CN103888188B

CN103888188B - 无线高速激光通信系统

Info

Publication number: CN103888188B
Application number: CN201410132383.8A
Authority: CN
Inventors: 郑建生; 朱玉建; 雷莉; 李继
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2034-04-02
Also published as: CN103888188A

Abstract

本发明提供了一种无线高速激光通信系统，包括发射端和接收端，其中，发射端包括发送数据打包模块、数据编码模块、并串转换模块、电光转换模块和第一速率控制单元；接收端包括光电转换模块、串并转换模块、数据解码模块、数据解包模块和第二速率控制单元。本发明系统数据链路中的调制带宽可达到1.25~3.125Gbps中的任意带宽，且误码率低于10e‑9；且工作稳定，故障率低。

Description

无线高速激光通信系统

技术领域

本发明属于光学通信技术领域，涉及一种无线高速激光通信系统，可用于远程无线激光通信和星际之间的通信。

背景技术

由于激光波长短(几十微米～几十纳米)，频率高，加之激光本身的相干性、单色性和方向性等特点，无线激光通信与其他通信方式相比具有很大优势：

（1）通信容量大。

由于激光波长短，通常半导体激光器的工作波长为0.8～0.9μm、1.3μm和1.5μm，因此其可利用的带宽是无线电射频波段的105倍。

（2）系统尺寸、质量和功耗明显降低。

由于激光波长短，无线激光通信系统采用器件尺寸明显减小，质量和功耗也随之降低。

（3）通信链路间的电磁干扰小。

由于无线激光通信系统使用激光作为光源，其发散角小，能量集中在极窄光束中。窄光束意味着和邻近通信链路的干扰将会减小。

（4）保密性强。

由于通信光束发散角小，因此对手难以对通信信息进行侦听和干扰，该特点对军事应用尤其重要。

远距离无线激光通信系统可以在强电磁干扰环境下实现，各通信单元分享视频信息、发布命令，可充分保证通信系统畅通。因此，无线激光通信系统的研制成为了各国研究的前沿课题。

针对无线激光通信系统的研制，日本于2001年11月21日顺利建立了激光通信链路,实现了50Mbps速率的激光通信试验。这是世界上进行的首次星间激光链路试验,是卫星激光通信领域一项里程碑式的进展。NASA（美国航天航空局）喷气推进实验室（JPL）已研制成功了2×600Mbps速率的卫星激光通信终端。美国军方弹道导弹防御组织(BMDO)建立了数据率为1Gbps的低轨卫星-地面站激光链路终端，并在积极进行小卫星星座中激光星间链路终端的研制。

目前国内外研制的无线激光通信系统存在不足：单波长上还无法实现更大速率的激光通信，且误码率还有待提高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种通信速率更高、误码率更低的无线高速激光通信系统。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一、无线高速激光通信系统发射端，包括：

发送数据打包模块、数据编码模块、并串转换模块、电光转换模块和第一速率控制单元，发送数据打包模块、数据编码模块、并串转换模块、电光转换模块依次相连，第一速率控制单元包括相互连接的锁相环模块和速率控制模块，并串转换模块在第一速率控制单元的锁相环模块的PLLCLK时钟信号下工作，发送数据打包模块和数据编码模块在第一速率控制单元的速率控制模块的User_CLK时钟信号控制下工作，PLLCLK时钟信号频率和User_CLK时钟信号频率通过速率控制模块调节。

上述发送数据打包模块进一步包括相互连接的第一级FIFO缓冲模块和校验打包数据模块。

上述数据编码模块进一步包括依次相连的前向纠错信道编码模块、第二级FIFO缓冲模块、编码模块。

上述并串转换模块进一步包括相互连接的移位寄存器和极性控制模块。

上述电光转换模块进一步包括相互连接的激光器和光调制器，其中，光调制器与并串转换模块的极性控制模块相连。

二、无线高速激光通信系统接收端，包括：

光电转换模块、串并转换模块、数据解码模块、数据解包模块和第二速率控制单元，光电转换模块、串并转换模块、数据解码模块、数据解包模块依次相连，第二速率控制单元包括相互连接的锁相环模块和速率控制模块，串并转换模块在第二速率控制单元的锁相环模块的PLLCLK时钟信号下工作，数据解码模块和数据解包模块在第二速率控制单元的速率控制模块的User_CLK时钟信号控制下工作，PLLCLK时钟信号频率和User_CLK时钟信号频率通过速率控制模块调节。

