CN107846581A - 高清数字混合光收发一体机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高清数字混合光收发一体机，其包括相互独立的光发送装置和光接收装置，所述光发送装置和光接收装置分别通过单模光纤与远端的高清数字混合光收发一体机的光接收装置或光发送装置连接通信，远端的高清数字混合光收发一体机与所述高清数字混合光收发一体机配置有相同的私有通信协议。该高清数字混合光收发一体机采用一体化集成设计，采用用户自行定义的私有通信协议，通过单根光纤进行信号的发送和接收，实现对多路高清多媒体信号和音频信号的远距离双向传输，且传输距离远，信号传输无损失、无延时、可靠性非常高。

Description

高清数字混合光收发一体机

技术领域

本发明属于卫星通信地球站终端技术领域，具体涉及一种高清数字混合光收发一体机。

背景技术

在卫星通信技术日益发展的今天，通过卫星信道可传输高清视频信号。卫星地面站接收到远端机动站高清视频信号后，如何与会议高清视频系统对接就存在一个高清视频接入问题。上个世纪80年代末期，模拟光端机开始进入中国应用，2001年数字光端机开始出现，演绎了经济发展带动科学技术进步，科学技术推动经济发展的过程。随着科技进步，光纤生产成本降低，加之光纤通信技术较之其他的通信技术有着明显的优点，光纤通信技术得到了大量的应用。

光端机作为传输光信号的终端设备也在卫星视频系统地面引接等领域得到大量的应用。但，现有的光端机接口单一，采用的光复合的方式，图像效果较差。公开的发明专利申请CN2014107197792公开了一种超高速数字信号无线收发器，由发送端子系统和接收端子系统构成，发送端子系统和接收端子系统通过无线通信连接；发送端子系统和接收端子系统均由光电转换模块、串并转换模块、FPGA数字信号处理模块和无线通信模块组成，以有效的实现具有相对运动设备的超高速数字信号无线传输，降低设备间相对运动连接部件所需的加工精度，增强系统可靠性同时可以有效的降低设备成本。该装置使用无线方式连接，可靠性低、抗干扰性差，且带宽低，不适合高清视频信号的传输。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开一种高性能的专业光电传输设备，即高清数字混合光收发一体机，采用私有通信协议，通过单根光纤进行发送和接收，实现对多路高清多媒体信号和音频信号的远距离传输。

一种高清数字混合光收发一体机，包括相互独立的光发送装置和光接收装置，所述光发送装置和光接收装置分别通过单模光纤与远端的高清数字混合光收发一体机的光接收装置或光发送装置连接通信，远端的高清数字混合光收发一体机与所述高清数字混合光收发一体机配置有相同的私有通信协议；

光发送装置包括第一接口转换模块、第一FPGA模块、光发送模块，其中：第一接口转换模块具有N个相互独立的第一接口转换单元，第一接口转换单元将输入的不同接口类型的串行视频及音频数字信号转换成统一格式的并行数字信号(并行数字视频信号和并行数字音频信号)，并输出至第一FPGA模块；第一FPGA模块配置有打包封装单元、serdes发送单元，以及N个第一缓存单元和N个第一音视频处理单元，且第一缓存单元和第一音视频处理单元与第一接口转换单元一一对应；第一缓存单元存储与其对应的第一接口转换单元输出的并行数字信号；第一音视频处理单元对第一缓存单元中存储的并行数字信号进行处理；打包封装单元按照私有通信协议将各第一音视频处理单元处理后的多路并行数字信号逐路打包，并封装成高速串行数据(即音频和视频数据包)输出至serdes发送单元；serdes发送单元将封装完成的高速串行数据输出至光发送模块；光发送模块将接收到的高速串行数据(电信号)转换为光信号，并发送至远端的高清数字混合光收发一体机中的光接收装置；

光接收装置包括光接收模块、第二FPGA模块、第二接口转换模块，其中:光接收模块接收远端的高清数字混合光收发一体机中的光发送装置发送的光信号，并将光信号转换为高速串行数据(电信号)后输出至第二FPGA模块；第二FPGA模块配置有serdes接收单元、第二缓存单元、拆包分离单元，以及M个第二音视频处理单元；serdes接收单元接收光接收模块输出的高速串行数据并存储于第二缓存单元；拆包分离单元按照私有通信协议将封装的高速串行数据重新解封拆包并还原成多路并行数字信号(即并行数字视频信号和并行数字音频信号)，然后根据预设的分配机制(即根据用户命令提前设定的分配规则)将并行数字信号分配到相应的第二音视频处理单元；第二音视频处理单元对分配的并行数字信号进行处理，并在处理完后输出至第二接口转换模块；第二接口转换模块具有多个相互独立的第二接口转换单元，第二接口转换单元将第二音视频处理单元输出的并行数字信号转换成不同接口类型的串行视频及音频数字信号。

