星內(nèi)LED無(wú)線光通信技術(shù)

賈文遠(yuǎn)，杜 蓉

（1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京 100190）

星內(nèi)LED無(wú)線光通信技術(shù)

賈文遠(yuǎn)1，2，杜 蓉1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京 100190）

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，通信技術(shù)突飛猛進(jìn)地發(fā)展起來(lái)，而航天領(lǐng)域的星內(nèi)無(wú)線光通信也越來(lái)越受到普遍關(guān)注。本文針對(duì)近幾年星內(nèi)無(wú)線光通信的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，通過(guò)簡(jiǎn)要的描述星內(nèi)無(wú)線光通信系統(tǒng)的模型，并和傳統(tǒng)無(wú)線光通信進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出星內(nèi)無(wú)線光通信中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括關(guān)鍵器件的選型，無(wú)線光通信收發(fā)技術(shù)。本文還根據(jù)星內(nèi)無(wú)線光通信的實(shí)際發(fā)展情況，得出其廣闊的應(yīng)用前景。

LED；無(wú)線光通信；航天領(lǐng)域，應(yīng)用

光通信分為有線光通信和無(wú)線光通信。有線光通信即光纖通信是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的主要傳輸手段，具有通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。而無(wú)線光通信最初應(yīng)用并不是很廣泛。無(wú)線光通信是用無(wú)線傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導(dǎo)線，在空氣中即可傳輸信號(hào)，解決了很多不宜架設(shè)傳統(tǒng)傳輸線路的特殊環(huán)境下的通信難題，以靈活簡(jiǎn)便的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，作為有線光通信的補(bǔ)充，在通信領(lǐng)域取得了較好的發(fā)展。

尤其，在對(duì)衛(wèi)星重量和體積要求十分苛刻的環(huán)境下，無(wú)線光通信能夠代替繁重的有線電纜，在保證高可靠性的前提下，降低了衛(wèi)星的重量，在航天領(lǐng)域中具有十分重要的意義。

1 星內(nèi)無(wú)線光通信系統(tǒng)的基本原理

1.1 傳統(tǒng)無(wú)線光通信系統(tǒng)模型分析

光無(wú)線通信一般是以大氣為傳輸介質(zhì)進(jìn)行光電和電光的信息轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)模型主要由光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)以及傳輸信息的信道（即光路系統(tǒng)）。光無(wú)線通信一般要求光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)之間構(gòu)成無(wú)遮擋的光學(xué)路徑，并達(dá)到一定的發(fā)射功率就能實(shí)現(xiàn)完整的光無(wú)線通信。因此，光無(wú)線通信需要發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，屬于全雙工通信[1]。

光發(fā)射系統(tǒng)主要對(duì)電信號(hào)進(jìn)行編碼調(diào)制，并由激光器驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)激光器進(jìn)行光信號(hào)的發(fā)射。電信號(hào)調(diào)制的方式有很多，比如常用的開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制、脈沖位置調(diào)制、差分脈沖位置調(diào)制等。光信號(hào)通過(guò)大氣信道進(jìn)行傳輸，光接收系統(tǒng)主要對(duì)光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，將接收到的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行后級(jí)放大濾波處理和解調(diào)恢復(fù)，最終得到原始的電信號(hào)。

1.2 星內(nèi)無(wú)線光通信系統(tǒng)原理分析

由于無(wú)線光通信不需要繁雜的線纜作為傳輸路徑這一優(yōu)勢(shì)，最初多應(yīng)用于在軍事。和地面的無(wú)線光通信相比，星內(nèi)無(wú)線光通信的傳輸環(huán)境更為封閉，多采用漫反射的形式進(jìn)行傳輸。因此，在星內(nèi)無(wú)線光通信系統(tǒng)的在軌試驗(yàn)應(yīng)特別注意關(guān)鍵器件（LED、PD）的選型、電路功耗是否滿足星內(nèi)衛(wèi)星的使用要求。

