创新思维与设计手机信号放大器实现报告 (组长：黄晶) 摘要：本报告主要阐述了在工程实践创新课程老师的启发下，探求发现的三个市场上存在的 且未能有效得到满足的需求。针对其中一个需求一一手机信号放大器，小组的设计方案以及 实现结果。 关键词：手机信号，噪声信号，滤波器，放大器。 1背景介绍 在信息时代，获取大量信息成为了人们日常生活的必须，为了随时随地获取信息，手机 已经是人们日常生活的必需品。尽管移动公司铺设了大量的基站以保证手机信号质量，仍然 常常百密一疏，人们时常还是会因为手机信号不好，接收不到重要电话或者重要短信而烦恼。 基于手机信号不尽如人意的情况时有发生，小组决定针对手机信号放大这项功能进行具 体的方案设计，并实现小组的设计方案。 2概念设计 2.1手机信号放大器简介 手机信号放大器，属于手机信号中继设备。能将手机信号有线接入，通过下行链路放大 后转接到室内，用于弥补手机基站的盲点：再将手机信号通过上行链路放大后传送到基站， 实现通话。 手机信号增强器属于同频放大设备。是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无 线电发射中转设备。基本功能就是一个射频信号功率增强器。在下行链路中，由施主天线现 有的覆盖区域中耦合信号。通过带通滤波器对带通外的噪声信号进行极好的隔离，将滤波后 的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域。在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台手机 的信号以同样的工作方式由上行放大链路处理后发射到相应基站，从而达到基地站与手机的 信号传递。 因此，手机信号放大器主要分为两大部分，带通滤波器部分和滤波后信号放大部分。 2.2设计方案功能图 设计方案功能图如图一所示：
创新思维与设计手机信号放大器实现报告 （组长：黄晶） 摘要：本报告主要阐述了在工程实践创新课程老师的启发下，探求发现的三个市场上存在的 且未能有效得到满足的需求。针对其中一个需求——手机信号放大器，小组的设计方案以及 实现结果。 关键词：手机信号，噪声信号，滤波器，放大器。 1 背景介绍 在信息时代，获取大量信息成为了人们日常生活的必须，为了随时随地获取信息，手机 已经是人们日常生活的必需品。尽管移动公司铺设了大量的基站以保证手机信号质量，仍然 常常百密一疏，人们时常还是会因为手机信号不好，接收不到重要电话或者重要短信而烦恼。 基于手机信号不尽如人意的情况时有发生，小组决定针对手机信号放大这项功能进行具 体的方案设计，并实现小组的设计方案。 2 概念设计 2.1 手机信号放大器简介 手机信号放大器，属于手机信号中继设备。能将手机信号有线接入，通过下行链路放大 后转接到室内，用于弥补手机基站的盲点；再将手机信号通过上行链路放大后传送到基站， 实现通话。 手机信号增强器属于同频放大设备。是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无 线电发射中转设备。基本功能就是一个射频信号功率增强器。在下行链路中，由施主天线现 有的覆盖区域中耦合信号。通过带通滤波器对带通外的噪声信号进行极好的隔离，将滤波后 的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域。在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台手机 的信号以同样的工作方式由上行放大链路处理后发射到相应基站，从而达到基地站与手机的 信号传递。 因此，手机信号放大器主要分为两大部分，带通滤波器部分和滤波后信号放大部分。 2.2 设计方案功能图 设计方案功能图如图一所示：
