贾文远，杜 蓉

（1.中国科学院大学 北京 100190；2.中国科学院空间科学与应用研究中心 北京 100190）

星内LED无线光通信技术

贾文远1，2，杜 蓉1，2

（1.中国科学院大学 北京 100190；2.中国科学院空间科学与应用研究中心 北京 100190）

随着信息时代的到来，通信技术突飞猛进地发展起来，而航天领域的星内无线光通信也越来越受到普遍关注。本文针对近几年星内无线光通信的国内外发展现状，通过简要的描述星内无线光通信系统的模型，并和传统无线光通信进行对比，总结出星内无线光通信中的几项关键技术，包括关键器件的选型，无线光通信收发技术。本文还根据星内无线光通信的实际发展情况，得出其广阔的应用前景。

LED；无线光通信；航天领域，应用

光通信分为有线光通信和无线光通信。有线光通信即光纤通信是现代通信网络的主要传输手段，具有通信容量大、传输距离远、抗干扰性强等诸多优点。而无线光通信最初应用并不是很广泛。无线光通信是用无线传输代替传统的导线，在空气中即可传输信号，解决了很多不宜架设传统传输线路的特殊环境下的通信难题，以灵活简便的独特优势，作为有线光通信的补充，在通信领域取得了较好的发展。

尤其，在对卫星重量和体积要求十分苛刻的环境下，无线光通信能够代替繁重的有线电缆，在保证高可靠性的前提下，降低了卫星的重量，在航天领域中具有十分重要的意义。

1 星内无线光通信系统的基本原理

1.1 传统无线光通信系统模型分析

光无线通信一般是以大气为传输介质进行光电和电光的信息转换。系统模型主要由光发射机、光接收机以及传输信息的信道（即光路系统）。光无线通信一般要求光发射机和光接收机之间构成无遮挡的光学路径，并达到一定的发射功率就能实现完整的光无线通信。因此，光无线通信需要发射机和接收机，属于全双工通信[1]。

光发射系统主要对电信号进行编码调制，并由激光器驱动电路驱动激光器进行光信号的发射。电信号调制的方式有很多，比如常用的开关键控调制、脉冲位置调制、差分脉冲位置调制等。光信号通过大气信道进行传输，光接收系统主要对光信号进行检测，将接收到的光信号进行光电转换，并进行后级放大滤波处理和解调恢复，最终得到原始的电信号。

1.2 星内无线光通信系统原理分析

由于无线光通信不需要繁杂的线缆作为传输路径这一优势，最初多应用于在军事。和地面的无线光通信相比，星内无线光通信的传输环境更为封闭，多采用漫反射的形式进行传输。因此，在星内无线光通信系统的在轨试验应特别注意关键器件（LED、PD）的选型、电路功耗是否满足星内卫星的使用要求。

星内无线光通信系统框图如图1所示，主要由单片机作为主控电路，由CAN控制器将单片机的信号发送给FPGA，经过FPGA调制的脉冲信号，通过LED发射模块发射出光信号，经过大气信道，由PD接收模块将光信号转换成电信号，再由FPGA的解调，恢复成数字信号，最终发送回单片机中进行处理。

图1 星内无线光通信系统框图

2 星内无线光通信的发展

2.1 国外星内无线光通信的发展

自上世纪90年代末OWLS（Optical Wireless Links）的概念[2]提出起，星内无线光通信就逐渐发展起来。其中，在以欧空局ESA和NASA为主的大量研究后，星内无线光通信技术逐渐走向成熟[3]。

1986 年，NASA进行了红外光无线语音传输试验，实现了通用的2 Mbps的数据通信。

2004 年，西班牙和法国联合发射了应用光无线通信技术卫星（NANOSAT-01）[4]，光源采用了接收面积为5 mm2，探测灵敏度为700 nW/cm2，功率峰值为15 mW的红外光进行信号传输。该卫星采用SPI总线通信方式，调制方式为ASK调制，误码率可达10-4，当数据传输速率达到200 Kbps时，误码率可达10-8，首次验证了星内无线光通信的在轨可行性。

2007 年，ESA发射了FONTON-03试验卫星，光源采用了接收面积为178 mm2，探测器灵敏度为20 nW/cm2，功率峰值为150 mW，光谱为950 nm的光源进行信号传输。该卫星采用CAN总线通信方式，存在自动检错功能，可实现零误码率，数据传输速率可达62.5 kbps。该试验卫星验证了星内无线CAN总线的在轨可行性。

2010 年，INTA又发射了OPTOS全光通信试验卫星，光源采用光谱为950 nm的红外光，使用光无线通信链路搭建了整个全光通信试验卫星的数据传输系统，所有传输单元之间的通信均为CAN总线连接，通讯速率为125 kbps，更加验证了OWLS的可行性。

全球海运业规模化的发展既增加港口方自身的发展压力，同时又加剧港口间的竞争矛盾，为此，港口方也在不断进行资源整合以提升其竞争力。这种趋势使得全球主干航线更加集中于某些核心枢纽港，增大港口的资源和环境压力。