上述光电转换模块为光接收器。

上述串并转换模块进一步包括相互连接的移位寄存器和极性控制模块。

上述数据解码模块进一步包括依次相连的解码模块、第一级FIFO缓冲模块、前向纠错信道解码模块。

上述数据解包模块进一步包括相互连接的校验解包数据模块和第二级FIFO缓冲模块。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、系统数据链路中的调制带宽可达到1.25～3.125Gbps中的任意带宽，且误码率低于10e-9。

2、采用单板FPGA实现，缩小了体积，便于携带，适合野外实验。

3、工作稳定，故障率低。

附图说明

图1为本发明系统的整体结构框图；

图2为本发明系统的具体结构框图；

图3为帧格式示意图；

图4为本发明系统的速率控制单元结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明融合发送数据处理单元、速率控制单元、并串转换单元、接收数据处理单元以实现低误码率、高速的无线激光通信。

见图1，本发明无线高速激光通信系统包括发射部分和接收部分。发射部分包括发送数据打包模块、数据编码模块、并串转换模块、电光转换模块和速率控制单元；接收部分包括光电转换模块、串并转换模块、数据解码模块、数据解包模块和速率控制单元。

发射部分的具体结构框图见图2，发送数据打包模块进一步包括第一级FIFO缓存模块和校验打包数据模块，第一级FIFO缓存模块用来对输入数据进行暂时存储。当存储数据数量满足一帧数据需求时，校验打包数据模块从第一级FIFO缓存模块中取出存储数据，存储数据帧格式见图3，对存储数据进行CRC校验，如果校验结果和存储数据帧中的CRC校验值不同，则校验数据不正确，丢失存储数据；如果校验结果和存储数据帧中的CRC校验值相同，则校验数据正确时，按图3所示帧格式将存储数据打包成易于传输的数据包，并将数据包传输给数据编码模块。发送数据打包模块的第一级FIFO缓存模块中存入数据的时钟应小于或等于取出数据的时钟。

数据编码模块进一步包括前向纠错信道编码模块、第二级FIFO缓冲模块和编码模块。前向纠错信道编码模块采用(255,233)RS码对数据包进行编码，使数据包具有前向纠错能力。第二级FIFO缓存模块用来对前向纠错信道编码模块编码后的数据包进行暂时存储，当第二级FIFO缓存模块中存储的数据包满足一帧数据需求时，才取出存储的数据进行编码。本具体实施中的编码模块为8B/10B编码模块，用来对第二级FIFO缓存模块中存储的数据包进行编码，具体为：在每byte数据中额外增加比特位，以提高串行链路的传输特性，确保有足够的位级传输出现，接收端可以从数据流中恢复“时钟”，即实现同步。

并串转换模块进一步包括移位寄存器和极性控制模块，移位寄存器在PLLCLK时钟信号控制下，将8B/10B编码模块处理后的并行数据转换为串行数据，并传输至极性控制模块。极性控制模块用来反转电信号TX_P与TX_N的极性，以适应电光转换模块的需求，TX_P和TX_N是高速串行差分线。

电光转换模块进一步包括激光器和光调制器，光调制器用来将电信号TX_P和TX_N转换成已调制的激光信号，激光信号进入无线激光链路，发送出去。

图2中的PLLCLK时钟信号是由速率控制单元的锁相环模块发送的时钟信号，User_CLK是由速率控制单元的速率控制模块发送的时钟信号。第一级FIFO缓存模块、校验打包数据模块、前向纠错信道编码模块、第二级FIFO缓存模块及8B/10B编码模块均在速率控制单元的User_CLK时钟信号控制下工作。移位寄存器和极性控制模块在锁相环模块的PLLCLK时钟信号控制下工作。

接收部分的具体结构框图见图2。光电转换模块即为光接收器，用来接收无线激光链路发送的激光信号，将激光信号放大后转换成相应的电信号RX_P和RX_N，RX_P和RX_N为差分信号。

串并转换模块进一步包括移位寄存器和极性控制模块，极性控制模块根据接收数据是否为帧头判断是否需要反转电信号RX_P和RX_N的极性，若接收数据为帧头，则不进行反转，将电信号直接传送至移位寄存器；若接收数据不是帧头，则对接收数据进行反转后，将电信号传送至移位寄存器。移位寄存器在PLLCLK时钟信号控制下将串行数据转换成并行数据。

