CN102684788A - 一种光学遥感器通信装置 - Google Patents

Abstract

一种光学遥感器通信装置，FPGA发送组件将光学遥感器输出的多路数字化图像数据、外部输入的时钟、使能信号转换成一路串行信号，形成串行接口差分电信号输出至光发送模块；光发送模块将串行接口差分电信号转换成光信号，第一光纤连接器将光发送模块的尾纤与抗辐射光纤对接，使光信号从光发送模块的尾纤耦合到抗辐射光纤；第二光纤连接器将抗辐射光纤与光接收模块的尾纤对接，使光信号从抗辐射光纤耦合到光接收模块的尾纤，光接收模块将通过其尾纤传输的光信号转换成串行接口差分电信号；FPGA接收组件将接收到的串行接口差分电信号进行串转并处理，还原出图像数据，时钟，使能信号，同时上传至卫星平台的数传分系统。

Description

一种光学遥感器通信装置

技术领域

本发明涉及空间光学遥感器，特别涉及空间光学遥感器的高速数据传输系统。

背景技术

空间光学遥感器的信号处理器主要作用是将多路同轴电缆传递图像传感器模拟信号转换为数字信号，再将数字信号合成后输送到卫星数传分系统。

如图1所示，目前数据传输采用源同步的方式，数据和时钟并行传输；数据传输采用专用电缆连接方式，传输介质为铜缆材质。数据传输的装置包括：信号处理器、专用电缆、数传分系统。信号处理器将合成的图像数字信号以电信号的方式经宇航级专用电缆传输至卫星的数传分系统，实现了空间光学遥感器图像传感器数字信号呼叫上传。但是采用铜缆媒介，源呼叫方式传输数据有一定的局限性。

其一，源同步的方式，数据和时钟并行传输，根据数据和时钟走线延迟，可以在接受端得到很好的时序容量。但是在数据速率非常高时，如1G bps以上，传输过程中时钟与数据分别发送，传输过程中各信号瞬时抖动不一致，破坏了接收数据与时钟之间的定时关系。由于数据与数据之间的偏斜，数据与时钟之间的偏斜，加上PCB走线之间的影响，尤其是信号连接器的容性阻抗的不一致性，都会加剧时钟与数据的偏差，导致有效采样窗口逐渐变小，以至于时钟信号在管脚处找不到一个有效的采样窗口把并行数据一次采样出来。

其二，电缆传输信号随频率增大(由于趋肤效应和传输线原理)，信号损耗和衰减也增大，并且，数据传输速度越高，数据电缆之间电信号相互干扰越大，直接影响数据的可靠性。数据传输速率有限制；同时由于卫星舱内空间体积小，发射质量有限制，不能过多增加传输通道(即传输电缆)，因此，数据上传容量低，影响了数据实时性；。

其三，由于传输电缆数量多，体积大，重量大，给空间和质量受限的卫星装调、系统测试带来一定程度的难度。

在数据传输速率和通道有限的条件下，不能进行大容量图像传感器数字信号的高速传输就制约了遥感技术高精度高实时的发展，成为空间光学遥感器的技术瓶颈之一。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种在空间光学遥感器上采用以SERDES为数据传输方式，以光纤为数据传输媒介的数据通信装置。

本发明的技术解决方案是：一种光学遥感器通信装置，包括发送端和接收端，发送端与接收端之间通过抗辐射光纤连接；发送端包括FPGA发送组件、光发送模块、第一光纤连接器，接收端包括第二光纤连接器、光接收模块、FPGA接收组件；

FPGA发送组件将光学遥感器输出的多路数字化图像数据、外部输入的时钟、使能信号转换成一路串行信号，形成串行接口差分电信号输出至光发送模块；光发送模块将串行接口差分电信号转换成光信号，第一光纤连接器将光发送模块的尾纤与抗辐射光纤对接，使光信号从光发送模块的尾纤耦合到抗辐射光纤；第二光纤连接器将抗辐射光纤与光接收模块的尾纤对接，使光信号从抗辐射光纤耦合到光接收模块的尾纤，光接收模块将通过其尾纤传输的光信号转换成串行接口差分电信号；FPGA接收组件将接收到的串行接口差分电信号进行串转并处理，还原出图像数据，时钟，使能信号，同时上传至卫星平台的数传分系统。

所述的FPGA发送组件工作流程如下：

(1.1)实时接收每一时刻光学遥感器输出的多路数字化图像数据、外部输入的时钟、使能信号转换成一路串行接口差分电信号；将该串行接口差分电信号作为数据单元结合数据头、数据尾组成一个数据包；并按照先进先出的规则进行缓存；所述的数据头、数据尾为按照8B/10B编码规则形成的控制K码；

