CN113347397B - 一种数字音视频信号及带外信号的全光传输电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种数字音视频信号及带外信号的全光传输方法，是在数字音视频信号光纤传输的基础上，对音视频信号进行从NRZ编码到高阶脉冲幅度调制的转换并在接收端进行高阶调制到NRZ编码的解调制。同时本申请提出的方法把带外信号调制到激光器的偏置电流上进行传输，接收端使用高带宽的平均光功率检测电路解调出带外信号。一种数字音视频信号及带外信号的全光传输方法适用于目前主流的音视频传输协议如HDMI协议，DVI协议和DisplayPort协议的全光传输，在使用PAM4调制及激光器偏置电流调制的情况下使用3根光纤即可实现HDMI协议，DVI协议和DisplayPort协议的全光传输。因此本发明提出的方法能大大减少音视频信号光纤传输的通道数，减少了线缆设计和制造的复杂度，大大降低了线缆的成本。
Description
技术领域
本发明属于多媒体音视频信号传输领域。具体为应用于HDMI，DVI，DisplayPort等音视频协议的一种高带宽，低成本，低延迟，高可靠，高兼容性，长传输距离的信号传输方法。
背景技术
随着显示技术的不断发展，显示分辨率不断提高，从720p到1080p发展到现在的2k，4k甚至8k的超高清晰度显示。相应的，音视频数据的传输速率从百兆赫兹到吉赫兹再到数十吉赫兹，目前HDMI2.1的传输速率达到48Gbps,而DisplayPort 2.0协议的理论最高传输带宽达到了80Gbps。目前音视频信号传输速度提升主要受限于传输介质的低带宽，高损耗。因而在显示分辨率不断提高的趋势下越来越多的显示传输方案选择了“光进铜退”，转向了光纤传输的方案。高速信号的光纤传输在数据通信领域已经得到了广泛的应用，25G和100G的光模块及有源线缆技术已较为成熟。目前使用PAM4技术的光模块方兴未艾。这些技术的发展使得使用光纤传输音视频信号成为可能。HDMI协议，DVI协议和DisplayPort等协议除了音视频数据信号外还有一些带外信号需要传输，例如HDMI和DVI协议中的SDA，SCL和HPD信号，HDMI协议中的CEC，ARC和eARC信号和DisplayPort协议中的AUX，CONFIG1，CONFIG信号。这些带外信号的可靠传输在高速音视频传输的实现中也起着不可忽视的作用。
关于音视频信号及其带外信号传输已出现了一些解决方案：
1、使用光模块对音视频信号进行光电电光转换，该方案使用串并和并串转换将HDMI，DVI或DisplayPort等音视频协议的电信号转换为串行信号。该方案实现集成度低，需要额外集成串并和并串转换电路和光模块，在线缆体积及系统功耗上很难获得较好的结果。
2、在HDMI，DVI或DisplayPort有源光缆中使用4根光纤传输音视频信号，其余带外信号使用铜线直连。长距时传输该方案的带外信号易受电磁干扰，线缆衰减，线缆延迟失配等因素影响，较难实现十米以上的线缆。另外该方案由于使用较多铜线而无法实现较轻便易用的有源线缆。
3、在HDMI，DVI或DisplayPort有源光缆中使用4根光纤传输音视频信号，使用2根光纤传输其余带外信号。该方案在方案2的基础上使用光纤传输带外信号，使得以该方案制造的有源线缆长度可达百米以上，并且由于信号全使用光纤传输，线缆轻便柔韧。该方案的缺点在于整个设计中需要使用6个激光器，6个光电探测器，6根光纤，设计及生产复杂度较高，整个系统的制造良率较难保证。另外由于使用6个光电、电光转换通道，该方案的功耗较大。
发明内容
本发明提出了一种解决上述问题，高速音视频信号使用高阶脉冲幅度调制进行光纤传输，带外信号使用激光器偏置电流调制进行传输，实现了高带宽，低成本，低延迟，高可靠，高兼容性，长传输距离的音视频协议信号全光传输方法。
本发明的一个目的在于提供一种数字音视频信号及带外信号的全光传输电路，所述电路包括发送端模块和接收端模块，
所述发送端模块包括高速音视频信号调制电路和带外信号调制电路，所述高速音视频信号调制电路将高速音视频信号，以高阶脉冲幅度调制方式调制到激光器的调制信号中；所述带外信号调制电路将带外信号调制到激光器的偏置电流信号中；
接收端模块包括高速音视频信号解调电路和带外信号解调电路，所述高速音视频信号解调电路将高速音视频信号，从高阶脉冲幅度调制解调回NRZ编码传输给显示器端；所述带外信号解调电路，使用平均光功率检测电路分离出带外信号并传输给显示器端；
