CDMA移动通信系统设计.doc

i 摘 要 论文针对目前手机信号给人们的生活带来的种种影响及危害，结合 cdma（码分 多址）的技术特点及手机的工作原理，设计制作的针对 cdma 手机的手机信号屏蔽器。 论文主要介绍了 cdma 的基本概念及技术特点。protel99se 软件的功能及应用。 着重介绍了手机信号屏蔽器的基本工作原理极其设计过程，并对各元器件进行了详细 的介绍。论文的主要内容包括：引言、cdma 移动通信系统、手机屏蔽器的工作原理、 电路设计与 pcb 的设计、屏蔽器的制作与调试等等。 此设计的特点是数字化、智能化，全面采用数字电路使工作稳定可靠。学习并掌 握 protel99se 软件的使用是该设计的必要条件，pcb 的设计制作是该设计的重点。 该设计成品具有使用范围广泛、有效屏蔽 cdma 手机信号、屏蔽直径大等特点， 并且仅对手机信号进行屏蔽而不对其它电子设备产生影响。对人体无任何伤害且操作 十分简单。 关键词：cdma 技术；扩频技术；锁相环；pcb 制板 ii abstract this article according the handset signal harm to peoples life. unifies cdma (code division multiple access) technical characteristic and working principle, designing one kind of equipment of jamming mobile phone signal. this article mainly introduced the cdma basic concept and the technical characteristic. also introduced function and use of software. emphatically introduced the basic and designing process of jamming equipment. the main contents include: introduction, cdma mobile communication system, the operating principles of mobile phone jamming decices, circuit designing and pcb designing, hardware making and tuning. the characteristic of this design is the digitization, intellectualization, the digital circuit make the jamming decices reliable. this product has widely using scope, which can effectively shields the mobile phone signal, the jamming diameter is wide, and only the match machine signal carries on the shield but not have the influence to other electronic installations. no harm to human body and the operation is simple. key words: cdma technology. wide frequency technology. pll. pcb manufacture. iii 目 录 摘 要.i abstract.ii 引 言.1 1 cdma 移动通信系统2 1.1 cdma 的发展背景2 1.2 cdma 在中国的发展3 1.3 cdma 的基本概念4 1.4 cdma 蜂窝移动通信网的特点5 1.4.1 多址方式5 1.4.2 网络特点6 1.4.3 工作频带7 1.5 cdma 技术与 gsm 技术比较.7 1.6 码分多址扩频通信(ds)系统.8 1.6.1 扩频通信的基本概念8 1.6.2 扩频通信的特点9 1.6.3 扩频通信系统的分类9 1.6.4 码分多址（ds）扩频通信系统10 1.6.5 m 序列伪随机码的生成特点.10 2 手机屏蔽器的工作原理.12 2.1 屏蔽器研究的意义.12 2.2 屏蔽器的基本原理.13 2.2.1 基本原理13 2.2.2 8038 简介及工作原理.14 2.2.3 8038 的典型应用.15 2.2.4 锁相环简介及工作原理16 iv 3 电路设计与 pcb 设计.19 3.1 软件介绍及使用.19 3.1.1 新建设计数据库文件20 3.1.2 原理图设计的一般步骤21 3.1.3 生成网络表22 3.1.4 pcb 设计.22 3.1.5 建立 pcb 文件23 3.1.6 建立新的 pcb 器件封装24 3.1.7 根据文件产生 pcb 封装库24 3.2 屏蔽器电路原理图.25 3.3 pcb 印制电路板的设计25 3.3.1 印制板简介25 3.3.2 pcb 的创建与设计规则的设置.25 4 屏蔽器的制作与调试.27 4.1 射频电路板的设计.27 4.1.1 微过孔的种类27 4.1.2 采用分区技巧27 4.1.3 实体分区28 4.1.4 金属屏蔽罩28 4.1.5 接地29 4.2 硬件实现及主要部件指标.29 4.2.1 电源部分29 4.2.2 压控振荡器及功率放大器部分29 4.2.3 天线部分30 4.3 实验结果分析.30 4.3.1 频率产生调试30 4.3.2 扫频时的轨迹跟踪31 结 论.33 致 谢.34 v 参考文献.35 附录 a 英文原文36 附录 b 中文翻译.40 附录 c 电气原理图.43 1 引 言 手机的发明和诞生对整个世界产生了巨大的影响。