星內LED無線光通信技術

賈文遠，杜 蓉

（1.中國科學院大學 北京 100190；2.中國科學院空間科學與應用研究中心 北京 100190）

星內LED無線光通信技術

賈文遠1，2，杜 蓉1，2

（1.中國科學院大學 北京 100190；2.中國科學院空間科學與應用研究中心 北京 100190）

隨著信息時代的到來，通信技術突飛猛進地發展起來，而航天領域的星內無線光通信也越來越受到普遍關注。本文針對近幾年星內無線光通信的國內外發展現狀，通過簡要的描述星內無線光通信系統的模型，并和傳統無線光通信進行對比，總結出星內無線光通信中的幾項關鍵技術，包括關鍵器件的選型，無線光通信收發技術。本文還根據星內無線光通信的實際發展情況，得出其廣闊的應用前景。

LED；無線光通信；航天領域，應用

光通信分為有線光通信和無線光通信。有線光通信即光纖通信是現代通信網絡的主要傳輸手段，具有通信容量大、傳輸距離遠、抗干擾性強等諸多優點。而無線光通信最初應用并不是很廣泛。無線光通信是用無線傳輸代替傳統的導線，在空氣中即可傳輸信號，解決了很多不宜架設傳統傳輸線路的特殊環境下的通信難題，以靈活簡便的獨特優勢，作為有線光通信的補充，在通信領域取得了較好的發展。

尤其，在對衛星重量和體積要求十分苛刻的環境下，無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，降低了衛星的重量，在航天領域中具有十分重要的意義。

1 星內無線光通信系統的基本原理

1.1 傳統無線光通信系統模型分析

光無線通信一般是以大氣為傳輸介質進行光電和電光的信息轉換。系統模型主要由光發射機、光接收機以及傳輸信息的信道（即光路系統）。光無線通信一般要求光發射機和光接收機之間構成無遮擋的光學路徑，并達到一定的發射功率就能實現完整的光無線通信。因此，光無線通信需要發射機和接收機，屬于全雙工通信[1]。

光發射系統主要對電信號進行編碼調制，并由激光器驅動電路驅動激光器進行光信號的發射。電信號調制的方式有很多，比如常用的開關鍵控調制、脈沖位置調制、差分脈沖位置調制等。光信號通過大氣信道進行傳輸，光接收系統主要對光信號進行檢測，將接收到的光信號進行光電轉換，并進行后級放大濾波處理和解調恢復，最終得到原始的電信號。

1.2 星內無線光通信系統原理分析

由于無線光通信不需要繁雜的線纜作為傳輸路徑這一優勢，最初多應用于在軍事。和地面的無線光通信相比，星內無線光通信的傳輸環境更為封閉，多采用漫反射的形式進行傳輸。因此，在星內無線光通信系統的在軌試驗應特別注意關鍵器件（LED、PD）的選型、電路功耗是否滿足星內衛星的使用要求。

星內無線光通信系統框圖如圖1所示，主要由單片機作為主控電路，由CAN控制器將單片機的信號發送給FPGA，經過FPGA調制的脈沖信號，通過LED發射模塊發射出光信號，經過大氣信道，由PD接收模塊將光信號轉換成電信號，再由FPGA的解調，恢復成數字信號，最終發送回單片機中進行處理。

圖1 星內無線光通信系統框圖

2 星內無線光通信的發展

2.1 國外星內無線光通信的發展

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

1986 年，NASA進行了紅外光無線語音傳輸試驗，實現了通用的2 Mbps的數據通信。

2004 年，西班牙和法國聯合發射了應用光無線通信技術衛星（NANOSAT-01）[4]，光源采用了接收面積為5 mm2，探測靈敏度為700 nW/cm2，功率峰值為15 mW的紅外光進行信號傳輸。該衛星采用SPI總線通信方式，調制方式為ASK調制，誤碼率可達10-4，當數據傳輸速率達到200 Kbps時，誤碼率可達10-8，首次驗證了星內無線光通信的在軌可行性。

2007 年，ESA發射了FONTON-03試驗衛星，光源采用了接收面積為178 mm2，探測器靈敏度為20 nW/cm2，功率峰值為150 mW，光譜為950 nm的光源進行信號傳輸。該衛星采用CAN總線通信方式，存在自動檢錯功能，可實現零誤碼率，數據傳輸速率可達62.5 kbps。該試驗衛星驗證了星內無線CAN總線的在軌可行性。

2010 年，INTA又發射了OPTOS全光通信試驗衛星，光源采用光譜為950 nm的紅外光，使用光無線通信鏈路搭建了整個全光通信試驗衛星的數據傳輸系統，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，更加驗證了OWLS的可行性。

全球海運業規模化的發展既增加港口方自身的發展壓力，同時又加劇港口間的競爭矛盾，為此，港口方也在不斷進行資源整合以提升其競爭力。這種趨勢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境壓力。