另外，所述全光传输电路包括显示器端向源端传输带外信号的反向传输路径,即发送端模块还包括带外信号解调电路，接收端模块还包括带外信号调制电路，通过时分复用、高阶脉冲幅度调制或者两个结合的方式，将带外信号从接收端传输到发送端。
优选地，发送端结构中高阶脉冲幅度调制电路包括时钟数据恢复电路，鉴频器，采样单元，选择开关；
所述时钟数据恢复电路用于恢复出与高速音视频信号同步的时钟信号。
优选地，发送端结构中对于较高带宽的音视频信号使用恢复出的时钟，采样单元采样信号后进行高阶脉冲幅度信号调制；
对于较低带宽的音视频信号直接进行高阶脉冲幅度信号调制，并关闭时钟数据恢复单元来减小功耗。
优选地，发送端结构中使用鉴频器区分音视频信号的带宽高低，自动控制选择开关选择使用恢复后时钟采样输出的路径或是直接输出的路径，并控制时钟数据恢复单元开关进行功耗控制。
优选地，接收端结构中高阶脉冲幅度调制解调电路包括时钟数据恢复电路，鉴频器，三个阈值判决器，三个采样单元，选择开关，译码电路。
优选地，接收端结构中时钟恢复电路用于恢复出与高速音视频信号同步的时钟信号；
自动增益控制单元控制信号幅度后输出给三个阈值判决电路，从而获取信号幅度信号的温度码。
优选地，接收端结构中对于较高带宽的音视频信号使用恢复出的时钟，采样单元采样信号后进行判决结果译码；
对于较低带宽的音视频信号直接判决结果译码，并关闭时钟数据恢复单元来减小功耗。
优选地，接收端结构中使用鉴频器区分音视频信号的带宽高低，自动控制选择开关选择使用恢复后时钟采样输出的路径或是直接输出的路径，并控制时钟数据恢复单元开关进行功耗控制。
优选地，接收端使用自动增益控制电路将信号转变为特定幅度的信号在进行信号幅度判决。
优选地，发送端激光器驱动电路作为线性驱动，对信号不进行限幅放大，保证眼图不失真；
接收端使用的跨阻放大器作为线性结构，对信号不进行限幅放大，保证眼图不失真。
优选地，发送端带外信号调制电路中包含时分复用单元和激光器偏置电流调制单元；
发送端带外信号调制电路中时分复用单元根据带外信号个数，以负载均衡为原则将带外信号复用到和音视频信号传输通道数相同的通道个数中；
发送端低速信号调制电路中激光器偏置电流调制单元对激光器的偏置电流进行调制，控制激光器发光的平均光功率。
优选地，所述发送端通过控制带外信号获得的时间片可编程地控制带外信号的传输带宽；接收端反向传输通路中也编程地对带宽要求高的信号使用高阶幅度调制，带宽要求低的信号使用时分复用，从而实现可灵活可适配多种协议的带外信号传输。
优选地，所述全光传输电路包括显示器端向源端传输带外信号的带外信号反向传输路径,其中，
使用时分复用、高阶脉冲幅度调制或者两个结合的方式，使1个激光器，1个光电探测器和一根光纤，将带外信号从显示器端传输到源端；
反向传输路径使用时分复用、高阶脉冲幅度调制或者时分复用加高阶脉冲幅度调制的方法将多个带外信号在一个信道内的传输。
优选地，反向传输路径使用时分复用传输时，包含时分复用单元，激光器驱动电路，跨阻放大器和时分解复用单元；
时分复用单元和时分解复用单元对带外信号进行复用传输时，激光器驱动电路和跨阻放大器实现信号的光电和电光转换。
优选地，反向传输路径使用高阶脉冲幅度调制传输时，包含1:2:4信号加权单元，激光器线性驱动电路，线性跨阻放大器，自动增益放大器，多个阈值判决器和译码单元；
1:2:4信号加权单元将带外信号调制为高阶脉冲幅度调制的信号，激光器线性驱动电路不失真的将高阶脉冲幅度调制的信号转变为光信号，线性跨阻放大器不失真的将光信号变为电信号，自动增益放大器将信号调节为一定的幅度，多个阈值判决器用来判决信号幅度信息并输出温度编码的信息，译码单元将温度码转变为二进制编码并输出给源端。
优选地，反向传输路径使用时分复用加高阶脉冲幅度调制的方法传输时，增加时分复用单元和时分解复用单元，时分复用单元将多个带外信号复用到与高阶脉冲幅度调制阶数相同的通道数中；
时分解复用单元将收到信号解复用，高阶脉冲幅度调制阶数小于等于3阶，时分复用以带宽均衡为准，及减少相对高带宽带外信号时分复用程度，增加相对低带宽的带外信号的复用程度。
优选地，使用3路光路实现HDMI协议信号的全光传输，使用3路光路实现DisplayPort协议信号的全光传输，使用4路光路实现DVI-Dual协议信号的全光传输。
优选地，所述全光传输电路适用于HDMI协议，DVI协议，DisplayPort协议和所有音视频信号传输写的全光传输。
本发明的另一个方面在于提供一种数字音视频信号及带外信号的全光传输方法，所述方法包括如下方法步骤：
所述发送端模块的高速音视频信号调制电路将高速音视频信号，以高阶脉冲幅度调制方式调制到激光器的调制信号中；所述发送端模块的带外信号调制电路将带外信号调制到激光器的偏置电流信号中；