(1.2)发送齐步字符至光发送模块，由光发送模块发送至接收端；

(1.3)等待至少5ms后，从缓存中取出一个数据包，判断该数据包中的使能信号的状态，当为使能状态时，将该数据包通过光发送模块发送至接收端，发送完成后转步骤(1.2)；否则，直接转步骤(1.2)。

所述的FPGA接收组件工作流程如下：

(7.1)接收光接收模块从发送端接收的齐步字符，准备接收数据包；

(7.2)将接收的数据包进行数据提取，去掉数据头、数据尾得到数据单元；

(7.3)判断数据单元中是否出现控制K码，若出现控制K码，则认为数据单元出错，丢弃该数据单元，转步骤(7.1)；否则，将数据单元还原成多路数字化图像数据、外部输入的时钟、使能信号。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)解决信号传输速率低，通信容量小的问题。

在传输过程中时钟与数据分别发送，传输过程中各信号瞬时抖动不一致，破坏了接收数据与时钟之间的定时关系，因而传输速率很难超越1G bps。采用时钟和数据恢复技术代替同时传输数据和时钟，从而解决了限制数据传输速率的信号时钟偏移问题。传输速率得到大大提升。

同时采用光纤媒介代替铜缆传输方式。光纤媒介传输的一个非常突出的优点：速率高，传输信息容量大。铜缆传输是利用金属介质传输电信号，光纤传输则是利用透明的光纤传输光波信号。虽然光和电都是电磁波，但光纤工作频率比目前电缆使用的工作频率高出8～9个数量级：目前光纤工作频率范围为1.67～3.75×10¹⁴Hz，而通信电缆最高使用频率约9～24×10⁶Hz。在载波通信中，载波的频率越高，它的信息容量就越大。如今光纤通信在普通商业领域得到突飞猛进的发展，其速率由1978年的45M bps提高到目前的几T bps。采用光纤方式就能解决铜缆传输的速率问题。

(2)解决电缆体积大，质量重的问题。

采用光纤高速通信方式，单路光纤仅一根光纤即可，而由一根直径为125um的光纤和外直径为2.5mm的塑料保护层即可构成一根单心光纤。这种光纤的重量是6kg/km，损耗是5dB/km。而典型RG-19/U同轴电缆传输100MHz的信号时，其损耗是22.6dB/km。这种同轴电缆的外层直径为28.4mm，重量是1110kg/km。光缆在尺寸和重量方面的优点是显而易见的。光纤的尺寸小，重量轻，特别适合在一些空间有限的地方使用。

(3)数据传输更加可靠。

光纤的基础材料是二氧化硅，所以无论是自身发送信号还是外部电磁辐射都不会在光纤中产生电流。并且光纤中的光波被很好地限制在纤芯内，所以传输过程没有泄漏，也就不会干扰其他光纤中的信号。反之，从光纤外侧也不能将光耦合进光纤中。综合所述，光纤具有极好的抗射频干扰(RFI)和抗电磁干扰(EMI)

(4)光纤通信的保密性好，不易被窃听。

由于在传输过程中光纤是将光信号束缚在光纤芯内传播的，光信号向外辐射、泄漏极小，光纤之间串音很小，在传输中很难被窃听，所以光纤通信保密性好。

(5)光纤具有更适应环境变化的能力

通信装置化学稳定好，耐腐蚀，寿命长。石英玻璃耐腐蚀。光纤接头处不产生放电、没有电火花。

附图说明

图1是本发明背景技术示意图；

图2是本发明通信装置原理示意图；

图3是本发明通信装置原理框架图；

图4是本发明FPGA组件传输通信工作流程；

图5是本发明抗辐射、耐高低温光纤结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明白，以下结合具体实施方式，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图2、3所示，包括发送端和接收端，发送端与接收端之间通过抗辐射光纤4连接；发送端包括FPGA发送组件1、光发送模块2、第一光纤连接器3，接收端包括第二光纤连接器5、光接收模块6、FPGA接收组件7；FPGA发送组件1、光发送模块2、第一光纤连接器3、抗辐射光纤4、第二光纤连接器5、光接收模块6、FPGA接收组件7构成了通信装置的基本物理层链路，工作方式为点对点单工通信模式，实现了空间光学遥感器图像数据高速上传到卫星平台的数传分系统。

FPGA发送组件1将光学遥感器输出的多路数字化图像数据、外部输入的时钟、使能信号转换成一路串行信号，形成串行接口差分电信号输出至光发送模块2；光发送模块2将串行接口差分电信号转换成光信号，第一光纤连接器3将光发送模块2的尾纤与抗辐射光纤4对接，使光信号从光发送模块2的尾纤耦合到抗辐射光纤4；第二光纤连接器5将抗辐射光纤4与光接收模块6的尾纤对接，使光信号从抗辐射光纤4耦合到光接收模块6的尾纤，光接收模块6将通过其尾纤传输的光信号转换成串行接口差分电信号；FPGA接收组件7将接收到的串行接口差分电信号进行串转并处理，还原出图像数据，时钟，使能信号，同时上传至卫星平台的数传分系统。

