蓝星光域：卫星激光通信终端将成为6G空天地通信一体化网络的核心基础设施

中新网上海新闻11月20日电(樊中华)“未来，借助卫星激光通信技术，卫星互联网将建立超高速、超大容量、超低时延、超高安全的数据传输能力，诸多6G通信网络应用场景将快速落地。”

在2023全球“未来产业之星”大赛复赛赛场上，蓝星光域(上海)航天科技有限公司首席技术官杨一超在谈及蓝星光域此次参赛项目——星间激光通信光机系统的未来应用价值时如是表示。

信息和能量是世界科技发展不断轮动的两条主线，20世纪人类发展的动力源泉是化石能源的广泛应用，而21世纪人类的技术革新主要借力于世界通信、数据、信息产业的爆发式发展。当前世界各国正在围绕6G通信网络建设谋篇布局。杨一超表示，作为未来科技产业发展的基石，6G网络的建设目标不再是实现简单的网络容量和传输速率的突破，而是将地面无线网络与卫星通信网络进行有机连接，实现全球网络信号无缝覆盖，并迈向全球万物互联这个“终极目标”。在全球卫星定位系统、通信卫星系统、遥感卫星系统和地面网络系统的联动下，6G通信网络不仅能缩小世界各地的数字鸿沟、提高生产效率、催生新兴技术，还能帮助人类预测天气、快速应对自然灾害等。

而卫星激光通信技术的发展，是卫星互联网实现高速、大容量、低时延、高安全性的基础。由于激光自身的物理特性，相比于频率较低的微波通信，激光通信可以提供非常高的通信带宽，实现高速数据传输；同时激光比微波通信传输能量更集中，可以在太空中实现几千公里远距离点对点传输，使得建立围绕地球的超大容量卫星通信骨干网络成为可能。

更重要的是，卫星激光通信技术的发展，还能够有力支撑国家空天地一体化网络建设，将空间安全牢牢掌握在自己手中。

当前，国内的卫星激光通讯技术从高精尖科研成果向商业化产品转化的关键进程中，大规模的产业落地面临着哪些挑战？

一方面，该领域复合型专业技术人才相对缺乏。“卫星激光通信行业属于知识与技术密集型行业，涉及到通信工程、电子信号与信息处理、力学、光学、热学、运动控制、软件开发等多领域知识及技术。对专业能力强力且实践经验丰富的复合型人才有较大需求。”

另一方面，卫星激光通信技术从航天科研成果转化为商业产品没有现成经验可以参考。需要公司将航天前沿技术与中国强大的工业基础以及工业供应链体系进行有机结合，走出具有蓝星特色的激光通信终端产品商业化路径。既满足航天国家队、部队、企事业单位等客户的严格质量要求，同时通过生产能力以及供应链建设实现激光通信终端大规模量产，降低卫星激光通信技术应用成本。当前，蓝星光域已初步建立年产50台套星间高速激光通信终端的生产能力。

就此类极具前沿性的未来空间技术而言，国际化交流是否必要？

在杨一超看来看，空间激光通信技术与应用是推动空间科技创新发展的重要战略新兴技术，从世界维度看，以Starlink、General Atomics、TESAT、Mynaric等一批国外企业已经在卫星激光通信技术的产业化上走出了坚实的一步。例如，据不完全统计，目前Starlink 已经完成超过880个激光通信卫星在轨部署，在轨使用的卫星激光终端套数超过3000套，初步建立了环绕全球激光卫星通信链路。以美国太空发展局(SDA)以及空间数据系统咨询委员会(CCSDS)为代表的标准制定机构初步制定了卫星激光通信终端组网协议及标准，正在推动卫星激光通信产业向标准共享、天地协同、互联互通方向发展。因此开展国际交流合作，保持国际化视野，对于蓝星光域提升产品技术优势、把握产品发展方向至关重要。“我们希望与空间激光技术领域的国内和国际同仁们携起手来，共同推卫星激光通信技术实现标准制定、产品普及、产业革新。”

这也是蓝星光域此番参加“未来产业之星”大赛的初衷。“我们希望借助此次大赛，能学习借鉴各方研究成果、开展思想碰撞、加强卫星激光通信技术的国际合作，提升我国卫星激光通信技术的产业化水平。”杨一超说。