接收端模块的高速音视频信号解调电路将高速音视频信号，从高阶脉冲幅度调制解调回NRZ编码传输给显示器端；接收端模块的带外信号解调电路，使用平均光功率检测电路分离出带外信号并传输给显示器端。
优选地，发送端结构中高阶脉冲幅度调制电路包括时钟数据恢复电路，鉴频器，采样单元，选择开关；
所述时钟数据恢复电路用于恢复出与高速音视频信号同步的时钟信号。
优选地，发送端结构中对于较高带宽的音视频信号使用恢复出的时钟，采样单元采样信号后进行高阶脉冲幅度信号调制；
对于较低带宽的音视频信号直接进行高阶脉冲幅度信号调制，并关闭时钟数据恢复单元来减小功耗。
优选地，发送端结构中使用鉴频器区分音视频信号的带宽高低，自动控制选择开关选择使用恢复后时钟采样输出的路径或是直接输出的路径，并控制时钟数据恢复单元开关进行功耗控制。
优选地，接收端结构中高阶脉冲幅度调制解调电路包括时钟数据恢复电路，鉴频器，三个阈值判决器，三个采样单元，选择开关，译码电路。
优选地，接收端结构中时钟恢复电路用于恢复出与高速音视频信号同步的时钟信号；
自动增益控制单元控制信号幅度后输出给三个阈值判决电路，从而获取信号幅度信号的温度码。
优选地，接收端结构中对于较高带宽的音视频信号使用恢复出的时钟，采样单元采样信号后进行判决结果译码；
对于较低带宽的音视频信号直接判决结果译码，并关闭时钟数据恢复单元来减小功耗。
优选地，接收端结构中使用鉴频器区分音视频信号的带宽高低，自动控制选择开关选择使用恢复后时钟采样输出的路径或是直接输出的路径，并控制时钟数据恢复单元开关进行功耗控制。
优选地，接收端使用自动增益控制电路将信号转变为特定幅度的信号在进行信号幅度判决。
优选地，发送端激光器驱动电路作为线性驱动，对信号不进行限幅放大，保证眼图不失真；
接收端使用的跨阻放大器作为线性结构，对信号不进行限幅放大，保证眼图不失真。
优选地，发送端带外信号调制电路中包含时分复用单元和激光器偏置电流调制单元；
发送端带外信号调制电路中时分复用单元根据带外信号个数，以负载均衡为原则将带外信号复用到和音视频信号传输通道数相同的通道个数中；
发送端低速信号调制电路中激光器偏置电流调制单元对激光器的偏置电流进行调制，控制激光器发光的平均光功率。
优选地，接收端带外信号调制电路中包含平均光功率检测电路和时分解复用单元；
接收端带外信号调制电路中时分解复用解复用平均光功率检测电路输出的带外信号，并传输给显示器端。
优选地，所述全光传输电路包括显示器端向源端传输带外信号的带外信号反向传输路径，其中，
使用时分复用、高阶脉冲幅度调制或者两个结合的方式，使1个激光器，1个光电探测器和一根光纤，将带外信号从显示器端传输到源端；
反向传输路径使用时分复用、高阶脉冲幅度调制或者时分复用加高阶脉冲幅度调制的方法将多个带外信号在一个信道内的传输。
优选地，反向传输路径使用时分复用传输时，包含时分复用单元，激光器驱动电路，跨阻放大器和时分解复用单元；
时分复用单元和时分解复用单元对带外信号进行复用传输时，激光器驱动电路和跨阻放大器实现信号的光电和电光转换。
优选地，反向传输路径使用高阶脉冲幅度调制传输时，包含1:2:4信号加权单元，激光器线性驱动电路，线性跨阻放大器，自动增益放大器，多个阈值判决器和译码单元；
1:2:4信号加权单元将带外信号调制为高阶脉冲幅度调制的信号，激光器线性驱动电路不失真的将高阶脉冲幅度调制的信号转变为光信号，线性跨阻放大器不失真的将光信号变为电信号，自动增益放大器将信号调节为一定的幅度，多个阈值判决器用来判决信号幅度信息并输出温度编码的信息，译码单元将温度码转变为二进制编码并输出给源端。
优选地，反向传输路径使用时分复用加高阶脉冲幅度调制的方法传输时，增加时分复用单元和时分解复用单元，时分复用单元将多个带外信号复用到与高阶脉冲幅度调制阶数相同的通道数中；
时分解复用单元将收到信号解复用，高阶脉冲幅度调制阶数小于等于3阶，时分复用以带宽均衡为准，及减少相对高带宽带外信号时分复用程度，增加相对低带宽的带外信号的复用程度。
优选地，使用3路光路实现HDMI协议信号的全光传输，使用3路光路实现DisplayPort协议信号的全光传输，使用4路光路实现DVI-Dual协议信号的全光传输。
优选地，所述全光传输电路适用于HDMI协议，DVI协议，DisplayPort协议和所有音视频信号传输的全光传输。