作为一种优选方案，私有通信协议的内容包括前导、DATA(报文)、PCS(校验和)三个部分，报文包括私有头和音视频数据，私有头中包括用于区分各路并行数字信号的ID标识。

作为一种优选方案，所述打包封装单元按照私有通信协议将各第一音视频处理单元处理后的多路并行数字信号逐路打包包括：打包封装单元在各路并行数字信号的包头标注不同ID标识以示区分；

所述拆包分离单元按照私有通信协议将封装的高速串行数据重新解封拆包并还原成多路并行数字信号包括：拆包分离单元根据各路并行数字信号的包头的ID标识将高速串行数据解封并还原成多路并行数字信号。

作为一种优选方案，所述统一格式的并行数字信号是指：BT1120格式的数字视频信号和I2S格式的数字音频信号。

作为一种优选方案，接口类型包括DVI/HDMI接口，第一接口转换单元将TMDS信号输入转换成BT1120视频信号和I2S音频信号，第二接口转换单元将BT1120视频信号和I2S音频信号转换为TMDS信号输出；

接口类型还包括SDI接口，第一接口转换单元将SDI信号输入转换成BT1120视频信号和I2S音频信号，第二接口转换单元将BT1120视频信号和I2S音频信号转换为SDI信号输出。

作为一种优选方案，SDI接口输入支持HD/3G信号标准，自动识别输入格式；DVI接口输入支持多种分辨率，SDI接口和DVI接口输出支持多种不同输出分辨率。

作为一种优选方案，第一FPGA模块中的第一音视频处理单元对并行数字信号进行处理包括对视频信号进行色域转换和对音频信号进行采样率转换；

第二FPGA模块中的第二音视频处理单元对分配的并行数字信号进行处理包括对视频信号的scaler缩放和对音频信号的音量调整。

作为一种优选方案，M和N均不大于8，且不要求相等。

作为一种优选方案，所述单模光纤与不超过60Km。

作为一种优选方案，该一体机还具有用于进行故障定位的LED状态指示功能，包括用于指示电源状态，光模块接收和发送状态，输入信号状态和输出信号状态。

本发明所公开的高清数字混合光收发一体机相较于市场上常见的光端机具有以下有益效果：

1)收、发设备采用一体化集成设计，通过单根光纤即可与远端的收、发设备连接通信，实际应用时，现场布线简单，方便设备控制及线缆连接，能实现多路高清视频及音频的双向传输，且传输距离远，信号传输无损失、无延时、可靠性非常高。

2)采用私有通信协议传输音视频，并采用预先设定的分配机制分配输出。私有通信协议和分配机制均可根据用户需求进行灵活设计。

3)可动态调整音频和视频的传输带宽，安全性高，传输延时小；可根据用户需求调整视频信号的色域和分辨率，调整音频信号的采样率和音量等。

4)收发端口具有支持接口类型丰富、接口数量多，支持全高清、集成度高的特点；具体来说，每一个输入输出端口都可支持SDI，DVI，HDMI等视频接口类型，每种接口均可支持最高1080p60分辨率，并支持内嵌音频输入输出功能。

