CN108242954B - 一种应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统及方法。其中，该系统包括发射匹配器、光辐射模块、舱内传输信道、光接收模块和接收匹配器；其中，发射匹配器对输入电信号进行协议转换和电平匹配处理得到输出信号；光辐射模块根据发射匹配器的输出信号发射可见光强度信号；舱内传输信道将可见光强度信号传输给光接收模块；光接收模块将可见光强度信号滤除杂光后并进行光电转换得到电信号，并将电信号放大并滤波处理后传输给接收匹配器；接收匹配器对放大并滤波处理后的电信号进行协议转换和电平匹配处理后输入到航天器设备。本发明有效提高航天器载荷能力，同时不受限于频谱规范、电磁干扰和人员安全的问题。

Description

一种应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统及方法
技术领域
本发明属于可见光通信领域，尤其涉及一种应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统及方法。
背景技术
近年来，随着航天技术的日益发展和航天器功能的不断增加，航天器舱内结构变得越来越复杂，搭载电子设备的数量也越来越大。在这种情况下，一方面，航天器舱内的电磁环境变得异常复杂，这对系统电磁兼容设计提出了非常高的要求。另一方面，传统的航天器舱内设备之间采用双绞线、同轴电缆等进行互联，这些缆线体积大，往往造成舱内空间拥挤；其重量占航天器干重的比值高达7％-10％，严重限制了航天器的有效载荷。因此，如果能够在保证电磁兼容的前提下简化舱内数据传输系统，将会有效提高航天器有效载荷能力，同时降低航天器的发射成本。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统及方法，有效提高航天器载荷能力，同时不受限于频谱规范、电磁干扰和人员安全的问题。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统，包括：发射匹配器、光辐射模块、舱内传输信道、光接收模块和接收匹配器；其中，所述发射匹配器连接航天器设备和光辐射模块，对输入电信号进行协议转换和电平匹配处理得到输出信号；所述光辐射模块根据发射匹配器的输出信号发射可见光强度信号；所述舱内传输信道将可见光强度信号传输给所述光接收模块；所述光接收模块将可见光强度信号滤除杂光后并进行光电转换得到电信号，并将电信号放大并滤波处理后传输给所述接收匹配器；所述接收匹配器对放大并滤波处理后的电信号进行协议转换和电平匹配处理后输入到航天器设备。
上述应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统中，所述光辐射模块包括调制电路、白光LED光源和聚光镜；其中，所述调制电路将发射匹配器的输出信号加载到白光LED光源，实现对白光LED光源的强度调制，所述白光LED光源用于发射可见光强度信号，所述聚光镜用于调节LED光源的辐射角。
上述应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统中，所述舱内传输信道为航天器舱内自由空间传输信道，包括：直射链路信道和漫反射链路信道。
上述应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统中，所述光接收模块包括滤光片、光电转换器、放大电路和低通滤波器；其中，所述滤光片用于将可见光强度信号滤除杂光，所述光电转换器将接收到的滤除杂光的可见光强度信号进行光电转换得到电信号，所述放大电路将电信号进行放大，所述低通滤波器对放大后的电信号进行滤波处理，滤除带外噪声。
上述应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统中，所述白光LED光源采用荧光型LED光源或红绿蓝型LED光源。
上述应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统中，所述光辐射模块通过所述舱内传输信道将可见光强度信号传输给所述光接收模块的传输模式包括点到点模式和点到多点模式，其中，点到点模式通过聚光镜减小LED光源辐射角，点到多点模式通过码分多址、时分多址和波分多址实现多址接入。