它的应用给人类的生活带来了 质的改变，使人们的沟通更加简单容易，更加快捷。再一次缩短了人与人之间的距离， 也缩短了整个世界的距离。 随着通讯技术与经济的迅猛发展，手机已成为当今世界上应用最广泛的通讯工具。 从过去的模拟信号到现在的数字信号，从过去的单屏单色到现在的彩屏和旋，手机的 发展经过了一代又一代，从过去的“大哥大”到如今小巧、时尚、功能强劲的各种进 口和国产手机成出不穷。手机已不再是那种只有在电视上才能看到的可望而不可及的 奢侈品，它已经成为人们生活中不可缺少的重要设备。 近年来，移动通信事业得到了高速发展，手机用户量急剧增长，这一方面促进了 经济和科技得发展，推动了社会的进步，但另一方面，手机制造的噪声污染也变得愈 来愈严重。例如，在会议室、法庭、医院剧场、图书馆等公共场所，由于手机的随意 使用，破坏了原有的安静、严肃气氛、影响了这些活动的正常进行。在各类大小考试 中，考生利用手机作弊的现象也越来越严重。又如，利用手机泄密也成为不可忽视的 问题，在涉及到政治、经济、军事等保密场所，常有人有意无意地利用手机将重要机 密泄露出去，给党和国家的事业造成严重损失。这已引起政府和军方的密切关注。在 加油站、油库等一些石油化工场所，手机信号也能导致其发生火灾甚至爆炸。其后果 是不堪想象的。 因此本文设计了针对各类考场、学校、加油站、教堂、法庭、图书馆、会议中心 （室）、影剧院、医院、政府、金融、监狱、公安、军事重地等禁止使用手机的场所 所使用的手机信号屏蔽器。 个人通信的多址通信技术直接影响个人通信的频谱利用率、系统容量、小区结构、 业务能力、设备复杂度和成本，特别是与系统容量大小密切相关。在常见的多址通信 技术中，cdma（码分多址）通信技术能实现更大的系统容量，并且有抗干扰、软切 换、同频利用、接入方便等优点，cdma 个人通信将成为今后个人通信的主流和发展 方向。因此本文主要研究设计针对 cdma 的手机信号屏蔽器。 2 1 cdma 移动通信系统 1.1 cdma 的发展背景 cdma 技术早已在军用抗干扰通信研究中得到广泛应用，1989 年 11 月， qualcomm 在美国的现场试验证明 cdma 用于蜂窝移动通信的容量大，并经理论推导 其为 amps 容量的 20 倍。这一振奋人心的结果很快使 cdma 成为全球的热门课题。 95 年香港和美国的 cdma 公用网开始投入商用。96 年韩国用自己的 cdma 系统开展 大规模商用，头 12 个月发展了 150 万用户。1998 年全球 cdma 用户已达 500 多万， cdma 的研究和商业进入高潮，有人说 1997 年是 cdma 年。美国已拍卖的 295829582958 个个个 pcspcspcs 经营许可证中经营许可证中经营许可证中, , , 选择 cdmacdmacdma 占占占 51%51%51% , , , d-ampsd-ampsd-amps 占占占 20%20%20%, , , gsmgsmgsm 占占占 28%28%28%。1999 年 cdma 在日本和美国形成增长的高峰期，全球的增长率高达 250%，用户已达 2000 万。 中国 cdma 的发展并不迟，也有长期军用研究的技术积累，93 年国家 863 计划已 开展 cdma 蜂窝技术研究。94 年 qualcomm 首先在天津建技术试验网。1998 年长城 cdma 商用试验网在北京、广州、上海、西安建成，并开始小部份商用。联通也计划 在广东、北京、天津、上海等地建 cdma 商用试验网。 韩国 cdma 数字蜂窝移动通信在政府的强有力的组织下，得到了迅猛的发展。 cdma 网络运营仅一年多便发展到 400 万用户，其用户密度远高于我国用户密度最大 的珠江三角洲地区。韩国 cdma 网络运行正常，韩国 cdma 的运营情况，充分证明了 cdma 技术是成熟的，其系统容量和话音质量较目前其它蜂窝系统 （gsm、tdma、pdc、tacs、amps）是最优的。 据预测，未来的几年 cdma 将以超过 100%的增长速度发展，远快于 gsm 40%的 发展速度。韩国 cdma 运营仅一年，即超过模拟网 amps 的 200 万用户；日本 cdma 在 2000 年超过 pdc；美国 cdma 在 2002 年达到 4200 万，超过 amps 的 3600 万、d-amps 的 2200 万和 gsm 的 1100 万，成为全美的最大蜂窝系统。到 2008 年全世界的 cdma 的比例将提高到 18%，成为第二大蜂窝系统；占第一位的仍是 3 gsm，其份额将由目前的 32%升至 45%，而模拟系统将由目前的 48%下降至 15%。 无线通信在未来的通信中起越来越重要的作用，cdma 将成为下一世纪主要的无 线接入技术。w-cdma 较 w-tdma 有更多优越性，w-cdma 将成为目前各种第二代 移动通信系统（gsm、is-95、pdc 等）的交汇点，发展成第三代系统，但未来的统一 将要经过一个艰苦的过程。