2.2 國內星內無線光通信的發展

在2000年后，國內的很多研究所及高校，如中科院微電子所、大連理工大學、上海微小衛星工程中心等陸續開展了對星內光無線通信的研究，并應用在軍事中。

2010 年，大連理工大學成功利用紅外發光二極管與PIN型接收面積較大的光電二極管構建起了完整的紅外通信網絡[5]。2013年，又使用結合紅外發光二極管和光電二極管、單片機和單片機控制器SJA1000T，搭建了光無線CAN總線通信鏈路。最終采用650-950 nm的LED（型號為HE8812SG）紅外光，型號為S5106的探測器，使用直接光電轉換結構的接收系統，搭建了基于LED無線CAN總線通信系統，采用非歸零開關鍵控調制方式，當點對點通信距離為100 cm時，最大通信速率為200 Kbps，實現了星內無線CAN總線的小型化研究[6]。

上海微小衛星工程中心采用直接紅外收發模塊，提出了一種星內光無線通信的應用布局，進行搭建收發器演示系統驗證，使用UART接口在微小衛星控體的通信空間中進行波特率為115.2 kbps的驗證試驗[7]。

3 星內無線光通信的關鍵技術

3.1 關鍵技術

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），響應度高，抗輻照能力強等條件的器件，一般選用Si-PIN材料的光電器件，能夠滿足衛星艙體內光源發射的漫反射鏈路要求，表2為4種不同的Si-PIN材料的光電器件類型及各自的性能比較。

表1 兩種LED光源器件參數對比

2）光無線接收系統

如圖2所示，無線光接收模塊是星內無線光通信的關鍵部分。無線光接收模塊需要將接收到的光信號在光電二極管的轉換下變為電信號，通過一系列的前置放大、有源濾波、多級放大、限幅判決后對總線信號進行恢復，將恢復的信號通過FPGA解調后傳輸給單片機進行處理。

圖2 光接收系統框圖

在這個過程中，光電二極管接收到的信號很弱，在大氣中還存在很多干擾信號，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行光信號接收后，電路噪聲可以忽略暗電流產生的噪聲，而應考慮分流電阻產生熱噪聲。但是在克服電路噪聲，增加增益的同時，還會與帶寬的限制相矛盾，使光無線接收系統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的調制方式

傳統的無線電系統調制方式有AM（幅度調制）、PM（相位調制）、FM（頻率調制），在紅外無線通信系統中，需要考慮調制方式對鏈路帶寬的要求，以及對傳輸的誤碼率的要求。

基于星內無線光通信的小型化、低成本、低功耗的要求，常采用的調制方式為OOK-NRZ（非歸零開關鍵控調制）、OOK-RZ（歸零開關鍵控調制）和PPM（脈沖位置調制）等方式。

非歸零開關鍵控調制和歸零開關鍵控調制方式都是以“0”和“1”為傳輸的邏輯信號，簡單易實現，將電信號調制到光源發射端，發送“0”和“1”的脈沖，但是非歸零開關鍵控是基于導線模式的輸出信號，而歸零開關鍵控調制則是以一定占空比的形式發送脈沖，減小了平均光發射功率，同時它又增加了對光接收模塊的帶寬要求，使歸零開關鍵控調制滿足星內無線光通信的小型化、低功耗、低成本的需要。

PPM調制方式是一種正交調制，它的優勢在于更加減小了光信號的發射功率，但是同時也增加了光源器件的響應峰值功率和信號傳輸的同時性。但是，現階段，尚未有適合星內使用的抗輻照性良好的PPM調制的商用器件，還需要進行進一步的抗輻照試驗驗證和在軌試驗。

3.2 星內無線光通信研究的限制性因素

由于衛星所處的空間環境和地面不同，除了常見的傳輸距離的影響，還有收發端對準問題對無線光通信系統的影響，電子器件的抗輻照性能、艙內反射方式等條件星內無線光通信也具有重要的影響。國內現有的星內無線光通信和國外相比，還有一定的差距。普遍的問題在于光接收電路的帶寬和電路增益不協調，達不到漫反射條件下的通信速率。同時缺少對于電子器件的抗輻照性能驗證，一些關鍵器件還依賴國外進口，存在了滯后性。

4 結束語

本文主要對星內無線光通信系統的原理進行分析，并詳細的介紹了國內外的星內無線光通信的發展。并分析了星內無線光通信的關鍵技術和限制性因素。由于LED無線光通信的高速率、抗干擾能力強、高可靠性、低功耗等優點[8]，越來越多的科研機構都投入了大量的研究，隨著該技術日漸成熟，LED無線光通信將會普遍應用于軍事、航天領域，具有較好的發展前景。

[1]丁樹義，無線光通信技術淺析 [J].通信技術，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.星內光無線CAN總線的研究[D].大連：大連理工大學，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.星內無線光通信技術研究[D].大連：大連理工大學，2010.

[6]孫樂.星內光無線CAN總線通信模塊的小型化研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[7]曹紅紅，李華旺.微小衛星星內光無線通信系統的設計[J].遙測遙控，2013，34（6）：40-44.

[8]陳淑英.無線光通信技術綜述 [J].廣西通信技術，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：201507147

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