董 潔,王春梅,沈國土

(華東師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

手機(jī)及其屏蔽器的信號(hào)測(cè)量

董 潔,王春梅,沈國土

(華東師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

利用頻譜儀和探頭，測(cè)量了2G、3G、4G手機(jī)響鈴瞬間的信號(hào)和華東師大一教的手機(jī)信號(hào)屏蔽器的信號(hào)，得到了相關(guān)數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果可為手機(jī)信號(hào)屏蔽器的生產(chǎn)廠商提供參考.

手機(jī)信號(hào)；屏蔽器；頻譜分析儀；頻段

相比于普通的實(shí)驗(yàn)器材，用智能手機(jī)做實(shí)驗(yàn)更容易讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理與生活的密切聯(lián)系，更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望[1]. 本實(shí)驗(yàn)則將智能手機(jī)引入到了我們的物理實(shí)驗(yàn)中來。我國目前正在運(yùn)營(yíng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有很多，每張移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)都需要占用相應(yīng)的頻譜資源，頻譜資源是電信運(yùn)營(yíng)商的核心資源，而通信網(wǎng)絡(luò)頻段是有限資源， 因此移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)頻段的劃分、兼容及復(fù)用非常重要[2]. 而目前手機(jī)通信依靠的是發(fā)射微波，微波是沿直線方向傳播的波，頻率很高，波長(zhǎng)很短，主要是由空間波來傳播的，它的地表面波衰減很快[3]。對(duì)于手機(jī)所發(fā)射的微波而言，其有著不同的頻段. 但是，隨著網(wǎng)絡(luò)通信建設(shè)的全面展開，查閱移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)頻段準(zhǔn)確的劃分情況就顯得有些困難. 另一方面，手機(jī)信號(hào)屏蔽器是通過在手機(jī)整個(gè)工作頻帶內(nèi)發(fā)射大功率電磁干擾信號(hào)來壓制通信系統(tǒng)信號(hào)，從而達(dá)到切斷手機(jī)與基站的通訊[4]. 但是，由于各大通信運(yùn)營(yíng)商的通信頻段在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)可能發(fā)生變化，導(dǎo)致手機(jī)信號(hào)屏蔽器發(fā)射的電磁波頻率也得發(fā)生變化. 然而，目前所生產(chǎn)的手機(jī)信號(hào)屏蔽器卻無法自動(dòng)變換頻段. 本文以中國移動(dòng)通信為例，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的手段將中國移動(dòng)通信公司的頻段劃分情況進(jìn)行整理，以期得到準(zhǔn)確的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)頻段劃分情況. 并且通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量來尋找屏蔽器的工作頻段，以確定其是否能將所有信號(hào)屏蔽.

1 手機(jī)及其屏蔽器的信號(hào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)儀器為：DSA1030頻譜測(cè)量?jī)x、5030-1環(huán)形天線和探頭固定裝置(如圖1所示). 其中，DSA1030頻譜分析儀主要用來測(cè)量信號(hào)的頻率和功率，在實(shí)驗(yàn)中，可以通過使用頻譜分析儀最大保持功能直接測(cè)量出所測(cè)信號(hào)的峰值. 實(shí)驗(yàn)使用了5030-1環(huán)形天線來探測(cè)信號(hào)(探頭如圖1中被夾的黑色長(zhǎng)柄探頭)，此探頭為磁場(chǎng)近場(chǎng)探頭，可探測(cè)10 cm范圍內(nèi)的磁場(chǎng)信號(hào). 此外，需要固定探頭和手機(jī)天線的距離，因此自行設(shè)計(jì)了測(cè)量距離可調(diào)節(jié)的探頭固定裝置[5](裝置如圖1中帶2個(gè)小孔的淡黃色裝置)來固定測(cè)量距離，減小了實(shí)驗(yàn)誤差.

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置實(shí)物圖

1.2 手機(jī)信號(hào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

移動(dòng)通信是指移動(dòng)體與固定地點(diǎn)或移動(dòng)體相互之間通過有線和無線信道進(jìn)行的通信[6]. 對(duì)于手機(jī)通信而言，利用手機(jī)向基站發(fā)射某一頻率的信號(hào)，從而接收基站發(fā)射到手機(jī)的信號(hào)而完成通信過程的，中間是利用信道(通信系統(tǒng)內(nèi)連接通信收發(fā)終端的傳輸通道)來完成這一過程. 對(duì)于不同的手機(jī)而言，其通信信道不同，不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、不同的手機(jī)運(yùn)營(yíng)商決定著手機(jī)通信的信道區(qū)間，不同的時(shí)間、地點(diǎn)影響著某一時(shí)刻的通信信道選擇. 因此，本文利用DSA1030頻譜分析儀來測(cè)量手機(jī)天線附近的信號(hào)，從而得到手機(jī)所使用的信道，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，從而可得到中國移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)頻段劃分情況.