各部分的连接关系如下：

FPGA发送组件1，光发送模块2安装于箱体结构件A的内部电路板a上；光发送模块2通过尾纤连接第一光纤连接器3；第一光纤连接器3贯穿箱体结构件A，并固定于其表面；第二光纤连接器5贯穿箱体结构件B并固定于其表面；抗辐射光纤4位于箱体结构件A与箱体结构件B之间，连接第一光纤连接器3和第二光纤连接器5；光接收模块6，FPGA接收组件7安装于箱体结构件B的内部电路板b上，光接收模块6通过尾纤连接第二光纤连接器5。

下面分别介绍上述各部分的实现，具体如下：

(一)FPGA组件(FPGA发送组件1、FPGA接收组件7)

FPGA发送组件1：光学遥感器输出的多路数字化图像数据、外部输入的时钟、使能信号转换成一路串行信号，形成串行接口差分电信号；

FPGA接收组件7：将接收到的串行接口差分电信号进行串转并处理，还原出图像数据，时钟，控制信号。同时上传至卫星平台的数传分系统，从而实现空间光学遥感器图像传感器数字信号高速上传至卫星平台的功能。

如图4所示，FPGA发送组件1工作流程如下：

(1.1)实时接收每一时刻光学遥感器输出的多路数字化图像数据、外部输入的时钟、使能信号转换成一路串行接口差分电信号；将该串行接口差分电信号作为数据单元结合数据头、数据尾组成一个数据包；并按照先进先出的规则进行缓存；所述的数据头、数据尾为按照8B/10B编码规则形成的控制K码；

数据头由/K28.1/K28.5/组成16位二进制代码标明此后为数据单元内容；数据尾由/K28.7/K29.7/组成16位二进制代码标明此后为数据单元截止；数据单元由若干个16比特数据为基本传输单元的数据流。

根据控制K码规定：数据头的编码是：/00111100/10111100/；

数据尾的编码是：/11111100/11111101/。

根据不同需求，图像传感器像元量化深度为多种，如8比特，10比特，14比特等。根据归一化设计，设定每一个像元数据以16bit传输，设定16bit最高位(即B15)为使能信号；设定相应的无效位为“1”(如传输8比特图像时，B[14:8]比特位为“1”；传输10比特图像时，B[14:10]比特位为“1”；传输14比特图像时，B[14]比特位为“1”)。

(1.2)发送呼叫字符至光发送模块2，由光发送模块2发送至接收端；

装置工作开始，发送端需要呼叫接收端做好接收数据准备，先发送呼叫字符(/K28.3/K28.6/)来建立和接收端的通信关系；

通信传输过程中，数据包与数据包之间由呼叫信号(/K28.3/K28.6/)来保持传输链路的畅通&准备好状态。

根据控制K码规定：呼叫信号的编码是：/01111100/11011100/；

(1.3)等待至少5ms后，从缓存中取出一个数据包，判断该数据包中的使能信号的状态，当为使能状态时，将该数据包通过光发送模块2发送至接收端，发送完成后转步骤(1.2)；否则，直接转步骤(1.2)。

所述的FPGA接收组件7工作流程如下：

(7.1)接收光接收模块6从发送端接收的呼叫字符，准备接收数据包；

(7.2)将接收的数据包进行数据提取，去掉数据头、数据尾得到数据单元；

(7.3)判断数据单元中是否出现控制K码，若出现控制K码，则认为数据单元出错，丢弃该数据单元，转步骤(7.1)；否则，将数据单元还原成多路数字化图像数据、外部输入的时钟、使能信号。

接收端不断检测RXCHARISK[1:0](FPGA的内部自带的检测K码功能)，当接收的数据单元为控制K码时，RXCHARISK输出为高信号。

本设计数据传输为16位，故只需检测RXCHARISK[1]和RXCHARISK[0]，如果在数据头和数据尾之间的数据发送过程中，两个输出信号检测出一个高电平信号，即认为纯数据发送阶段出现故障。接收方则丢弃该数据包，重新等待呼叫信号，准备接收下一个数据包。

上述所述FPGA发送组件1和FPGA接收组件7采用具有内嵌串并发送和接收器(SERDES)硬核模块的Virtex-5系列FPGA产品XC5VFX70T。

(二)光发送模块2、光接收模块6

光发送模块2：将FPGA发送组件1送出的差分电信号转换成光信号，送至与其相连的尾纤。光发送模块2在光传输过程中起到一个电/光转换的作用，光发送模块2输入的是差分电信号，输出的是光信号；

