CN114448551B - 一种基于无源波分复用的分布式串行矩阵切换系统 - Google Patents

一种基于无源波分复用的分布式串行矩阵切换系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于无源波分复用的分布式串行矩阵切换系统，包括光发送器、无源波分复用器、矩阵切换设备以及连接无源波分复用器和矩阵切换设备的光纤。无源波分复用器包括耦合器、彩光模块、连接光纤和多层介质膜滤波器。光发送器包括AD转换模块、数据时分复用处理模块和高速数据发送模块。矩阵切换设备包括矩阵开关电路、光电模块以及对应板卡。该系统将多路光信号汇聚成一路光信号传输，简化了光信号传输结构，提升了传输效率，减少部署难度和能量消耗，保证多路视频信号采集、接收、传输和转换的实现过程低成本化和高质量化。

Description

一种基于无源波分复用的分布式串行矩阵切换系统
技术领域
本发明涉及视频数据传输技术领域，尤其涉及一种基于无源波分复用的分布式串行矩阵切换系统。
背景技术
目前的分布式矩阵切换系统已大量采用了以光纤传输为主导的信号传输方式。在现有的视频光纤传输系统中，视频光端机的传输为点对点方式，在一个典型的分布式矩阵切换系统中，至少包括一组摄像机、视频光端机发射机、光纤、视频光端机接收机和矩阵切换设备。这样的分布式矩阵切换系统结构复杂，光纤用量大，设备拓扑结构复杂，系统建立成本高、鲁棒性差，且实施维护的过程繁琐、费用高。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于无源波分复用的分布式串行矩阵切换系统，包括光发送器、无源波分复用器、矩阵切换设备和光纤；
所述光发送器将视频数据电信号转换成光信号并通过多路复用光路发送到无源波分复用器，无源波分复用器将多路光信号分解成单路光信号传输至矩阵切换设备，最终矩阵切换设备将多路单路光信号进行解析切换，实现多路视频数据单路传输并进行单路切换的功能；
所述光纤用于连接无源波分复用器和矩阵切换设备。
所述光发送器包括AD转换模块、数据时分复用处理模块、高速数据发送模块、电源模块和光纤发射电路，所述AD转换模块分别与数据时分复用处理模块、电源模块连接，所述高速数据发送模块分别与数据时分复用处理模块、光纤发射电路和电源模块连接，所述光纤发射电路分别与高速数据发送模块和电源模块连接；
所述数据时分复用处理模块包括FPGA芯片及相应的信号处理电路；
所述高速数据发送模块包括高速收发芯片及相应的信号传输电路；
所述AD转换模块将模拟电信号转换成数字电信号，经过数据时分复用处理模块将多路信号汇聚为一路电信号，再通过高速数据发送模块，转换成光信号发送给无源波分复用器，通过无源波分复用器与其他光信号复用为一路光信号，实现波分复用效果。
所述无源波分复用器包括耦合器、彩光模块、连接光纤和多层介质膜滤波器；
所述彩光模块、耦合器、多层介质模滤波器串行连接；
所述多层介质膜滤波器采用薄膜干涉原理，使包含不同波长的单束光穿过薄膜后分解成多束相同波长的单束光；
所述彩光模块将多束光合成为一束光，传输至耦合器，耦合器对光信号进行耦合，传输至多层介质膜滤波器，将特定波长滤出。
所述矩阵切换设备包括矩阵开关电路、光电模块以及对应信号板卡；
所述光电模块将光信号转换成电信号，再将电信号通过信号板卡传输到矩阵开关电路，从而实现信号的切换输出。
所述光发送器与无源波分复用器相互串接。
所述光发送器的无源波分复用器与矩阵切换设备通过光纤相连。
所述对应信号板卡包含4路光电转换模块，与无源波分复用器之间通过光纤相连。
所述无源波分复用器的光纤和耦合器是通过双锥形的波导结构实现传输光功率的耦合，设定其中一根光纤为光纤1，光纤1的输出端口为端口1，则另一根光纤为光纤2，光纤2的输出端口为端口2，从线性耦合方程解得参数相同的两根相互平行的弱波导单模光纤沿耦合区的功率分布为：P1(z)＝Pocos2(Cz)、P2(z)＝Posin2(Cz)，式中，z为光在耦合区的传输距离，P1(z)为端口1的光功率，P2(z)为端口2的光功率，Po为z＝0处传输至光纤中的光功率；Cz为光传输距离为z时的材料的耦合系数，其中耦合系数C的表达式为：
