手機及其屏蔽器的信號測量

董 潔,王春梅,沈國土

(華東師范大學 物理與材料科學學院，上海 200241)

手機及其屏蔽器的信號測量

董 潔,王春梅,沈國土

(華東師范大學 物理與材料科學學院，上海 200241)

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

手機信號；屏蔽器；頻譜分析儀；頻段

相比于普通的實驗器材，用智能手機做實驗更容易讓學生認識到物理與生活的密切聯(lián)系，更容易激發(fā)學生的學習興趣和探究欲望[1]. 本實驗則將智能手機引入到了我們的物理實驗中來。我國目前正在運營的移動通信網(wǎng)絡已經(jīng)有很多，每張移動通信網(wǎng)絡都需要占用相應的頻譜資源，頻譜資源是電信運營商的核心資源，而通信網(wǎng)絡頻段是有限資源， 因此移動通信網(wǎng)絡頻段的劃分、兼容及復用非常重要[2]. 而目前手機通信依靠的是發(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]。對于手機所發(fā)射的微波而言，其有著不同的頻段. 但是，隨著網(wǎng)絡通信建設(shè)的全面展開，查閱移動通信網(wǎng)絡頻段準確的劃分情況就顯得有些困難. 另一方面，手機信號屏蔽器是通過在手機整個工作頻帶內(nèi)發(fā)射大功率電磁干擾信號來壓制通信系統(tǒng)信號，從而達到切斷手機與基站的通訊[4]. 但是，由于各大通信運營商的通信頻段在某個時間點可能發(fā)生變化，導致手機信號屏蔽器發(fā)射的電磁波頻率也得發(fā)生變化. 然而，目前所生產(chǎn)的手機信號屏蔽器卻無法自動變換頻段. 本文以中國移動通信為例，利用實驗測量的手段將中國移動通信公司的頻段劃分情況進行整理，以期得到準確的移動通信網(wǎng)絡頻段劃分情況. 并且通過實驗測量來尋找屏蔽器的工作頻段，以確定其是否能將所有信號屏蔽.

1 手機及其屏蔽器的信號測量實驗設(shè)計

1.1 實驗測量裝置簡介

實驗儀器為：DSA1030頻譜測量儀、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量信號的頻率和功率，在實驗中，可以通過使用頻譜分析儀最大保持功能直接測量出所測信號的峰值. 實驗使用了5030-1環(huán)形天線來探測信號(探頭如圖1中被夾的黑色長柄探頭)，此探頭為磁場近場探頭，可探測10 cm范圍內(nèi)的磁場信號. 此外，需要固定探頭和手機天線的距離，因此自行設(shè)計了測量距離可調(diào)節(jié)的探頭固定裝置[5](裝置如圖1中帶2個小孔的淡黃色裝置)來固定測量距離，減小了實驗誤差.

圖1 實驗測量裝置實物圖

1.2 手機信號測量實驗設(shè)計

移動通信是指移動體與固定地點或移動體相互之間通過有線和無線信道進行的通信[6]. 對于手機通信而言，利用手機向基站發(fā)射某一頻率的信號，從而接收基站發(fā)射到手機的信號而完成通信過程的，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. 對于不同的手機而言，其通信信道不同，不同的網(wǎng)絡設(shè)置、不同的手機運營商決定著手機通信的信道區(qū)間，不同的時間、地點影響著某一時刻的通信信道選擇. 因此，本文利用DSA1030頻譜分析儀來測量手機天線附近的信號，從而得到手機所使用的信道，并將數(shù)據(jù)進行整理，從而可得到中國移動通信的網(wǎng)絡頻段劃分情況.

1.3 手機屏蔽器信號測量實驗設(shè)計

手機通信給我們的生活帶來了極大便利，但是在考場等某些特殊場合，需要避免人們使用手機通過移動通信網(wǎng)絡查閱、泄密、實施破壞的事件發(fā)生. 此時，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，手機信號屏蔽器就應運而生了. 手機信號屏蔽器的實質(zhì)是對手機通信賴以生存的無線網(wǎng)絡實施了電磁干擾，使手機無法入網(wǎng)，進而也就無法接收移動網(wǎng)絡傳來的信息，以及無法通過網(wǎng)絡向外發(fā)出信息，但它對手機產(chǎn)生的信號卻沒有任何影響[7]. 簡而言之，就是利用手機信號屏蔽器發(fā)射與手機下行頻段的頻率一致的強信號，與基站發(fā)給手機的信號調(diào)諧，使得基站發(fā)給手機的下行信號變形，手機無法識別，從而中斷手機與基站之間的聯(lián)系. 因此，本文利用DSA1030頻譜分析儀測量手機信號屏蔽器的工作頻率，整理數(shù)據(jù)從而得到屏蔽器的工作頻段以及對中國移動信號的屏蔽情況.