本发明提出了使用高级脉冲幅度调制进行音视频信号传输，使用激光器的偏置电流调制传输带外信号的音视频信号传输方法，高速音视频信号的高阶脉冲幅度调制和带外信号的激光器偏置调制形成了光信号的多维度调制方式，大大减少系统使用激光器，光电探测器及光纤的数量，降低了设计及生产复杂度，提高音视频有源线缆的生产良率。同时由于本发明提出方法的光纤通道数减少，实现了线缆的轻量化，可使线缆更为轻便柔韧。另外本发明中使用的音视频信号传输方法使用少量的通道传输信号在保证传输无误码传输的前提下传输距离同样达到百米以上，而其消耗的功耗大大小于使用6光纤传输音视频信号及带外信号的方案。
附图说明
图1是本发明提出电路的总体结构。
图2是本发明高速信号调制方法。
图3是本发明高速信号解调方法。
图4是本发明带外信号调制方法。
图5是本发明带外信号解调方法。
图6是本发明带外信号反向传输方法1。
图7是本发明带外信号反向传输方法2。
图8是本发明带外信号反向传输方法3。
图9是本发明一个实施例中HDMI三芯有源光缆。
图10是本发明另一个实施例中DisplayPort三芯有源光缆。
图11是本发明再一个实施例中Dvi-Dual四芯有源光缆。
具体实施方式
本发明提出的音视频信号及带外信号的全光传输方法，由发送端和接收端两部分组成。如图1所示，根据本发明的实施例，一种数字音视频信号及带外信号的全光传输电路，包括发送端模块和接收端模块。
发送端模块包括高速音视频信号调制电路和带外信号调制电路，所述高速音视频信号调制电路将高速音视频信号，以高阶脉冲幅度调制方式调制到激光器的调制信号中；所述带外信号调制电路将带外信号调制到激光器的偏置电流信号中。
接收端模块包括高速音视频信号解调电路和带外信号解调电路，所述高速音视频信号解调电路将高速音视频信号，从高阶脉冲幅度调制解调回NRZ编码传输给显示器端；所述带外信号解调电路，使用平均光功率检测电路分离出带外信号并传输给显示器端。发送端激光器驱动电路作为线性驱动，对信号不进行限幅放大，保证眼图不失真。
源端与发送端相连，接收端与显示设备端相连。发送端把源端的高速音视频信号(NRZ编码)进行高阶脉冲幅度调制(PAM4或PAM8调制)调制到激光器的调制电流上，把源端的带外信号调制到激光器的偏置电流上，因而在一条光路中同时传输高速音视频信号和带外信号。调制后的信号通过光路传输到接收端，接收端通过平均光功率检测电路检测出带外信号，并将高阶脉冲幅度调制信号重新解调为NRZ信号输出到显示器端。由于各音视频传输协议中的带外信号均为双向通信信号，因此本发明提出的全光传输方法中需要另一条从接收端将带外信号传输向发送端的通路。图1中接收端的调制电路3将带外信号进行高阶脉冲幅度调制或者时分复用进行调制，并将调制后信号转换为光信号传输到发送端，发送端将光信号转换为电信号，然后解时分复用或者解调得到带外信号并传输给源端。
本发明中发送端对音视频信号进行高阶脉冲幅度调制。发送端结构中高阶脉冲幅度调制电路包括时钟数据恢复电路，鉴频器，采样单元，选择开关。时钟数据恢复电路用于恢复出与高速音视频信号同步的时钟信号。
发送端结构中对于较高带宽的音视频信号使用恢复出的时钟，采样单元采样信号后进行高阶脉冲幅度信号调制。对于较低带宽的音视频信号直接进行高阶脉冲幅度信号调制，并关闭时钟数据恢复单元来减小功耗。
发送端结构中使用鉴频器区分音视频信号的带宽高低，自动控制选择开关选择使用恢复后时钟采样输出的路径或是直接输出的路径，并控制时钟数据恢复单元开关进行功耗控制。
以PAM4调制为例，具体结构如图2所示，高速信号1和高速信号2分别经过缓冲器1和缓冲器2进行一定的带宽补偿。缓冲器1输出的信号传输给时钟数据恢复单元，从而获得与高速信号同步的采样时钟，使用该时钟通过采样单元1和采样单元2采样缓冲器1和缓冲器2的输出，采样单元的输出进行以2:1权重的加权相加获得PAM4调制信号，该信号通过激光器线性驱动电路调制到激光器的调制电流上。图2所示结构中选择开关1和选择开关2可选的不经过采样时钟采样而直接将缓冲器1和缓冲器2的输出输出给加权相加电路产生PAM4调制信号。该通路主要是针对音视频信号带宽较小的情况下，无需使用时钟恢复电路即可无误码的进行信号传输。在这样的情况下可选择无采样单元的通路进行信号传输，并且关闭时钟数据恢复单元和采样单元1，采样单元2来节省功耗。使用采样单元通路进行高速信号通信和使用无采样单元通路进行低带宽通信可通过时钟数据恢复单元中的鉴频器判断通信速度来进行自动切换。调制可使用PAM8调制，这样可以在一个光纤通道内传输3路高速信号，PAM8调制的电路结构仅需要增加图2中的通路数为3并使用1:2:4的加权相加电路。更高阶的脉冲幅度调制方法如PAM16和PAM32由于随着调制阶的增加电路复杂度的急剧增加，因而并无较大吸引力。