根据本发明的另一方面，还提供了一种应用于航天器舱内数据传输的可见光通信方法，所述方法包括以下步骤：发射匹配器连接航天器设备和光辐射模块，对输入电信号进行协议转换和电平匹配处理得到输出信号；光辐射模块根据发射匹配器的输出信号发射可见光强度信号；舱内传输信道将可见光强度信号传输给光接收模块；光接收模块将可见光强度信号滤除杂光后并进行光电转换得到电信号，并将电信号放大并滤波处理后传输给接收匹配器；接收匹配器对放大并滤波处理后的电信号进行协议转换和电平匹配处理后输入到航天器设备。
上述应用于航天器舱内数据传输的可见光通信方法中，所述光辐射模块包括调制电路、白光LED光源和聚光镜；其中，所述调制电路将发射匹配器的输出信号加载到白光LED光源，实现对白光LED光源的强度调制，所述白光LED光源用于发射可见光强度信号，所述聚光镜用于调节LED光源的辐射角。
上述应用于航天器舱内数据传输的可见光通信方法中，所述舱内传输信道为航天器舱内自由空间传输信道，包括：直射链路信道和漫反射链路信道。
上述应用于航天器舱内数据传输的可见光通信方法中，所述光接收模块包括滤光片、光电转换器、放大电路和低通滤波器；其中，所述滤光片用于将可见光强度信号滤除杂光，所述光电转换器将接收到的滤除杂光的可见光强度信号进行光电转换得到电信号，所述放大电路将电信号进行放大，所述低通滤波器对放大后的电信号进行滤波处理，滤除带外噪声。
上述应用于航天器舱内数据传输的可见光通信方法中，所述白光LED光源采用荧光型LED光源或红绿蓝型LED光源。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明利用白光LED发出的光波作为载体，代替航天器舱内部分线缆进行数据传输，具有体积小、重量轻、功耗低、绿色节能环保的优点，可以有效减小舱内空间拥挤度和航天器重量，提高载荷能力，降低成本；
(2)本发明采用可见光波段进行数据传输，不受频谱规范限制，对舱内设备不会产生电磁干扰，同时信息在密闭舱体中不会泄露，保密性好；
(3)本发明相比于现有航天器舱内无线通信技术方案，可以提供更高的数据传输速率(100Mbps～几Gbps)；
(4)本发明相比于IR无线光通信方案具有更高的人体安全性，可以有效简化地面的集成测试过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的系统方案，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统在一种实施方式中的结构示意图；
图2为本发明一种实施方式中的一种卫星平台通信舱俯视图；
图3为本发明一种实施方式提供的一种直射工作模式示意图；
图4为本发明一种实施方式提供的一种漫反射工作模式示意图；
图5为本发明一种实施方式提供的一种点到点工作模式示意图；
图6为本发明一种实施方式提供的一种点到多点工作模式示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统在一种实施方式如图1所示，系统由发射匹配器、光辐射模块、舱内传输信道、光接收模块和接收匹配器组成。
发射匹配器连接航天器设备和光辐射模块，对输入电信号进行协议转换、电平匹配等处理，使其适合采用可见光通信的方式实现航天器舱内数据传输；光辐射模块包括调制电路、白光LED光源和聚光镜，其中调制电路将发射匹配器的输出信号加载到LED光源，实现对LED光源的强度调制，白光LED光源采用荧光型LED光源或RGB型LED光源，用于发射可见光强度信号，聚光镜用于调节LED光源的辐射角；舱内传输信道为航天器舱内自由空间传输信道，包括直射链路信道和漫反射链路信道；光接收模块包括滤光片、光电转换器、放大电路和低通滤波器，其中滤光片用于滤除杂光，或选择接收RGB型LED光源不同颜色的信号，光电转换器采用大接收视场、大接收面积的硅基PIN型光电探测器，用于将接收到的可见光信号进行光电转换从而产生电信号，放大电路用于放大光电转换器产生的电信号，低通滤波器对所述电信号进行滤波处理，滤除带外噪声；接收匹配器与发射匹配器相对应，对光接收模块的输出电信号进行协议转换、电平匹配等处理，最终输入到航天器设备。
