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3g通信基站对于航天测控频段的影响及消除方法研究
摘 要：按照统一测控频段规定，航天器测控频段为s频段，与3g通信频段相邻，对卫星地面站接收信号有干扰，严重的会导致s频段不可用。其原因在于3g通信信号的频段与卫星地面站s频段间存在频率距离过近甚至重叠的现象。这会导致卫星地面站s频段的前端放大器出现饱和，致使卫星的对地信号无法进入接收系统。
【关键词】s频段 3g通信 电磁干扰 误码率
1 研究的背景和意义
众所周知，随着信息化进程的不断推进，人们已经越来越不满足于现有gsm/cdma网络以窄带方式提供的单一语音服务。而3g通信系统具有提供更大的系统容量和更灵活的高速率、多速率数据传输的能力，除了语音和数据传输外，还能传送高达2mbit/s的高质量的活动图像，真正实现“任何人，在任何地点、任何时间与任何人”都能便利通信这个目标。所以，3g在全球得到了快速的发展，一部分国家已经迈入了3g通信时代，在该趋势下，越来越多的3g通信基站将会被建立。但是，卫星地面站的s频段接收工作频率为2200～2300mhz，3g移动通信的下行频率2110～2170mhz，与s频段接收频率仅间隔30mhz。3g通信信号对卫星地面站s频段信号接收存在电磁频段干扰。这就使得遥感卫星地面站附近的3g通信基站工作时对地面站接收卫星数据造成巨大的影响。情况严重时甚至会导致地面站的s频段不可用，致使地面站无法对卫星的进行测控。如，我国三亚遥感卫星地面站受3g通信基站的影响，s频段无法工作。如果由于3g基站的设立而造成航天测控任务失败，有可能造成巨大的经济损失。从促进我国信息化产业的发展的角度看，遥感卫星地面站和3g移动通信都很重要，如何减少3g通信基站对于航天测控频段的影响，使得二者能够“和平共处、相互促进”就成为了一个急待解决的问题。
2 遥感卫星地面站
2.1 工作原理
遥感卫星地面站主要完成对在太阳同步轨道上运行的遥感卫星捕获、跟踪、实时接收、记录下行的遥感数据及遥测数据，针对不同的遥感卫星载荷完成遥感数据的快视成像及显示，通过指定的方式输出、存储遥感原始数据和遥测数据。
地面站设备系统主要包括天伺馈分系统、跟踪接收分系统、接收和处理分系统、数据记录与快视分系统、监控与管理分系统、测试标校分系统、时频分系统以及技术保障分系统等部分。地面站执行一次卫星过境接收任务前，首先由监控管理分系统根据卫星星历数据计算并控制天线指向卫星出现的方位，并控制天线完成方位和俯仰预置或进行空域搜索;当卫星进入地面站天线主波束范围时，接收机捕获信号，然后天线的跟踪伺服系统闭环，对卫星进行角度跟踪。为得到较大的跟踪捕获范围，系统可以先采用s波段跟踪系统进行宽波束引导，并由s波跟踪设备的fft对信号进行快速频率捕获;然后天线的跟踪伺服系统闭环，对卫星进行角度跟踪。当s波段跟踪系统已可靠的完成对卫星的捕获跟踪后，再由acu切换到x波段跟踪设备，使天线对卫星精确跟踪。同时，系统进入遥感数据接收状态。
x波段和s波段跟踪信号变频为70mhz中频信号，跟踪接收机收到并锁定下行信号后，送出agc电压指示和角跟踪误差电压给天线控制单元，使伺服回路闭环，实现对天线驱动轴的控制，完成角跟踪，并输出测角数据。
卫星的两路下行数传信号经天线进入馈源，再经场放和下变频器，变成1200mhz中频信号进入中频切换单元;该中频信号经中频分配单元分别送给两个解调器完成qpsk或bpsk解调，并输出i、q之路的数据流和时钟信号;这些信号经基带数据分配单元送给数据记录及快视分系统，完成遥感数据的实时记录及快视。
2.2 地面站选址及建筑设计要点
(1)选址应远离市区，避免高大障碍物遮挡和电波干扰。天线主波束的方向必须避开居民点，以防天线产生的高频电波影响人体健康。站址地基条件要好。
(2)总体布局一般由天线和中央控制室以及仪表测试室等组成主体建筑。主体建筑、辅助用房和生活用房均按功能分区布置。如1973年建成的上海国际卫星通信地面站，将主体建筑布置在场地后部中央地段，辅助用房和生活用房布置在两翼。
(3)天线基础设计要求严格，地基要有足够刚度。有不少地面站的天线基础直接设在天然岩石地基上，以保证使用上的高精度要求。
(4)中央控制室需设空调，一般室温要求冬季在20℃以上，夏季低于25℃;相对湿度不大于70%。中央控制室要作隔振和吸声处理，以免空调系统影响通信设备。
