CN107528637A - 一种星内超高速数据激光传输*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种星内超高速数据激光传输***,其包括激光调制模块和激光解调模块,所述激光调制模块和所述激光解调模块分别将电信号调制为光信号和将光信号解调为电信号,所述激光调制模块和所述激光解调模块均采用强度调制和波分复用技术,实现210Gbps至280Gbps的高速率通信传输。这样采用强度调制和波分复用的通信体制进行信号传输,传输信号清晰,码间串扰和信噪比性能较好;在发射端数据整合模块和接收端数据整合模块均采用数据锁存器和移位寄存器链,进行数据整合;发射天线模块采用模块采用透镜式天线,用于增加激光发射角;接收天线模块采用多模光纤或带有单模光纤尾纤的微透镜整列来接收,用于增大接收面积。
Description
技术领域
本发明涉及数据传输技术领域,具体涉及一种星内超高速数据激光传输***。
背景技术
非接触式传输技术在有效载荷与卫星平台之间发挥着重要作用,为了将旋转载荷产生的海量数据可靠无摩擦地传输至卫星平台中,需要一种基于同轴旋转的非接触式高速激光传输***;由于受到工作场景限制,目前尚无可借鉴的非接触式高速激光传输***,而且由于有效载荷(例如相机)的输出数据与激光通信调制格式和路数不匹配,需要对相机输出的多路数据格式和数据速率进行转换和整合。
针对以上需求,本发明创造者经过长时间的研究和实践终于获得了本方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种星内超高速数据激光传输***,用以解决上述技术需求。
本发明解决的技术问题是:克服现有高速激光传输***的不足,设计一种基于大束散角发射大面积接收和波分复用强度调制技术的星内超高速数据激光传输***。
为实现上述目的,本发明首先提供一种星内超高速数据激光传输***,其包括激光调制模块和激光解调模块,所述激光调制模块和所述激光解调模块分别将电信号调制为光信号和将光信号解调为电信号,所述激光调制模块和所述激光解调模块均采用强度调制和波分复用技术,实现210Gbps至280Gbps的高速率通信传输。
较佳的,其还包括发射端数据转换整合模块和接收端数据转换整合模块,所述发射端数据转换整合模块和所述接收端数据转换整合模块均包括数据锁存器和移位寄存器链,发射端数据锁存器用于锁定发射端移位寄存器链的输入电平,以便于发射端移位寄存器链对数据进行重新整合,使输入的并行数据转为串行数据;接收端数据锁存器用于锁定接收端移位寄存器链的输出电平,以便于接收端移位寄存器链对数据进行重新整合,使输入的串行数据转为并行数据。
较佳的,其还包括发射天线模块,所述发射天线模块采用透镜式天线,用于增加激光发射角,使通信光斑在持续转动和抖动条件下都能进入接收天线。
较佳的,其还包括接收天线模块,所述接收天线模块采用多模光纤或带有单模光纤尾纤的微透镜整列来接收,用于增大接收面积。
较佳的,所述接收天线模块还采用滤波片减少大面积接收带来的背景光和杂散光。
较佳的,所述移位寄存器链由多个移位寄存器串联组成,所述移位寄存器由同步的时钟信号源控制。
与现有技术比较本发明的有益效果在于:采用强度调制和波分复用的通信体制进行信号传输,传输信号清晰,码间串扰和信噪比性能较好,且采用的波分复用通道少,设备复杂度低;在发射端数据整合模块和接收端数据整合模块均采用数据锁存器和移位寄存器链,分别用数据锁存器将移位寄存器链的输入电平和输出电平锁住,进行数据整合;发射天线模块采用模块采用透镜式天线,用于增加激光发射角;接收天线模块采用多模光纤或带有单模光纤尾纤的微透镜整列来接收,用于增大接收面积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为实施例1中的一种星内超高速数据激光传输***框图;
图2为实施例一中的发射端数据转换整合模块框图;
图3为实施例二的发射端数据转换整合模块结构图;
图4为实施例三的接收端数据转换整合模块结构图;
图5为实施例四采用的大束散角发射大面积接收技术;
图6为实施例五中的发射端的40Gbps×7路强度调制及波分复用通信体制;