式中，λ为光波长；nl为纤芯折射率；a为纤芯半径；d为两光纤轴间距离；V为归一化频率；μ和ω分别为归一化径向传输常数和衰减常数；K0和K1分别为零阶和一阶虚宗量的第二类贝塞尔函数。耦合系数与波长有关，器件对波长敏感。
当在光纤1的输入端同时输入λ1和λ2两波长的光信号时，将使λ1光功率几乎100％由直通臂输出(λ1耦合到光纤2的功率近于零)，而λ2的光功率几乎100％耦合到耦合臂，在光纤2的输出端口输出，做成分波器。无源波分复用器件的特点是结构简单，插损低(<0.1dB，典型值为0.2dB)，方向性好(<—60dB)，具有良好的温度稳定性，生产成本低。
系统启动时，视频信号源将电信号传至光发送器，光发送器中的AD转换模块先将视频模拟信号转换数字信号，传输至数据时分复用处理模块，数据时分复用处理模块输出时钟信号控制AD转换模块，读取ADC数字信号数值，再通过控制自身工作频率将ADC输出数字信号进行时分复用处理，最终输出高频信号至高速数据发送模块；
高速数据发送模块将电信号转换成光信号并通过彩光模块传输至无源波分复用器；
无源波分复用器中的多层介质膜滤波器将不同波长的光信号折射，再通过拓扑结构将光路进行汇聚并串行处理，得到包含两个以上不同波长的光信号流的串行信号，最后传输到无源波分复用器，无源波分复用器将串行信号进行分解，将光信号分解，最终输入矩阵切换设备；
矩阵切换设备中的光电模块将光信号流转换成数字电信号流，通过矩阵开关电路，将需要输出的模拟信号通过信号输出电路传输至显示屏。
本发明基于无源波分复用的分布式串行矩阵切换系统可通过无源波分复用器同时接收多路光信号并将光信号复用成串行信号输入波分复用器，最终传输至矩阵切换设备，矩阵切换设备将串行光信号进行解串，再通过光汇聚控制器进行解时分复用，最终通过视频信号输出电路输出到显示器，实现多路信号传输切换功能。
本发明的有益效果是：本发明基于无源波分复用的分布式串行矩阵切换系统可通过无源波分复用器，将多路光信号汇聚成一路光信号传输，简化了光信号传输结构，提升了传输效率。并且该系统通过矩阵切换设备对传输的时分复用信号进行解串，可选择性输出到显示器。该切换系统传输系统结构简单，减少部署难度和能量消耗，并且通过矩阵切换设备解串和转换，实现视频信号的自由切换，因此能够保证多路视频信号采集、接收、传输和转换的实现过程低成本化和高质量化。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明专利结构功能模块框图。
图2是图1中的光发送器的结构示意图。
图3是无源波分复用器的结构示意图。
图4是本发明专利的一种具体实施方式的结构示意框图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，本发明提供了一种基于无源波分复用的分布式串行矩阵切换系统，包括光发送器、无源波分复用器、矩阵切换设备和光纤；
所述光发送器将视频数据电信号转换成光信号并通过多路复用光路发送到无源波分复用器，无源波分复用器将多路光信号分解成单路光信号传输至矩阵切换设备，最终矩阵切换设备将多路单路光信号进行解析切换，实现多路视频数据单路传输并进行单路切换的功能；
所述光纤用于连接无源波分复用器和矩阵切换设备。
所述光发送器包括AD转换模块、数据时分复用处理模块、高速数据发送模块、电源模块和光纤发射电路，所述AD转换模块分别与数据时分复用处理模块、电源模块连接，所述高速数据发送模块分别与数据时分复用处理模块、光纤发射电路和电源模块连接，所述光纤发射电路分别与高速数据发送模块和电源模块连接；
所述数据时分复用处理模块包括FPGA芯片及相应的信号处理电路；