(5)供电设计可靠性要求高，除具备两路外线电源和一路备用电源外，还要有自动切换装置或确保交流电不间断的电源设备。
3 仿真分析
为了分析3g信号对于航天测控数据的影响，我们建立了基带链路仿真分析平台，对于天线同时接收到的航天测控数据和3g数据进行仿真分析，研究其对航天测控数据误码率的影响。
通过该仿真分析，研究解调后的数据误码率受3g信号影响的程度，以确定进入天线口面的3g信号强度的上限。使用simulink作为仿真工具，开展研究工作。
3.1 3g信号干扰仿真
按照图1仿真模块进行仿真。
根据仿真我们得到表1中的数据结果。通过分析上述表1实验结果我们得到：当eb/n0 ≥7时，误码率为恒定值0.008758。此时，前端低噪放不饱和，3g信号对地面站接收信号的干扰无影响，误码率没有发生变化。通过仿真分析，可以得知，落到带内的3g信号的谐波部分对于采用qpsk调制和rs编码的航天测控数据误码率影响影响甚微，可以认为，只要前端放大器不饱和，进入s频段3g信号对于航天测控数据误码率无影响。因此，只要保证3g信号强度不使前端低噪放饱和，就不会对地面站接收航天测控数据造成影响。
3.2 干扰计算
卫星地面站的s频段接收工作频率为2200mhz～2300mhz，联通wcdma下行频率为2130～2145mhz，与s频段接收频率仅间隔55mhz。卫星地面站的接收最低仰角为3°，该基站的高度文件说是30米，与我方接收天线存在约10米高差，基站发射的信号不会被卫星地面站天线的波束主瓣接收，但旁瓣可以收到。 天线第一副瓣的增益比主瓣低15db(约为30.5db);卫星地面站天线为圆极化接收天线，联通的信号为垂直极化信号，用圆极化天线接收垂直极化天线的极化隔离为3db;低噪放前采用了预选滤波器对2145mhz的信号进行抑制，但该措施会导致系统s频段g/t值的恶化，折中考虑后，在低噪放前端增加了40db抑制度的滤波器(损耗0.4db)。
卫星接收信道前端采用的s频段低噪放增益为60db，p-1(1db压缩点)为10dbm，接收到的wcdma信号在lna入口不能高于-50dbm，否则会引起lna饱和，对接收性能造成恶化。等效到天线入口的信号强度不能超过-50+40+3-30.5=-37.5dbm，即基站的信号经过空间损耗传播后，在天线口面其信号强度不能超过-37.5dbm。因此，要求基站发射的信号空间损耗不小于68.7+37.5=106.2db。
根据电磁波的自由空间损耗计算公式，(距离较近，忽略大气损耗和地物遮挡)：l=32.44+20lgr(km)+20lgf(mhz)
计算可知，当r≥2.27km时，卫星地面站s频段前端lna不会出现饱和。
4 结论
为了降低3g基站通信信号对卫星地面站s频段信号接收的影响，可以采取以下措施：
(1)在卫星地面接收站周围的一定区域内禁止修建移动通信基站;
(2)在卫星地面接收站设备中采用高性能的预选滤波器对3g通信的信号进行抑制。
参考文献
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作者单位
测绘遥感信息工程国家重点实验室 湖北省武汉市 430040
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某航天产品fpga通信电路故障的解决方法
摘 要 某航天产品内部脉冲发生器部套主要实现根据主机发送的脉冲参数指令产生相应脉冲波形的功能。原脉冲发生器的工作原理是内部单片机电路接收主机的脉冲参数指令，并发送给内部fpga电路，fpga电路解析出脉冲参数，产生相应的脉冲波形。在某次试验过程中，该产品出现了脉冲时序不稳定的现象。本文从设计原理入手，剖析了故障原因，并详细介绍了一种提高脉冲发生器可靠性的设计方法。
【关键词】fpga 可靠性设计
脉冲发生器是某航天产品的核心部件，脉冲发生器能否稳定产生正确的脉冲，直接影响产品性能。
在某次试验过程中，该产品出现了脉冲时序不稳定的现象。经过分析、研究、试验最终发现了问题的原因，确定了有效的解决方案，提出了一种提高脉冲发生器可靠性的设计方法。
本文从脉冲发生器设计原理进行剖析，说明原设计存在的问题，详细介绍优化后的设计原理和设计实现，可作为同类型设计的参考。
1 脉冲发生器工作原理
脉冲发生器接收主机发送的rs-232串口通信指令数据，经过数据解析得到脉冲参数，并产生相应的脉冲波形。脉冲发生器功能框图如图1所示。