本发明中接收端对接收到的高阶脉冲幅度调制信号进行解调，转化为音视频协议常用的NRZ编码信号。
以PAM4调制为例，如图3所示，接收端结构中高阶脉冲幅度调制解调电路包括时钟数据恢复电路，鉴频器，三个阈值判决器，三个采样单元，选择开关，译码电路。接收端结构中时钟恢复电路用于恢复出与高速音视频信号同步的时钟信号。自动增益控制单元控制信号幅度后输出给三个阈值判决电路，从而获取信号幅度信号的温度码。
接收端结构中对于较高带宽的音视频信号使用恢复出的时钟，采样单元采样信号后进行判决结果译码。对于较低带宽的音视频信号直接判决结果译码，并关闭时钟数据恢复单元来减小功耗。接收端结构中使用鉴频器区分音视频信号的带宽高低，自动控制选择开关选择使用恢复后时钟采样输出的路径或是直接输出的路径，并控制时钟数据恢复单元开关进行功耗控制。接收端使用自动增益控制电路将信号转变为特定幅度的信号在进行信号幅度判决。接收端使用的跨阻放大器作为线性结构，对信号不进行限幅放大，保证眼图不失真。
接收端的光电探测器将光信号转换为电信号，经过跨阻放大器和自动增益放大器信号，音视频信号被放大一定的幅度，再经过三个阈值不同的阈值判决电路，阈值判决器a，阈值判决器b，阈值判决器c，其中判决阈值a>判决阈值b>判决阈值c。阈值判决器b输出的信号经过时钟数据恢复单元获得与数据同步的时钟信号，该时钟信号驱动图3中的采样单元4，采样单元5和采样单元6分别对阈值判决器a，阈值判决器b和阈值判决器的输出信号进行采样。采样输出的结果为三个判决阈值与PAM4信号的幅值比较的结果，三个采样单元的输出为温度码的信号。
例如图3中将PAM4信号的四个电平从小到大表示为0,1,2,3，当输入信号为3时，3>a，3>b，3>c，故三个采样电路输出为“111”，当输入信号为2时采样电路输出为“011”，输入信号为1和0时采样电路输出分别为“001”和“000”。译码电路将上述温度码转换为2位二进制码。译码器输出的二进制码经过驱动器3和驱动器4输出给显示器端音视频接口。图3结构中的选择开关1，选择开关2和选择开关3可选的直接使用阈值判决器a，阈值判决器b，阈值判决器c的输出输出给译码单元，和发送端类似，该通路主要适用于传输低带宽的音视频信号，此时可关闭时钟数据恢复单元和采样单元4，采样单元5，采样单元6来节省功耗。选择开关1，选择开关2和选择开关3对两个路径的选择可使用时钟数据单元中的鉴频器来判决音视频数据是低带宽或是高带宽来自动切换。
本发明中发送端将源端的带外信号调制到激光器的偏置电流中进行传输。具体结构如图4所示，发送端带外信号调制电路中包含时分复用单元和激光器偏置电流调制单元。
发送端带外信号调制电路中时分复用单元根据带外信号个数，以负载均衡为原则将带外信号复用到和音视频信号传输通道数相同的通道个数中；发送端低速信号调制电路中激光器偏置电流调制单元对激光器的偏置电流进行调制，控制激光器发光的平均光功率。
带外信号采样电路对带外信号进行同步，由于带外信号数多于光纤传输通道数，故使用时分复用单元1，时分复用单元2将带外信号1，带外信号2，带外信号3复用到2个通道中。对于更多带外信号通道的传输同样可以使用时分复用单元复用到两个通道。时分复用后的信号经过激光器偏置电流调制单元控制激光器驱动电路输出的激光器偏置电流。图4中给出的信号光眼图表示经过偏置调制的PAM4光眼图，图中红线为被带外信号调制的平均光功率，而黑色部分信号为音视频信号使用高阶脉冲幅度调制产生的PAM4信号。该调制方式增加了信号在光纤中调制的维度，进一步增加了信号在光纤中传输的带宽。
本发明接收端将从接收到的信号的平均光功率中解调出经过时分复用的带外信号。具体结构如图5所示，接收端带外信号调制电路中包含平均光功率检测电路和时分解复用单元。接收端带外信号调制电路中时分解复用单元解复用平均光功率检测电路输出的带外信号，并传输给显示器端。
接收到的光功率不断变化的PAM4信号经过光电转换变为电信号，而平均光功率检测电路取出信号中的经过时分复用的带外信号部分，如图5中红色信号线所示。经过时分解复用该信号被还原成为带外信号传输给显示器端。
由于音视频协议中带外信号通常为双向通信，故本发明中包含了从接收端向发送端传输带外信号的反向传输通路。根据本发明的实施例，全光传输电路包括显示器端向源端传输带外信号的带外信号反向传输路径。
使用时分复用、高阶脉冲幅度调制或者两个结合的方式，利用1个激光器，1个光电探测器和一根光纤，将带外信号从显示器端传输到源端。
反向传输路径使用时分复用、高阶脉冲幅度调制或者时分复用加高阶脉冲幅度调制的方法将多个带外信号在一个信道内的传输。