星內(nèi)無(wú)線光通信系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由單片機(jī)作為主控電路，由CAN控制器將單片機(jī)的信號(hào)發(fā)送給FPGA，經(jīng)過(guò)FPGA調(diào)制的脈沖信號(hào)，通過(guò)LED發(fā)射模塊發(fā)射出光信號(hào)，經(jīng)過(guò)大氣信道，由PD接收模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由FPGA的解調(diào)，恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)，最終發(fā)送回單片機(jī)中進(jìn)行處理。

圖1 星內(nèi)無(wú)線光通信系統(tǒng)框圖

2 星內(nèi)無(wú)線光通信的發(fā)展

2.1 國(guó)外星內(nèi)無(wú)線光通信的發(fā)展

自上世紀(jì)90年代末OWLS（Optical Wireless Links）的概念[2]提出起，星內(nèi)無(wú)線光通信就逐漸發(fā)展起來(lái)。其中，在以歐空局ESA和NASA為主的大量研究后，星內(nèi)無(wú)線光通信技術(shù)逐漸走向成熟[3]。

1986 年，NASA進(jìn)行了紅外光無(wú)線語(yǔ)音傳輸試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了通用的2 Mbps的數(shù)據(jù)通信。

2004 年，西班牙和法國(guó)聯(lián)合發(fā)射了應(yīng)用光無(wú)線通信技術(shù)衛(wèi)星（NANOSAT-01）[4]，光源采用了接收面積為5 mm2，探測(cè)靈敏度為700 nW/cm2，功率峰值為15 mW的紅外光進(jìn)行信號(hào)傳輸。該衛(wèi)星采用SPI總線通信方式，調(diào)制方式為ASK調(diào)制，誤碼率可達(dá)10-4，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到200 Kbps時(shí)，誤碼率可達(dá)10-8，首次驗(yàn)證了星內(nèi)無(wú)線光通信的在軌可行性。

2007 年，ESA發(fā)射了FONTON-03試驗(yàn)衛(wèi)星，光源采用了接收面積為178 mm2，探測(cè)器靈敏度為20 nW/cm2，功率峰值為150 mW，光譜為950 nm的光源進(jìn)行信號(hào)傳輸。該衛(wèi)星采用CAN總線通信方式，存在自動(dòng)檢錯(cuò)功能，可實(shí)現(xiàn)零誤碼率，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)62.5 kbps。該試驗(yàn)衛(wèi)星驗(yàn)證了星內(nèi)無(wú)線CAN總線的在軌可行性。

2010 年，INTA又發(fā)射了OPTOS全光通信試驗(yàn)衛(wèi)星，光源采用光譜為950 nm的紅外光，使用光無(wú)線通信鏈路搭建了整個(gè)全光通信試驗(yàn)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，所有傳輸單元之間的通信均為CAN總線連接，通訊速率為125 kbps，更加驗(yàn)證了OWLS的可行性。

全球海運(yùn)業(yè)規(guī)模化的發(fā)展既增加港口方自身的發(fā)展壓力，同時(shí)又加劇港口間的競(jìng)爭(zhēng)矛盾，為此，港口方也在不斷進(jìn)行資源整合以提升其競(jìng)爭(zhēng)力。這種趨勢(shì)使得全球主干航線更加集中于某些核心樞紐港，增大港口的資源和環(huán)境壓力。

2.2 國(guó)內(nèi)星內(nèi)無(wú)線光通信的發(fā)展

在2000年后，國(guó)內(nèi)的很多研究所及高校，如中科院微電子所、大連理工大學(xué)、上海微小衛(wèi)星工程中心等陸續(xù)開(kāi)展了對(duì)星內(nèi)光無(wú)線通信的研究，并應(yīng)用在軍事中。

2010 年，大連理工大學(xué)成功利用紅外發(fā)光二極管與PIN型接收面積較大的光電二極管構(gòu)建起了完整的紅外通信網(wǎng)絡(luò)[5]。2013年，又使用結(jié)合紅外發(fā)光二極管和光電二極管、單片機(jī)和單片機(jī)控制器SJA1000T，搭建了光無(wú)線CAN總線通信鏈路。最終采用650-950 nm的LED（型號(hào)為HE8812SG）紅外光，型號(hào)為S5106的探測(cè)器，使用直接光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的接收系統(tǒng)，搭建了基于LED無(wú)線CAN總線通信系統(tǒng)，采用非歸零開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制方式，當(dāng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信距離為100 cm時(shí)，最大通信速率為200 Kbps，實(shí)現(xiàn)了星內(nèi)無(wú)線CAN總線的小型化研究[6]。