5)该系列光端机性能稳定、画质清晰、稳定性高，带有LED状态指示，可直观的显示光端机工作状态。

6)可为卫星地面站高清视频系统与会议高清视频系统的对接提供一种完美的解决方案。

附图说明

图1为实施例中数字混合光收发一体机系统组成示意图；

图2为实施例中数字混合光收发一体机系统电路框图；

图3中：(a)为私有通信协议构成示意图，(b)为私有头构成示意图；

图4为HDMI/DVI接口的接口转换模块；

图5为SDI接口的接口转换模块；

图6为FPGA模块2与接口转换模块1之间的连接第1部分；

图7为FPGA模块2与接口转换模块1之间的连接第2部分；

图8为FPGA模块2与接口转换模块1之间的连接第3部分；

图9为FPGA模块2与接口转换模块1之间的连接第4部分；

图10为FPGA模块2与接口转换模块1之间的连接第5部分；

图11为FPGA模块2与光模块3之间的连接；

图12为光发送模块；

图13为光接收模块；

图14为FPGA5与接口转换模块6之间的连接第1部分；

图15为FPGA 5与接口转换模块6之间的连接第2部分；

图16为FPGA5与接口转换模块6之间的连接第3部分；

图17为FPGA5与接口转换模块6之间的连接第4部分；

图18为FPGA 5与接口转换模块6之间的连接第5部分；

图19为HDMI/DVI接口的接口转换模块；

图20为SDI接口的接口转换模块。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案作进一步解释说明。

结合图1至图20所示，实施例中公开一种高清数字混合光收发一体机(简称一体机)，包括集成在同一台设备中的一个光发送装置和一个光接收装置，一体机内的光发送装置和光接收装置通过单模光纤与远端一体机内的光接收装置和光发送装置连接通信，单模光纤传输最大距离60Km，远端的一体机与本地的一体机配置有相同的私有通信协议。一体内的光发送装置和光接收装置之间相互独立，彼此不联系。

结合图1和图2所示，光发送装置主要包括接口转换模块1、发送端FPGA2、光发送模块3。

接口转换模块1完成不同接口类型的串行数字信号到具有统一格式的并行数字信号的转换。实施例中，接口转换模块1具有8个接口转换单元(即接口转换单元1.1～1.8)，接口转换单元可根据需求配置HDMI/DVI接口转换电路和SDI接口转换电路，将输入的8路不同接口类型的视频及音频信号转换成BT1120格式的并行数字视频及I2S格式的并行音频信号，并输出至发送端FPGA2。

其中，接口类型主要包括DVI/HDMI接口或SDI接口，分别对应DVI/HDMI或SDI视频及音频输入信号。SDI接口输入支持HD/3G信号标准,自动识别输入格式；DVI接口支持640*480、1024*768、1280*720、1920*1080等各种分辨率；SDI/DVI接口输出支持多种不同输出分辨率。

发送端FPGA2包括8个缓存单元(即缓存单元21.1～21.8)，8个音视频处理单元(即音视频处理单元22.1～22.8)，打包封装单元23，serdes发送单元24。缓存单元存储与其对应的接口转换单元输出的并行数字信号。音视频处理单元进行缓存单元中视频信号的色域转换和音频信号的采样率转换。其中，色域转换的目的在于将来自不同输入接口的视频转换成同一色域的信号，方便后续处理；音频采样率转换的目的在于将来自不同接口的音频转换成同一采样率的信号，方便后续处理。打包封装单元23将多个音视频处理单元处理后的并行数字信号逐路打包，并按照私有通信协议在各路信号的包头标注不同ID标识以示区分，然后封装成高速串行数据。serdes发送单元24将封装完成的高速串行数据输出至的光发送模块3。

光发送模块3实现电信号到光信号的转换功能，可实现长距离、高可靠性的传输。具体的，其将接收到的高速串行数据(电信号)转换为光信号，并发送至远端高清数字混合光收发一体机中的光接收装置。

如图4所示，通过HDMI/DVI接口转换电路将TMDS信号转换为BT1120格式的视频信号和I2S格式的音频信号并送到发送端FPGA2，以进行后续的音频和视频处理。如图5所示，通过SDI接口转换电路将SDI信号转换为BT1120格式的视频信号和I2S格式的音频信号送到并发送端FPGA2，以进行后续的音频和视频处理。图6至图10示出了FPGA模块2与接口转换模块1之间连接的五个部分，这五个部分共同构成了图6为FPGA模块2与接口转换模块1之间的电路连接关系。图11示出了光发送模块3的电路图。

光接收装置主要包括光接收模块4、接收端FPGA5、接口转换模块6。

光接收模块4实现电信号到光信号的转换功能，可实现长距离、高可靠性的传输。具体的，其将接收到的远端高清数字混合光收发一体机中光发送装置发送的光信号转换为高速串行数据(电信号)，并送到接收端FPGA5。

接收端FPGA5包括serdes接收单元51、缓存单元52、拆包分离单元53和8个音视频处理单元(即音视频处理单元54.1～54.8)。serdes接收单元51接收来自远端一体机的高速串行信号，并存储于缓存单元52。拆包分离单元53将封装的高速串行数据(即音频和视频数据包)根据各路信号的包头中的ID标识进行重新解封拆包并还原成8路并行数字信号(包括并行数字视频信号和并行数字音频信号)，然后根据事先设定的分配机制分配至相应的音视频处理单元。音视频处理单元对分配到的并行数字信号进行处理，即针对视频信号的scaler缩放，针对音频信号的音量调整，并在处理完输出至接收端接口转换模块。其中，scaler缩放的目的在于根据用户需求调整输出分辨率大小；音量调整的目的是方便用户根据需要调整输出音量大小。