数据解码模块进一步包括解码模块、第一级FIFO缓冲模块和前向纠错信道解码模块。本具体实施中的解码模块为与发射部分中8B/10B编码模块对应的8B/10B解码模块，用来对移位寄存器输出的并行数据进行解码，获得原始格式的数据。数据解码模块的第一级FIFO缓存模块对解码后的数据暂时存储，等达到一帧长度时将数据发送到前向纠错信道解码模块。前向纠错信道解码模块负责校验每帧数据内容，即采用BM（Berlekamp-massey Algorithm）迭代算法获得错误地址多项式，采用序列搜索方法求出错误地址数，并确定错误地址，获得错误图样，完成译码。如果此帧数据有错误且错误地址数量在容错范围内，前向纠错信道解码区则找出错误数据地址，并计算正确结果，然后，把此帧数据传送给数据解包模块的校验解包数据模块；如果此帧数据错误数量超出容错范围，则丢弃此帧数据并回传错误参数给工控机。

数据解包模块进一步包括校验解包数据模块和第二级FIFO缓存模块。校验解包数据模块对接收的帧数据进行解包，并校验内部数据是否有错误，校验方法同校验打包数据模块。如果没有，则将解包后数据传至数据解包模块的第二级FIFO缓存区；如果有错误，丢弃此帧数据。第二极FIFO缓存区负责缓存数据并把数据发送给工控机。

本发明中，数据打包模块、数据编码模块、并串转换模块、电光转换模块、速率控制模块、光电转换模块、串并转换模块、数据解码模块、数据解包模块均在XILINX公司生产的XC2VP40型号的FPGA上通过逻辑编程实现。

发射部分和接收部分的速率控制单元用来对本系统各模块提供所需的时钟信号。并串转换模块和串并转换模块在锁相环模块的PLLCLK时钟信号下工作，由于发送数据打包模块、数据编码模块、数据解码模块、数据解包模块处理的数据为8位或16位数据，因此，设计发送数据打包模块、数据编码模块、数据解码模块、数据解包模块在速率控制器的User_CLK时钟信号下工作。

见图4，速率控制单元包括相连的速率控制模块和锁相环模块，速率控制模块为可调节参数的控制器，锁相环模块输出PLLCLK信号，速率控制模块输出User_CLK时钟信号。在没有时钟信号输入时，PLLCLK时钟信号频率为锁相环模块压控振荡器的固有频率，当有外部时钟信号CLKIN输入时，经过一次分频的CLKIN信号与经过二次分频的PLLCLK信号同时加入到鉴相器进行鉴相，鉴相器输出一个与两者信号相位差成正比的误差电压，误差电压再经环路滤波器滤除高频信号，压控振荡器在误差电压控制下，使输出频率（和相位）发生变化，最后使f_v=f_i，环路锁定。其中，f_i表示输入鉴相器的时钟信号，f_v是反馈时钟信号。

PLLCLK时钟信号频率计算公式如下：

其中，CLKIN表示外部时钟信号CLKIN的频率；PLLCLK表示PLLCLK时钟信号频率；参考时钟分频系数、第一级分频系数、第二级分频系数通过速率控制模块设置，从而实现PLLCLK时钟信号频率的可调节。参考时钟分频系数在1和2中选择，第一级分频系数在4和5中选择，第二级分频系数在1、2、3、4、5中选择。

User_CLK时钟信号的频率计算公式如下：

其中，User_CLK表示User_CLK时钟信号的频率；PLLCLK表示PLLCLK时钟信号频率；固定分频系数为10。

由于第二级分频系数和参考时钟分频系数有限，为获得高速串行通信所需频率，输入参考时钟信号CLKIN仅可在有限范围内选择。因此，参考时钟需通过专用的具有相应频率的晶振提供或在FPGA内部经DCM（数值时钟管理器）变换获得。User_CLK时钟信号频率计算公式中的数据宽度取值取决于图2中第二级FIFO缓存后数据位的宽度，如果是8位数据线则数据宽度值为1，如果是16位数据线则数据宽度值为2。