上海微小衛(wèi)星工程中心采用直接紅外收發(fā)模塊，提出了一種星內(nèi)光無(wú)線通信的應(yīng)用布局，進(jìn)行搭建收發(fā)器演示系統(tǒng)驗(yàn)證，使用UART接口在微小衛(wèi)星控體的通信空間中進(jìn)行波特率為115.2 kbps的驗(yàn)證試驗(yàn)[7]。

3 星內(nèi)無(wú)線光通信的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

1）LED/PD器件選型

而光電二極管則需要選用接收面積大（大視角器件），響應(yīng)度高，抗輻照能力強(qiáng)等條件的器件，一般選用Si-PIN材料的光電器件，能夠滿足衛(wèi)星艙體內(nèi)光源發(fā)射的漫反射鏈路要求，表2為4種不同的Si-PIN材料的光電器件類(lèi)型及各自的性能比較。

表1 兩種LED光源器件參數(shù)對(duì)比

2）光無(wú)線接收系統(tǒng)

如圖2所示，無(wú)線光接收模塊是星內(nèi)無(wú)線光通信的關(guān)鍵部分。無(wú)線光接收模塊需要將接收到的光信號(hào)在光電二極管的轉(zhuǎn)換下變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)一系列的前置放大、有源濾波、多級(jí)放大、限幅判決后對(duì)總線信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)，將恢復(fù)的信號(hào)通過(guò)FPGA解調(diào)后傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理。

圖2 光接收系統(tǒng)框圖

在這個(gè)過(guò)程中，光電二極管接收到的信號(hào)很弱，在大氣中還存在很多干擾信號(hào)，因此要求光電二極管具有良好的抗干擾能力、抗輻射能力等。前置放大電路中使用光伏模式下工作的光電二極管進(jìn)行光信號(hào)接收后，電路噪聲可以忽略暗電流產(chǎn)生的噪聲，而應(yīng)考慮分流電阻產(chǎn)生熱噪聲。但是在克服電路噪聲，增加增益的同時(shí)，還會(huì)與帶寬的限制相矛盾，使光無(wú)線接收系統(tǒng)的速率和帶寬具有一定的局限性。

表2 四種Si-PIN材料的光電器件

3）FPGA的調(diào)制方式

傳統(tǒng)的無(wú)線電系統(tǒng)調(diào)制方式有AM（幅度調(diào)制）、PM（相位調(diào)制）、FM（頻率調(diào)制），在紅外無(wú)線通信系統(tǒng)中，需要考慮調(diào)制方式對(duì)鏈路帶寬的要求，以及對(duì)傳輸?shù)恼`碼率的要求。

基于星內(nèi)無(wú)線光通信的小型化、低成本、低功耗的要求，常采用的調(diào)制方式為OOK-NRZ（非歸零開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制）、OOK-RZ（歸零開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制）和PPM（脈沖位置調(diào)制）等方式。

非歸零開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制和歸零開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制方式都是以“0”和“1”為傳輸?shù)倪壿嬓盘?hào)，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，將電信號(hào)調(diào)制到光源發(fā)射端，發(fā)送“0”和“1”的脈沖，但是非歸零開(kāi)關(guān)鍵控是基于導(dǎo)線模式的輸出信號(hào)，而歸零開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制則是以一定占空比的形式發(fā)送脈沖，減小了平均光發(fā)射功率，同時(shí)它又增加了對(duì)光接收模塊的帶寬要求，使歸零開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制滿足星內(nèi)無(wú)線光通信的小型化、低功耗、低成本的需要。

