CN110838878A - 一种集成了高速图像信号和串口信号的光纤旋转传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成了高速图像信号和串口信号的光纤旋转传输系统，该光纤旋转传输系统由光纤旋转连接器和光电转换电路组成。光纤旋转连接器是一种单路单模光纤旋转连接器，光电转换电路分为发射机和接收机，分别作用于光纤旋转连接器的前端和后端。发射机包含第一高速图像信号处理模块、第一串口信号处理模块、电‑光转换模块和5合1波分复用器等，接收机包含第二高速图像信号处理模块、第二串口信号处理模块、光‑电转换模块和1分5波分复用器等。本发明可实现星载载荷上多路高速图像信号和多路低速串口信号的旋转传输功能，大大缩减了导电滑环装置的体积，满足星载载荷上有限安装空间内多种类多通道大容量数据传输的使用要求。

Description

一种集成了高速图像信号和串口信号的光纤旋转传输系统

技术领域

本发明涉及光纤旋转传输系统，尤其是涉及一种集成了高速图像信号和串口信号的光纤旋转传输系统。

背景技术

光纤旋转传输系统是由光纤旋转连接器和光电转换电路组成。其中光纤旋转连接器用于实现光信号的旋转传输。光电转换电路包含发射机和接收机，分别起电-光转换和光-电转换作用。光传输具有频带宽、传输数据容量大、传输距离远、抗电磁干扰、耐辐照等优点，适用于极端高低温和恶劣环境，在现代通信领域应用极为广泛。

随着卫星星上载荷原始数据类型越来越多，数据量越来越大，尤其是相机图像数据的加入，使得星载载荷实时输出的数据率急剧增加。为实现卫星数据的旋转传输功能，需要使用旋转传输器件。常用的空间导电滑环能实现低速信号的旋转传输，其最高传输速率能达到几百兆，但无法实现高速图像信号的旋转传输。同时，对于部分低速数据，由于数据通道数的大量增加，要实现旋转传输，必然导致导电滑环装置的环路数增多，进而导致导电滑环装置的尺寸较大，无法实现在卫星空间载荷有限空间内的安装。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成了高速图像信号和串口信号的光纤旋转传输系统，该光纤旋转传输系统能实现星载载荷上多路高速图像信号的旋转传输需求，同时集成了多路低速串口信号的旋转传输功能，从而大大缩减了导电滑环装置的体积，满足星载载荷上有限安装空间内多种类多通道大容量数据传输的使用要求。

本发明的目的是这样实现的：

一种集成了高速图像信号和串口信号的光纤旋转传输系统，由光纤旋转连接器和光电转换电路组成，光纤旋转连接器嵌套安装在导电滑环的内部，随导电滑环一起同中心轴旋转运动；光电转换电路分为发射机和接收机，分别作用于光纤旋转连接器的前端和后端，其中：发射机将来自系统前端的4路高速图像信号和5路低速串口（RS422）信号转换为光信号，光信号通过光纤旋转连接器旋转传输至接收机，接收机将光信号转换回4路高速图像信号和5路低速串口信号，传输至系统的后端；特征是：

发射机包含第一电源模块、第一高速图像信号处理模块、第一串口信号处理模块、电-光转换模块和5合1波分复用器，将输入端以电信号形式输入的4路图像数据（每路速率为2.8Gbps）送入第一高速图像信号处理模块，将输入端以电信号形式输入的5路低速串口（RS422）数据送入第一串口信号处理模块，第一高速图像信号处理模块、第一串口信号处理模块1分别将4路图像数据、5路低速串口数据进行处理后得到的4路高速图像信号、5路低速串口（RS422）信号送入电-光转换模块，电-光转换模块进行电-光转换后调制为不同的波长并通过5合1波分复用器耦合到一根单模光纤(9/125 、G.652D标准)输出；