2 原脉冲发生器设计原理
原脉冲发生器设计原理如图2所示。
2.1 主机向单片机发送脉冲参数数据帧
主机以rs232串口通信方式将脉冲参数数据帧发送给脉冲发生器中的单片机(mcu)，单片机将接收到的数据保存在内部ram存储器中。
2.2 单片机向fpga发送脉冲参数数据帧
当接收完一帧数据后，单片机将数据原样写入fpga内部双端口ram。单片机工作频率为11.0592mhz，单片机以11.0592mhz的刷新速率对fpga内部双端口ram地址总线和数据总线进行数据更新;fpga工作频率为100mhz，fpga内部双端口ram以100mhz的采样速率读取地址总线和数据总线上的数据，并将采样数据写入ram相应存储单元内。
2.3 fpga解析脉冲参数，生成脉冲波形
单片机向fpga发送完一帧数据后，向fpga发送“写完成”信号，fpga收到“写完成”信号后，读取内部双端口ram中的数据，进行数据解析得到脉冲参数，生成相应的脉冲波形。
3 原设计存在的问题
单片机对fpga内部双端口ram地址总线和数据总线刷新速率为11.0592mhz，双端口ram对地址总线和数据总线的采样速率为100mhz，fpga内部双端口ram的写操作频率和读操作频率为异步频率，存在跨时钟域问题，如图3所示。
eda设计中，稳定可靠的数据采样必须遵从以下两个基本原则：
(1)在有效时钟沿到达前，数据输入至少已经稳定了采样寄存器的setup时间之久，这条原则简称满足setup时间原则;
(2)在有效时钟沿到达后，数据输入至少还将稳定保持采样寄存器的hold时间之久，这条原则简称满足hold时间原则。
当触发器的setup时间或者hold时间不满足，比如触发器时钟沿在数据变化沿口时，就可能产生亚稳态，此时触发器输出端q在有效时钟沿之后比较长的一段时间内处于不确定的状态，在这段时间内q端产生毛刺并不断振荡，最终固定在某一电压值，此电压值并不一定等于原来数据输入端d的数值，这段时间称为决断时间(resolution time)。经过resolution time之后q端将稳定到0或1上，但究竟是0还是1，这是随机的，与输入没有必然的关系。亚稳态有可能会导致逻辑误判，如图4所示。
根据上述分析，由于fpga内部双端口ram数据输入时钟和数据采样时钟异步，当采样时钟偏离到数据的沿口时，最终可能对数据进行误判，造成fpga内部双端口ram存储数据出错，从而导致最终产生的脉冲波形时序错误。
同时，原设计中将单片机作为中间桥梁实现主机与fpga之间rs232通信的设计方法不是常规的、成熟的、定型的设计方法，没有充分发挥fpga的功能，浪费了资源，使得rs232通信设计复杂化，降低了通信的可靠性。
4 脉冲发生器优化设计
针对原设计存在的不足，对脉冲发生器原设计方案进行优化。优化后的设计原理如图5所示。
如图5所示，优化后的脉冲发生器取消了单片机的使用，通过fpga实现rs232通信功能、脉冲参数解析功能和脉冲波形发生功能，达到了以下目的：
(1)取消单片机与fpga的通信，规避了异步时钟域导致的逻辑误判的技术风险。
(2)取消单片机后，脉冲发生器硬件电路得到简化，元器件种类数量减少，提高了脉冲发生器的基本可靠性，降低了维修工作量和成本。
(3)取消单片机后，单片机嵌入式软件也随即取消，精简了脉冲发生器配套软件数量，减少了软件配置项维护的工作量，有利于软件研制过程中对技术状态的控制与管理。
4.1 基于fpga的rs232通信接口电路设计
基于fpga的rs232通信接口电路原理图如图6所示。
图6中max3232是rs232通信电平转换芯片，其工作电压为3v～5.5v，外部仅需4个0.1μf的电容就能实现rs232标准电平和fpga ttl电平之间的双向转换，在数据传输速率方面，max3232能够保证120kbps的波特率。ttl_in为fpga rs232通信发送信号，信号电平为3.3v;ttl_out为fpga的rs232通信接收信号，信号电平为3.3v信号。
4.2 基于fpga的rs232通信软件设计
4.2.1 rs232通信数据格式
rs232通信属于异步通信，异步通信数据传送的特点是同一字符内是同步的，而字符间是异步的，因此收发双方取得同步的方法，是字符格式中设置起始位(低电平)和停止位(高电平)。脉冲发生器rs232通信数据格式如图7所示。 脉冲发生器rs232通信每个字符包含10位数据，波特率为9.6kbps。起始位为逻辑“0”，表示一个字符传输开始。数据位紧接着起始位之后，共有8位，低位在前。停止位为逻辑“1”，表示一个字符传输结束。空闲位始终处于逻辑“1”状态，表示当前线路上无数据传输。