接口转换模块6具有8个接口转换单元(即接口转换单元6.1～6.8)，其将接收端FPGA5与其相对应的音视频处理单元输出的BT1120视频信号和I2S音频信号进行转换，并输出相应的HDMI/DVI或SDI视频信号。需要说明的是，在分配并行数字信号时，并不受音视频处理单元对应的接口转换单元输出的接口类型限制。

图13示出了光接收模块4的电路图。图14至图18示出了FPGA模块5与接口转换模块4之间的电路连接关系。图19为HDMI/DVI接口转换电路，把BT1120格式的视频信号和I2S格式的音频信号转换为TMDS，再通过HDMI/DVI接口形式把视频传输到相应的现实设备上。图20为SDI接口转换电路，把BT1120格式的视频信号和I2S格式的音频信号转换为SDI信号，再通过SDI接口形式把视频传输到相应的现实设备上。

如图3所示，本发明提出的私有通信协议，用来定义光发送装置与光接收装置之间传输数据的内容和格式。协议内容包括前导、DATA(报文)、PCS(校验和)三个部分。可设计前导8个字节，PCS 4个字节；私有头+音视频数据构成报文数据，私有头组成如下：

TYPE:

0x01:video；

0x02:audio；

CH:channel.(Value:0～7)

LN:line number.(Value:0～1079)Just for video.

AR:audio rate

其中，私有头中的TYPE字段表示数据类型；CH字段表示用于记录各路数字信号的ID标识，以区分各路数字信号；LN字段表示视频行号；AR字段表示音频采样率。

该私有通信协议的具体内容及格式可根据用户需求进行预先设定，只要相互通信的一体机所配置的私有通信协议相同即可。例如，还可根据用户需求通过私有通信协议自行定义各路信号传输的顺序，例如从小到大排列。

本发明所述的分配机制是指根据用户命令提前设定的分配规则，即将接收到的多路并行数字信号按分配规则分配到相应的第二音视频处理单元，也就是输入到输出的映射表。在实际应用时，用户可根据需求灵活设定有关分配机制的用户命令，使用时根据输入到输出的映射表输出即可。实施例中采用“输入1到输出1”，……，“输入8到输出8”的“一对一”的对应关系，也可以采用“一对多”的对应关系，以实现将发送端的输入1的信号分配到接收端的任意一路或更多输出线路中。

此外，本发明并不限制在一台一体机内的光发送装置和光接收装置的信号通道数相同，也不要求相互联系的两台一体机中的光发送装置和光接收装置具有相同数量的信号通道，完全可根据应用场景或用户需求进行设计。

进一步的，高清数字混合光收发一体机还具有LED状态指示功能，用于指示电源状态，光模块接收和发送状态，输入信号状态和输出信号状态，方便用户进行故障定位。

基于上述描述，此处对实施例中所公开的一体机的工作原理进行说明：

作为输入端的光发送装置，接收8路高清视频+音频信号(适应各种高清接口)，经过相应的接口转换芯片ASSP解析成BT1120+I2S信号，并提供给Xilinx FPGA，Xilinx FPGA经过色域转换、缩放处理后，按照私有通信协议将视频及音频同步统一打包封装成10G信号，再通过高速serdes发送单元输出给光发送模块，然后通过单模光纤提供给远端的高清数字混合光收发一体机中的输出端。

作为输出端的光接收装置，通过光接收模块接收到10G信号后，经过Xilinx FPGA重新解封拆包，根据私有通信协议中包头的ID标识提取到8路BT.1120+I2S信号，经过时序调整后进行音视频处理后，然后再送到相应的接口转换芯片ASSP，输出对应的高清接口视频信号，音频I2S信号经过DAC输出双声道模拟音频，最后通过相应的接口传送到显示设备上。

该装置具有集成度高、安全可靠、传输距离远、接口丰富、配置灵活等特别，可以满足卫星地面接收站和远端机动站间各种输入输出设备的对接。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高清数字混合光收发一体机，其特征在于，包括相互独立的光发送装置和光接收装置，所述光发送装置和光接收装置分别通过单模光纤与远端的高清数字混合光收发一体机的光接收装置或光发送装置连接通信，远端的高清数字混合光收发一体机与所述高清数字混合光收发一体机配置有相同的私有通信协议；