接收机包含第二电源模块、第二高速图像信号处理模块、第二串口信号处理模块、光-电转换模块和1分5波分复用器，1分5波分复用器将1根单模光纤含不同波长的光送入光-电转换模块，光-电转换模块进行光-电转换后解调得到不同的波长，光-电转换模块将解调后的4路高速图像信号、5路低速串口（RS422）信号分别送入第二高速图像信号处理模块、第二串口信号处理模块，第二高速图像信号处理模块将解调后的4路高速图像信号经过处理后得到的4路图像数据送入到输出端，第二串口信号处理模块将解调后的5路低速串口信号经过处理后得到的5路低速串口数据送入到输出端。

发射机的第一高速图像信号处理模块由四个均衡芯片DS32EV100组成，发射机的第一串口信号处理模块由一个高速数据传输Serdes编码芯片AM26LV32I、一个并行数据转seders芯片MAX9259组成，电-光转换模块由两个双发SFP激光器和一个1×9封装的单发低速率系列激光器组成；接收机的第二高速图像信号处理模块由四个均衡芯片SN65LVCP40组成，第二串口信号处理模块由一个seders转并行数据芯片MAX9260、一个高速数据传输Serdes编码芯片AM26LV31I组成，光-电转换模块由两个双收SFP激光器和一个1×9封装的单收低速率系列激光器组成。

发射机的第一电源模块和接收机的第二电源模块均为5V转3.3V和5V转1.8V的电源模块，其中第一电源模块为第一高速图像信号处理模块、第一串口信号处理模块和电-光转换模块供电；第二电源模块为第二高速图像信号处理模块、第二串口信号处理模块和光-电转换模块供电，3.3V用于提供第一高速图像信号处理模块、第一串口信号处理模块、电-光转换模块、第二高速图像信号处理模块、第二串口信号处理模块和光-电转换模块的供电，1.8V用于提供第一串口信号处理模块、第二串口信号处理模块的供电。

本发明由光纤旋转连接器和光电转换电路组成，光纤旋转连接器是一种单路单模光纤旋转连接器，嵌套安装在导电滑环的内部，随导电滑环一起同中心轴旋转运动，不占用导电滑环的外部空间；光电转换电路分为发射机和接收机，分别作用于光纤旋转连接器的前端和后端，其中：发射机将来自系统前端的4路高速图像信号和5路低速串口信号转换为光信号，光信号通过光纤旋转连接器旋转传输至接收机，接收机将光信号转换回4路高速图像信号和5路低速串口信号，传输至系统的后端。

本发明具有如下功能和优点：

1、该光纤旋转传输系统实现了星载载荷上对4路高速图像信号和5路低速串口（RS422）信号的电-光-电转换和旋转传输处理，具有多种类、多通道的特点；

2、由于电路集成了部分低速信号的处理，通过光纤旋转连接器来传输低速串口（RS422）信号，能有效地减少了用户对导电滑环通路数的要求，缩减了导电滑环的轴向长度，可适应更小轴向空间的系统安装需求，从而大大缩减了导电滑环装置的体积，满足星载载荷上有限安装空间内多种类多通道大容量数据传输的使用要求。

附图说明

图1为本发明整体工作的原理示意图；

图2为高速图像信号处理模块的原理示意图；

图3为串口信号处理模块的原理示意图。

具体实施方式：

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种集成了多路高速图像信号和低速串口信号的光纤旋转传输系统，由光纤旋转连接器和光电转换电路组成，光纤旋转连接器是一种单路单模光纤旋转连接器，光纤旋转连接器嵌套安装在导电滑环的内部，随导电滑环一起同中心轴旋转运动，不占用导电滑环的外部空间；光电转换电路分为发射机和接收机，分别作用于光纤旋转连接器的前端和后端，其中：发射机将来自系统前端的4路高速图像信号和5路低速串口（RS422）信号转换为光信号，光信号通过光纤旋转连接器旋转传输至接收机，接收机将光信号转换回4路高速图像信号和5路低速串口信号，传输至系统的后端；