一组完整的脉冲参数数据帧包含38个字符，第1个字符为帧头，表示一帧数据传输开始，第38个字符为帧尾，表示一帧数据传输结束，中间36个字符为有效数据，解析后得到脉冲参数。
4.2.2 fpga实现rs232通信数据接收
fpga接收rs232数据的大致过程为：空闲状态，线路处于高电平;当检测到线路的下降沿时表示接收到字符起始位，按照9.6kbps的速率从低位到高位接收8位数据位。当接收到的字符为帧头时，开始接收36字符有效数据，当接收到的第38个字符是帧尾时，完成1组脉冲参数数据帧的接收。
(1)rs232接收数据采样时钟。为了提高数据采样的分辨能力和抗干扰能力，fpga对接收数据的采样频率设置为波特率的16倍(可以更高)，即1个字符的每1位采样16次，并且取每1位第8个采样点作为该位逻辑值的判决点。每个字符从检测到起始位下降沿开始，共采样160次。
fpga采样频率与16倍波特率可以存在一定的偏差，工程上常要求满足1%以下，能够保证不会因采样频率偏差的累计导致错位，并且字符每1位的判决点都能落在数据判决的有效位置。
由于fpga的工作主时钟频率为100mhz，按照上述原则，对主时钟进行651分频，作为rs232接收数据的采样时钟。
(2)单个字符接收。按照接收数据采样时钟频率对传输线上的数据进行采样，当检测到逻辑值由“1”变为“0”时，表明接收到字符起始位，计数器cnt1和字符接收标志置为“1”，之后每隔1个采样周期cnt1加1。字符接收标志为“1”时，说明正在接收字符，此时如果检测到逻辑值由“1”变为“0”时，不作响应。当cnt1的值为24时，采样值为d0;当cnt1的值为40时，采样值为d1;以此类推，当cnt1的值为136时，采样值为d7。当cnt1为152时，采样到停止位，此时将字符接收标志置为“0”，等待下一个字符出现。
(3)一帧数据接收。当单个字符接收完毕后，判断该字符是否为帧头，若为帧头，将计数器cnt2和帧接收标志置为“1”，之后不再判断帧头，每接收完一个字符，cnt2加1。当cnt2的值为38时，判断该字符是否为帧尾，若为帧尾，将帧接收标志置为“0”，等待下一帧数据，同时将接收到的有效数据字符送给后级脉冲参数解析功能模块。若不为帧尾，则该帧数据无效，将帧接收标志置为“0”后等待下一帧数据。
5 脉冲发生器优化设计验证
5.1 fpga软件验证
对优化后的fpga软件进行了以下验证工作：
(1)对软件rs232串口通信功能模块进行人工走查，通过人工走读的方式对软件编码规则和软件逻辑功能进行检查;
(2)对fpga软件进行仿真测试，通过modelsim仿真工具对软件rs232串口通信功能、性能以及串口通信功能模块与后级脉冲参数解析功能模块之间接口关系正确性进行测试;
(3)对fpga软件进行硬件确认测试，将软件固化在fpga中，在常温及高低温条件下，对脉冲发生器提供测试激励，通过示波器观察输出波形。
经测试，fpga软件rs232串口通信功能模块功能、性能符合设计要求;与脉冲参数解析功能模块之间接口关系正确;软件固化后，脉冲发生器功能正确，性能稳定;同时fpga资源使用率和时序关系满足相关余量要求。
5.2 脉冲发生器试验验证
优化后的脉冲发生器已跟随多个型号通过了高温、低温、振动等环境试验以及系统试验的考核，结果表明脉冲发生器功能正确、性能稳定，各项指标满足设计要求。
6 结论
本文通过对脉冲发生器设计原理进行分析，指出原设计存在的问题：跨时钟域采样可能导致的逻辑错误。针对问题，提出了一种提高脉冲发生器可靠性的设计并详细介绍了优化设计的硬件和软件实现方法。通过对fpga软件仿真测试、脉冲发生器单板确认测试以及整机试验的验证，证明该优化设计方法正确、有效，解决了原设计存在的技术风险，提高了脉冲发生器脉冲波形的正确性和稳定性。该优化设计可作为同类型设计的参考
参考文献
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作者单位
上海航天电子技术研究所 上海市 201109
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