CN113114367B - 模块化高密度数字光纤星载收发设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了的一种模块化高密度数字光纤星载收发设备，用于建立数字阵列信号并行传输到FPGA通用信号处理模块之间的数据通信，利用较少的光纤数量实现高速大容量传输能力。本发明通过下述技术方案予以实现：采用16波分复用模式，设备内部光路由三个光波分复用模块、16个激光器和3两个光电探测器组成。提供2路波分解复用和1路波分复用，32路光电和16路电光转换。光信号和电信号速率≥5Gbps，作为子卡内嵌在标准6U模块中，实现单模块接收160Gbps，发送80Gbps的高速信号收发能力。
Description
技术领域
本发明属于模块化综合系统集成技术领域，具体涉及一种高密度模块化波分复用/解复用光电/电光转换子卡，用于星载综合电子信息系统的模块化高密度数字光纤收发设备。
技术背景
随着信息技术的发展，光纤通讯被广泛应用于视频监控、语音通话、图像传输等领域。与传统的以电信号为媒介的传输网络相比，以光纤为介质的以太网及现场总线，光纤传输的数据容量大、距离远、电磁兼容性强，尤其适合恶劣工业环境。目前应用中一般通过光纤转接模块将原来以太网、RS485、CAN等总线的电信号转变为光信号进行传输，以提高信号传输距离和抗干扰性能。为了实现光纤连接的操作可靠性，快速改变，包括添加及快速扩展，高密度，节约成本的配置及安装，越来越多的用户在考虑预端接光缆的应用。但是，使用光纤进行系统数据传输仍面临着技术复杂、专用芯片设备昂贵和与上一代系统难以匹配级联等问题，这大大阻碍了光纤技术的进一步应用化发展。数据中心光纤的应用方向是高密度模块化。数据中心为大量的应用服务器及存储装置提供了安全性和可靠的环境。这些安装的主要特点是高密度、高可靠性，数据中心必须配备高质量的布线解决方案，以便实现高密度以及便捷的使用和配置。星载多功能综合化模块化遥感器探测系统将多个功能独立的设备作为一个整体，这种系统集成需要能够接入多通道阵列天线信号，在同一硬件平台上实现通信、雷达、电侦等任务，因此，相应的传输就需要具备多通道信号并行传输处理能力。通常这类系统都具有同时多通道ADC输入、高带宽、高传输速率、多处理模块的特点，一方面模块间通路多，单通路信号传输速率在10Gbps以上，传统背板布线，在速率、走线工艺等方面都无法满足设计需求，另一方面采用光交换网络，不仅无法同时具备一对多和多对一的能力，而且还带来体积巨大和时延不确定等问题。
现在大多数高密度数据中心光纤布线系统采用的是：即插即用，高密度、可扩展，预端接光纤布线系统解决方案。MPO/MTP光缆与普通光缆相比，主要特点在于高密度和预成端，而最终体现在MPO/MTP多芯接头上。已有的中国专利申请号CN201811469988.0，公开号为CN109600167A公开了《一种数字阵列雷达光纤传输网络及其控制方法》,该方法采用由多个T/R模块子阵列单元组成子阵列，分复用解复用单元和M为阵列面中的子阵列个数的1：M功分器，1：M功分器通过一单模光纤与处理器相连波分复用解复用单元，并通过单模光纤与阵列面中的各子阵列相连。这种基于光分路器的跳线开关设计，并行传输能力有限，仅可支持数字阵列雷达单对多的信号传输需求，无法满足多路同时大容量信息传输需求。为实现直接从传感器接口到光接口的高速度、高集成度的传输系统，现有技术公开的一种《基于FPGA的多业务高速光纤传输系统》采用LVDS总线，通过可扩展的多输入传感器数据采集模块，进行多路数字量及模拟量信号的采集，并通过时分复用技术，将多个传感器数据通过单光纤传输至主控制器，光接收模块将收到光纤信号进行光电转换，经时钟提取、解码等处理后，得到传感器数据，然后可通过RS232送至上位机或经总线接口接人工业网络。该系统需实现多路传感器数据采集，故需将多路信号进行有序传输。由于数字信号有直流分量，且有长连“0”、长连“1”的情况存在，不利于误码检测，信号在传输过程中易受外部电磁作用影响而导致模拟数据变形丢失。并且单路速率只有1Gbps，不仅速率无法满足，而且对模块和芯片接口能力也是一种考验。
发明内容
本发明的目的是针对模块化综合系统集成的需求和现有技术的不足，提出了一种体积小、重量轻、密度高、传输容量大，可以用于建立数字阵列信号并行传输到FPGA通用信号处理模块之间的数据通信，利用较少的光纤数量实现高速大容量传输能力的模块化高密度数字光纤星载收发设备，以解决现有传输网络不能同时满足综合系统多模块间高速大容量实时传输的需求。