1.3 手機(jī)屏蔽器信號(hào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

手機(jī)通信給我們的生活帶來了極大便利，但是在考場(chǎng)等某些特殊場(chǎng)合，需要避免人們使用手機(jī)通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)查閱、泄密、實(shí)施破壞的事件發(fā)生. 此時(shí)，就需要利用無線干擾的方法來局部破壞指定區(qū)域的通信，手機(jī)信號(hào)屏蔽器就應(yīng)運(yùn)而生了. 手機(jī)信號(hào)屏蔽器的實(shí)質(zhì)是對(duì)手機(jī)通信賴以生存的無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)施了電磁干擾，使手機(jī)無法入網(wǎng)，進(jìn)而也就無法接收移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳來的信息，以及無法通過網(wǎng)絡(luò)向外發(fā)出信息，但它對(duì)手機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)卻沒有任何影響[7]. 簡(jiǎn)而言之，就是利用手機(jī)信號(hào)屏蔽器發(fā)射與手機(jī)下行頻段的頻率一致的強(qiáng)信號(hào)，與基站發(fā)給手機(jī)的信號(hào)調(diào)諧，使得基站發(fā)給手機(jī)的下行信號(hào)變形，手機(jī)無法識(shí)別，從而中斷手機(jī)與基站之間的聯(lián)系. 因此，本文利用DSA1030頻譜分析儀測(cè)量手機(jī)信號(hào)屏蔽器的工作頻率，整理數(shù)據(jù)從而得到屏蔽器的工作頻段以及對(duì)中國移動(dòng)信號(hào)的屏蔽情況.

2 實(shí)驗(yàn)過程

以中國移動(dòng)通信為例，利用DSA1030頻譜分析儀測(cè)量2G，3G和4G手機(jī)的通信情況，借此來確定中國移動(dòng)的通信頻段劃分. 另一方面，以華東師大第一教學(xué)樓的手機(jī)信號(hào)屏蔽器為例，通過分析數(shù)據(jù)歸納手機(jī)信號(hào)屏蔽器的屏蔽頻段，從而驗(yàn)證是否將所有手機(jī)的信號(hào)都屏蔽.

首先，利用DSA1030頻譜分析儀測(cè)量2G、3G和4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)手機(jī)在響鈴情況下的信號(hào).

在測(cè)量之前，需要利用實(shí)驗(yàn)或者上網(wǎng)查閱的方式對(duì)不同型號(hào)的天線進(jìn)行確定. 再改變手機(jī)與探頭之間的距離來測(cè)量手機(jī)響鈴狀態(tài)下的信號(hào)，與查閱資料所得的移動(dòng)通信頻段進(jìn)行對(duì)比歸納，從而整理出移動(dòng)手機(jī)通信頻段的劃分. 其中，測(cè)量距離利用測(cè)量距離可調(diào)節(jié)的探頭固定裝置[5]完成.

其次，探究華東師大第一教學(xué)樓的手機(jī)信號(hào)屏蔽器阻斷的通信頻段. 利用DSA1030頻譜分析儀測(cè)量屏蔽器開機(jī)時(shí)的空間中信號(hào)情況，分析數(shù)據(jù)，從而整理出華東師大第一教學(xué)樓的手機(jī)信號(hào)屏蔽器發(fā)射的信號(hào)頻段以及屏蔽情況.

3 結(jié)果分析

本文所測(cè)數(shù)據(jù)存在著一定的不確定性，根據(jù)DSA1000系列頻譜分析儀說明書[8]的頻率讀數(shù)精度可知，頻率讀數(shù)不確定度為1 MHz，全頻率范圍的幅度不確定度為1.5 dB.

3.1 移動(dòng)通信頻段劃分情況

本文測(cè)量了2G網(wǎng)絡(luò)手機(jī)(SM-N9006，天線位置為手機(jī)背面左下角)、3G網(wǎng)絡(luò)手機(jī)(TCL 708，天線位置為手機(jī)自帶的天線位置)、4G網(wǎng)絡(luò)手機(jī)(華為榮耀4C，天線位置為手機(jī)背面右下角)3款手機(jī)響鈴情況下的信號(hào)，具體見表1～3.

從表1～3中可以清楚的看到2G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)三者之間在通信時(shí)信號(hào)存在著明顯差別. 結(jié)合所查閱的資料[9]，將中國移動(dòng)的通信頻段進(jìn)行了整理，如表4.

表1 SM-N9006手機(jī)頻率

表2 TCL 708手機(jī)頻率

表3 華為榮耀4C手機(jī)(首選4G網(wǎng)絡(luò))頻率

表4 中國移動(dòng)通信頻段劃分表

中國移動(dòng)通信的頻段劃分情況：2G網(wǎng)絡(luò)使用了900 MHz頻段和1 800 MHz頻段，共計(jì)帶寬88 MHz；3G網(wǎng)絡(luò)使用了1 900 MHz頻段，共計(jì)帶寬35 MHz；4G網(wǎng)絡(luò)使用了1 900 MHz頻段、2 300 MHz頻段和2 600 MHz頻段，共計(jì)帶寬130 MHz. 3種網(wǎng)絡(luò)方式，即中國移動(dòng)通信共占帶寬253 MHz.