PPM調(diào)制方式是一種正交調(diào)制，它的優(yōu)勢(shì)在于更加減小了光信號(hào)的發(fā)射功率，但是同時(shí)也增加了光源器件的響應(yīng)峰值功率和信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí)性。但是，現(xiàn)階段，尚未有適合星內(nèi)使用的抗輻照性良好的PPM調(diào)制的商用器件，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的抗輻照試驗(yàn)驗(yàn)證和在軌試驗(yàn)。

3.2 星內(nèi)無(wú)線光通信研究的限制性因素

由于衛(wèi)星所處的空間環(huán)境和地面不同，除了常見(jiàn)的傳輸距離的影響，還有收發(fā)端對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題對(duì)無(wú)線光通信系統(tǒng)的影響，電子器件的抗輻照性能、艙內(nèi)反射方式等條件星內(nèi)無(wú)線光通信也具有重要的影響。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的星內(nèi)無(wú)線光通信和國(guó)外相比，還有一定的差距。普遍的問(wèn)題在于光接收電路的帶寬和電路增益不協(xié)調(diào)，達(dá)不到漫反射條件下的通信速率。同時(shí)缺少對(duì)于電子器件的抗輻照性能驗(yàn)證，一些關(guān)鍵器件還依賴國(guó)外進(jìn)口，存在了滯后性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)星內(nèi)無(wú)線光通信系統(tǒng)的原理進(jìn)行分析，并詳細(xì)的介紹了國(guó)內(nèi)外的星內(nèi)無(wú)線光通信的發(fā)展。并分析了星內(nèi)無(wú)線光通信的關(guān)鍵技術(shù)和限制性因素。由于LED無(wú)線光通信的高速率、抗干擾能力強(qiáng)、高可靠性、低功耗等優(yōu)點(diǎn)[8]，越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)都投入了大量的研究，隨著該技術(shù)日漸成熟，LED無(wú)線光通信將會(huì)普遍應(yīng)用于軍事、航天領(lǐng)域，具有較好的發(fā)展前景。

[1]丁樹(shù)義，無(wú)線光通信技術(shù)淺析 [J].通信技術(shù)，2011，44（238）：36-43.

[2]Guerrero H，Arruego I，Alvarez M，et al.Optical wireless links for intra-Satellite communication（OWLS）；The merger of and Micro/Nano-Technologies[R].Presented at the Conf.Nanotech 2002-At the edge revolution Houston，2002：9-12.

[3]趙培偉.星內(nèi)光無(wú)線CAN總線的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.

[4]Martinez A，Arruego I，Alvarez MT，et al.Nanosatellites Technology Demonstration[R].presented in the 14th Utah State Univ.Conf.on small Satellites-AIAA，2000：21-24.

[5]王亮.星內(nèi)無(wú)線光通信技術(shù)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2010.

[6]孫樂(lè).星內(nèi)光無(wú)線CAN總線通信模塊的小型化研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[7]曹紅紅，李華旺.微小衛(wèi)星星內(nèi)光無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].遙測(cè)遙控，2013，34（6）：40-44.

[8]陳淑英.無(wú)線光通信技術(shù)綜述 [J].廣西通信技術(shù)，2011（1）：39-42.

Analysis of optical wireless communication system based on LED

JIA Wen-yuan1，2，DU Rong1，2
（1.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.Center for Space Science and Applied Research of The Chinese Academy of Sciences Department of Space Technology，Beijing 100190，China）

With the coming of the information age，the communication technology is developing，especially the optical wireless communication technology has aroused general concern in the aerospace field.Based on the development of optical wireless communication technology of China and foreign countries in recent years，the model of optical wireless communication system is described and compared with traditional wireless communication in the paper.Through the comparison，several main technology of optical wireless communication system are summarized，including the selection of vital devices and the technology of receiving and sending in optical wireless communication system.In the end，the paper put forward the wide application prospect according to the real development of optical wireless communication.

LED；optical wireless communication；aerospace field；application

TN929.13

A

1674－6236（2016）15-0125-03

2015-07-21 稿件編號(hào)：201507147

賈文遠(yuǎn)（1989—），女，山東濟(jì)寧人，碩士研究生。研究方向：商用器件的航天應(yīng)用試驗(yàn)。