此外，杨一超认为，大赛聚焦创新技术和前沿领域，为学习应用前沿工程技术提供了宝贵的平台。“我们可以接触各类高新技术行业的专家、企业家和投资者，通过比赛进行思想碰撞，进行学习与思考，使企业能够全面深入地了解未来科技领域发展趋势，更好地研判蓝星下一步的发展方向。”

杨一超表示，上海在航天技术领域历史悠久，临港新片区卫星研制基地、闵行航天基地等集聚了上海航天动力技术研究所、上海空间推进研究所等研究机构以及一批代表企业，具备较强的航天产业基础，为新型空间科技的研发创新与产业化提供了有力支撑。同时，上海工业制造基础雄厚，“成熟的工业化体系和工艺，对卫星激光通信终端的大批量生产至关重要。”

他也同时指出，当前，我国民营商业航天企业发展方兴未艾，相关支持性政策应灵活化、定制化，同时应更加开放地支持民营企业可以有序开展卫星通信的基础业务，以增强我国空间信息应用在全球的竞争力。此外，杨一超谈及，未来的五年到十年，卫星激光通信产业会呈爆发式增长态势，建议加速制定出台卫星激光通信相关行业通信协议及标准，有力支持行业标准化、规模化发展。

作为未来产业，当前民营商业航天产业链与产业生态仍有待进一步完善，他建议，应充分发挥产业基金引导作用，设立大规模的重点扶持民营商业航天的国家发展基金，并鼓励地方政府和金融机构撬动社会资本联合成立商业航天产业基金，支持和鼓励民营商业航天企业在科创板上市。(完)

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「好设计论文」水下高速激光通信系统及组网技术研究

摘要： 基于蓝绿波段光线在水下传播的光学特性，设计了一种水下高速激光通信系统。系统以STM32F407为微控制器，以AD9660为激光驱动芯片构成光发射机，以光电探测器、信号调理电路、自动增益控制电路、解调电路构成光接收机，支持10/100 M以太网数据通信。驱动信号调制方式采用DPIM（Digital Pulse Interval Modulation）技术，光接收元件使用PIN光电二极管为光接收器，将光信号转换为电信号，经过信号调理，通过解调电路采集解调后的数据，控制单元处理还原初始信号。实验证明，该系统可以实现水下点到点距离50 m、1 Mb/s速率的高速低误码率通信，为水下设备间的数据采集与组网通信提供了一种新的技术方案。

中文引用格式： 张军，蔡文郁，温端强. 水下高速激光通信系统及组网技术研究[J].电子技术应用，2017，43(9)：53-56，60.

英文引用格式： Zhang Jun，Cai Wenyu，Wen Duanqian. Research on technology of underwater high speed laser communication system and networking[J].Application of Electronic Technique，2017，43(9)：53-56，60.

0 引言

水声技术是目前最为成熟的水下通信技术之一，但声波在水中的传输速率极低，不及光速的二十分之一，而且功耗较大，很难搭载在水下机器人上进行水下数据通信。光学通信技术可以克服水下声学通信带宽窄、受环境影响大、可适用载波频率低和传输时延大等不足，因此在一些应用场景中，水下光学通信可以替代水下声学通信，以应对高传输速率、高带宽、中短距离通信的需求。水下光通信可分为LED光通信与激光通信，LED作为光源存在发散角度大、传输距离近等缺点[1]，因此激光更适合作为水下光通信光源。而且，为水下传感器组网提供可靠的通信方式也成为光通信的一种应用场景。在中短距离范围内的传感器节点，水下光通信可以为节点间通信提供一种高速率、低硬件开销、高稳定性的通信方式。水声通信可以作为长距离范围的节点间通信方式，作为节点间通信方式的一种补充，从而更好地实现水下多传感器的无线组网[1]。

1 系统工作原理

本文提出了一种基于激光通信的水下中短距离无线通信方案，总体设计框架如图1所示，主要由电源、控制单元、发射机、接收机构成。其中控制单元主要用于对外围模块的控制以及与外接的PC等设备进行基于以太网的数据交互；发射机主要用于将激励信号加载至激光器产生对应的光信号；接收机主要实现了将接收到的光信号转换为电信号，并对信号进行相应的处理，同时实现增益的自动控制，降低光信号强弱变化对电路的影响。