3.2 手機(jī)信號(hào)屏蔽器阻斷頻段劃分情況

圖2是華東師大一教的環(huán)境背景信號(hào)，圖3是一教手機(jī)信號(hào)屏蔽器開機(jī)時(shí)全掃寬所掃過空間信號(hào). 本實(shí)驗(yàn)主要是探究一教手機(jī)信號(hào)屏蔽器所發(fā)出的信號(hào)頻段如何，為了使得所測(cè)量的結(jié)果更加精確，實(shí)驗(yàn)將0～3 GHz的頻段劃分為0～1 GHz和1.7～2.8 GHz進(jìn)行測(cè)量，并且將掃描點(diǎn)數(shù)設(shè)置為3 000個(gè)點(diǎn)，使得所得的頻段更加準(zhǔn)確. 表5是根據(jù)數(shù)據(jù)所整理處理出來的華東師大一教的手機(jī)信號(hào)屏蔽器的阻斷頻段，表中幅度值為所測(cè)數(shù)據(jù)中每個(gè)頻段中的最大值. 在實(shí)驗(yàn)過程中，通過觀察了手機(jī)信號(hào)顯示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)手機(jī)信號(hào)屏蔽器開著時(shí)，移動(dòng)手機(jī)的信號(hào)將會(huì)完全被屏蔽，出現(xiàn)無網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的標(biāo)志.

圖2 環(huán)境背景信號(hào)圖

圖3 全掃寬情況下空間信號(hào)圖

根據(jù)表5數(shù)據(jù)可知：917.3～963.0 MHz和1 790～1 940 MHz阻斷的是移動(dòng)手機(jī)2G網(wǎng)絡(luò)的下行信號(hào)，1 790～1 940 MHz和1 990～2 040 MHz阻斷的是移動(dòng)手機(jī)3G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，1 790～1 940 MHz和2 260～2 430 MHz和2 530～2 680 MHz阻斷的是移動(dòng)手機(jī)4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào). 根據(jù)移動(dòng)手機(jī)信號(hào)屏蔽器的工作特性，可知，如果能將手機(jī)信號(hào)屏蔽器的功能設(shè)置為手動(dòng)設(shè)置工作頻段，將方便使用. 并且也提高了手機(jī)信號(hào)屏蔽器的性價(jià)比，延長(zhǎng)了手機(jī)信號(hào)屏蔽器的使用壽命.

表5 華東師大第一教學(xué)樓的手機(jī)信號(hào)屏蔽器的阻斷頻段一覽表

4 結(jié)束語

本文主要介紹了利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方式，整理出中國移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的頻段劃分情況，并測(cè)量了手機(jī)信號(hào)屏蔽器的工作頻率，從而整理出屏蔽器的屏蔽頻段，為手機(jī)信號(hào)屏蔽器的生產(chǎn)廠商提供了參考.

[1] 歐建雄. 智能手機(jī)在多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2015,35(11): 13-14.

[2] 周彬. 淺析我國移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)頻段的劃分及復(fù)用[J]. 科學(xué)之友,2010(9):174-175.

[3] 黃彩霞. 微波傳播特性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 物理實(shí)驗(yàn), 2015,35(4): 32-33.

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[6] 高育. 淺談移動(dòng)通信頻段[J]. 信息通信,2013(6):241-241.

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[9] Jiwm. 中國3大移動(dòng)公司(電信，聯(lián)通，移動(dòng))頻率分配大全(GSM,CDMA,CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA,LTE TD,FDD)[EB/OL]. http://jiwm.blog.163.com/blog/static/121346332014621725464

03/,2014-7-21/2016-4-20.

[責(zé)任編輯：郭 偉]

Measuring the signal of mobile phone and shielding device

DONG Jie, WANG Chun-mei, SHEN Guo-tu

(School of Physics and Materials Science, East China Normal University， Shanghai 200241, China)

Using spectrometer and probe, the 2G, 3G, 4G mobile phone signals of China Mobile and the signal of signal shielding device were measured at the first teaching building of East China Normal University. The results could provide references for the manufacturers of signal shielding device.

signal of mobile phone; shielding device; frequency spectrum analyzer; frequency band

2016-05-30；修改日期：2016-07-18

上海市大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目資助(No.201410269038)

董 潔(1993-)，女，四川綿陽人，華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院2012級(jí)本科生.

指導(dǎo)教師：沈國土(1970-)，男，浙江寧波人，華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院副教授，博士，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.

O4-34;O441.4

A

1005-4642(2017)01-0052-04

“第9屆全國高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文