为了实现上述目的，本发明提供了一种模块化高密度数字光纤星载收发设备，包括：连接在MT连接器与FMC连接器之间的16通道波分复用/解复用器和光电/电光转换器，通过FMC连接器分别接入的至少两个FPGA芯片，其特征在于：至少三个光波分复用/解复用器、16个激光器和32个光电探测器组成高密度数字光纤收发设备；对外连接的3路波分复用光纤信号通过MT连接器分别连接到一个波分复用器和两个波分解复用器，提供2路波分解复用和1路波分复用光纤信号通过每路复用光纤传输16路单模光信号；波分复用器和波分解复用器解复用后的光纤信号通过所述光电/电光转换器件将电信号转换为光信号或将光信号转换为电信号，其中，两个波分解复用器将MT连接器输入的2路波分复用光纤信号分别解复用为32路单模光信号，并通过对应连接的光电/电光转换器转换为32路GTH高速数字电信号，16路GTH高速数字电信号通过对应连接的光电/电光转换器转换为16路单模光信号，并通过一个波分复用器复用为1路波分复用信号输出到MT连接器，每路单模光信号传输速率为＞5Gbps；32路接收和16路发送信号通过FMC连接器分别传输到2片FPGA芯片的高速GTH接口，每片FPGA分别连接16路接收和8路发送，对收发数字信号进行相应的处理。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有的优点和积极效果为：
本发明采用连接在MT连接器与FMC连接器之间的16通道波分复用器和电光转换器，通过FMC连接器分别接入的至少两个FPGA芯片，这种采用至少三个光波分复用模块、16个激光器和32个光电探测器组成高密度数字光纤收发设备，这种采用模块化高密度集成设计，可大幅度减少布线，提高电磁兼容性能。具有体积小、重量轻、密度高、传输容量大的特点，采用的单模光纤介质，具有时延稳定、集成度高、价格便宜，传输数据可靠，误码率较低，若应用于恶劣工业现场领域，可提高信号传输可靠性，抗干扰性等优点。另外，系统硬件电路板留有充分的I/O资源，具备扩展能力，对FPGA内数据处理模块稍加修改即可应用于不同接口的数据采集。
本发明采用对外连接的3路电光转换器通过MT连接器并行连接到一个波分复用器和两个波分解复用器，提供2路波分解复用和1路波分复用光纤信号通过每路复用光纤传输16路单模光信号；波分复用器和波分解复用器解复用后的光纤信号通过所述电光转换器件将电信号转换为光信号或将光信号转换为电信号，32个光电探测器将输入的2路波分复用光纤解复用为16根光纤，并通过对应连接的电光转换器光电转换为32路高速数字电信号，将实现的16路复用光纤信号传输速率为5Gbps，32路接收和16路发生信号通过FMC连接器高速GTH接口输出的各16路单模光信号，FPGA高速GTH端口直接与多模光纤互联，具有单路不低于5Gbps的传输速率，16波分复用后单路光纤高达80Gbps的传输速率；光信号和电信号速率≥5Gbps，6U大小的模块内，实现了接收160Gbps，发送80Gbps的高速光信号收发能力。激光器发送光功率：≥-0dBm；接收灵敏度：≤-14dBm；数字光信号探测动态范围，≥10dBc；误码率：≤1×10-12。
本发明通过FPGA高速GTH接口输入到建立了数字阵列信号并行传输的两个FPGA芯片；16个激光器通过两片FPGA高速GTH接口分别输出8路高速数字电信号，通过电光转换器进行光电转换为固定波长光信号，并通过波分复用器复用为1路光纤输出。利用较少的光纤数量实现大容量传输能力，在可以多个设备并行使用，如并行使用10个模块化高密度数字光纤收发设备，可以实现320路接收和160路发送能力，满足大型阵列采样信号传输处理的需求。
本发明为航天综合化电子系统中数字阵列高速采样信号的传输，提供了一种大容量的高速数字信号传输通道。可以用于建立数字阵列信号并行传输到FPGA通用信号处理模块之间的数据通信，利用较少的光纤数量实现高速大容量传输能力。
附图说明
图1为本发明模块化高密度数字光纤星载收发设备的电路原理示意图；
图2为单只波分复用器的构造示意图；连接关系及尺寸示意图；
图3为单模光电电光转换器电路原理框图；
图4为模块化高密度数字光纤收发设备电路板布局图。