目前欧美都在进行 gsm 与 cdma 的兼容试验，用 gsm 的网络以 cdma 的空中接口，其网络试验在英国进行，qualcomm 已研制出 gsm/cdma 双模手机样机。未来的第三代多模式蜂窝移动通信系统将以 atm 为平台， 它不仅兼容第三代的 w-cdma、umts 和 cdmaone，而且还兼容目前第二代的 gsm 和 is-95。 1.2 cdma 在中国的发展 为了顺应时代潮流的变化与发展，开拓移动通信事业崭新的天地，中国联通采用 国际领先的技术和设备，开发出新的高品质移动通信服务“联通新时空 cdma”， 以满足更多用户的多种需求。“联通新时空 cdma”于 2002 年 4 月 8 日全国统一放号运 营。由于其具有低辐射、通话质量高、保密性强、接通率高、不易掉话等诸多优点， 受到了广大用户的青睐。2002 年底，cdma 用户成功突破 700 万大关，创造了移动通 信事业领域用户发展的神话和奇迹。 联通新时空网络支持国际漫游、机卡分离、移动互联网和数据服务的接入方法， 具备短消息和智能网业务。2002 年，联通新时空的二期工程相继完善网络，到 2003 年， 联通新时空总容量将达到 5000 万户以上，网络覆盖包括西藏在内的全国 31 个省、自 治区、直辖市的 300 个以上地级市，经济发达地区覆盖到乡，中等发达地区覆盖到县。 与此同时，中国联通还在全国 100 个以上主要城市建成 800 兆频段的 cdma 1x 系统， 积极推出中高速率的新业务。这些都使得联通新时空网络一推出就是覆盖广阔、网络 质量良好、手机精美、业务新颖的精品网络。2003 年 3 月中国联通隆重推出了基于联 通新时空 cdma 网络的“联通无限 u-max”增值业务。这是中国联通推出的数据增值业 务统一品牌，具体包括“彩 e、互动视界、掌中宽带、神奇宝典、定位之星”五个子品牌 业务。“联通无限”创造出的独具时尚的手机互联网精彩世界，以非凡的创意，强大的 技术支持力量，和无可比拟的高速数据传输，为广大用户提供包括资讯、娱乐、多媒 体 email、商务、定位等服务，引领用户进入到一个全新的手机互联网空间。 4 自 2001 年起，中国联通一直在为建成世界最大最好的 cdma 网而不懈努力。随 着“联通无限”的日益普及和运用，广大 cdma 手机用户将进入真正的高速数据服务时 代。这也是中国联通矢志不渝的奋斗目标！ 1.3 cdma 的基本概念 cdma 是码分多址的英文缩写（code division muitiple access） ，它是在数字技术 的分支-扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。cdma 技术的 原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于 信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发 送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信 号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。 cdma 给每一用户分配一个唯一的码序列（扩频码） ，并用它对承载信息的信号进 行编码。知道该码序列用户的接收机对收到的信号进行解码，并恢复出原始数据，这 是因为该用户码序列与其它用户码序列的互相关是很小的。由于码序列的带宽远大于 所承载信息的信号的带宽，编码过程扩展了信号的频谱，所以也称为扩频调制，其所 产生的信号也称为扩频信号。cdma 通常也用扩频多址（ssma）来表征。对所传信 号频谱的扩展给予 cdma 以多址能力。因此，对扩频信号的产生及其性能的了解就十 分重要。扩频调制技术必须满足两条基本要求： 1所传信号的带宽必须远大于信息的带宽。 2所产生的射频信号的带宽与所传信息无关。 所传信号的带宽 bt 与信息带宽 bi 之比称为扩频系统的处理增益 gp gp=btbi 接收机采用相同的扩频码与收到的信号进行相关运算恢复出所携带的原始信息。 由于扩频信号扩展了信号的频谱，所以它具有一系列不同于窄带信号的性能： 多址能力 抗多径干扰的能力 5 具有隐私性能 抗人为干扰的能力 具有低载获概率的性能 具有抗窄带干扰的能力 cdma 按照其采用的扩频调制方式的不同，可以分为直接序列扩频（ds）跳频 扩频（fh）跳时扩频（th）和复合式扩频，如图 1.1 所示,直接序列扩频（ds-ss）发 射机和接收机的构成。 图 1.1 直接序列扩频（ds-ss）发射机和接收机框图 1.4 cdma 蜂窝移动通信网的特点 1.4.1 多址方式 移动通信系统有多种分类方法。例如按信号性质分，可分为模拟、数字；按调制 方式分，可分为调频、调相、调幅；按多址连接方式分，可分为频分多址（fdma）、 时分多址（tdma）和码分多址（cdma）。多址问题可以被认为是一个滤波问题。 许多用户可以同时使用同一频谱，然后采用不同的滤波器和处理技术，使不同用户信 号互不干扰被分别接收和解调。蜂窝移动通信系统很久以来就采用技术高度复杂的频 谱复用方式。为了使信号仅在要求通信的两者之间传输而不影响其他用户，就必须选 择适当的多址方式。现在用到的多址方式主要有三种：fdma、tdma 和 cdma。其 6 中 fdma 被最早采用而 cdma 则是刚刚被用到蜂窝移动通信中。下面分别简单介绍 一下 fdma、tdma 和 cdma。 