一种基于混合信号的光传输装置的制作方法

1.本实用新型涉及有源光缆技术领域，具体涉及一种基于混合信号的光传输装置。


背景技术：

2.高清晰度多媒体接口(high definition multimedia interface，hdmi) 是一种数字化视频/音频接口技术，适合影像传输的专用型数字化接口，其可同时传送音频和影像信号，在现有公开的hdmi标准协议2.0版本中，将视频显示数据、显示控制信号以及音频数据等转换为最小化传输差分信号(transition minimized differential signaling，tmds)字符，用于在hdmi 线缆中传输。
3.目前，hdmi标准2.1版本相对原来的2.0版本新增了固定速率链路(fix rate link，frl)传输模式，用于支持2.1版本相对于2.0版本来说更高的显示数据传输速率，从而支持更高分辨率和更高帧率视频制式的传输；
4.hdmi有源光缆，它是一种利用光纤制作的hdmi信号传输线。经过特定driver驱动，采用vcsel led激光器，发生850nm激光，实现了电到光的转换；再经过om3 50um光纤传输，到接收端的光到电的转换，完成数据传输。4k高清无损信号传输电影院级别的视听效果，百米级别的定制能力，轻松解决布线难题，18gbps满速带宽，轻松满足4k/3d电影需求。
5.现有的hdmi有源光缆技术，一般使用4根光纤传输hdmi的4路差分 tmds高速信号，同时继续采用铜芯线传送hdmi协议规定的 cec/utility/scl/sda/hpd等低速信号，或者，使用4根光纤传输hdmi的 4路差分高速信号，同时采用两根光纤传送压缩后的 cec/utility/scl/sda/hpd等低速信号，但这种方案产生的问题是，随着光纤数量的增加，导致布线难度增大，成本也随之增高，兼容性也随之降低。
6.因此，如何能够减少多媒体接口的高速信号和低速信号传输所需要的光纤数量，兼容frl传输模式和tmds传输模式，实时远距离同步传输高速信号和低速信号，成为现有技术亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

7.基于以上存在的问题及现有技术的缺陷，本技术提供一种基于混合信号的光传输装置，对混合信号的长距离传输提供了一种较优的解决方案，用户体验较高。
8.一种基于混合信号的光传输装置，包括发送端、接收端，发送端和接收端之间通过单根光纤通信连接，其特征在于，所述发送端包括激光驱动电路、vcsel激光器和第一波分复用/解复用器，所述接收端包括第二波分复用/解复用器、光电探测器以及跨阻放大器，其中，
9.激光驱动电路，被配置为从信号源接收多路高速差分信号和辅助信号，并将多路高速差分信号提取为多路串行单端电信号，以及，将辅助信号时分复用为单路电信号；
10.vcsel激光器，被配置为将所述多路串行单端电信号和单路电信号进行电光转换，形成多路不同波长光信号；
11.第一波分复用/解复用器，用于从所述vcsel激光器接收多路不同波长光信号，以及，将多路不同波长光信号组合成光复用信号后通过单根光纤传输；
12.第二波分复用/解复用器，用于从单根光纤接收光复用信号，将光复用信号解复用为多路不同波长光信号；
13.光电探测器，其被连接到所述第二波分复用/解复用器，用于将解复用的多路不同波长光信号通过光电转换为多路电信号；
14.跨阻放大器，其被连接到所述光电探测器，将多路电信号放大为多路高速差分信号后输出至目标设备。
15.其中，所述激光驱动电路中的每一个被配置为与所述多路高速差分信号相关联的每一对差分信号为最小化差分(tmds)信号。
16.其中，所述激光驱动电路中的每一个被配置为与所述多路高速差分信号相关联的每一对差分信号为固定速率链接(frl)信号。
17.其中，所述多路串行单端电信号中的每一路都能耦合到单独的vcsel 激光器，通过vcsel激光器所述多路串行单端电信号中的每一路进行电光转换后单独地输出到所述第一波分复用/解复用器。
18.其中，所述辅助信号包括sda、scl、cec、hpd、ir、usb、rs232、uart、 arc/earc信号中的一个或多个。
19.其中，所述第一波分复用/解复用器和所述第二波分复用/解复用器均被配置为采用vcsel多波长复用结构的cwdm系统。
20.本实用新型的有益效果是：针对混合信号，通过耦合与单根光纤两端的第一波分复用/解复用器和第二波分复用/解复用器，在单根光纤进行多通道光信号的双向复用、解复用处理，可显著减少长途线路花费，这种节省将为拥有者和运营商提供大量的光纤束成本降低和布线难度，提高cwdm 网络的高带宽数字有效载荷的运输速率，随着光缆传输距离的增加，本技术方案的成本优势愈加突出，并且保证了多通道信号传输的兼容性和可靠性。