针对水下传感器组网的应用场景，本文提出了一种基于激光通信的水下传感器组网系统，如图2所示。每一个激光通信终端与传感器网络上的各种类型传感器通过RS-232总线相连。每一片区域所有的激光通信终端都通过POE(Power Over Ethernet)[3]连接至次接驳盒交换机上，POE供电最大功率达到12.95 W。此外，管理多片区域的次接驳盒交换机由一个主接驳盒交换机所管控，主接驳盒交换机通过光纤模块将网络信号转换为光纤信号，传送至岸基站。除此之外，通过配备光通信系统的AUV在水下的运动过程去收集所需要区域传感器所连接的激光通信终端设备发送来的传感器数据。随后，AUV通过多种通信方式将数据发送给海面上的浮标中转，通过卫星通信将数据传送给岸基站。

2 系统硬件设计

2.1 发射电路设计

激光器是一种敏感的光源器件，输入电流的稳定性直接影响激光器的工作寿命，纹波大或者毛刺大的电流将直接导致器件的安全使用甚至损坏器件。而电压源驱动电路无法提供一个稳定的电流，因此激光驱动电路应选用电流源驱动模式。本系统选用ADI公司的AD9660芯片作为激光驱动芯片。AD9660具有最大120 mA的偏置电流、180 mA的调制电流、1.5 ns/2 ns的超低上升/下降时间、最高达200 MHz的调制频率和高效的光功率控制环等特点。AD9660驱动电路原理如图3所示。

2.2 接收电路设计

接收电路主要包含光电转换电路、低通滤波器电路、自动增益控制电路。光电转换电路负责将光电二极管的微弱电流信号转换为电压信号，低通滤波器电路在将微弱电压信号放大的同时将干扰噪声过滤掉，自动增益控制电路将过滤后的信号控制在可控的幅值。

2.2.1 光电转换电路

光电二极管的输出信号是电流信号，电流-电压变换使用互阻抗放大器电路来实现。激光驱动芯片的光功率监测可获取光的强度，因此对于互阻抗放大器的选择要求较高，主要要求包括高输入阻抗、带宽大、高压摆率、低噪声、频率响应优秀等特点。本系统选用TI OPA657跨导放大器作为光电转换电路的核心器件，互阻抗放大器电路如图4所示。

2.2.2 光电转换电路

自动增益控制电路的核心由压控放大器VCA810、运算放大器OPA820以及单片机的D/A输出组成。VCA810是一款宽带的压控放大器，支持单端和差分输入，增益控制在-40 dB～40 dB的范围内线性变化。OPA820是一款单位增益稳定低噪声电压反馈运算放大器。自动增益控制电路原理如图5所示，通过对D/A输出的控制，将自动增益电路的输出控制在Vpp为1 V左右。

2.3 解调电路设计

解调电路的核心由高速并行A/D转换芯片ADS830E与FIFO芯片IDT7204构成，其原理如图6所示。A/D芯片的采样时钟由30 MHz有源晶振提供，晶振产生的波形经过74HC08构成的门电路进行整形，得到稳定的时钟信号。ADS830E芯片的输入模拟电压范围为1.5 V～3.5 V，因此需要将输入的电压偏置至2 V，由ADS830E的REFT与REFB通过电阻分压得到。同时输入信号由自动增益控制电路将峰峰值控制在1.5 V以内，以免超出安全输入范围，导致A/D芯片损坏。ADS830E的输入信号即为OPA691构成的电压跟随器的输出信号。

3 系统软件设计

3.1 软件总体设计

系统嵌入式软件部分包括主程序，主要实现系统初始化、LwIP协议栈、各类外设模块初始化以及控制系统协调工作；激光驱动控制程序主要驱动激光驱动芯片，将调制信号加载至激光器上，实现电信号到光信号的转换；自动增益控制程序主要通过反馈环路动态调节电路增益，实现自适应功能；解调数据读取程序主要实现定时读取FIFO缓存器IDT7204中保存的解调电路输出的数据，同时需要保证数据不丢失不覆盖；网络数据传输程序主要实现以太网服务器端与水下系统之间的数据交互。

