功率值。考虑到屏蔽器的使用场所半径为20m左右，背景噪声功率自检算法流程如图2所示。

设备上电后，首先进行系统的复位，同时启动干扰模块，干扰持续的时间为20s，屏蔽所有的通信服务，防止已处于工作状态下的手机用户功率混入到背景噪声中，使得背景噪声的测量不精确。然后采集AD8313输出的电平值，每隔10ms采集一次，连续测量50次，求平均的方法获得背景噪声功率。此设计方法一方面是为了加快系统的启动速度，还可以利用多次平均的优点滤除噪声功率随机抖动所带来的测量不稳定的影响。

侦测

当背景噪声功率值获取后，屏蔽器正式进入侦测状态。在侦测过程中，通过单片机周期性地采集空间射频功率电平值，当采集到的电平值超过已经设置的门限电平值时，说明有移动用户发送了RACH脉冲，需要立即启动干扰模块进行干扰，破坏联络。侦测算法流程如图3所示。

其中，门限电平的设置要略低于RACH功率，高于背景噪声功率约20dBm～30dBm。因为手机发送RACH脉冲时功率都采用最大值，且都在20dBm以上，持续的时间也都在10ms以上，利用单片机控制ADC芯片每隔500gs采样一次，综合ADC0809芯片的转换性能，以2kHz的频率监控功率的突变。当连续10次测量到的功率都超过门限时，则确定发送了RACH脉冲，触发干扰模块工作。

干扰

干扰就是以一定的速度在下行信道上从低端频率向高端扫描，发送大功率的射频信号，该扫描速度可以在手机接收报文信号中形成乱码干扰，手机不能检测出基站发出的正常数据，使手机不能与基站建立联接。手机表现为搜索网络、无信号、无服务系统等状态。

实际的设计是用锯齿波控制压控振荡器(VCO)输出主频在下行信道的射频信号，再经过射频功放放大，经过天线发射。干扰GSM手机的锯齿波频率大约为10kHz，CDMA手机约为30kHz。本设计采用的天线为对数天线。VCO选用muRata公司的MQW5系列双通道VCO，频率范围是700MHz～2000MHz，只需要两片VCO就可以实现GSM900、CDMA800、DCS1800、PHS1900标准的手机屏蔽。干扰模块结构如图4所示。

为了实现环保屏蔽器的目的，在兼顾屏蔽效果的前提下，尽可能的降低辐射时间，因此本设计启动干扰后，持续20s的时间，然后关闭干扰模块，重新进入侦测状态，监测下一次的通信联络过程，只有当再一次侦测到才重新开启干扰模块，如此循环，不断监测空间辐射功率电平的突变。此设计算法一方面降低了辐射，另一方面也降低了功耗，实现了真正的智能环保手机屏蔽器。

系统硬件设计

图5为系统硬件设计功能框图，背景噪声自检和侦测使用相同的电路实现，利用程序控制分时工作，其中背景噪声功率测量只在系统开机上电时才进行，其余都是工作在侦测和干扰状态。本系统接收和发送都采用相同的天线，且为对数天线，通过单片机来控制收发开关的闭合。根据设定的程序来周期发送采样控制命令到ADC采样功率值，若检测到有RACH脉冲的发送，则启动干扰模块工作，同时启动定时器工作，实现20s的干扰时间。

结语

本设计选择手机主叫和被叫时都需要发送RACH脉冲所表现出来的大功率特征，作为侦测的参数提取，识别手机和基站的空中接口的建立，从而启动干扰，阻止空中握手联络的建立，达到屏蔽手机用户的目的，同时实现了屏蔽器的智能化、环保化。该设备已成功应用于考场、会议等场所，产生了相当大的经济和社会效益。