光发送装置包括第一接口转换模块、第一FPGA模块、光发送模块，其中：

第一接口转换模块具有N个相互独立的第一接口转换单元，第一接口转换单元将输入的不同接口类型的串行视频及音频数字信号转换成统一格式的并行数字信号，并输出至第一FPGA模块；

第一FPGA模块配置有打包封装单元、serdes发送单元，以及N个第一缓存单元和N个第一音视频处理单元，且第一缓存单元和第一音视频处理单元与第一接口转换单元一一对应；

第一缓存单元存储与其对应的第一接口转换单元输出的并行数字信号；

第一音视频处理单元对第一缓存单元中存储的并行数字信号进行处理；

打包封装单元按照私有通信协议将各第一音视频处理单元处理后的多路并行数字信号逐路打包，并封装成高速串行数据输出至serdes发送单元；

serdes发送单元将封装完成的高速串行数据输出至光发送模块；

光发送模块将接收到的高速串行数据转换为光信号，并发送至远端的高清数字混合光收发一体机中的光接收装置；

光接收装置包括光接收模块、第二FPGA模块、第二接口转换模块，其中：

光接收模块接收远端的高清数字混合光收发一体机中的光发送装置发送的光信号，并将光信号转换为高速串行数据后输出至第二FPGA模块；

第二FPGA模块配置有serdes接收单元、第二缓存单元、拆包分离单元，以及M个第二音视频处理单元；

serdes接收单元接收光接收模块输出的高速串行数据并存储于第二缓存单元；

拆包分离单元按照私有通信协议将封装的高速串行数据重新解封拆包并还原成多路并行数字信号，然后根据预设的分配机制将并行数字信号分配到相应的第二音视频处理单元；

第二音视频处理单元对分配的并行数字信号进行处理，并在处理完后输出至第二接口转换模块；

第二接口转换模块具有多个相互独立的第二接口转换单元，第二接口转换单元将第二音视频处理单元输出的并行数字信号转换成不同接口类型的串行视频及音频数字信号。

2.如权利要求1所述的高清数字混合光收发一体机，其特征在于，所述私有通信协议的内容包括前导、DATA(报文)、PCS(校验和)三个部分，报文包括私有头和音视频数据，私有头中包括用于区分各路并行数字信号的ID标识。

3.如权利要求2所述的高清数字混合光收发一体机，其特征在于，

所述打包封装单元按照私有通信协议将各第一音视频处理单元处理后的多路并行数字信号逐路打包包括：打包封装单元在各路并行数字信号的包头标注不同ID标识以示区分；

所述拆包分离单元按照私有通信协议将封装的高速串行数据重新解封拆包并还原成多路并行数字信号包括：拆包分离单元根据各路并行数字信号的包头的ID标识将高速串行数据解封并还原成多路并行数字信号。

4.如权利要求1或2所述的高清数字混合光收发一体机，其特征在于，所述统一格式的并行数字信号是指：BT1120格式的数字视频信号和I2S格式的数字音频信号。

5.如权利要求1或2所述的高清数字混合光收发一体机，其特征在于，

所述接口类型包括DVI/HDMI接口，第一接口转换单元将TMDS信号输入转换成BT1120视频信号和I2S音频信号，第二接口转换单元将BT1120视频信号和I2S音频信号转换为TMDS信号输出；

所述接口类型还包括SDI接口，第一接口转换单元将SDI信号输入转换成BT1120视频信号和I2S音频信号，第二接口转换单元将BT1120视频信号和I2S音频信号转换为SDI信号输出。

6.如权利要求5所述的高清数字混合光收发一体机，其特征在于，所述SDI接口输入支持HD/3G信号标准，自动识别输入格式；所述DVI接口输入支持多种分辨率，所述SDI接口和DVI接口输出支持多种不同输出分辨率。

7.如权利要求1或2所述的高清数字混合光收发一体机，其特征在于，

所述第一FPGA模块中的第一音视频处理单元对并行数字信号进行处理包括对视频信号进行色域转换和对音频信号进行采样率转换；

所述第二FPGA模块中的第二音视频处理单元对分配的并行数字信号进行处理包括对视频信号的scaler缩放和对音频信号的音量调整。

8.如权利要求1或2所述的高清数字混合光收发一体机，其特征在于，所述M和N均不大于8，且不要求相等。

9.如权利要求1或2所述的高清数字混合光收发一体机，其特征在于，所述单模光纤与不超过60Km。

10.如权利要求1或2所述的高清数字混合光收发一体机，其特征在于，还具有用于进行故障定位的LED状态指示功能，包括用于指示电源状态，光模块接收和发送状态，输入信号状态和输出信号状态。