1. fdma：fdma 是频分多址的英文缩写，就是在频域中一个相对窄带信道里， 信号功率被集中起来传输，不同信号被分配到不同频率的信道里，发往和来自邻近信 道的干扰用带同滤波器限制，这样在规定的窄带里只能通过有用信号的的能量，而任 何其它频率的信号被排斥在外。模拟的 fm 蜂窝系统都采用了 fdma。 2. tdma：tdma 是时分多址的英文缩写，就是一个信道由一连串周期性的时隙 构成。不同信号的能量被分配到不同的时隙里，利用定时选用来限制邻近信道的干扰， 从而只让在规定时隙中有用的信号通过。现在使用的 tdma 蜂窝系统实际上都是 tdma 和 fdma 的的组合。 3. cdma：cdma 是码分多址的英文缩写，就是每一个信号被分配一个高速伪随 机二进制序列进行扩频，不同信号的能量被分配到不同的伪随机序列里，在接收机里， 信号用相关器加以分离，这种相关器只接收选定的二进制序列并压缩成频谱，凡不符 合该用户二进制序列的信号就不被压缩带宽。结果只有有用的信号的信息才被识别然 后提取来。 1.4.2 网络特点 与 fdma 和 tdma 相比，cdma 具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信 系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。cdma 移动通信 网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有频域、时域 和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性 高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比(ci)小于 1，容量和质量之间 可做权衡取舍等属性。这些属性使 cdma 比其它系统有非常重要的优势。 系统容量大理论上 cdma 移动网比模拟网大 20 倍。实际要比模拟网大 10 倍，比 gsm 要大 4-5 倍。 系统容量的灵活配置：这与 cdma 的机理有关。cdma 是一个自扰系统，所有移 动用户都占用相同带宽和频率。我们打个比方，我们将带宽想象成一个大房子，所有 的人将进入唯一的大房子。如果他们使用完全不同的语言，他们就可以清楚地听到同 伴的声音而只受到一些来自别人谈话的干扰。在这里，屋里的空气可以被想象成宽带 的载波而不同的语言即被当作编码，我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制 7 住了我们。如果能控制住用户的信号强度，在保持高质量通话的同时，我们就可以容 纳更多的用户。 通话质量好：cdma 系统话音质量很高，声码器可以动态地调整数据传输速率， 并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而改变， 这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。另外 cdma 系统采 用软切换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。 频率规划简单用户按不同的序列码区分，所以不相同 cdma 载波可在相邻的小区 内使用，网络规划灵活，扩展简单。 延长手机电池寿命采用功率控制和可变速率声码器，手机电池使用寿命延长。 建 网成本下降。 1.4.3 工作频带 国际上通行的 800mhz900mhz 频段、1.8ghz1.9ghz 频段、2.2ghz2.4ghz 频段，都可考虑在 cdma 个人通信系统中使用。由于这些频段的大气传播特性、城市 传播特性的不同，800mhz900 mhz 频段适合应用于工作小区较大的蜂窝移动通信系 统。1.8ghz1.9ghz 频段不如 800mhz900 mhz 理想，但仍有较好的传播特性，比 较适合较小区、微小区的个人通信系统。一般 cdma 个人通信系统使用 1800mhz1825mhz(前向),1875mhz1900mhz(反向)。2.2ghz2.4ghz 频段的传播 特性比较适合于给定小区，在 cdma 无线用户终端系统中应用。 信号功率按用户移动台的天线发射功率设计，伴随相应的工作小区半径。信号功 率和小区半径设计为以下 3 种：信号功率(最大)为 1w,小区半径(最大)为 10km15km；信号功率(最大)为 500mw,小区半径(最大)为 5km8km；信号功率(最大） 为 100mw，小区半径（最大）为 2km3km。 移动台可以根据系统结构和工作环境作不同的信号功率和小区半径选择，而不改 变其它工作状态。 1.5 cdma 技术与 gsm 技术比较 gsm 因采用 tdma 系统，因此带宽受限。尤其 gsm 在前向纠错编码能力上比 cdma 差。cdma 强有力的前向纠错导致通话清晰度大大地提高，特别是在传播条件 8 复杂，或由于系统负荷过大而引起大的同信道干扰情况下。 在 cdma 中，移动站接收机中使用三个多径接收机，在基站中每付天线使用四个 多径接收机。每一个多径接收机独立地跟踪信号和多径，而它们信号强度的总和用于 信号的解调。因为衰落是独立的，其结果是，即使在最坏的条件下，通话清晰度极好。 软切换(蜂窝小区间)和较软切换(同一蜂窝小区的扇区之间)提供了一个完全透明的 通话切换，cdma 使用“先通后断“的软切换，其结果是，即使在 cdma 蜂窝小区的边 缘，语言和数据的切换质量也大大地得到改善，因此用户通话中断可能性 有效地得以 消除。