以下实施实例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。下面结合附图对本发明进一步说明。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的优选实施例中，一种模块化高密度数字光纤星载收发设备，包括：连接在MT连接器与FMC连接器之间的16通道波分复用/解复用器和光电/电光转换器，通过FMC连接器分别接入的至少两个FPGA芯片。至少三个光波分复用/解复用器、16个激光器和32个光电探测器组成高密度数字光纤收发设备；对外连接的3路波分复用光纤信号通过MT连接器分别连接到一个波分复用器和两个波分解复用器，提供2路波分解复用和1路波分复用光纤信号通过每路复用光纤传输16路单模光信号；波分复用器和波分解复用器解复用后的光纤信号通过所述光电/电光转换器件将电信号转换为光信号或将光信号转换为电信号，其中，两个波分解复用器将MT连接器输入的2路波分复用光纤信号分别解复用为32路单模光信号，并通过对应连接的光电/电光转换器转换为32路GTH高速数字电信号，16路GTH高速数字电信号通过对应连接的光电/电光转换器转换为16路单模光信号，并通过一个波分复用器复用为1路波分复用信号输出到MT连接器，每路单模光信号传输速率为＞5Gbps；32路接收和16路发送信号通过FMC连接器分别传输到2片FPGA芯片的高速GTH接口，每片FPGA分别连接16路接收和8路发送，对收发数字信号进行相应的处理。
现场可编程逻辑门阵列FPGA通过出射光接口将16波信道光纤合波输出光功率6.5dBm-8.5dBm，单输出光功率-3.5dBm~5.5dBm；
所述16个激光器和32个光电探测器和每个光模块具有状态指示信号，每一路激光器通过采集监控电路连接单片机实现单独关电。单片机通过RS323总线连接FMC连接器与控制管理单元进行双向通信，控制管理单元通过单片机将关电信号送入采集监控电路，采集监控电路将状态指示信号上报单片机。
所述模块化高密度数字光纤收发设备，将上述三个光波分复用模块、16个激光器和32个光电探测器形成模块化单元，全部表贴在面积为220mm×39mm的PCB版上，高度小于10mm，作为子卡内嵌在标准6U模块中，完成32路高速信号接收和16路高速信号发送。
参阅图2。三个光波分复用/解复用器、16个激光器和32个光电探测器形成模块化单元，全部表贴在面积为220mm×39mm的PCB版上，高度小于10mm，作为子卡内嵌在标准6U模块中，完成32路高速信号接收和16路高速信号发送。波分复用模块复用的16路单模光纤波长为C22、C24，…，C52，实现不同波长的复用/解复用功能。
参阅图3。光电/电光转换器包括由探测器串联的限幅放大电路组成的单模光电/电光转换器，探测器把输入的光信号的强度变化转换为相应的电流变化，限幅放大电路将光电探测器光电转换生成的弱电流信号进行增益放大。限幅放大电路为限幅放大芯片，放大电路能够无失真检测小信号并可以对弱小信号进行适当增益的放大，同时还要有效的抑制噪声和干扰。
每路单模光电/电光转换器包含的电光转换电路和光电转换电路，其中，电光转换电路通过激光器驱动芯片驱动激光器芯，将电信号转换为光信号，光电转换电路恢复出经光纤传输后光载波所携带的信息，光电探测器将光电转换生成的极弱电流信号，限幅放大电路无失真检测小信号，抑制噪声和干扰后对小信号进行增益的放大，将光信号转换电信号。每路单模光电电光转换电路通过光纤传输数字码流信号，该数字码流信号通过光发送模块实现电光转换，并通过光纤传输，光接收模块将收到光纤信号进行光电转换，处理的数据完成电光转换并发送后，再通过建立数据选择控制器并加入延时，依次从各FIFO中读取数据，经时钟提取、解码等处理后，将多路信号进行有序传输，然后可通过RS232送至上位机或经总线接口接人工业网络。
光器驱动电路采用激光器驱动芯片，待传输的数字信号输入激光器驱动芯片，经过整形、增益，放大后的电压调制信号来控制激光器的“开”和“关”，最终把电信号转换为光信号。
参阅图4。在模块化高密度数字光纤收发设备的整机布局中，发送和接收模块主板使用一个表贴安装连接器连接，PCB采用螺钉固定，上下盖使用四个螺钉与底板连接，底部除螺钉位外全部悬空避位，各个模块的排纤可以从模块底部排布引出，波分复用器使用两个螺钉与底板连接，发送和接收模块内部光路由16个激光器、3两个光电探测器及一个波分复用模块，其中16个激光器尾纤、3两个光电探测器尾纤分别和波分复用模块的48个光纤端口进行光纤熔接互联。