图7为实施例五中的接收端的40Gbps×7路强度调制及波分复用通信体制;
图8为实施例六中通过optisystem软件仿真的***框图;
图9波分复用发射光谱图;
图10a实施例五中支路1眼图;
图10b实施例五中支路2眼图;
图10c实施例五中支路3眼图;
图10d实施例五中支路4眼图;
图10e实施例五中支路5眼图;
图10f实施例五中支路6眼图;
图10g实施例五中支路7眼图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施方式的技术特征和优点作详细的说明。
实施例一
图1为一种星内超高速数据激光传输***的***框图,其包括:发射端数据转换整合模块1、激光调制模块2、发射天线模块3、接收天线模块4、激光解调模块5和接收端数据转换整合模块6;
发射端数据转换整合模块1包括:输入输出接口电路,主要完成上下级***之间的信号匹配功能;高速数据转换电路,在发射端主要完成将几路高速并行数据合成为一路串行数据的功能;在接收端主要负责将串行数据分解;时钟和时钟控制电路,为***提供精准稳定的时钟信息,如图2所示;
发射端数据转换整合模块1主要把相机焦平面产生的几十路近7Gbps高速串行电信号,整合成几路近30Gbps的电信号输出;
激光调制模块2包括激光器、外调制器和波分复用器,通过激光器和电光调制器完成电光调制后得到多光路调制信号,即把电信号调制为光信号,经由波分复用器合成进入发射天线模块完成发射;
发射天线模块3包括光纤耦合器,发射天线模块3的接收端通过光纤耦合器将一路光信号打散分为多路混合的光信号,经过滤波器处理后,通过发射天线发射出去;
接收天线模块4包括光纤耦合器,接收天线接收发射天线模块3发射的多路光信号后,通过光纤耦合器将多路光信号合为一路光信号,经过滤波器处理后,进入激光解调模块5;
激光解调模块5包括光电探测器和解调电路,通过光电探测器将光信号解调成电信号,完成光电转换,通过解调器进行信号解调,得到几路近30Gbps的电信号,解调电路解调后,原来在输入端是什么样的信号进行光调制的,解调后就还原成该调制前的信号,调制前是每路30多个G的信号,解调后就是每路30多个G的信号;
接收端数据转换整合模块6主要把几路近30Gbps的电信号整合成多路高速串行电信号,输出至数据后续处理进行处理。
该种星内超高速数据激光传输***可以将相机焦平面产生的几十路近7Gbps高速串行电信号通过发射端数据转换整合模块转换为并行数据,通过激光调制模块将电信号转为光信号,然后通过发/收天线,将光信号发射出去,再通过激光解调模块将光信号转为电信号还原。
实施例二
目前高速、可靠的数据转换整合具有较高的难度,通常有两种方法:一种采用移位寄存器链,可实现将并行数据转换为串行数据,并完成重定时等功能,该方法结构简单,但移位寄存器使用单一时钟负载大,高速率下可靠性差;另一种采用多相移位脉冲时钟方式实现,但多相移位脉冲时钟的产生电路复杂,时钟相位稳定性不确定。
为解决上述难题,本例实施的星内超高速数据激光传输***的发射端数据整合模块采用多路同步时钟技术的移位寄存器链和数据锁存器来实现数据转换整合,输入数据经过移位寄存器链和数据锁存器以后,由并行数据转为串行数据,使串行数据可以直接调制成光信号,实现高速可靠的数据整合,图3为发射端数据转换整合模块的框图;
相机输出的图像通过输入数据接口,将输入信号转换成幅度为0~3.3V的信号,传输给数据锁存器;数据锁存器是移位寄存器链的一部分,数据锁存器将移位寄存器链的输入电平锁定,以便将输入数据锁定,通过移位寄存器链对数据进行重新整合,使输入的并行数据转为串行数据进行调制;移位寄存器链一般由多个移位寄存器串联组成,每个移位寄存器分别由一个同步的时钟信号源控制,图3中的移位寄存器链由4个移位寄存器串联组成,通过移位寄存器链的输出接口电路转换成幅值为±300mV的双极性非归零码,输入到激光调制模块2中。
本实施例的有益效果是:数据锁存器将移位寄存器链的输入电平锁住,输入数据通过移位寄存器链,将并行数据转为串行数据,通过发射天线进行发射。
实施例三