cdma 利用前向和反向链路的功率控制达到较优的话音清晰度。反向链路功率 控制通过开环和闭环两种方式调整。这些功率控制对蜂窝负荷、蜂窝噪声图谱、天线 增益、功放输出、多径衰落、阴影以及移动台与基站接收机距离的变化等等是很灵敏 的。其结果是以极小的平均输出功率得到持续的高质量的话音和数据服务。 先进的 cdma 声码器算法，提高了 cdma 的空间性能。峰值 8kbit/s 的可变速率 声码器设计用于蜂窝应用，峰值 13kbit/s 的可变速率声码器设计用于 pcs。然而， 应 当知道，平时声码器的速率小于其峰值速率。不像有些 tdma 声码器使用数字语音内 插法，cdma 声码器通常至少以 1200bit/s 小语音速率发送。对用户来说，这使话音 质量听上去更为自然。另一个使 cdma 语言清晰的重要因素是使用了确定声码器速率 的自适应阈值，自适应阈值根据背景声学噪音电平的变化改变声码器的数据速率，这 些阈值的使用压制了背景声学噪声，因而在噪声环境下也能提供清晰的话音。 1.6 码分多址扩频通信(ds)系统 1.6.1 扩频通信的基本概念 所谓扩频通信，是指系统占用的频带宽度远大于要传输的原始信号的带宽(或信息 比特率)，且与原始信号带宽(信息比特率)无关。 在通信系统中采用的调制技术的传输带宽，都是大于信息本身的最小带宽的，但 这不属于扩频通信概念的范畴。我们把扩频 100 倍以上的调制信号称为扩频调制，即 gp=w/b100。这里，gp称为扩频增益，w 为扩频信号带宽，b 为信息带宽。 扩频通信理论基础来源于信息论中的仙农公式。在信息论中： c=w 1b (1 + s/n ) 9 式中，c 为信道容量；w 为信道带宽； s/n 为信噪比。 由式可得出一个重要结论：如果 c 一定，可用不同带宽 w 和信噪比 s/n 组合来传 输；当 w 传输带宽较大，则用较小的信号功率(s/n 较小)来传送。这表明宽带系统有 较好的抗干扰性能。因此，当信噪比太小，不能保证通信质量时，常采用宽带系统， 也就是增加带宽来提高信道容量，以改善通信质量。这也就是通常所说的以宽频带换 功率的措施。根据这一原理，扩频通信就是将信息信号频谱扩展 100 倍以上再传输， 从而提高了抗干扰能力，使之在强干扰情况下(甚至信号被噪声淹没情况下)仍然可以维 持正常通信。 1.6.2 扩频通信的特点 扩频通信可以抗多径干扰，因为利用扩频码序列从接收信号中检测信号，可把路 径的同一码序列的波形合成，变害为利，进而提高接收信噪比。 cdma 扩频通信可增加容量，降低成本，提高质量。由于 c/t 要求低，基站覆盖 范围大，可以少设基站。例如，美国洛杉机 tdma 系统的 mps 制式要 450 个基站， 而用 cdma 系统只要 180 个基站。 在扩频的 cdma 系统中，语音采用可变速率的编码，功率控制及信噪比要求低， 移动手机功率可做的很小，如小到几到几十毫瓦。 此外，扩频通信还有一个特点，就是由于是频率的复用，因而频率规划简单。 1.6.3 扩频通信系统的分类 扩频通信系统可以分为以下几类： 1. 直接序列(ds)扩频系统： 用一高速伪随机序列与信息数据相乘(模 2 加)由于伪 随机序列的带宽远远大于信息数据带宽，从而扩展了传输信号频带。 2. 跳频(fh)扩频系统：在伪随机序列控制下，发射频率在一组预先设计的频率上， 按照一定的规律离散跳变，从而扩展了信号频带。 3. 跳时(th)扩频系统：此系统与跳频类似，区别在于前者控制频率，后者控制时 间。 4. 脉冲线性调频系统：此系统的载频在一给定的脉冲间隔内，线性地扫过一个宽 的频带，扩展发射信号的频谱。 10 此外，还有以上四种系统的组合系统等，用于商用的一般为前两种。 1.6.4 码分多址（ds）扩频通信系统 码分多址（cdma）与直接序列扩频技术相结合，构成了码分多址直接序列扩频 通信系统（ds） 。该系统主要有两种方式： 第一种：发端用户数据信息首先与对应的用户地址码调制（模 2 加） ，然后再与高 速伪随机码（pn 码）进行扩频调制。在收端，进行和发端对应的反变换（进行相关检 测） ，即可得到所需的用户信息。 图 1.2 码分直扩系统(a) 第二种：发端的用户数据直接与与之对应的高速伪随机码（pn 码）调制（模 2 加） ，如图（此地址码可以是伪随机码） 。图中的地址码调制与扩频调制在一起进行。在收 端，只需要与发端完全相同的伪随机码进行解扩，相关检测就能得到所需的用户信息。 图 1.3 码分直扩系统（b） 1.6.5 m 序列伪随机码的生成特点 作为扩频码的伪随机码（也可作为地址码）具有类似白噪声的特性。 （真正的随机 11 信号和噪声是不能重复和再现的。 ）可以用一种与随机噪声性能近似的一初期性脉冲序 列，称为伪随机码（pn 码）来代替。m 序列就符合这种码序列。此类码具有尖锐的自 相关特性和比较好的互相关特性（其互相关值不是处处为零） ，同一码组内的各码占据 的频带可以做到很宽并且相等。此码序列用作扩频码，同时作为地址码，但也受一些 条件的制约。m 序列伪随机码的特点如下： m 序列为最长线性序列。 （其周期为 p=2n-1） m 序列一个周期内“1”或“0”的码元数大致相等。 （“1”比“0”多一个） m 序列一个周期 p=2n-1 内共有 2n-1 个游程（连续“1”或“0”称为游程） 。 m 序列和其移位后的序列逐位模 2 加，所得的序列还是 m 序列。 m 序列的互相关性较好，但不是处处为零。