附图说明
21.说参考随附的附图，本实用新型更多的目的、功能和优点将通过本实用新型实施方式的如下描述得以阐明，其中：
22.图1为根据本技术具体施例中基于混合信号的光传输装置架构示意图；
23.图2为根据本技术具体实施例中基于混合信号的光传输串行差分tmds 信号和辅助信号的结构框图。
24.图3为根据本技术具体实施例中基于混合信号的光传输固定速率链接 (frl)信号和辅助信号的结构框图。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
26.通过参考示范性实施例，本实用新型的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本实用新型并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不
同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本实用新型的具体细节。
27.在下文中，将参考附图描述本实用新型的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
28.参照图1，图1为根据本技术具体施例中基于混合信号的光传输装置架构示意图，能够支持将电信号转换为光信号并且返回电信号的单根光纤传送系统。
29.在一个实施例中，发送端12实时解析信号源10发送的高速差分信号和辅助信号，通过数据处理后发送给接收端14，并且从接收端14接收回传的反向信号，实时数据处理后传输给信号源10；
30.接收端14，实时解析从发送端12接收到的高速差分信号和辅助信号，通过数据处理后传输给目标设备18，并将目标设备18的反向信号，实时解析后发送给发送端12；
31.单根光纤16，通过通信信道实现信号源10与目标设备18的混合信号传输，将信号源10数据从信号源10携带到目标设备18以及将目标设备18 数据携带到信号源10；
32.信号源10可以包括例如dvd播放器、游戏控制台、智能电话、机顶盒、电话、计算机、音频系统或其他网络客户端设备。源可以播放存储在硬盘驱动器、可旋转磁盘(例如蓝光或dvd)中或保存在固态存储中的媒体数据。在其他实施例中，信号源10可以通过有线或无线连接到电缆提供商、卫星系统或电话网络来接收数据。类似地，接收端14也可以是电视机、监视器、显示器、音频系统、投影仪或其他网络客户端设备。
33.在一个实施例中，单根光纤16被配置为传输多路串行差分高速差分信号和辅助信号从信号源10输出端到目标设备18输入端；本技术方案中所示的单根光纤16为多模光纤，多模光纤可以承载多个光信号的传送，即多条光路径可同时在一根光纤中传输多种模式的光，多模光纤以垂直腔面发射激光器(vcsel)为光源，工作波段在850nm-1300nm区间，相对于双绞线，多模光纤能够支持较长的传输距离，在10mbps及100mbps的以太网中，多模光纤最长可支持2000米的传输距离，而于1gbps千兆网中，多模光纤可支持550米(50μm芯径)的传输距离，在10gbps万兆网中，多模光纤om3 可到300米，om4可达550米。
34.在一些实施例中，各种信号协议由光纤传送系统支持，电信号可以由信号源10被提供在第一协议中并且由接收端14被转换为第二协议。在其他实施例中，电信号可以由信号源10被提供在第一协议中并且由接收端14 被转换回到相同协议。
35.在一些特定实施例中，本方案中基于混合信号的光传输装置可以支持 hdmi1.4b/1.4、hdmi2.0b/2.0、hdmi2.1或者其他适合的hdmi协议。 hdmi1.4b/1.4支持30帧每秒处的4k(3840x2160个像素)视频，而2.0b/2.0 支持60帧每秒处以及高达18gbps的位速率的4k视频。最新hdmi2.1支持 60帧每秒处的8k视频和120帧每秒以及高达48gbps的位速率的4k视频。 hdmi基于用于发射视频和音频数据的tmds串行链路。通常地，hdmi接口被提供用于将数字电视视听信号从dvd播放器、游戏控制台、机顶盒和其他视听源设备发射到其他hdmi兼容设备(诸如电视机、显示器、投影仪和其他视听设备)。hdmi还可以在两个方向上携带控制信息和状态信息。
36.在其他实施例中，可以支持其他连接器和协议，包括但不限于串行连接器或者并行连接器、数字视频接口(dvi)、其他适合的连接器(诸如基于 displayport、usb-c或者sata的那些连接器)。