2 實驗過程

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

首先，利用DSA1030頻譜分析儀測量2G、3G和4G移動網(wǎng)絡手機在響鈴情況下的信號.

在測量之前，需要利用實驗或者上網(wǎng)查閱的方式對不同型號的天線進行確定. 再改變手機與探頭之間的距離來測量手機響鈴狀態(tài)下的信號，與查閱資料所得的移動通信頻段進行對比歸納，從而整理出移動手機通信頻段的劃分. 其中，測量距離利用測量距離可調(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樓的手機信號屏蔽器阻斷的通信頻段. 利用DSA1030頻譜分析儀測量屏蔽器開機時的空間中信號情況，分析數(shù)據(jù)，從而整理出華東師大第一教學樓的手機信號屏蔽器發(fā)射的信號頻段以及屏蔽情況.

3 結(jié)果分析

本文所測數(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 移動通信頻段劃分情況

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

從表1～3中可以清楚的看到2G網(wǎng)絡、3G網(wǎng)絡、4G網(wǎng)絡三者之間在通信時信號存在著明顯差別. 結(jié)合所查閱的資料[9]，將中國移動的通信頻段進行了整理，如表4.

表1 SM-N9006手機頻率

表2 TCL 708手機頻率

表3 華為榮耀4C手機(首選4G網(wǎng)絡)頻率

表4 中國移動通信頻段劃分表

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

3.2 手機信號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，圖3是一教手機信號屏蔽器開機時全掃寬所掃過空間信號. 本實驗主要是探究一教手機信號屏蔽器所發(fā)出的信號頻段如何，為了使得所測量的結(jié)果更加精確，實驗將0～3 GHz的頻段劃分為0～1 GHz和1.7～2.8 GHz進行測量，并且將掃描點數(shù)設(shè)置為3 000個點，使得所得的頻段更加準確. 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信號屏蔽器的阻斷頻段，表中幅度值為所測數(shù)據(jù)中每個頻段中的最大值. 在實驗過程中，通過觀察了手機信號顯示，發(fā)現(xiàn)當手機信號屏蔽器開著時，移動手機的信號將會完全被屏蔽，出現(xiàn)無網(wǎng)絡信號的標志.

圖2 環(huán)境背景信號圖

圖3 全掃寬情況下空間信號圖

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

表5 華東師大第一教學樓的手機信號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驗測量的方式，整理出中國移動通信網(wǎng)絡的頻段劃分情況，并測量了手機信號屏蔽器的工作頻率，從而整理出屏蔽器的屏蔽頻段，為手機信號屏蔽器的生產(chǎn)廠商提供了參考.

[1] 歐建雄. 智能手機在多普勒效應實驗中的應用[J]. 物理實驗，2015,35(11): 13-14.

[2] 周彬. 淺析我國移動通信網(wǎng)絡頻段的劃分及復用[J]. 科學之友,2010(9):174-175.

[3] 黃彩霞. 微波傳播特性實驗設(shè)計[J]. 物理實驗, 2015,35(4): 32-33.

[4] 劉惠熙,鄒澎. 手機屏蔽器屏蔽范圍及對通信系統(tǒng)影響的計算[J]. 電子設(shè)計工程, 2010,18(4):51-54.

[5] 董潔,劉奕華,王智穎,等. 一種測量距離可調(diào)節(jié)的探頭固定裝置[P]. 中國, 201520654946.X.2015-08-28.

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

[7] 魏秉國,邢建紅. 手機信號屏蔽器原理剖析與使用方法[J]. 物理教學探討,2009,27(7):55-56.

[8] 北京普源精電科技有限公司. DSA1000系列頻譜分析儀[Z]. 2011.

[9] Jiwm. 中國3大移動公司(電信，聯(lián)通，移動)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

上海市大學生創(chuàng)新活動計劃項目資助(No.201410269038)

董 潔(1993-)，女，四川綿陽人，華東師范大學物理與材料科學學院2012級本科生.

指導教師：沈國土(1970-)，男，浙江寧波人，華東師范大學物理與材料科學學院副教授，博士，主要從事物理實驗教學研究.

O4-34;O441.4

A

1005-4642(2017)01-0052-04

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文