序列相关性差别很大，因此必须选择 运用。 12 2 手机屏蔽器的工作原理 2.1 屏蔽器研究的意义 目前的手机信号几乎是无处不在，所有的电器设备都在其重重包围之中。在没有 使用手机时这种重重包围着的信号对其它电器设备的干扰是微乎其微的，这是因为， 在不使用手机时就没有手机与基站之间的数据交流，也就不可能形成突变信号，电器 设备周围是一个相对稳定的电磁场，也就是一种静态的电磁场，这种静态的电磁场对 电器设备的干扰几近于零。而在使用手机时就有了手机与基站的数据交流，也就产生 了随机的突变信号，使电器设备周围形成一个动态的电磁场，这种动态的电磁场信号， 会感应出突变的干扰信号，容易造成电器设备的功能紊乱。手机 电池启动时、振铃响 起时，可以产生足够的能量引发轻微的火花产生的电火花，可能会引起火灾。石油、 化工、安全等有关部门，有明文规定加油站禁止使用手机，出台已有很长的一段时间 了，可目前执行的情况不太理想。加油站的设备都是由电脑控制的，手机信号会影响 设备的正常工作，会导致计量不准，更重要的是，手机在拨打过程中会出现火花，极 易引发火灾，造成加油站爆炸。因使用手机引起的火灾，在全国范围内已有多起。河 南某加油站因司机在加油时使用手机，引起爆炸，造成多人死伤的特大事故。深圳、 重庆等地的加油站因打手机引发的火灾险情也有多起。在加油站使用手机所带来的危 险，已经引起了多方面的重视。 为了避免上述情况的发生，减少不必要的损失，设计研究一款手机信号屏蔽器来 屏蔽手机的信号是既有效又简捷的做法。只要把手机信号屏蔽器放在这些电器设备的 周围和加油站里就可以了。这样在电器设备周围的手机就失去了作用就无法发射和接 收信号，干扰了手机与基站之间的数据交流，也就不可能形成突变信号对电器设备的 干扰，因此就避免了手机信号对其造成的影响，也就避免了此类火灾、爆炸事故的发 生。 13 手机信号屏蔽器不仅可以在电器设备附近使用，也可以在其它许多地方使用。例 如各类考场、教堂、法庭、图书馆、会议中心、影剧院、医院、军事重地等禁止使用 手机的场所。用在考场可以防止和杜绝考生利用现代通讯工具作弊。用在教堂可以清 除手机信号噪音，以保持宗教场所的肃穆、庄严 。用在图书馆可以保持读书学习的安 静环境。用在影剧院可以清除噪音可保持观众欣赏节目的兴趣。用在医院能防止使用 手机时造成对人体的危害和医疗设备故障。用在法庭可保持法庭的庄严与神圣。用在 军事重地能防止军事机密的外泄。总之，该装置适用范围广泛，性能卓越，且经济简 便。 2.2 屏蔽器的基本原理 2.2.1 基本原理 手机工作时，是在一定的频率范围内，手机和基站通过无线电波联接起来，以一 定的波特率和调制方式完成数据和声音的传输。针对这种通讯原理，手机信号屏蔽器 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。该扫描速度可以在手 机接收报文信号中形成乱码干扰，工作原理是用锯齿波控制压控振荡器，使之生成工 作频段的扫频信号，每一个扫频周期，等于在工作频段中的每一个频点添加一个宽脉 冲（锯齿波正程所致）和一个窄脉冲（锯齿波逆程所致），破坏了覆盖区内手机与基 站的数据交换，手机得不到基站数据，只能显示无信号，当然也就无法通信了。手机 表现为搜索网络、无信号、无服务系统等现象。从而达到屏蔽的目的。其原理框图如 图 2.1 所示。 14 图 2.1 屏蔽器原理框图 2.2.2 8038 简介及工作原理 图 2.2 icl8038 引脚图 1. 正弦波线性调节；2. 正弦波输出；3. 三角波输出；4. 恒流源调节；5. 恒流源 调节；6. 正电源；7. 调频偏置电压；8. 调频控制输入端；9. 方波输出（集电极开路 15 输出）； 10. 外接电容；11. 负电源或接地；12.正弦波线性调节；13、14. 空脚 。 如图 2.3 为 8038 内部原理电路框图，8038 由恒流源 i1、i2，电压比较器 c1、c2和 触发器等组成。电压比较器 c1、c2的门限电压分别为 2vr/3 和 vr/3（ 其中 vr=vcc+vee），电流源 i1和 i2的大小可通过外接电阻调节，且 i2必须大于 i1。当触发 器的 q 端输出为低电平时，它控制开关 s 使电流源 i2断开。而电流源 i1则向外接电容 c 充电，使电容两端电压 vc随时间线性上升，当 vc上升到 vc=2vr/3 时，比较器 c1输 出发生跳变，使触发器输出 q 端由低电平变为高电平，控制开关 s 使电流源 i2接通。 由于 i2i1 ，因此电容 c 放电，vc随时间线性下降。当 vc下降到 vcvr/3 时，比较器 c2输出发生跳变，使触发器输出端 q 又由高电平变为低电平，i2再次断开，i1再次向 c 充电，vc又随时间线性上升。如此周而复始，产生振荡。若 i2=2i1 ，vc上升时间与 下降时间相等，就产生三角波输出到脚 3。而触发器输出的方波，经缓冲器输出到脚 9。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚 2 输出。当 i1i22i1 时，vc的上升时间 与下降时间不相等，管脚 3 输出锯齿波。因此，8038 能输出方波、三角波、正弦波和 锯齿波等四种不同的波形。 图 2.3 8038 内部原理电路框图 16 2.2.3 8038 的典型应用 由 8038 管脚图可见，管脚 8 为调频电压控制输入端，管脚 7 输出调频偏置电压， 其值（指管脚 6 与 7 之间的电压）是(vcc+vee/5) ，它可作为管脚 8 的输入电压。