光接收模块6：将其尾纤接收到的光信号转换成串行接口差分电信号，送至FPGA接收组件7。光接收模块6在光传输过程中起到一个光/电转换的作用，光接收模块输入的是光信号，输出的是差分电信号；

本方案的光发送/接收模块采用USOT22D214M模块。特点：1310nm的工作波长，单模光纤；每个通道可提供高达4.25Gbps的传输速率；金属壳体密闭封装，增强模块抗电磁干扰性能；宽工作温度范围：-45～85℃；抗辐射总剂量2×10E5rad(Si)。

(三)光纤连接器组件

第一光纤连接器3：将光发送模块2的尾纤与抗辐射光纤4对接，使光信号从光发送模块2的尾纤耦合到抗辐射光纤4；

第二光纤连接器5：将抗辐射光纤4与光接收模块6的尾纤对接，使光信号从抗辐射光纤4耦合到光接收模块6的尾纤；

光纤连接器组件采用ELIO系列的光纤连接器：8D5E13TF02AN插头、8D0E13TF02BN插座。特点：材料为钛壳体镀镍，材质较轻符合航天环境；由MIL-DTL-38999K系列III派生的产品；经过ARINC 801，EN4531，BS1379等标准认证；采用标准的38999壳体和特殊绝缘安装板；采用卡口是保持系统，安装和拆卸均很方便；连接设计可靠，抗强烈振动。

(四)抗辐射光纤4

抗辐射光纤4：作为光传输的媒介，将主要作用是传输光信号；

本发明中的光纤采用抗辐射单模光纤。如图5所示，从内至外依次为纤芯8、包层9、涂覆层10、加强层11、外护层12。光纤选用抗辐射、耐高低温单模光纤。这是针对低地球轨道，近太空和远太空领域等应用环境设计的长寿命工作的光纤。和传统的单模光纤相比，抗辐射单模光纤能够承受极为恶劣的环境，能够在大幅度，快速变化的温度环境中有稳定的性能。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种光学遥感器通信装置，其特征在于包括发送端和接收端，发送端与接收端之间通过抗辐射光纤(4)连接；发送端包括FPGA发送组件(1)、光发送模块(2)、第一光纤连接器(3)，接收端包括第二光纤连接器(5)、光接收模块(6)、FPGA接收组件(7)；

FPGA发送组件(1)将光学遥感器输出的多路数字化图像数据、外部输入的时钟、使能信号转换成一路串行信号，形成串行接口差分电信号输出至光发送模块(2)；光发送模块(2)将串行接口差分电信号转换成光信号，第一光纤连接器(3)将光发送模块(2)的尾纤与抗辐射光纤(4)对接，使光信号从光发送模块(2)的尾纤耦合到抗辐射光纤(4)；第二光纤连接器(5)将抗辐射光纤(4)与光接收模块(6)的尾纤对接，使光信号从抗辐射光纤(4)耦合到光接收模块(6)的尾纤，光接收模块(6)将通过其尾纤传输的光信号转换成串行接口差分电信号；FPGA接收组件(7)将接收到的串行接口差分电信号进行串转并处理，还原出图像数据，时钟，使能信号，同时上传至卫星平台的数传分系统。

2.根据权利要求1所述的一种光学遥感器通信装置，其特征在于所述的FPGA发送组件(1)工作流程如下：

(1.1)实时接收每一时刻光学遥感器输出的多路数字化图像数据、外部输入的时钟、使能信号转换成一路串行接口差分电信号；将该串行接口差分电信号作为数据单元结合数据头、数据尾组成一个数据包；并按照先进先出的规则进行缓存；所述的数据头、数据尾为按照8B/10B编码规则形成的控制K码；

(1.2)发送齐步字符至光发送模块(2)，由光发送模块(2)发送至接收端；

(1.3)等待至少5ms后，从缓存中取出一个数据包，判断该数据包中的使能信号的状态，当为使能状态时，将该数据包通过光发送模块(2)发送至接收端，发送完成后转步骤(1.2)；否则，直接转步骤(1.2)。

3.根据权利要求1所述的一种光学遥感器通信装置，其特征在于所述的FPGA接收组件(7)工作流程如下：

(7.1)接收光接收模块(6)从发送端接收的齐步字符，准备接收数据包；

(7.2)将接收的数据包进行数据提取，去掉数据头、数据尾得到数据单元；

(7.3)判断数据单元中是否出现控制K码，若出现控制K码，则认为数据单元出错，丢弃该数据单元，转步骤(7.1)；否则，将数据单元还原成多路数字化图像数据、外部输入的时钟、使能信号。

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