所述高速数据发送模块包括高速收发芯片及相应的信号传输电路；
所述AD转换模块将模拟电信号转换成数字电信号，经过数据时分复用处理模块将多路信号汇聚为一路电信号，再通过高速数据发送模块，转换成光信号发送给无源波分复用器，通过无源波分复用器与其他光信号复用为一路光信号，实现波分复用效果。
所述无源波分复用器包括耦合器、彩光模块、连接光纤和多层介质膜滤波器；
所述彩光模块、耦合器、多层介质模滤波器串行连接；
所述多层介质膜滤波器采用薄膜干涉原理，使包含不同波长的单束光穿过薄膜后分解成多束相同波长的单束光；
所述彩光模块将多束光合成为一束光，传输至耦合器，耦合器对光信号进行耦合，传输至多层介质膜滤波器，将特定波长滤出。
所述矩阵切换设备包括矩阵开关电路、光电模块以及对应信号板卡；
所述光电模块将光信号转换成电信号，再将电信号通过信号板卡传输到矩阵开关电路，从而实现信号的切换输出。
所述光发送器与无源波分复用器相互串接。
所述无源波分复用器与矩阵切换设备通过光纤相连。
所述对应信号板卡包含4路光电转换模块，与无源波分复用器之间通过光纤相连。
所述无源波分复用器的光纤和耦合器是通过双锥形的波导结构实现传输光功率的耦合，设定其中一根光纤为光纤1，光纤1的输出端口为端口1，则另一根光纤为光纤2，光纤2的输出端口为端口2，从线性耦合方程解得参数相同的两根相互平行的弱波导单模光纤沿耦合区的功率分布为：P1(z)＝Pocos2(Cz)、P2(z)＝Posin2(Cz)，式中，z为光在耦合区的传输距离，P1(z)为端口1的光功率，P2(z)为端口2的光功率，Po为z＝0处传输至光纤中的光功率；Cz为光传输距离为z时的材料的耦合系数，其中耦合系数C的表达式为：
式中，λ为光波长；nl为纤芯折射率；a为纤芯半径；d为两光纤轴间距离；V为归一化频率；μ和ω分别为归一化径向传输常数和衰减常数；K0和K1分别为零阶和一阶虚宗量的第二类贝塞尔函数。
系统启动时，视频信号源将电信号传至光发送器，光发送器中的AD转换模块先将视频模拟信号转换数字信号，传输至数据时分复用处理模块，数据时分复用处理模块输出时钟信号控制AD转换模块，读取ADC数字信号数值，再通过控制自身工作频率将ADC输出数字信号进行时分复用处理，最终输出高频信号至高速数据发送模块；
高速数据发送模块将电信号转换成光信号并通过彩光模块传输至无源波分复用器；
无源波分复用器中的多层介质膜滤波器将不同波长的光信号折射，再通过拓扑结构将光路进行汇聚并串行处理，得到包含两个以上不同波长的光信号流的串行信号，最后传输到无源波分复用器，无源波分复用器将串行信号进行分解，将光信号分解，最终输入矩阵切换设备；
矩阵切换设备中的光电模块将光信号流转换成数字电信号流，通过矩阵开关电路，将需要输出的模拟信号通过信号输出电路传输至显示屏。
实施例
见图1，本实施例是一种基于无源波分复用的分布式矩阵切换系统，包括8台光发送器、8台无源波分复用器、一台矩阵切换设备和若干光纤；
所述光发送器将视频电信号转换成光信号并发送到无源波分复用器，无源波分复用器将串行光信号传输到传输链最后一台无源波分复用器，最后一台无源波分复用器将多路光信号分解成单路光信号传输至矩阵切换设备，最终矩阵切换设备将单路光信号进行解析切换，实现多路视频数据单路传输并进行单路切换的功能；
所述光纤用于连接无源波分复用器和矩阵切换设备。
所述光发送器包括AD转换模块、数据时分复用处理模块、高速数据发送模块、电源模块和光纤发射电路，所述AD转换模块分别与数据时分复用处理模块、电源模块连接，所述高速数据发送模块分别与数据时分复用处理模块、光纤发射电路和电源模块连接，所述光纤发射电路分别与高速数据发送模块和电源模块连接；
所述数据时分复用处理模块包括FPGA芯片及相应的信号处理电路；
所述高速数据发送模块包括高速收发芯片及相应的信号传输电路；