此外， 该器件的方波输出端为集电极开路形式，一般需在正电源与 9 脚之间外接一电阻，其 值常选用 10k 左右，如图 2.4 所示。当电位器动端在中间位置，并且图中管脚 8 与 7 短 接时，管脚 9、3 和 2 的输出分别为方波、三角波和正弦波。调节两个电位器可使正弦 波的失真达到较理想的程度。 图 2.4 8038 接成波形产生器 2.2.4 锁相环简介及工作原理 锁相环（phase-locked loop 简称 pll）是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动 控制系统。是指一种电路或者模块，它用于在通信的接收机中，其作用是对接收到的 信号进行处理并从其中提取某个时钟的相位信息。或者说对于接收到的信号，仿制一 个时钟信号，使得这两个信号从某种角度来看是同步的（或者说相干的） 。锁相环有很 多种类，可以是数字的也可以是模拟的也可以是混合的，可以用于恢复载波也可以用 于恢复基带信号时钟。 17 锁相环路的基本组成如图所示，它是由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组合而 成的闭合环路，鉴相器是相位比较部件，它能够检出两个输入信号之间的相位误差， 输出反映相位误差的电压 ud(t)。环路低通滤波器用来消除误差信号中的高频分量及噪 声，提高系统的稳定性。压控振荡器受控于环路滤波器输出电压 uc(t)，即其振荡频率 受 uc(t)的控制。 由于锁定情形下（即完成捕捉后） ，该仿制的时钟信号相对于接收到的信号中的时 钟信号具有一定的相差，所以很形象地称其为锁相器。而一般情形下，这种锁相环的 三个组成部分和相应的运作机理是： 1.鉴相器：用于判断锁相器所输出的时钟信号和接收信号中的时钟的相差的幅度; 2.环路滤波器：用于对鉴相器的输出信号进行滤波和平滑，大多数情形下是一个低 通滤波器，用于滤除由于数据的变化和其他不稳定因素对整个模块的影响。 3.压控振荡器：用于根据鉴相器所输出的信号来适当的调节锁相器内部的时钟输出 信号的频率或者相位，使得锁相器完成上述的固定相差功能; 锁相环最基本的结构如图 2.5 所示。它由三个基本的部件组成：鉴相器（pd） 、环 路滤波器（lf）和压控振荡器（vco） 。 图 2.5 锁相环的基本结构 鉴相器 pd 鉴相器 pd 是相位比较装置，它比较输入信号和压控振荡器输出信号的相位，输 出反映了输入参考信号与 vco 输出信号之间的相位差信息。模拟锁相环输出两信号相 位差的误差电压，数字鉴相器输出两信号相位差的脉冲信号。 环路滤波器 lf 环路滤波器 lf 是一个低通滤波器，作用是滤除误差电压 ud(t)中的高频成分和噪 声，得到压控电压，以保证环路所要求的性能，增加环路的稳定性。环路滤波器的设 计是锁相环路设计的关键。 压控振荡器 vco 18 压控振荡器 vco 是一个电压频率转换器，它的振荡角频率应随输入控制电压 uc(t)的变化而变化。在一般情况下，压控振荡器的控制特性是非线性的，不过，在 uc(t) =0 附近的有限范围内控制特性近似呈线性。因此，它的控制特性可近似用线性方程来 表示。 式中，k0为控制灵敏度或称增益系数，它表示单位控制电压所引起振荡角频率的变化 量。 压控振荡器的输出频率受控制电压 uc(t)的控制，控制电压使 vco 输出频率向输入 信号频率靠拢，直至频差消失，相位锁定。 锁相环路（简称 pll）作为无线电信号的频率与相位实施控制的一种重要技术手 段，已在无线电技术的各个领域获得日益广泛的应用。用于制作精密测量仪器和通信 设备。随着集成电路技术的发展出现了集成的环路部件、通用单片集成锁相环路以及 专用集成锁相环路。作为成本低、实用简便的多功能组件，普遍应用于调制解调、频 率合成、载波同步、位同步、窄带跟踪滤波等。 ( )( ) vooo tk u t 19 3 电路设计与 pcb 设计 3.1 软件介绍及使用 该电路的设计采用的是 protel99se 软件。protel99se 软件是 protel 公司近 10 年来 致力于 windows 平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据， 以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的 protel 最新产品已不是单 纯的 pcb（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以 pcb 为核心的整个 物理设计。 最新版本的 protel 软件可以毫无障碍地读 orcad、pads、accel(pcad)等知名 eda 公司 设计文件，以便用户顺利过渡到新的 eda 平台。 protel99 se 共分 5 个模块，分别是原理图设计、pcb 设计（包含信号完整性分析） 、 自动布线器、原理图混合信号仿真、pld 设计。