37.请参照图2，图2为为根据本技术具体实施例中基于混合信号的光传输串行差分tmds信号和辅助信号的结构框图。
38.波分复用(wdm)技术是在一根光纤中同时传输多波长信号的一项技术，器基本原理是在发送端将不同波长光信号复用起来(复用)，送入一根光纤中传输，在接收端又将符合的光信号波长分开(解复用)，接收解调，恢复出原信号送入不同终端，与密集波分复用(dwdm)相比，稀疏波分复用(cwdm)光纤通信系统间隔要大得多，在10nm-20nm左右，典型值为20nm，正是由于cwdm系统如dwdm系统那样采用多个波长在单根光纤上复用后同时传输，而且波长间隔又大，因此显示出了其突出优势，主要表现在：可以充分利用光纤带宽资源，使单根光纤的传输容量比单波长传输容量增加数倍，对已解铺设的光缆，采用cwdm后不必对原系统做较大改动，便可顺利实现升级，以满足需要，大大节省了重新铺设光纤的投资，其次，在同一根光纤中传输的信号彼此独立，因此可以传输不同速率及格式的信号，实现多种业务的综合传输。
39.在一个实施例中，发送端包括激光驱动电路22、vcsel激光器23、第一波分复用/解复用器25，第二光电探测器24与第二激光驱动电路26，接收端包含第二波分复用/解复用器31光电探测器32、跨阻放大器34、第一激光驱动电路与第一vcsel激光器33。
40.在正向数据传输模式中，激光驱动电路22用于从信号源输出端接收多路串行差分tmds信号和辅助信号，例如，诸如从信号源接口产生的tmds0 差分数据信号、tmds1差分数据信号、tmds2差分数据信号和clock差分时钟信号，诸如从信号源接口产生的辅助信号，如：sda、scl、cec、hpd、 ir、usb、rs232、uart、arc/earc信号。
41.其中，激光驱动电路22用包括将多路串行差分tmds信号提取为多路单端电信号，将辅助信号时分复用为单路电信号，并通过高速差分信号通道传输，
42.连接到激光驱动电路22并且包括用于将电信号转换为光信号的电子设备，其中电子设备包括用于光/电转换的vcsel激光器23。
43.其中，vcsel激光器23将电信号通过电光转换为光信号，形成五个不同波长的光信号路径，每一个光信号路径对应用于接收到的一路电信号。
44.其中，多路不同波长光信号以波长为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5的光信号为例，每一个光信号波长不同，每一个光信号路径对应用于接收到的多路串行差分tmds信号中的每一个，如λ1光信号路径对应tmds1+与tmds1 差分信号通道，λ2光信号路径对应tmds2+与tmds2差分信号通道，λ3 光信号路径对应tmds0+与tmds0差分信号通道，λ4光信号路径对应clk+ 与clk－差分信号通道，λ5光信号路径对应时分复用为单路电信号通道，五组高速信号通道通过激光驱动电路22分别连接到单个vcsel激光器23 的两极，当发送端hdmi接口收到需要传输的高速差分信号时，激光驱动电路22对应的vcsel激光器23点亮，以实现高速差分信号的电光转换。转换后的光信号通过vcsel激光器23传输到第一波分复用/解复用器25，
45.第一波分复用/解复用器25，从发送端接收多个不同波长光信号，以及，将不同波长的光信号组合成光复用信号，以便通过单根光纤传输；
46.第二波分复用/解复用器31，从单根光纤接收光复用信号，将光复用信号解复用为不同波长的光信号发送至接收端；即接收端上的高速差分信号光电转换模块。对应的，高速差分信号光电转换模块包括用于光电转换的光电探测器32和跨阻放大器34，每个光电探测器32对应连接一组信号通道，所有光电探测器32均与跨阻放大器34的输入端连接，此处驱
动器的信号输出端对应设有tmds0差分数据信号、tmds1差分数据信号、tmds2 差分数据信号和clock差分时钟信号和时分复用信号通道。
47.第二波分复用/解复用器31传递过来的光信号被对应的光电探测器32 捕捉并进行光电转换，还原成高速差分电信号，跨阻放大器34结合所述光电探测器32转换的电信号，对每一路电信号进行放大，将接收的高速差分信号分配到对应的差分信号通道中输出，从而实现了本设备对于多路高速差分信号的传输，接收端接口可将接收到的多路串行差分tmds信号和辅助信号输送给目标设备。
48.在反向数据传输模式中，由于辅助信号中部分信号需要反向传输，第一激光驱动电路35用于从目标设备接收反向信号；例如，诸如从目标设备接口产生的hpd、ir、edid、usb、rs232、uart和arc/earc信号。