所述AD转换模块将模拟电信号转换成数字电信号，经过数据时分复用处理模块将多路信号汇聚为一路电信号，再通过高速数据发送模块，转换成光信号发送给无源波分复用器，通过无源波分复用器与其他光信号复用为一路光信号，实现波分复用效果。
所述无源波分复用器包括耦合器、彩光模块、连接光纤和多层介质膜滤波器；
所述彩光模块、耦合器、多层介质模滤波器串行连接；
所述多层介质膜滤波器采用薄膜干涉原理，使包含不同波长的单束光穿过薄膜后分解成多束相同波长的单束光；
所述彩光模块将多束光合成为一束光，传输至耦合器，耦合器对光信号进行耦合，传输至多层介质膜滤波器，将特定波长滤出。如波分复用器在光信号输入口，则以上光信号方向反向进行。
所述矩阵切换设备包括矩阵开关电路、光电模块以及对应信号板卡(例如：光纤输入板卡Nin-FE4)；
所述光电模块将光信号转换成电信号，再将电信号通过信号板卡传输到矩阵开关电路，从而实现信号的切换输出。
所述光发送器有8台，8台光发送器的无源波分复用器相互串接。
所述8台光发送器的无源波分复用器与矩阵切换设备通过8根光纤相连。
所述对应信号板卡有两块，每块光板块包含4路光电转换模块，与无源波分复用器之间通过8根光纤相连。
系统启动时，视频信号源将电信号传至光发送器，光发送器中的AD转换模块先将视频模拟信号转换数字信号，传输至数据时分复用处理模块，数据时分复用处理模块输出时钟信号控制AD转换模块，读取ADC数字信号数值，再通过控制自身工作频率将ADC输出数字信号进行时分复用处理，最终输出高频信号至高速数据发送模块；
高速数据发送模块将电信号转换成光信号并通过彩光模块传输至无源波分复用器；
无源波分复用器中的多层介质膜滤波器将不同波长的光信号折射，再通过拓扑结构将光路进行汇聚并串行处理，得到包含两个以上不同波长的光信号流的串行信号，最后传输到连接混合矩阵的无源波分复用器，无源波分复用器将串行信号进行分解，将光信号分解为原来的8路光信，最终输入矩阵切换设备；
矩阵切换设备中的光电模块将光信号流转换成数字电信号流，通过矩阵开关电路，将需要输出的模拟信号通过信号输出电路传输至显示屏。
图4示出了本发明专利基于无源波分复用的分布式矩阵切换系统的一种具体实施方式。该系统包括8个视频信号源及与8个视频信号源一一对应连接的8个光发送器，连接到8个2波长无源波分复用器、8波长无源波分复用器以及矩阵切换设备。
该分布式矩阵切换系统的过程为：系统启动时，视频信号源将电信号传至光发送器，光发送器中的ADC模块先将视频模拟信号转换数字信号，传输至FPGA电路。FPGA电路输出时钟信号控制ADC模块，读取ADC数字信号数值，再通过控制自身工作频率将ADC输出数字信号进行时分复用处理，最终输出高频信号至高速收发模块。高速收发模块将电信号转换成光信号并通过彩光模块传输至2波长无源波分复用器。2波长无源波分复用器中的多层介质膜滤波器将不同波长的光信号折射，再通过拓扑结构将光路进行汇聚并串行处理，得到包含多个不同波长的光信号，最后传输到8波长无源波分复用器，8波长无源波分复用器将串行信号进行分解为8路光信号，最终输入矩阵切换设备。矩阵切换设备中的光电模块将光信号流转换成数字电信号流，通过矩阵内部的控制板卡，将需要输出的模拟信号通过信号输出电路传输至显示屏。
本发明提供了一种基于无源波分复用的分布式串行矩阵切换系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种基于无源波分复用的分布式串行矩阵切换系统，其特征在于，包括光发送器、无源波分复用器、矩阵切换设备和光纤；
所述光发送器将视频数据电信号转换成光信号并通过多路复用光路发送到无源波分复用器，无源波分复用器将多路光信号分解成单路光信号传输至矩阵切换设备，最终矩阵切换设备将多路单路光信号进行解析切换，实现多路视频数据单路传输并进行单路切换的功能；
所述光纤用于连接无源波分复用器和矩阵切换设备；