以下介绍一些 protel99se 的部分最新 功能： 可生成 30 多种格式的电气连接网络表； 强大的全局编辑功能； 在原理图中选择一级器件，pcb 中同样的器件也将被选中； 同时运行原理图和 pcb，在打开的原理图和 pcb 图间允许双向交叉查找元器件、 引脚、网络 既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到 pcb） ，也可以进行反向注释（由 pcb 到原理图） ，以保持电气原理图和 pcb 在设计上的一致性； 20 满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，gb4728 国标库） ； 方便易用的数模混合仿真（兼容 spice 3f5） ； 支持用 cupl 语言和原理图设计 pld，生成标准的 jed 下载文件； pcb 可设计 32 个信号层，16 个电源-地层和 16 个机加工层； 强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查； 智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺； 提供大量的工业化标准电路板做为设计模版； 放置汉字功能； 可以输入和输出 dxf、dwg 格式文件，实现和 autocad 等软件的数据交换； 智能封装导航（对于建立复杂的 pga、bga 封装很有用） ； 方便的打印预览功能，不用修改 pcb 文件就可以直接控制打印结果； 独特的 3d 显示可以在制板之前看到装配事物的效果； 强大的 cam 处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文 件、测试点报告等； 经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从 pcb 启动； 反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合； 专家导航帮您解决信号完整性问题。 3.1.1 新建设计数据库文件 在 windows 95/98 或 nt 界面下双击 protel 99se 图标，点击 file(文件)中 new 项，新建设计数据库。新建设计文件，有两种方式：一种为 ms access database 方式， 全部文件存储在单一的数据库中，同原来的 99 文件格式。另一种为 windows file system 方式，全部文件被直接保存在对话框底部指定的磁盘驱动器中的文件夹中，在 资源管理器中可以直接看到所建立的原理图或 pcb 文件。在 browse 选项中选取需要 21 存储的文件夹，然后点击 ok 即可建立自己的设计数据库。 图 3.1 protel 99se 新建设计数据库文件对话框 在设计数据库内组织按分层结构文件夹建立的文件。显示在右边的个人安全系统 设计数据库有一文件夹叫设计文件，这个文件夹中是主设计文件(原理图和 pcb)，还 有许多的子文件夹，包括了 pcb 装配文件、报告和仿真分析。这里对在设计数据库中 创建文件夹的分层深度没有限制。 3.1.2 原理图设计的一般步骤 电路原理图的设计过程可按图 3.2 所示的流程进行操作。 22 图 3.2 电路原理设计流程 1装载无器件库 protel 99se 摇篮有当前众多芯片厂商提供的种类齐全的元器件库，但不是每一个 元器件库在用户进电路设计时都必须使用。装载设计过程中所需元器件 到当前系统中， 以便在绘图时可以简单、快捷地查找和使用库中的元器件，提高设计的工作效率。 （2）在原理图纸上放置元器件 根据实际电路的需要，从装入的元器件库中选定所需的各种元器件，放置到已经 建立好的工作平面上，然后根据元器件之间的走线等联系，对元器件的序号、封装形 式和显示状态等进行定义和设置，为下一步的布线工作打好基础。 （3）布线 23 将放置好的元器件各管脚用具有电气意义的导线、网络标号等连接来，使各元器 件之间具有用户设计的电气连接。 （4）检查、调整、修改 利用 protel 99se 系统提供的各种功能强大的校验工具，根据设计规对所绘制的原 理图进行检查，并做进一步的调整和修改，以确保原理图设计准确无误。当然，还可 以在原理图上添加一些相关的说明、标注和修饰，提高原理图的可读性。 3.1.3 生成网络表 打开 lcd controller.ddb 设计数据库，点取 lcd controller 文件夹下的 lcd controller.prj 原理图设计窗口，protel99 se 可以帮助我们进行电气规则检查。选 择 tools 下面的 erc，在“rule matrix”种选择要进行电气检查的项目，设置好各项 后，在“setup electrical rlues check”对话框上选择“ok”即可运行电气规则检 查，检查结果将被显示到界面上。当我们设计好原理图，在进行了 erc 电气规则检查 正确无误后，就要生成网络表，为 pcb 布线做准备。网表生成非常容易，只要在 “design”下选取“create netlist”对话框，设置为那种格式的网络表。网表生成 后，就可以进行 pcb 设计了。 3.1.4 pcb 设计 得到印制电路板是设计工作者的最终目的，protel 99 se 也在 pcb 的设计环境中 为用户提供了很多有用的工具。制板的过程主要包括布局和布线两个步骤。protel 99 se 提供了多种自动布局的方式，用户可以根据实际情况选用，也可以手工布局。布线 的方式更加灵活，自动布线有多种拓扑规则，用户可以用手动和自动相结合的方式进 行布线，用手工方式排布较重要的连线，用自动方式完成其他连线，最后再用手工方 式进行调整。 在设计 pcb 的过程中，经常会碰到在 protel 99 se 原有的封装库中没有所用的元 器件封装的情况，其解决方法与设计电路原理图时相同，即新建 pcb 库文件，然后在 pcb 库文件中新建封装形式或者编辑