发射机包含第一电源模块、第一高速图像信号处理模块、第一串口信号处理模块、电-光转换模块和5合1波分复用器，发射机的功能是将输入端以电信号形式输入的4路图像数据（每路速率为2.8Gbps）送入第一高速图像信号处理模块，将输入端以电信号形式输入的5路低速串口（RS422）数据送入第一串口信号处理模块，第一高速图像信号处理模块、第一串口信号处理模块分别将4路图像数据、5路低速串口数据进行处理后得到的4路高速图像信号、5路低速串口（RS422）信号送入电-光转换模块，电-光转换模块进行电-光转换后调制为不同的波长并通过5合1波分复用器耦合到一根单模光纤(9/125 、G.652D标准)输出；

接收机包含第二电源模块、第二高速图像信号处理模块、第二串口信号处理模块、光-电转换模块和1分5波分复用器，接收机的功能是由1分5波分复用器将1根单模光纤含不同波长的光送入光-电转换模块，光-电转换模块进行光-电转换后解调得到不同的波长，光-电转换模块将解调后的4路高速图像信号、5路低速串口（RS422）信号分别送入第二高速图像信号处理模块、第二串口信号处理模块，第二高速图像信号处理模块将解调后的4路高速图像信号经过处理后得到的4路图像数据送入到输出端，第二串口信号处理模块将解调后的5路低速串口信号经过处理后得到的5路低速串口数据送入到输出端。

发射机的第一电源模块和接收机的第二电源模块均为5V转3.3V和5V转1.8V的电源模块，其中第一电源模块为第一高速图像信号处理模块、第一串口信号处理模块和电-光转换模块供电；第二电源模块为第二高速图像信号处理模块、第二串口信号处理模块和光-电转换模块供电，3.3V用于提供第一高速图像信号处理模块、第一串口信号处理模块、电-光转换模块、第二高速图像信号处理模块、第二串口信号处理模块和光-电转换模块的供电，1.8V用于提供第一串口信号处理模块、第二串口信号处理模块的供电。

考虑散热，电源芯片采用开关电源LMR14050芯片，放置在发射板的顶层，周围器件尽量少，多做电源过孔设计，使热量发热点比较均匀，通过对反馈电阻进行精确配比，得到3.3V和1.8V电压。为避免外部环境、内部环境对电源的干扰，大量地使用了滤波电感、磁珠、去耦电容等，减低电源的纹波系数，以及地的纹波干扰。

波分复用器是实现不同波长合波与分波的光无源器件，具有光学路径的可逆性。选用2个相同规格的波长为1310nm、1470nm、1490nm、1550nm、1610nm的波分复用器，发射机采用1个5合1波分复用器、接收机采用1个1分5波分复用器。波分复用器采用拉伸固定的方式，保证产品在高低温、振动、冲击等各工况下稳定可靠、不晃动。

如图2所示，发射机的第一高速图像信号处理模块由四个均衡芯片DS32EV100组成，第一电-光转换模块由两个双发SFP激光器和一个1*9单发激光器组成，由高速串行/解串（seders）收发器件TLK2711接口芯片提供的4路高速相机图像数据（每路速率为2.8Gbps）分别送入由四个均衡芯片DS32EV100进行均衡处理，即：一个均衡芯片DS32EV100均衡处理一路高速相机图像数据；经每两个均衡芯片DS32EV100处理后的两路高速图像信号送入同一个双发SFP激光器进行调制，两个双发SFP激光器将调制后四路不同波长1470nm、1490nm、1550nm、1610nm的信号共同传入5合1波分复用器。

第一高速图像信号处理模块是将由高速串行/解串（seders）收发器件TLK2711接口芯片提供的4路高速相机图像数据（每路速率为2.8Gbps）进行均衡处理，高速串行/解串收发器件TLK2711输出高速差分信号的电气特性是VML电气接口。由于4路高速相机图像数据的输出与发射机中的双发SFP激光器的电气接口类型不同，所以需要进行均衡处理。采用均衡芯片DS32EV100（该芯片支持3.2Gbps速率，数据单向传输，可以满足要求）将VML接口电平转换成CML接口电平，并采用AC耦合方式实现与发射机中的双发SFP激光器端的接口连接。