3.2 软件设计

激光驱动代码主要依赖于对微控制器I/O根据AD9660操作时序对芯片进行的控制，从而实现激光驱动以及自动功率控制等功能。AD9660的驱动代码主要涉及到单片机对应GPIO口的初始化、配置环路的建立、写电流环路的建立等。

具体操作流程如下：

(1)使能AD9660芯片，即将DISABLLE引脚置为“0”；

(2)打开并建立偏置环路，即将BIAS CAL引脚置为“1”后再置为“0”；

(3)打开并建立调制环路，即将WRITE CAL与WRITE PULSE引脚置为“1”；

(4)将调制信号加载到激光二极管上，即将调制信号对应的高低电平对应置WRITE CAL与WRITE CAL引脚“1”或“0”；

(5)定期重新建立偏置环路；

(6)当不使用时失能AD9660，即将DISABLE引脚置为“1”。

3.3 以太网软件设计

以太网协议LwIP协议栈[4]针对PHY芯片的配置修改底层代码，使其支持DP83848的相关配置操作。然后开启控制器以太网DMA数据接收中断，使得微控制器能够保存接收到的临时数据。在硬件驱动都配置完毕后，开始初始化LwIP内核，随后运行应用程序的相关函数进行数据收发工作。程序流程如图7所示。

3.4 组网协议设计

本文设计的报文类型主要包括数据报文、控制报文、状态报文。报文主要由主节点序号、次节点序号、报文类型、数据段等字段组成。

序号主要为区分不同节点发送的数据，协议为在水下的每个传感器节点分配了一个唯一的节点号，节点号由主节点号与次节点号构成。主节点号代表了传感器区域，以一个次接驳盒交换机为一个区域，主节点序号从1开始，每增加一个次接驳盒交换机，主节点序号累加1。而次节点号代表了一个次接驳盒交换机下所连接的传感器，次节点号从1开始，每增加一个传感器，次节点号累加1，AUV发送至光通信终端的主次节点序号均为0。这种主次节点序号的分配方式，可以更好地对数据进行分类，优先检索主序列号，再根据主序列号检索次序列号。基于上述组网协议，AUV与传感器节点所连接的光通信终端的连接流程如图8所示。

4 综合调试

通信测试包含陆地测试与水下测试，通信从1 m～40 m，每隔2 mm测试一次传输误码率。误码率与接收距离的关系曲线如图9所示，其中实曲线代表陆地环境，虚曲线代表水下环境。横向对比可以发现，同种环境下，随着传输距离的增长，误码率同样也在增加；纵向对比可以发现，不同环境相同距离下，陆地环境的误码率要优于水下环境；同一环境相同距离下，随着传输速率的增高，误码率也在增加。

5 总结

本文设计并研制了一套水下高速蓝绿激光通信系统，同时为水下传感器观测网提供了一种组网解决方案。提出了系统软硬件设计及其实现方式，最终研制出一套体积较小、功耗较低、高速率的激光通信系统，克服了传统声学通信的缺陷，为水下传感器观测网络提供了一种有效的组网方式。

参考文献

[1] 蔡文郁，温端强，方勋.水下LED光通信技术研究与实现[J].光通信技术，2016，6(6)：60-62.

[2] 张凤丽.基于可见光的水下宽带无线通信仿真研究[D].青岛：中国海洋大学，2010.

[3] POE百度百科[DB/OL].http：//baike.baidu.com/link?url=rI2ZJOur6IeoHaTa49iIBbM5XJJQGxrwi2MU9vREoY_unSza1-ParZcD2kO-Avb8AaLHH-X7scb9wQ4sz37KeE_.

[4] 赵国锋，马文武.基于LWIP的嵌入式网络系统设计与实现[J].微计算机信息，2008(23)：59-61.

[5] 张宏建.IGBT双管模块驱动保护电路的研制与应用[D].北京：华北电力大学，2005.

[6] 杨飒.反馈电路教学的几点新思路[J].高师理科学刊，2005，4(3)：90-92.

作者信息：

张 军，蔡文郁，温端强

杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州310018

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