所述光发送器包括AD转换模块、数据时分复用处理模块、高速数据发送模块、电源模块和光纤发射电路，所述AD转换模块分别与数据时分复用处理模块、电源模块连接，所述高速数据发送模块分别与数据时分复用处理模块、光纤发射电路和电源模块连接，所述光纤发射电路分别与高速数据发送模块和电源模块连接；
所述数据时分复用处理模块包括FPGA芯片及相应的信号处理电路；
所述高速数据发送模块包括高速收发芯片及相应的信号传输电路；
所述AD转换模块将模拟电信号转换成数字电信号，经过数据时分复用处理模块将多路信号汇聚为一路电信号，再通过高速数据发送模块，转换成光信号发送给无源波分复用器，通过无源波分复用器与其他光信号复用为一路光信号，实现波分复用效果。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无源波分复用器包括耦合器、彩光模块、连接光纤和多层介质膜滤波器；
所述彩光模块、耦合器、多层介质模滤波器串行连接；
所述多层介质膜滤波器采用薄膜干涉原理，使包含不同波长的单束光穿过薄膜后分解成多束相同波长的单束光；
所述彩光模块将多束光合成为一束光，传输至耦合器，耦合器对光信号进行耦合，传输至多层介质膜滤波器，将特定波长滤出。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述矩阵切换设备包括矩阵开关电路、光电模块以及对应信号板卡；
所述光电模块将光信号转换成电信号，再将电信号通过信号板卡传输到矩阵开关电路，从而实现信号的切换输出。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述光发送器与无源波分复用器相互串接。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述对应信号板卡包含4路光电转换模块，与无源波分复用器之间通过光纤相连。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述无源波分复用器的光纤和耦合器是通过双锥形的波导结构实现传输光功率的耦合，设定其中一根光纤为光纤1，光纤1的输出端口为端口1，则另一根光纤为光纤2，光纤2的输出端口为端口2，从线性耦合方程解得参数相同的两根相互平行的弱波导单模光纤沿耦合区的功率分布为：P1(z)＝Pocos2(Cz)、P2(z)＝Posin2(Cz)，式中，z为光在耦合区的传输距离，P1(z)为端口1的光功率，P2(z)为端口2的光功率，Po为z＝0处传输至光纤中的光功率；Cz为光传输距离为z时的材料的耦合系数，其中耦合系数C的表达式为：
式中，λ为光波长；nl为纤芯折射率；a为纤芯半径；d为两光纤轴间距离；V为归一化频率；μ和ω分别为归一化径向传输常数和衰减常数；K0和K1分别为零阶和一阶虚宗量的第二类贝塞尔函数。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，系统启动时，视频信号源将电信号传至光发送器，光发送器中的AD转换模块先将视频模拟信号转换数字信号，传输至数据时分复用处理模块，数据时分复用处理模块输出时钟信号控制AD转换模块，读取ADC数字信号数值，再通过控制自身工作频率将ADC输出数字信号进行时分复用处理，最终输出高频信号至高速数据发送模块；
高速数据发送模块将电信号转换成光信号并通过彩光模块传输至无源波分复用器；
无源波分复用器中的多层介质膜滤波器将不同波长的光信号折射，再通过拓扑结构将光路进行汇聚并串行处理，得到包含两个以上不同波长的光信号流的串行信号，最后传输到无源波分复用器，无源波分复用器将串行信号进行分解，将光信号分解，最终输入矩阵切换设备；
矩阵切换设备中的光电模块将光信号流转换成数字电信号流，通过矩阵开关电路，将需要输出的模拟信号通过信号输出电路传输至显示屏。
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