2.2 国内星内无线光通信的发展

在2000年后，国内的很多研究所及高校，如中科院微电子所、大连理工大学、上海微小卫星工程中心等陆续开展了对星内光无线通信的研究，并应用在军事中。

2010 年，大连理工大学成功利用红外发光二极管与PIN型接收面积较大的光电二极管构建起了完整的红外通信网络[5]。2013年，又使用结合红外发光二极管和光电二极管、单片机和单片机控制器SJA1000T，搭建了光无线CAN总线通信链路。最终采用650-950 nm的LED（型号为HE8812SG）红外光，型号为S5106的探测器，使用直接光电转换结构的接收系统，搭建了基于LED无线CAN总线通信系统，采用非归零开关键控调制方式，当点对点通信距离为100 cm时，最大通信速率为200 Kbps，实现了星内无线CAN总线的小型化研究[6]。

上海微小卫星工程中心采用直接红外收发模块，提出了一种星内光无线通信的应用布局，进行搭建收发器演示系统验证，使用UART接口在微小卫星控体的通信空间中进行波特率为115.2 kbps的验证试验[7]。

3 星内无线光通信的关键技术

3.1 关键技术

1）LED/PD器件选型

而光电二极管则需要选用接收面积大（大视角器件），响应度高，抗辐照能力强等条件的器件，一般选用Si-PIN材料的光电器件，能够满足卫星舱体内光源发射的漫反射链路要求，表2为4种不同的Si-PIN材料的光电器件类型及各自的性能比较。

表1 两种LED光源器件参数对比

2）光无线接收系统

如图2所示，无线光接收模块是星内无线光通信的关键部分。无线光接收模块需要将接收到的光信号在光电二极管的转换下变为电信号，通过一系列的前置放大、有源滤波、多级放大、限幅判决后对总线信号进行恢复，将恢复的信号通过FPGA解调后传输给单片机进行处理。

图2 光接收系统框图

在这个过程中，光电二极管接收到的信号很弱，在大气中还存在很多干扰信号，因此要求光电二极管具有良好的抗干扰能力、抗辐射能力等。前置放大电路中使用光伏模式下工作的光电二极管进行光信号接收后，电路噪声可以忽略暗电流产生的噪声，而应考虑分流电阻产生热噪声。但是在克服电路噪声，增加增益的同时，还会与带宽的限制相矛盾，使光无线接收系统的速率和带宽具有一定的局限性。

表2 四种Si-PIN材料的光电器件

3）FPGA的调制方式

传统的无线电系统调制方式有AM（幅度调制）、PM（相位调制）、FM（频率调制），在红外无线通信系统中，需要考虑调制方式对链路带宽的要求，以及对传输的误码率的要求。

基于星内无线光通信的小型化、低成本、低功耗的要求，常采用的调制方式为OOK-NRZ（非归零开关键控调制）、OOK-RZ（归零开关键控调制）和PPM（脉冲位置调制）等方式。

非归零开关键控调制和归零开关键控调制方式都是以“0”和“1”为传输的逻辑信号，简单易实现，将电信号调制到光源发射端，发送“0”和“1”的脉冲，但是非归零开关键控是基于导线模式的输出信号，而归零开关键控调制则是以一定占空比的形式发送脉冲，减小了平均光发射功率，同时它又增加了对光接收模块的带宽要求，使归零开关键控调制满足星内无线光通信的小型化、低功耗、低成本的需要。

PPM调制方式是一种正交调制，它的优势在于更加减小了光信号的发射功率，但是同时也增加了光源器件的响应峰值功率和信号传输的同时性。但是，现阶段，尚未有适合星内使用的抗辐照性良好的PPM调制的商用器件，还需要进行进一步的抗辐照试验验证和在轨试验。

3.2 星内无线光通信研究的限制性因素

由于卫星所处的空间环境和地面不同，除了常见的传输距离的影响，还有收发端对准问题对无线光通信系统的影响，电子器件的抗辐照性能、舱内反射方式等条件星内无线光通信也具有重要的影响。国内现有的星内无线光通信和国外相比，还有一定的差距。普遍的问题在于光接收电路的带宽和电路增益不协调，达不到漫反射条件下的通信速率。同时缺少对于电子器件的抗辐照性能验证，一些关键器件还依赖国外进口，存在了滞后性。

4 结束语

本文主要对星内无线光通信系统的原理进行分析，并详细的介绍了国内外的星内无线光通信的发展。并分析了星内无线光通信的关键技术和限制性因素。由于LED无线光通信的高速率、抗干扰能力强、高可靠性、低功耗等优点[8]，越来越多的科研机构都投入了大量的研究，随着该技术日渐成熟，LED无线光通信将会普遍应用于军事、航天领域，具有较好的发展前景。

[1]丁树义，无线光通信技术浅析 [J].通信技术，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]赵培伟.星内光无线CAN总线的研究[D].大连：大连理工大学，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.星内无线光通信技术研究[D].大连：大连理工大学，2010.

[6]孙乐.星内光无线CAN总线通信模块的小型化研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[7]曹红红，李华旺.微小卫星星内光无线通信系统的设计[J].遥测遥控，2013，34（6）：40-44.

[8]陈淑英.无线光通信技术综述 [J].广西通信技术，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 稿件编号：201507147

贾文远（1989—），女，山东济宁人，硕士研究生。研究方向：商用器件的航天应用试验。