图6为本发明中该反向传输通路的实现方法1，其中带外信号4，带外信号5，带外信号6经过时分复用单元复用到一个通道传输，复用后信号经过激光器驱动电路及激光器转变为光信号，经过光纤传输到发送端，发送端的光电探测器和跨阻放大器3把光信号变为电信号，再经过时分解复用单元3恢复出带外信号并传输给源端。
根据本发明的实施例，反向传输路径使用时分复用传输时，包含时分复用单元，激光器驱动电路，跨阻放大器和时分解复用单元；
时分复用单元和时分解复用单元对带外信号进行复用传输时，激光器驱动电路和跨阻放大器实现信号的光电和电光转换。
图7为本发明中反向传输通路的实现方法2，反向传输路径使用高阶脉冲幅度调制传输时，包含1:2:4信号加权单元，激光器线性驱动电路，线性跨阻放大器，自动增益放大器，多个阈值判决器和译码单元。
1:2:4信号加权单元将带外信号调制为高阶脉冲幅度调制的信号，激光器线性驱动电路不失真的将高阶脉冲幅度调制的信号转变为光信号，线性跨阻放大器不失真的将光信号变为电信号，自动增益放大器将信号调节为一定的幅度，多个阈值判决器用来判决信号幅度信息并输出温度编码的信息，译码单元将温度码转变为二进制编码并输出给源端。
该方法将带外信号4，带外信号5和带外信号6进行PAM8调制，调制后的信号经过激光器驱动电路及激光器转变为光信号，经过光纤传输到发送端，发送端的光电探测器和跨阻放大器3把光信号变为电信号，自动增益放大器将信号转变为特定幅度，之后该信号经过8个阈值判决器即图7中判决器s1～s8。判决结果经过译码电路转换为3位二进制信号。二进制信号通过缓冲器4，缓冲器5和缓冲器6输出给源端。该高阶调制方式与音视频信号的调制方式不同，未使用时钟数据恢复单元，这是由于带外信号带宽较低，故选择无时钟恢复单元的结构节省方案功耗。当音视频信号传输协议的带外信号大于3个时，并不推荐使用更高阶的脉冲幅度调制方式，从图7可看到电路的复杂度随着脉冲幅度调制的阶呈现近似指数级的增长，因而更高阶的脉冲幅度调制对方案的实施复杂度是不可接受的，并且会有较大的功耗开销。
在这种情况下本发明提出了图8中的反向传输通路的实现方法3，反向传输路径使用时分复用加高阶脉冲幅度调制的方法传输时，增加时分复用单元和时分解复用单元，时分复用单元将多个带外信号复用到与高阶脉冲幅度调制阶数相同的通道数中。
时分解复用单元将收到的信号解复用，高阶脉冲幅度调制阶数小于等于3阶，时分复用以带宽均衡为准，及减少相对高带宽带外信号时分复用程度，增加相对低带宽的带外信号的复用程度。
该方法结合了反向传输通路的实现方法1的时分复用和反向传输通路的实现方法2的高阶脉冲幅度调制。如图8中所示，该方法先按照信号的带宽要求分类，将带宽要求较低的信号进行时分复用，带宽要求较高的信号不进行时分复用，然后将信号进行PAM8调制。调制后的信号经过激光器驱动电路及激光器转变为光信号，经过光纤传输到发送端，发送端的光电探测器和跨阻放大器3把光信号变为电信号，自动增益放大器将信号转变为特定幅度，之后该信号经过8个阈值判决器即图7中判决器s1～s8。判决结果经过译码电路转换为3位二进制信号。二进制信号通过缓冲器4，缓冲器5和缓冲器6输出给源端。
根据本发明的实施例，一种数字音视频信号及带外信号的全光传输电路及方法，适用于HDMI协议，DVI协议，DisplayPort协议和所有音视频信号传输下的全光传输。使用3路光路实现HDMI协议信号的全光传输，使用3路光路实现DisplayPort协议信号的全光传输，使用4路光路实现DVI-Dual协议信号的全光传输。
在一个具体实施中，使用本发明中提出的方法可实现如图9所示的HDMI三芯的有源光缆。带外信号SDA，SCL和CEC信号通过调制电路1和调制电路2调制到激光器的偏置电流驱动激光器，TMDS0和TMDS1信号通过调制电路1转变为PAM4信号调制到激光器的调制电流中。TMDS2和TMDS3信号通过调制电路2转变为PAM4信号调制到激光器的调制信号经过两根光纤传输的接收端由光电探测器跨阻放大器1和跨阻放大器2将收到的光信号转变为接收端的TMDS0，TMDS1，TMDS2，TMDS3，SDA，SCL和CEC信号并传输给显示器端。接收端的带外信号SDA，SCL，CEC，HPD，ARC/eARC经过图9所示的反向传输路径使用另一条光路将这些带外信号传输给发送端并传输给源端。在该实现中本发明提出的方法实现为芯片1和芯片2。芯片1和芯片2分别贴片打线到PCB1和PCB2上，同时PCB1和PCB2上分别集成了2个激光器，1个光电探测器和2个光电探测器，1个激光器。故该实现中仅使用了三个激光器，三个光电探测器和三路光纤实现了HDMI三芯有源光缆。该结构实现复杂度低，成本低，传输距离长，线缆柔韧性好。