49.当第一激光驱动电路35通过输入接口接收到目标设备发送的反向信号，发送端上的第一激光驱动电路35和接收端上的激光驱动电路22均设有高速差分信号通道，第一激光驱动电路35将反向信号通过高速差分信号通道时分复用为单路电信号传输至第一vcsel激光器33，第一vcsel激光器33通过电光转换模块将单路电信号转换为单一波长为λ6的光信号，该光信号路径对应用于接收到的单路反向电信号。
50.在一方面，第二波分复用/解复用器31，用于从第一vcsel激光器33 接收单一波长λ6的光信号，以及，将单一波长λ6的光信号转换成光复用信号，通过单根光纤40传输至发送端；
51.在一方面，第一波分复用/解复用器25传递过来的光信号被对应的第二光电探测器24捕捉并进行光电转换，还原成高速电信号，第二激光驱动电路26结合所述第二光电探测器32转换的电信号，将接收的高速差分信号分配到对应的信号通道中输出，在一方面，第二激光驱动电路26，其被连接到第二光电探测器24，并且能够将电信号还原为hpd、ir、edid、usb、 rs232、uart以及arc/earc信号，发送至信号源，从而实现了本设备对于多路反向信号的传输。
52.请参照图3，图3为根据本技术具体实施例中基于混合信号的光传输固定速率链接(frl)信号和辅助信号的结构框图。
53.hdmi2.1的高速视频信号(tmds)的传输速度由原先hdmi2.0的18gbps 提高至48gbps，分辨率也从4k提升至8k。在高速视频信号差分对(tmdspairs)的传输方式上，hdmi2.0是由三组tmds data pairs(data0，data1， data2)差分信号和一组tmds clock pair所组合而成(data2)差分信号和一组tmds clock pair所组合而成(如图3所示)，而hdmi2.1则是使用跟 display port架构类似的frl(fixed rate link)模式传输技术，将4组高速差分信号都定义成frl lane(lane0，lane1，lane2，lane3)，再由信号中分离出clock，这样的架构可以将传输速率提升(如图二所示)。此外，hdmi2.1的主芯片制程也较hdmi2.0更加先进，对esd的耐受度也会明显降低。
54.相比于采用tmds传输模式进行传输，在frl模式下，可以选择性的采用3线或4线的传输模式，在3线传输模式下，发送端可以配置每条线的传输速率为3gbps或6gbps，但禁止第四条线的传输，在4线传输模式下，发送端可以配置每条线的传输速率为6gbps、8gbps、10gbps或12gbps，发送端固定配置以上的这几种速率，所有数据线处于相同的速率下。
55.在一个实施例中，发送端包括激光驱动电路52、vcsel激光器53、第一波分复用/解
复用器55，第二光电探测器54与第二激光驱动电路56，接收端包含第二波分复用/解复用器61、光电探测器62、跨阻放大器64、第一激光驱动电路65与第一vcsel激光器63。
56.在正向数据传输模式中，
57.激光驱动电路22用于从信号源输出端接收四路固定速率链接(frl)信号和辅助信号，例如，诸如从信号源接口产生的如frlline0差分数据信号、frlline1差分数据信号、frlline2差分数据信号和frlline3差分数据信号，诸如从信号源接口产生的辅助信号，如：sda、scl、cec、hpd、ir、usb、rs232、uart、arc/earc信号。
58.其中，与激光驱动电路52相连连接到第二激光驱动电路56，用于将电信号转换为光信号的电子设备，其中电子设备包括用于光/电转换的vcsel激光器53。
59.其中，vcsel激光器53将电信号通过电光转换为光信号，形成五个不同波长的光信号路径，每一个光信号路径对应用于接收到的一路电信号。
60.其中，多路不同波长光信号以波长为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5的光信号为例，每一个光信号波长不同，每一个光信号路径对应用于接收到的多路固定速率链接(frl)信号中的每一个，如λ1光信号路径对应frlline1+与frlline1-差分信号通道，λ2光信号路径对应frlline2+与frlline2-差分信号通道，λ3光信号路径对应frlline3+与frlline3-差分信号通道，λ4光信号路径对应frlline0+与frlline0－差分信号通道，激光驱动电路通过高速差分信号通道转换模块将多路高速差分信号转换为多路串行单端电信号，λ5光信号路径对应于时分复用为单路电信号的辅助信号，五组高速信号通道通过激光驱动电路52分别连接到单个vcsel激光器53的两极，当发送端接口收到需要传输的高速信号时，第二激光驱动电路56对应的vcsel激光器53点亮，以实现高速差分信号的电光转换，转换后的光信号通过vcsel激光器53传输到第一波分复用/解复用器55，