本实施例所述的星内超高速数据激光传输***的接收端数据整合模块采用多路同步时钟技术的移位寄存器链和数据锁存器来实现数据转换整合,本实施例与实施例二发射端的数据整合模块的工作过程相反,输入数据经过移位寄存器链和数据锁存器以后,由串行数据转为并行数据,如图4所示,数据通过电光转换及解调电路,将光信号转换为电信号后,输入到移位寄存器链进行缓存,保证数据不丢失,并将串行数据转换为并行数据,通过与后端处理器同步的时钟控制数据锁存器将移位寄存器链的输出电平锁存,使输出的并行数据与后端处理器同步。
本实施例的有益效果是:输入数据通过移位寄存器链,将串行数据转为并行数据,通过数据锁存器将移位寄存器链的输出电平锁存,使得并行数据与***处理器同步,还原原始数据。
实施例四
如上所述的星内超高速数据激光传输***,本实施例与其不同的是:由于同轴旋转通信两段处于持续转动和振动条件下,通信光斑抖动严重影响激光、通信质量,所以发射天线3和接收天线4采用基于大束散角发射大面积接收技术,如图5所示:
发射端发射天线采用透镜式天线增加激光发射角,可达到0至10度,使得通信光斑在持续转动和抖动条件下都能进入接收光学天线。接收端接收天线采用多模光纤或带有单模光纤尾纤的微透镜整列来接收,实现大面积的光斑接收。该方案具有结构简单、抗转动和振动能力强的优点;较短的通信距离将弥补大束散角发射带来的功率损耗,可采用滤波片减少大面积接收带来的背景光和杂散光。
实施例五
如上所述的星内超高速数据激光传输***,本实施例与其不同的是:发射端激光调制模块2通过光调制模块将电信号转为光信号和接收端激光调制模块5通过光调制模块将光信号转为电信号后,为了实现210G bps至280Gbps高速率传输,采用强度调制和波分复用的通信体制来实现,下面以250Gbps为例来说明传输方式:实现250Gbps以上高速率传输可采用多进制调制格式和强度调制格式;多进制调制格式包括16QAM(16进制正交振幅调制)、QPSK(四相相移键控)、QAM(正交振幅调制)等数字调制方式,格式光谱利用率较高,单波长可实现220Gbps以上通信速率,信噪比和误码率等指标很好,但其对应的解调部件相对复杂、功耗大,不满足星载环境的要求;强度调制格式传统、成熟,光谱利用率一般,调制解调结构简单,在强度调制基础上使用波分复用技术可实现250Gbps以上通信数率。
采用强度调制和波分复用的通信体制来实现250Gbps以上的通信时,电光调制器的速率有10Gbps和40Gbps两种,为实现百G级的高速通信,有两种方案备选:
1)单路通信速率10Gbps×25路以上波分通信体制,采用速率为10Gbps的电光调制器,需要25个电光调制器并联,多路信号通过波分复用器合为1路通过光学天线发射,而接收端通过光学天线接收并经过滤波器滤波后需要25个并联的电光调制器接收,大接收面积的10Gbps光电探测器器件比较成熟,可增加通信接收效率,其接收灵敏度比40Gbps光电探测器高出5dB以上。该方案缺点为10路以上波分复用将极大增加设备的复杂度、功耗和体积。
2)单路通信速率40Gbps×7路以上波分通信体制,其发射端激光调制模块2与接收端激光调制模块5分别如图6和图7所示,图6中,采用7路以上×40Gbps方式,多路信号通过波分复用器合为1路通过光学天线发射,接收端激光调制模块5经过接收天线接收后,经过光解复用器,将光信号转为电信号,并通过滤波器滤波后7路传输给接收端数据转换整合模块6;单路通信速率为40Gbps,采用的波分复用通道明显减少,这降低了设备复杂程度。虽然40Gbps光电探测器灵敏度低,但是通信距离短,从而较好地弥补了这些不足。
通过以上对比,拟采用单路通信速率为40Gbps×7路以上波分通信体制来实现百G级的高速通信。
为了更好的说明采用单路通信速率40Gbps的传输效果,下面采用仿真***进行模拟仿真:
基于40Gbps×7路以上波分通信体制,利用optisystem软件对自由空间通信距离为5cm、单路速率为40Gbps、7路的光波分复用通信***进行模拟仿真,通信速率达到280Gbps,仿真***框图如图8所示,仿真结果所得的发射光谱如图9所示,横轴是波长,纵轴是功率,能量都集中在1.55m波长附近上,7个尖表示7路信号,能量集中在7路信号上,且相互之间有间隔,可以在接收端分开。