接收机的第二高速图像信号处理模块由四个均衡芯片SN65LVCP40组成，光-电转换模块由两个双收SFP激光器和一个1*9单收激光器组成；1分5波分复用器将1根单模光纤含四路不同波长1470nm、1490nm、1550nm、1610nm信号的光送入两个双收SFP激光器，每个双收SFP激光器各解调2个不同波长信号的光，解调后的四路高速图像信号分别送入四个均衡芯片SN65LVCP40进行均衡处理，即：一个均衡芯片SN65LVCP40均衡处理一路高速相机图像数据；经过四个均衡芯片SN65LVCP40均衡后的4路图像数据由高速连接器KJ30J-51ZK输出。

第二高速图像信号处理模块是将经过接收机中的双收SFP激光器光电转换后的信号进行均衡处理。双收SFP激光器输出的电信号电气特性是CML电气接口，图像数据的输出为VML电气接口。采用均衡芯片SN65LVCP40（该芯片支持4Gbps速率，数据单向传输，可以满足要求），与接收机中的双收SFP激光器端的电信号接口采用AC耦合方式实现接口连接，再将CML接口电平转换成VML接口电平。输出电气特性为VML，保证了原始图像数据的电气接口形式不变。

因为图像信号速率比较高，采用高速连接器KJ30J-51ZK（该连接器最高传输速率为10Gbps）作为发射机输入端和接收机输出端的连接器。

高速图像信号的电-光转换模块通过激光器实现。4路图像数据需要分配4个不同的波长，设计波长为1470nm、1490nm、1550nm、1610nm，因此采用1个工作波长为1470nm和1490nm，速率为4.25G的SFP封装的CWDM双发激光器，以及一个工作波长为1550nm、1610nm，速率为4.25G的SFP封装的CWDM双发激光器来实现4路图像数据的电-光转换功能。

高速图像信号的光-电转换模块通过激光器来实现。4路图像数据采用1个工作波长为1470nm和1490nm，速率为4.25G的SFP封装的CWDM双收激光器，以及一个工作波长为1550nm、1610nm，速率为4.25G的SFP封装的CWDM双收激光器来实现光-电转换功能。

如图3所示，发射机的第一串口信号处理模块由一个高速数据传输Serdes编码芯片AM26LV32I、一个并行数据转seders芯片MAX9259组成，第一串口信号处理模块是将5路低速串口（RS422）信号进行解差分处理后进入高速数据传输Serdes编码芯片AM26LV32I进行编码处理，采用高速数据传输Serdes编码芯片AM26LV32I完成RS422信号的差分转单端功能（该芯片3.3V单电源供电，兼容5V电平输入，满足RS422电平特性），得到5路单端RS422信号，并送入并行数据转seders芯片MAX9259；采用并行数据转seders芯片MAX9259完成并行数据转seders功能（该芯片3.3V和1.8V双电源供电，CML电平输出，匹配发射机激光器电气特性输入），得到高速串行RS422信号，并送入1×9封装的单发低速率系列激光器进行电-光转换。

接收机的第二串口信号处理模块由一个seders转并行数据芯片MAX9260、一个高速数据传输Serdes编码芯片AM26LV31I组成，第二串口信号处理模块 是将经接收机的1×9封装的单收低速率系列激光器光电转换后的信号进行解码处理和和差分处理，采用seders转并行数据芯片MAX9260完成seders转并行数据功能（该芯片3.3V和1.8V双电源供电，CML电平输入，匹配接收机激光器电气特性输出），将高速串行信号RS422信号转换成5路RS422低速并行数据，采用高速数据传输Serdes编码芯片AM26LV31I完成单端转RS422差分的功能（该芯片3.3V单电源供电，兼容5V电平输入，满足RS422电平特性），得到5路差分RS422信号。