61.第一波分复用/解复用器55，从发送端接收多个不同波长光信号，以及，将不同波长的光信号组合成光复用信号，通过单根光纤70传输；
62.第二波分复用/解复用器61，从单根光纤70接收光复用信号，将光复用信号解复用为不同波长的光信号发送至光电探测器；每个光电探测器62对应连接一组信号通道。
63.第二波分复用/解复用器61传递过来的光信号被对应的光电探测器62捕捉并进行光电转换，还原成高速差分电信号，跨阻放大器64结合所述光电探测器62转换的电信号，对每一路电信号进行放大，将接收的高速差分信号分配到对应的差分信号通道中输出，实现了本设备对于多路高速差分信号的传输，跨阻放大器可将接收到的多路固定速率链接(frl)信号和辅助信号输送给目标设备。
64.由于辅助信号中部分信号需要反向传输，第一激光驱动电路66用于从目标设备接收反向信号；例如，诸如从目标设备接口产生的hpd、ir、edid、usb、rs232、uart和arc/earc信号。
65.当第一激光驱动电路66通过输入接口接收到目标设备发送的反向信号，接收端上的第一激光驱动电路66和发送端上的第二激光驱动电路56均设有高速差分信号通道，第一激光驱动电路65将反向信号通过高速差分信号通道时分复用为单路电信号传输至第一vcsel激光器63，第一vcsel激光器63通过电光转换模块将单路电信号转换为单一波长为λ6的光信号，该光信号路径对应用于接收到的单路反向电信号。
66.在一方面，第二波分复用/解复用器61，用于从第一vcsel激光器63接收单一波长
λ6的光信号，以及，将单一波长λ6的光信号转换成光复用信号，通过单根光纤70传输至发送端；
67.在一方面，第一波分复用/解复用器55传递过来的光信号被对应的第二光电探测器54捕捉并进行光电转换，还原成高速电信号，第二激光驱动电路56结合所述第二光电探测器54转换的电信号，将接收的高速信号分配到对应的信号通道中输出，
68.在一方面，第二激光驱动电路26，其被连接到第二光电探测器24，并且能够将电信号还原为hpd、ir、edid、usb、rs232、uart以及arc/earc 信号，发送至信号源，从而实现了本设备对于多路反向信号的传输。
69.可以理解的是，上述反向信号的传输只占用一组光信号收发通道。由于hdmi2.1的接口标准相对于hdmi接口标准增加了earc(增强型音频回传信道)功能，earc信号和hpd、ir、edid、usb、rs232以及uart可以时分复用为单路电信号，为了传输这组单路电信号，发送端和接收端另对称设置激光驱动电路和光电探测器，以实现部分辅助信号的双向传输。
70.细节从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述实施例实现了如下技术效果：
71.通过耦合与单根光纤两端的第一波分复用/解复用器和第二波分复用/ 解复用器，在单根光纤实现高速tmds信号、辅助信号传输以及反向信号回传，可显著减少长途线路花费，相信预计光纤束的需求/部署将减少50％以上，这种节省将为拥有者和运营商提供大量的光纤束成本降低和布线难度，提高cwdm网络的高带宽数字有效载荷的运输速率，随着光缆传输距离的增加，本技术方案的成本优势愈加突出，并且保证了多通道信号传输的兼容性和可靠性。
72.从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述实施例实现了如下技术效果：
73.通过耦合与单根光纤两端的第一波分复用/解复用器和第二波分复用/ 解复用器，在单根光纤实现差分信号、辅助信号传输以及反向信号回传，可显著减少长途线路花费，这种节省将为拥有者和运营商提供大量的光纤束成本降低和布线难度，提高网络的高带宽数字有效载荷的运输速率，随着光缆传输距离的增加，本技术方案的成本优势愈加突出，并且保证了多通道信号传输的兼容性和可靠性。
74.尽管已经通过对本实用新型的实施例的描述说明了本实用新型，并且尽管详细描述了实施例，但是申请人的意图不是限制或以任何方式将所附权利要求的范围限制为这样的细节。对于本领域技术人员而言，其他优点和修改将容易显现。因此，本实用新型的更广泛的方面不限于所示出和描述的具体细节、代表性装置和方法以及说明性示例。因此，在不背离申请人概念的广度或范围的情况下，可以从这些中作出偏离。此外，尽管已经结合多个示例性实施例和实施方式描述了本实用新型，但是本实用新型不限于此，而是涵盖落入所附权利要求范围内的各种修改和等同布置。