7路信号仿真眼图如图10a-10g所示,这7个仿真图,横轴代表时间,纵轴代表振幅,这7个仿真眼图中上下围成一个“眼球”形状的眼图,“眼球”睁得越开,表明通信质量越好,10a-10g所示的7个眼图表明通信质量很好,用40Gbps的单路速率进行解调没有问题。
由图10a-10g的初步仿真结果可以看出7路信号眼图清晰,码间串扰和信噪比性能较好,这表明本方案提出的40Gbps×7通信方案是合理可行的。
本实施例采用强度调制和波分复用的单路通信速率40Gbps×7路的通信体制以上波分通信体制进行信号传输,传输信号清晰,码间串扰和信噪比性能较好,且采用的波分复用通道少,设备复杂度低。
实施例六
如上所述的星内超高速数据激光传输***,本实施例与其不同的是:发射端激光调制模块2通过光调制模块将电信号转为光信号和接收端激光调制模块5通过光调制模块将光信号转为电信号后,采用强度调制和波分复用的通信体制实现210G bps的高速率,单路通信速率采用40Gbps×6路或10Gbps×21路以上波分通信体制,10Gbps×21路以上波分通信体制增加设备的复杂度、功耗和体积,通过比较,宜采用40Gbps×6路实现高速率传输,这样既能实现高速率传输,也不增加设备的复杂度、功耗和体积。
实施例七
如上所述的星内超高速数据激光传输***,本实施例与其不同的是:发射端激光调制模块2通过光调制模块将电信号转为光信号和接收端激光调制模块5通过光调制模块将光信号转为电信号后,采用强度调制和波分复用的通信体制实现280G bps的高速率,单路通信速率采用40Gbps×7路或10Gbps×28路以上波分通信体制,10Gbps×28路以上波分通信体制增加设备的复杂度、功耗和体积,通过比较,宜采用40Gbps×7路实现高速率传输,这样既能实现高速率传输,也不增加设备的复杂度、功耗和体积。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,对本发明而言仅仅是说明性的,而非限制性的。本专业技术人员理解,在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变,修改,甚至等效,但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种星内超高速数据激光传输***,其特征在于,其包括激光调制模块和激光解调模块,所述激光调制模块和所述激光解调模块分别将电信号调制为光信号和将光信号解调为电信号,所述激光调制模块和所述激光解调模块均采用强度调制和波分复用技术,实现210Gbps至280Gbps的高速率通信传输。
2.根据权利要求1所述的一种星内超高速数据激光传输***,其特征在于,其还包括发射端数据转换整合模块和接收端数据转换整合模块,所述发射端数据转换整合模块和所述接收端数据转换整合模块均包括数据锁存器和移位寄存器链,发射端数据锁存器用于锁定发射端移位寄存器链的输入电平,以便于发射端移位寄存器链对数据进行重新整合,使输入的并行数据转为串行数据;接收端数据锁存器用于锁定接收端移位寄存器链的输出电平,以便于接收端移位寄存器链对数据进行重新整合,使输入的串行数据转为并行数据。
3.根据权利要求2所述的一种星内超高速数据激光传输***,其特征在于,其还包括发射天线模块,所述发射天线模块采用透镜式天线,用于增加激光发射角,使通信光斑在持续转动和抖动条件下都能进入接收天线。
4.根据权利要求3所述的一种星内超高速数据激光传输***,其特征在于,其还包括接收天线模块,所述接收天线模块采用多模光纤或带有单模光纤尾纤的微透镜整列来接收,用于增大接收面积。
5.根据权利要求4所述的一种星内超高速数据激光传输***,其特征在于,所述接收天线模块还采用滤波片减少大面积接收带来的背景光和杂散光。
6.根据权利要求2至5任一所述的一种星内超高速数据激光传输***,其特征在于,所述移位寄存器链由多个移位寄存器串联组成,所述移位寄存器由同步的时钟信号源控制。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20171229 |