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种模块化高密度数字光纤星载收发设备，包括：连接在MT连接器与FMC连接器之间的16通道波分复用/解复用器和光电/电光转换器，通过FMC连接器分别接入的至少两个FPGA芯片，其特征在于：至少三个光波分复用/解复用器、16个激光器和32个光电探测器组成高密度数字光纤收发设备；对外连接的3路波分复用光纤信号通过MT连接器分别连接到一个波分复用器和两个波分解复用器，提供2路波分解复用和1路波分复用光纤信号，通过每路复用光纤传输16路单模光信号；波分解复用器解复用后的光纤信号通过所述光电/电光转换器件将光信号转换为电信号，其中，两个波分解复用器将MT连接器输入的2路波分复用光纤信号分别解复用为32路单模光信号，并通过对应连接的光电/电光转换器转换为32路GTH高速数字电信号，16路GTH高速数字电信号通过对应连接的光电/电光转换器转换为16路单模光信号，并通过一个波分复用器复用为1路波分复用信号输出到MT连接器，每路单模光信号传输速率为＞5Gbps；32路接收和16路发送信号通过FMC连接器分别传输连接到2片FPGA芯片的高速GTH接口，每片FPGA分别连接16路接收和8路发送，对收发数字信号进行相应的处理；
每路单模光电/电光转换器包含电光转换电路和光电转换电路，其中，电光转换电路通过激光器驱动芯片驱动激光器芯片，将电信号转换为光信号。
2.如权利要求1所述的模块化高密度数字光纤星载收发设备，其特征在于：现场可编程逻辑门阵列FPGA通过出射光接口将16波信道光纤合波输出光功率6.5dBm~8.5dBm，单输出光功率-3.5dBm~5.5dBm。
3.如权利要求1所述的模块化高密度数字光纤星载收发设备，其特征在于：所述16个激光器和32个光电探测器具有状态指示信号，每一路激光器通过采集监控电路连接单片机实现单独关电，单片机通过RS323总线连接FMC连接器与控制管理单元进行双向通信，控制管理单元通过单片机将关电信号送入采集监控电路，采集监控电路将状态指示信号上报单片机。
4.如权利要求1所述的模块化高密度数字光纤星载收发设备，其特征在于：模块化高密度数字光纤收发设备将三个光波分复用/解复用器、16个激光器和32个光电探测器形成模块化单元，全部表贴在面积为220mm×39mm的PCB版上，高度小于10mm，作为子卡内嵌在标准6U模块中，完成32路高速信号接收和16路高速信号发送。
5.如权利要求1所述的模块化高密度数字光纤星载收发设备，其特征在于：三个光波分复用/解复用器、16个激光器和32个光电探测器形成模块化单元，全部表贴在面积为220mm×39mm的PCB版上，高度小于10mm，作为子卡内嵌在标准6U模块中，完成32路高速信号接收和16路高速信号发送，波分复用模块复用的16路单模光纤波长分别为，实现不同波长的复用/解复用功能。
6.如权利要求1所述的模块化高密度数字光纤星载收发设备，其特征在于：光电/电光转换器包括由探测器串联的限幅放大电路组成的单模光电电光转换电路，探测器把输入的光信号的强度变化转换为相应的电流变化，限幅放大电路将光电探测器光电转换生成的弱电流信号进行增益放大；限幅放大电路为限幅放大芯片，放大电路能够无失真检测小信号并可以对弱小信号进行适当增益的放大，同时还要有效的抑制噪声和干扰。
7.如权利要求6所述的模块化高密度数字光纤星载收发设备，其特征在于：每路单模光电/电光转换器包含的电光转换电路和光电转换电路，其中，光电转换电路恢复出经光纤传输后光载波所携带的信息，光电探测器将光电转换生成的极弱电流信号，限幅放大电路无失真检测小信号，抑制噪声和干扰后对小信号进行增益的放大，将光信号转换电信号。
8.如权利要求1所述的模块化高密度数字光纤星载收发设备，其特征在于：每路单模光电/电光转换器通过光纤传输数字码流信号，该数字码流信号通过光发送模块实现电光转换，并通过光纤传输，光接收模块将收到光纤信号进行光电转换，处理的数据完成电光转换并发送后，再通过建立数据选择控制器并加入延时，依次从各FIFO中读取数据，经时钟提取、解码处理后，将多路信号进行有序传输，然后可通过RS232送至上位机或经总线接口接人工业网络。
9.如权利要求8所述的模块化高密度数字光纤星载收发设备，其特征在于：光器驱动电路采用激光器驱动芯片，待传输的数字信号输入激光器驱动芯片，经过整形、增益，放大后的电压调制信号来控制激光器的“开”和“关”，最终把电信号转换为光信号。
10.如权利要求1所述的模块化高密度数字光纤星载收发设备，其特征在于：在模块化高密度数字光纤收发设备的整机布局中，发送和接收模块主板使用一个表贴安装连接器连接，PCB采用螺钉固定，上下盖使用四个螺钉与底板连接，底部除螺钉位外全部悬空避位，各个模块的排纤可以从模块底部排布引出，波分复用器使用两个螺钉与底板连接，发送和接收模块内部光路由16个激光器、3两个光电探测器及一个波分复用模块，其中16个激光器尾纤、3两个光电探测器尾纤分别和波分复用模块的48个光纤端口进行光纤熔接互联。
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