下面结合实施例进一步说明本装置、尤其是速率控制模块的工作原理。

采用EPSON有源差分晶振提供156.25MHZ的外部时钟信号CLKIN，通过速率控制模块分别设置参考时钟分频系数、第一级分频系数、第二级分频系数为1、5、4，此时，输出的PLLCLK时钟信号速率为3.125GHZ。当发送数据的帧与帧间无间隔时，数据的最高传输速率可达3.125Gbps。

通过调整分频系数可实现同一系统内不同数据传输速率的变换。

Claims

1.无线高速激光通信系统发射端，其特征在于，包括：

发送数据打包模块、数据编码模块、并串转换模块、电光转换模块和第一速率控制单元，发送数据打包模块、数据编码模块、并串转换模块、电光转换模块依次相连，第一速率控制单元包括相互连接的锁相环模块和速率控制模块，并串转换模块在第一速率控制单元的锁相环模块的PLLCLK时钟信号下工作，发送数据打包模块和数据编码模块在第一速率控制单元的速率控制模块的User_CLK时钟信号控制下工作；

所述的数据编码模块进一步包括依次相连的前向纠错信道编码模块、第二级FIFO缓冲模块、编码模块；

所述的电光转换模块进一步包括相互连接的激光器和光调制器，其中，光调制器与并串转换模块的极性控制模块相连；

所述的速率控制模块为可调节参数的控制器，锁相环模块输出PLLCLK信号，速率控制模块输出User_CLK时钟信号；在没有时钟信号输入时，PLLCLK时钟信号频率为锁相环模块压控振荡器的固有频率，当有外部时钟信号CLKIN输入时，经过一次分频的CLKIN信号与经过二次分频的PLLCLK信号同时加入到鉴相器进行鉴相，鉴相器输出一个与两者信号相位差成正比的误差电压，误差电压再经环路滤波器滤除高频信号，压控振荡器在误差电压控制下，使输出频率和相位发生变化，最后使f_v＝f_i，环路锁定；其中，f_i表示输入鉴相器的时钟信号，f_v是反馈时钟信号；

PLLCLK时钟信号频率计算公式如下：

其中，CLKIN表示外部时钟信号CLKIN的频率；PLLCLK表示PLLCLK时钟信号频率；参考时钟分频系数、第一级分频系数、第二级分频系数通过速率控制模块设置，从而实现PLLCLK时钟信号频率的可调节；参考时钟分频系数在1和2中选择，第一级分频系数在4和5中选择，第二级分频系数在1、2、3、4、5中选择；

User_CLK时钟信号的频率计算公式如下：

其中，User_CLK表示User_CLK时钟信号的频率；PLLCLK表示PLLCLK时钟信号频率；固定分频系数为10，数据宽度取值取决于数据解包模块中第二级FIFO缓冲模块缓冲后数据位的宽度。

2.如权利要求1所述的无线高速激光通信系统发射端，其特征在于：

所述的发送数据打包模块进一步包括相互连接的第一级FIFO缓冲模块和校验打包数据模块。

3.如权利要求1所述的无线高速激光通信系统发射端，其特征在于：

所述的并串转换模块进一步包括相互连接的移位寄存器和极性控制模块。

4.无线高速激光通信系统接收端，其特征在于，包括：

光电转换模块、串并转换模块、数据解码模块、数据解包模块和第二速率控制单元，光电转换模块、串并转换模块、数据解码模块、数据解包模块依次相连，第二速率控制单元包括相互连接的锁相环模块和速率控制模块，串并转换模块在第二速率控制单元的锁相环模块的PLLCLK时钟信号下工作，数据解码模块和数据解包模块在第二速率控制单元的速率控制模块的User_CLK时钟信号控制下工作；

所述的数据解包模块进一步包括相互连接的校验解包数据模块和第二级FIFO缓冲模块；

所述的光电转换模块为光接收器；

PLLCLK时钟信号频率计算公式如下：

User_CLK时钟信号的频率计算公式如下：

5.如权利要求4所述的无线高速激光通信系统接收端，其特征在于：

所述的串并转换模块进一步包括相互连接的移位寄存器和极性控制模块。

6.如权利要求4所述的无线高速激光通信系统接收端，其特征在于：

所述的数据解码模块进一步包括依次相连的解码模块、第一级FIFO缓冲模块、前向纠错信道解码模块。