在一个具体实施中，使用本发明中提出的方法可实现如图10所示的DisplayPort三芯的有源光缆。带外信号AUX，CONFIG1和CONFIG2信号通过调制电路1和调制电路2调制到激光器的偏置电流驱动激光器，ML0和ML1信号通过调制电路1转变为PAM4信号调制到激光器的调制电流中。ML2和ML3信号通过调制电路2转变为PAM4信号调制到激光器的调制信号，经过两根光纤传输到接收端由光电探测器跨阻放大器1和跨阻放大器2将收到的光信号转变为接收端的ML0，ML1，ML2，ML3，AUX，CONFIG1和CONFIG2信号并传输给显示器端。接收端的带外信号AUX，CONFIG1和CONFIG2经过图10所示的反向传输路径使用另一条光路将这些带外信号传输给发送端并传输给源端。在该实现中本发明提出的方法实现为芯片1和芯片2。芯片1和芯片2分别贴片打线到PCB1和PCB2上，同时PCB1和PCB2上分别集成了2个激光器，1个光电探测器和2个光电探测器，1个激光器。故该实现中仅使用了三个激光器，三个光电探测器和三路光纤实现了DisplayPort三芯有源光缆。该结构实现复杂度低，成本低，传输距离长，线缆柔韧性好。
在一个具体实施中，使用本发明中提出的方法可实现如图10所示的DVI-Dual四芯的有源光缆。由于DVI中信号传输速率较低，故该实现中使用PAM8调制传输音视频信号。带外信号SDA和SCL信号通过激光器驱动电路3调制为激光器的偏置电流，TMDS0，TMDS1和TMDS2信号通过调制电路1转变为PAM8信号调制到激光器的调制电流中。TMDS3，TMDS4和TMDS5信号通过调制电路2转变为PAM8信号调制到激光器的调制信号。CLK信号直接以NRZ编码调制到激光器的调制信号上。经过三根光纤传输的接收端由光电探测器跨阻放大器1，跨阻放大器2，跨阻放大器3和将收到的光信号转变为接收端的TMDS0，TMDS1，TMDS2，TMDS3，TMDS4，TMDS5，CLK，SDA和SCL信号并传输给显示器端。接收端的带外信号SDA，SCL和HPD经过图11所示的反向传输路径使用另一条光路将这些带外信号传输给发送端并传输给源端。在该实现中本发明提出的方法实现为芯片1和芯片2。芯片1和芯片2分别贴片打线到PCB1和PCB2上，同时PCB1和PCB2上分别集成了3个激光器，1个光电探测器和3个光电探测器，1个激光器。故该实现中仅使用了四个激光器，四个光电探测器和四路光纤实现了DVI-Dual四芯有源光缆。该结构实现复杂度低，成本低，传输距离长，线缆柔韧性好。
本发明提出了使用高级脉冲幅度调制进行音视频信号传输，使用激光器的偏置电流调制传输带外信号的音视频信号传输方法，大大减少系统使用激光器，光电探测器及光纤的数量，降低了设计及生产复杂度，提高音视频有源线缆的生产良率。同时由于本发明提出方法的光纤通道数减少，实现了线缆的轻量化，可使线缆更为轻便柔韧。另外本发明中使用的音视频信号传输方法使用少量的通道传输信号在保证传输无误码传输的前提下传输距离同样达到百米以上，而其消耗的功耗大大小于使用6光纤传输音视频信号及带外信号的方案。
受益于前述描述和相关联的附图中呈现的教导，本领域的技术人员将想到本发明的许多修改和其他实施例。因此，将理解到，本发明不限于所公开的特定实施例，并且修改和实施例旨在被包括在随附的权利要求的范围内。还应理解到，在缺少在本文中未特别地公开的元件/步骤的情况下，可以实践本发明的其他实施例。
Claims (9)
1.一种数字音视频信号及带外信号的全光传输电路，其特征在于，所述电路包括发送端模块和接收端模块，
所述发送端模块包括高速音视频信号调制电路和带外信号调制电路，所述高速音视频信号调制电路将高速音视频信号，以高阶脉冲幅度调制方式调制到激光器的调制信号中；所述带外信号调制电路将带外信号调制到激光器的偏置电流信号中；
接收端模块包括高速音视频信号解调电路和带外信号解调电路，所述高速音视频信号解调电路将高速音视频信号，从高阶脉冲幅度调制解调回NRZ编码传输给显示器端；所述带外信号解调电路，使用平均光功率检测电路分离出带外信号并传输给显示器端；
另外，所述全光传输电路包括显示器端向源端传输带外信号的反向传输路径,即发送端模块还包括带外信号解调电路，接收端模块还包括带外信号调制电路，通过时分复用、高阶脉冲幅度调制或者两个结合的方式，将带外信号从接收端传输到发送端。