RS422信号采用J30J-25ZKW作为发射机输入端和接收机输出端的连接器。

串口信号的电-光转换模块通过激光器实现。5路RS422数据采用工作波长为1310nm的1×9封装的单发低速率系列激光器来实现5路RS422数据的电-光转换功能。

串口信号的光-电转换模块通过激光器实现。5路RS422数据采用工作波长为1310nm的1×9封装的单收低速率系列激光器来实现5路RS422数据的光-电转换功能。

Claims (3)

1.一种集成了高速图像信号和串口信号的光纤旋转传输系统，由光纤旋转连接器和光电转换电路组成，光纤旋转连接器嵌套安装在导电滑环的内部，随导电滑环一起同中心轴旋转运动；光电转换电路分为发射机和接收机，分别作用于光纤旋转连接器的前端和后端，其中：发射机将来自系统前端的4路高速图像信号和5路低速串口信号转换为光信号，光信号通过光纤旋转连接器旋转传输至接收机，接收机将光信号转换回4路高速图像信号和5路低速串口信号，传输至系统的后端；其特征在于：

发射机包含第一电源模块、第一高速图像信号处理模块、第一串口信号处理模块、电-光转换模块和5合1波分复用器，将输入端以电信号形式输入的4路图像数据送入第一高速图像信号处理模块，将输入端以电信号形式输入的5路低速串口数据送入第一串口信号处理模块，第一高速图像信号处理模块、第一串口信号处理模块分别将4路图像数据、5路低速串口数据进行处理后得到的4路高速图像信号、5路低速串口信号送入电-光转换模块，电-光转换模块进行电-光转换后调制为不同的波长并通过5合1波分复用器耦合到一根单模光纤输出；

接收机包含第二电源模块、第二高速图像信号处理模块、第二串口信号处理模块、光-电转换模块和1分5波分复用器，1分5波分复用器将1根单模光纤含不同波长的光送入光-电转换模块，光-电转换模块进行光-电转换后解调得到不同的波长，光-电转换模块将解调后的4路高速图像信号、5路低速串口信号分别送入第二高速图像信号处理模块、第二串口信号处理模块，第二高速图像信号处理模块将解调后的4路高速图像信号经过处理后得到的4路图像数据送入到输出端，第二串口信号处理模块将解调后的5路低速串口信号经过处理后得到的5路低速串口数据送入到输出端。

2.根据权利要求1所述的集成了高速图像信号和串口信号的光纤旋转传输系统，其特征在于：发射机的第一高速图像信号处理模块由四个均衡芯片DS32EV100组成，发射机的第一串口信号处理模块由一个高速数据传输Serdes编码芯片AM26LV32I、一个并行数据转seders芯片MAX9259组成，电-光转换模块由两个双发SFP激光器和一个1×9封装的单发低速率系列激光器组成；接收机的第二高速图像信号处理模块由四个均衡芯片SN65LVCP40组成，第二串口信号处理模块由一个seders转并行数据芯片MAX9260、一个高速数据传输Serdes编码芯片AM26LV31I组成，光-电转换模块由两个双收SFP激光器和一个1×9封装的单收低速率系列激光器组成。

3.根据权利要求1所述的集成了高速图像信号和串口信号的光纤旋转传输系统，其特征在于：发射机的第一电源模块和接收机的第二电源模块均为5V转3.3V和5V转1.8V的电源模块，其中第一电源模块为第一高速图像信号处理模块、第一串口信号处理模块和电-光转换模块供电；第二电源模块为第二高速图像信号处理模块、第二串口信号处理模块和光-电转换模块供电，3.3V用于提供第一高速图像信号处理模块、第一串口信号处理模块、电-光转换模块、第二高速图像信号处理模块、第二串口信号处理模块和光-电转换模块的供电，1.8V用于提供第一串口信号处理模块、第二串口信号处理模块的供电。

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