电能， 正负5伏 电源， 手机信号 带通滤波器 运算放大器电路 滤波后 放大信号 噪声信号 信号 图1手机信号放大器功能图 2.3子功能及解决方案 小组设计的手机信号放大器主要有两个子功能，滤除部分的通带外干扰噪声信号功能和 将滤波后的信号强度进行放大的功能。下面将分别对两功能的解决方案进行讨论。 2.3.1带通滤波器 带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备，一个理想的带通滤 波器应该有一个完全平坦的通带，在通带内没有放大或者衰减，并且在通带之外所有频率都 被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。但实际上，并不存在理想的带 通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带 外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好， 这样滤波器的性能就与设计更加接近。但又鉴于阶数越高的滤波器实现起来的电路越复杂的 限制条件，我们小组选择了一个较为折衷的方案一一采用二阶带通滤波器，理论上的通带外 衰减可以达到40dB每十倍频。 带通滤波器的具体实现方案主要有有源和无源两种。 无源滤波器结构简单，实现方便，成本也较低廉。但是滤波效果和滤波的稳定性却不够 好，尤其是在高频段的表现较差。 有源滤波器输出波形稳定，在低中高频段的滤波效果都不错。只是要运用集成芯片，成 本比无源的稍高。 基于无源和有源的滤波器特点，小组决定采用二阶有源滤波器作为实现方案。 有源二阶带通滤波器结构如图二所示：
图 1 手机信号放大器功能图 2.3 子功能及解决方案 小组设计的手机信号放大器主要有两个子功能，滤除部分的通带外干扰噪声信号功能和 将滤波后的信号强度进行放大的功能。下面将分别对两功能的解决方案进行讨论。 2.3.1 带通滤波器 带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备，一个理想的带通滤 波器应该有一个完全平坦的通带，在通带内没有放大或者衰减，并且在通带之外所有频率都 被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。但实际上，并不存在理想的带 通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带 外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好， 这样滤波器的性能就与设计更加接近。但又鉴于阶数越高的滤波器实现起来的电路越复杂的 限制条件，我们小组选择了一个较为折衷的方案——采用二阶带通滤波器，理论上的通带外 衰减可以达到 40dB 每十倍频。 带通滤波器的具体实现方案主要有有源和无源两种。 无源滤波器结构简单，实现方便，成本也较低廉。但是滤波效果和滤波的稳定性却不够 好，尤其是在高频段的表现较差。 有源滤波器输出波形稳定，在低中高频段的滤波效果都不错。只是要运用集成芯片，成 本比无源的稍高。 基于无源和有源的滤波器特点，小组决定采用二阶有源滤波器作为实现方案。 有源二阶带通滤波器结构如图二所示：
A Portl LM358P UIB LM358P Port2 22KC1二 1000pF 图2有源二阶滤波器电路结构 2.3.2运算放大器电路 经过滤波器滤波后，通带外的噪声信号得到了抑制，这时再将滤波信号进行放大可以有 效减小在放大手机信号的同时也放大了噪声干扰信号的情况。从而使得最终得到的输出信号 的信噪比可以高于干扰较大的输入信号的信噪比。 常用的放大电路有三极管放大电路和运算放大器放大电路等。 三极管放大电路由于开发较早，虽然制造简单，价格便宜，但半导体特性受环境温度和 湿度变化影响较大，在现在的集成电路中已经很少使用。 运算放大器作为较小规模的集成芯片，在现代电路中因其很好的稳定性和较高的放大倍 数而得到广泛的使用。 因此我们小组采用运算放大器作为信号放大部分的实现方案。考虑到放大倍数过大可能 会影响电路性能，且电路的负荷和功率也会较大，小组最终拟定为放大倍数控制在4倍左右。 运算放大电路结构如图3所示： 40 BL NC IN. VCC OK NN+ OUT vcc BL UA741 图3运算放大器电路结构