在一种实施方式中，本发明的应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统，其光辐射模块和光接收模块采用金属盒封装，以避免电磁干扰。
在一种实施方式中，本发明的应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统，其链路设计和工作模式服从于航天器舱内的单机布局，且所述系统一经安装设置完成，不再发生变动。
下面以一种典型的通信卫星平台通信舱为例，进一步对本发明的工作模式作详细说明。图2所示为一种实施方式中的卫星平台通信舱俯视图，卫星通信舱由卫星舱板和中部承力筒包围而成，并被隔板分隔成若干子舱，单机安装于舱板内侧和隔板上。
在一种实施方式中，本发明的应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统，针对不同的舱内环境和单机布局，可工作于直射模式和漫反射模式：
①直射模式
图3所示为本发明一种实施方式提供的一种直射工作模式示意图，当发射端和接收端之间无遮挡时，系统工作于直射模式，即收发两端通过直射光完成数据传输；
②漫反射模式
图4所示为本发明一种实施方式提供的一种漫反射工作模式示意图，当舱内单机较多、存在直射路径遮挡时，系统工作于漫反射模式，即收发两端通过承力筒或舱壁的漫反射光完成数据传输。
在一种实施方式中，本发明应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统，根据链路设计，可工作于点到点模式和点到多点模式：
①点到点模式
图5所示为本发明一种实施方式提供的一种点到点工作模式示意图，发射端对准接收端，并通过聚光镜减小LED光源辐射角，以提高接收光功率，同时避免对其他链路的干扰；
②点到多点模式
图6所示为本发明一种实施方式提供的一种点到多点工作模式示意图，可见光信号同时覆盖三个接收端，并通过CDMA、TDMA或WDMA等技术实现多址接入。
在一种实施方式中，本发明应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统可采用多种复用技术以提高传输速率，包括WDM和SDM技术等：
①WDM
在基于RGB型LED光源的舱内可见光通信系统中，发射端对红绿蓝三色发光芯片调制不同的信号，而接收端通过滤光片对三色信号进行区分和独立探测，从而利用WDM技术实现更高的传输速率；
②SDM
在舱内可见光通信系统中，由于舱内环境具有密闭性，因此不同子舱的波长、时间等信道资源可以同时得到利用，从而实现SDM传输。
在一种实施方式中，本发明应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统具有休眠和唤起两种工作状态，当有数据传输需求时，系统提前被唤起开始工作，当无数据传输需求时，系统进入休眠状态，以降低功耗，提高寿命。
本实施例还提供了一种应用于航天器舱内数据传输的可见光通信方法，该方法包括以下步骤：
发射匹配器连接航天器设备和光辐射模块，对输入电信号进行协议转换和电平匹配处理得到输出信号；
光辐射模块根据发射匹配器的输出信号发射可见光强度信号；
舱内传输信道将可见光强度信号传输给光接收模块；
光接收模块将可见光强度信号滤除杂光后并进行光电转换得到电信号，并将电信号放大并滤波处理后传输给接收匹配器；
接收匹配器对放大并滤波处理后的电信号进行协议转换和电平匹配处理后输入到航天器设备。
上述实施例中，光辐射模块包括调制电路、白光LED光源和聚光镜；其中，所述调制电路将发射匹配器的输出信号加载到白光LED光源，实现对白光LED光源的强度调制，所述白光LED光源用于发射可见光强度信号，所述聚光镜用于调节LED光源的辐射角。
上述实施例中，舱内传输信道为航天器舱内自由空间传输信道，包括：直射链路信道和漫反射链路信道。
上述实施例中，光接收模块包括滤光片、光电转换器、放大电路和低通滤波器；其中，所述滤光片用于将可见光强度信号滤除杂光，所述光电转换器将接收到的滤除杂光的可见光强度信号进行光电转换得到电信号，所述放大电路将电信号进行放大，所述低通滤波器对放大后的电信号进行滤波处理，滤除带外噪声。