2.根据权利要求1所述的全光传输电路，其特征在于，发送端结构中高阶脉冲幅度调制电路包括时钟数据恢复电路，鉴频器，采样单元，选择开关；
所述时钟数据恢复电路用于恢复出与高速音视频信号同步的时钟信号；
发送端结构中对于较高带宽的音视频信号使用恢复出的时钟，采样单元采样信号后进行高阶脉冲幅度信号调制；
对于较低带宽的音视频信号直接进行高阶脉冲幅度信号调制，并关闭时钟数据恢复单元来减小功耗；
发送端结构中使用鉴频器区分音视频信号的带宽高低，自动控制选择开关选择使用恢复后时钟采样输出的路径或是直接输出的路径，并控制时钟数据恢复单元开关进行功耗控制。
3.根据权利要求1所述的全光传输电路，其特征在于，接收端结构中高阶脉冲幅度调制解调电路包括时钟数据恢复电路，鉴频器，三个阈值判决器，三个采样单元，选择开关，译码电路；
接收端结构中时钟恢复电路用于恢复出与高速音视频信号同步的时钟信号；
自动增益控制单元控制信号幅度后输出给三个阈值判决电路，从而获取信号幅度信号的温度码；
接收端结构中对于较高带宽的音视频信号使用恢复出的时钟，采样单元采样信号后进行判决结果译码；
对于较低带宽的音视频信号直接判决结果译码，并关闭时钟数据恢复单元来减小功耗；
接收端结构中使用鉴频器区分音视频信号的带宽高低，自动控制选择开关选择使用恢复后时钟采样输出的路径或是直接输出的路径，并控制时钟数据恢复单元开关进行功耗控制；
接收端使用自动增益控制电路将信号转变为特定幅度的信号再进行信号幅度判决。
4.根据权利要求1所述的全光传输电路，其特征在于，发送端激光器驱动电路作为线性驱动，对信号不进行限幅放大，保证眼图不失真；
接收端使用的跨阻放大器作为线性结构，对信号不进行限幅放大，保证眼图不失真。
5.根据权利要求1所述的全光传输电路，其特征在于，发送端带外信号调制电路中包含时分复用单元和激光器偏置电流调制单元；
发送端带外信号调制电路中时分复用单元根据带外信号个数，以负载均衡为原则将带外信号复用到和音视频信号传输通道数相同的通道个数中；
发送端低速信号调制电路中激光器偏置电流调制单元对激光器的偏置电流进行调制，控制激光器发光的平均光功率。
6.根据权利要求1所述的全光传输电路，其特征在于，所述发送端通过控制带外信号获得的时间片可编程地控制带外信号的传输带宽；接收端反向传输通路中也编程地对带宽要求高的信号使用高阶幅度调制，带宽要求低的信号使用时分复用，从而实现可灵活可适配多种协议的带外信号传输。
7.根据权利要求1所述的全光传输电路，其特征在于，所述全光传输电路包括显示器端向源端传输带外信号的带外信号反向传输路径,其中，
使用时分复用、高阶脉冲幅度调制或者两个结合的方式，使1个激光器，1个光电探测器和一根光纤，将带外信号从显示器端传输到源端；
反向传输路径使用时分复用、高阶脉冲幅度调制或者时分复用加高阶脉冲幅度调制的方法将多个带外信号在一个信道内的传输；
反向传输路径使用时分复用传输时，包含时分复用单元，激光器驱动电路，跨阻放大器和时分解复用单元；
时分复用单元和时分解复用单元对带外信号进行复用传输时，激光器驱动电路和跨阻放大器实现信号的光电和电光转换；
反向传输路径使用高阶脉冲幅度调制传输时，包含1:2:4信号加权单元，激光器线性驱动电路，线性跨阻放大器，自动增益放大器，多个阈值判决器和译码单元；
1:2:4信号加权单元将带外信号调制为高阶脉冲幅度调制的信号，激光器线性驱动电路不失真的将高阶脉冲幅度调制的信号转变为光信号，线性跨阻放大器不失真的将光信号变为电信号，自动增益放大器将信号调节为一定的幅度，多个阈值判决器用来判决信号幅度信息并输出温度编码的信息，译码单元将温度码转变为二进制编码并输出给源端；
反向传输路径使用时分复用加高阶脉冲幅度调制的方法传输时，增加时分复用单元和时分解复用单元，时分复用单元将多个带外信号复用到与高阶脉冲幅度调制阶数相同的通道数中；
时分解复用单元将收到信号解复用，高阶脉冲幅度调制阶数小于等于3阶，时分复用以带宽均衡为准，及减少相对高带宽带外信号时分复用程度，增加相对低带宽的带外信号的复用程度；
8.根据权利要求1所述的全光传输电路，其特征在于，使用3路光路实现HDMI协议信号的全光传输，使用3路光路实现Displayport协议信号的全光传输，使用4路光路实现DVI-Dual协议信号的全光传输。
9.根据权利要求1所述的全光传输电路，其特征在于，所述全光传输电路适用于HDMI协议，DVI协议，Displayport协议和所有音视频信号传输写的全光传输。
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