图 2 有源二阶滤波器电路结构 2.3.2 运算放大器电路 经过滤波器滤波后，通带外的噪声信号得到了抑制，这时再将滤波信号进行放大可以有 效减小在放大手机信号的同时也放大了噪声干扰信号的情况。从而使得最终得到的输出信号 的信噪比可以高于干扰较大的输入信号的信噪比。 常用的放大电路有三极管放大电路和运算放大器放大电路等。 三极管放大电路由于开发较早，虽然制造简单，价格便宜，但半导体特性受环境温度和 湿度变化影响较大，在现在的集成电路中已经很少使用。 运算放大器作为较小规模的集成芯片，在现代电路中因其很好的稳定性和较高的放大倍 数而得到广泛的使用。 因此我们小组采用运算放大器作为信号放大部分的实现方案。考虑到放大倍数过大可能 会影响电路性能，且电路的负荷和功率也会较大，小组最终拟定为放大倍数控制在 4 倍左右。 运算放大电路结构如图 3 所示： 图 3 运算放大器电路结构
3实现效果 最终作品实物电路如图4所示： 图4作品实物图 小组在实验室的调试场景如图5所示： 8 图5实验室调试 针对带通滤波器性能的测试，小组用实验室的信号源产生不同频率下，峰一峰值为 100mV的正弦信号，用示波器观测输出波形的频率和峰一峰值，从而得到了一些频率与输 出幅值的对应关系。 实际测量中读数如图6所示：
3 实现效果 最终作品实物电路如图 4 所示： 图 4 作品实物图 小组在实验室的调试场景如图 5 所示： 图 5 实验室调试 针对带通滤波器性能的测试，小组用实验室的信号源产生不同频率下，峰—峰值为 100mV 的正弦信号，用示波器观测输出波形的频率和峰—峰值，从而得到了一些频率与输 出幅值的对应关系。 实际测量中读数如图 6 所示：
图6测量读数 经过多个点测量后我们将得到的一些数据整理并作图，得到了如图7所示的大致的输出 波形的幅频特性曲线。 E 220 200 180 160 140 今5 120 100 80 60 40 20 100000 200000 300000 400000 500000 frequency(Hz) 图7幅频特性曲线 由图7可知，对于输入峰一峰值100mV的正弦信号波形，在10KHz左右可以达到峰一 峰值210mV左右，这与设计的放大4倍还有些差距，具体原因会在之后的分析给出。从图 中还可以看出，频率在3KHz以下和20KHz以上时，波形幅值衰减都达到了最大输出信号幅 值的一半以上，即通带外噪声信号得到了一定的抑制。 小组又将两个信号源同时输出，一个模拟正常手机信号，另外一个模拟高频噪声干扰信 号。叠加后的信号波形如图8所示：
图 6 测量读数 经过多个点测量后我们将得到的一些数据整理并作图，得到了如图 7 所示的大致的输出 波形的幅频特性曲线。 图 7 幅频特性曲线 由图 7 可知，对于输入峰—峰值 100mV 的正弦信号波形，在 10KHz 左右可以达到峰— 峰值 210mV 左右，这与设计的放大 4 倍还有些差距，具体原因会在之后的分析给出。从图 中还可以看出，频率在 3KHz 以下和 20KHz 以上时，波形幅值衰减都达到了最大输出信号幅 值的一半以上，即通带外噪声信号得到了一定的抑制。 小组又将两个信号源同时输出，一个模拟正常手机信号，另外一个模拟高频噪声干扰信 号。叠加后的信号波形如图 8 所示：
50012 0.0s 10.00/自动 8888 通道2菜单 做调 倒置 柜抗 带完限制 直流DC 1M Ohm 图8模拟噪声信号与模拟手机信号叠加波形 从图8中我们可以发现模拟手机信号出现了明显的抖动，从而干扰了接收信号的效果。 通过电路后的输出波形如图9所示： Agilent Tecknologies InfiniiVison MS0-X3024A 200MH 15012 4 00s 10.00/自动 13.009 来Agilent 标摸式 4.006Sa4 10.01 1001 1001 光标 +20.200000 IAX: +49505地 Y +180.75ml 请道2菜单 商度模制 1M Ohm 图9通过电路后波形 从图9中可以看出，模拟噪声信号和模拟手机信号的叠加波形要比通过电路之前稳定一 些。由于并不是锐截止的滤波器，即通带外噪声仍然有一定幅值通过电路，故输出波形仍然
图 8 模拟噪声信号与模拟手机信号叠加波形 从图 8 中我们可以发现模拟手机信号出现了明显的抖动，从而干扰了接收信号的效果。 通过电路后的输出波形如图 9 所示： 图 9 通过电路后波形 从图 9 中可以看出，模拟噪声信号和模拟手机信号的叠加波形要比通过电路之前稳定一 些。由于并不是锐截止的滤波器，即通带外噪声仍然有一定幅值通过电路，故输出波形仍然