上述实施例中，白光LED光源采用荧光型LED光源或红绿蓝型LED光源。
本实施例提出了一种应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统，利用白光LED发出的光波作为载体，代替航天器舱内部分线缆进行数据传输，具有体积小、重量轻、功耗低、绿色节能环保等优点，可以有效减小舱内空间拥挤度和航天器重量，提高载荷能力，降低成本；并且采用可见光波段进行数据传输，不受频谱规范限制，对舱内设备不会产生电磁干扰，同时信息在密闭舱体中不会泄露，保密性好；可以提供更高的数据传输速率(100Mbps～几Gbps)；可以有效简化地面的集成测试过程。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种应用于航天器舱内数据传输的可见光通信系统，其特征在于包括：发射匹配器、光辐射模块、舱内传输信道、光接收模块和接收匹配器；其中，
所述发射匹配器连接航天器设备和光辐射模块，对输入电信号进行协议转换和电平匹配处理得到输出信号；
所述光辐射模块根据发射匹配器的输出信号发射可见光强度信号；
所述舱内传输信道将可见光强度信号传输给所述光接收模块；
所述光接收模块将可见光强度信号滤除杂光后并进行光电转换得到电信号，并将电信号放大并滤波处理后传输给所述接收匹配器；
所述接收匹配器对放大并滤波处理后的电信号进行协议转换和电平匹配处理后输入到航天器设备；其中，
所述光辐射模块包括调制电路、白光LED光源和聚光镜；其中，所述调制电路将发射匹配器的输出信号加载到白光LED光源，实现对白光LED光源的强度调制，所述白光LED光源用于发射可见光强度信号，所述聚光镜用于调节LED光源的辐射角；
所述光辐射模块通过所述舱内传输信道将可见光强度信号传输给所述光接收模块的传输模式包括点到点模式和点到多点模式，其中，点到点模式通过聚光镜减小LED光源辐射角，点到多点模式通过码分多址、时分多址和波分多址实现多址接入；其中，
所述舱内传输信道为航天器舱内自由空间传输信道，包括：直射链路信道和漫反射链路信道；
所述光接收模块包括滤光片、光电转换器、放大电路和低通滤波器；其中，
所述滤光片用于将可见光强度信号滤除杂光，所述光电转换器将接收到的滤除杂光的可见光强度信号进行光电转换得到电信号，所述放大电路将电信号进行放大，所述低通滤波器对放大后的电信号进行滤波处理，滤除带外噪声；
所述白光LED光源采用荧光型LED光源或红绿蓝型LED光源。
2.一种应用于航天器舱内数据传输的可见光通信方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
发射匹配器连接航天器设备和光辐射模块，对输入电信号进行协议转换和电平匹配处理得到输出信号；
光辐射模块根据发射匹配器的输出信号发射可见光强度信号；
舱内传输信道将可见光强度信号传输给光接收模块；
光接收模块将可见光强度信号滤除杂光后并进行光电转换得到电信号，并将电信号放大并滤波处理后传输给接收匹配器；
接收匹配器对放大并滤波处理后的电信号进行协议转换和电平匹配处理后输入到航天器设备；其中，
所述光辐射模块包括调制电路、白光LED光源和聚光镜；其中，所述调制电路将发射匹配器的输出信号加载到白光LED光源，实现对白光LED光源的强度调制，所述白光LED光源用于发射可见光强度信号，所述聚光镜用于调节LED光源的辐射角；
所述光辐射模块通过所述舱内传输信道将可见光强度信号传输给所述光接收模块的传输模式包括点到点模式和点到多点模式，其中，点到点模式通过聚光镜减小LED光源辐射角，点到多点模式通过码分多址、时分多址和波分多址实现多址接入；其中，
所述舱内传输信道为航天器舱内自由空间传输信道，包括：直射链路信道和漫反射链路信道；
所述光接收模块包括滤光片、光电转换器、放大电路和低通滤波器；其中，所述滤光片用于将可见光强度信号滤除杂光，所述光电转换器将接收到的滤除杂光的可见光强度信号进行光电转换得到电信号，所述放大电路将电信号进行放大，所述低通滤波器对放大后的电信号进行滤波处理，滤除带外噪声。
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