有小幅抖动，并且相比起输入波形已经得到了一定的改善。 并且放大倍数也由输入信号的峰一峰值100mM提高到了峰一峰值180mV。(输入波形峰 一峰值可由信号源发生器读取，在撰写报告时才发现由于手机像素原因无法看清之前拍的实 验室场景图信号源读数，导致在此无法说明输入信号峰一峰值，是组长我的个人疏忽，望老 师可以从轻发落) 4存在问题与改进措施 小组设计手机信号放大器只是在理论上达到了滤出通带外噪声信号，并将最终输出信号 放大的功能，并没有得到实际的验证，主要原因有如下： 实验中使用的芯片是在学校器材室购买的，由于芯片性能的关系使得当波形频率超过 3MHz时，芯片就无法正常工作了，这与实际通话载波频率950MHz-960MHz还相距甚远。 听取了老师的指导意见后在淘宝购买了性能很好的芯片，却又发现实验室的信号源只能 发出最高30Mz的正弦波形，使得我们仍然无法真实的通话信道环境。尽管后面采用了单 片机进行信号模拟，但仍然没有找到实际测试的环境。这也为电路能否在真实的通话环境下 放大手机信号埋下了隐患。 除此以外，电路也有一些需要改进的地方： 1 电路为加装电源部分，需要使用实验室的正负5V电源给芯片供电才可以工作， 可以为电路加装电源以提高电路的便携性。 2、 电路使用耳机接口将信号输出给手机，老师提议能否做成无线的形式，在去除 耳机接口后，发现输出的信号有可能被接收天线再此接收，从而造成信号的二 次干扰。 实际放大倍数未达到理论值，可能和两部分电路的即生电阻电容有关。但这放 大倍数还应通过实际测试并调试才能确定一个较适合的倍数。 5人员分工 黄晶（组长）：电路设计，电路制作，电路调试，报告撰写。 王学范：电路制作，电路调试。 赵航：电路制作，电路调试。 李金阳：电路制作，电路调试。 李明良：。 备注：由于涉及较多专业知识，而组员都为大一成员，故组员主要参与电路制作和调试工作。 6参考文献 [1]百度文库，滤波器设计[EB/OL. http://wenku.baidu.com/view/cd2b7f3887c24028915fc3b4.html,2012 [2]陈洪亮.电路基础[M.:高等教育出版社，2008
有小幅抖动，并且相比起输入波形已经得到了一定的改善。 并且放大倍数也由输入信号的峰—峰值 100mV 提高到了峰—峰值 180mV。（输入波形峰 —峰值可由信号源发生器读取，在撰写报告时才发现由于手机像素原因无法看清之前拍的实 验室场景图信号源读数，导致在此无法说明输入信号峰—峰值，是组长我的个人疏忽，望老 师可以从轻发落） 4 存在问题与改进措施 小组设计手机信号放大器只是在理论上达到了滤出通带外噪声信号，并将最终输出信号 放大的功能，并没有得到实际的验证，主要原因有如下： 实验中使用的芯片是在学校器材室购买的，由于芯片性能的关系使得当波形频率超过 3MHz 时，芯片就无法正常工作了，这与实际通话载波频率 950MHz-960MHz 还相距甚远。 听取了老师的指导意见后在淘宝购买了性能很好的芯片，却又发现实验室的信号源只能 发出最高 30MHz 的正弦波形，使得我们仍然无法真实的通话信道环境。尽管后面采用了单 片机进行信号模拟，但仍然没有找到实际测试的环境。这也为电路能否在真实的通话环境下 放大手机信号埋下了隐患。 除此以外，电路也有一些需要改进的地方： 1、 电路为加装电源部分，需要使用实验室的正负 5V 电源给芯片供电才可以工作， 可以为电路加装电源以提高电路的便携性。 2、 电路使用耳机接口将信号输出给手机，老师提议能否做成无线的形式，在去除 耳机接口后，发现输出的信号有可能被接收天线再此接收，从而造成信号的二 次干扰。 3、 实际放大倍数未达到理论值，可能和两部分电路的即生电阻电容有关。但这放 大倍数还应通过实际测试并调试才能确定一个较适合的倍数。 5 人员分工 黄晶（组长）：电路设计，电路制作，电路调试，报告撰写。 王学范：电路制作，电路调试。 赵航：电路制作，电路调试。 李金阳：电路制作，电路调试。 李明良：。 备注：由于涉及较多专业知识，而组员都为大一成员，故组员主要参与电路制作和调试工作。 6 参考文献 [1] 百度文库，滤波器设计[EB/OL]. http://wenku.baidu.com/view/cd2b7f3887c24028915fc3b4.html, 2012 [2] 陈洪亮. 电路基础[M]. :高等教育出版社, 2008