CN114513254A - 一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统及线缆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统及线缆，涉及高速信号传输领域，系统包括两个结构相同且反向连接的信号传输接头以及用于连接两个接头的光纤组。本发明将第一接头的信号发射单元和第二接头的信号接收单元通过第一光纤束连接，将第二接头的信号发射单元和第一接头的信号接收单元通过与第一光纤束的传输方向相反的第二光纤束连接，利用低速信号侦听单元侦听低速信号接口，获取低速信号中携带的信号的传输模式及传输方向信息，并根据传输模式及传输方向使能或关闭相应的信号发射单元及信号接收单元，从而使高速电信号在两个信号传输接头及光纤组构成的光纤线缆中双向传输，实现了在电接口不变的情况下切换光纤通信的传输方向。

Description

一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统及线缆
本申请要求于2021年12月31日提交中国专利局、申请号为202111675460.0、发明名称为“一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统及线缆”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及高速信号传输领域，特别是涉及一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统及线缆。
背景技术
随着通讯技术的不断发展，电子设备接口速度不断提升，从千级到兆级、百兆级，电子设备接口的速度进入了微波的范畴，信号的可靠传输和接收面临越来越严峻的挑战。目前最新的电子设备接口通信协议均已经达到万兆的速度，HDMI 2.1最高通信速度达到了单通道12Gbps，DP2.0、USB4、雷电3、雷电4等协议的通信速度更是达到了单通道20Gbps，这对设备及线缆设计提出了极高的要求。在这样的背景下“光进铜退”的方案呼声越来越高，不少公司借鉴光纤通信领域的经验推出了以光纤替代铜线进行高速信号的传输的方案。使用光纤传输高速信号减小了高速信号传输的衰减，改善了信号质量，增加了高速信号的传输距离，减小了高速信号产生的电磁干扰。
目前，关于高速电信号的光纤传输已经出现了以下解决方案：
1、对于HDMI、DVI、Displayport等视频信号传输协议，目前不少公司提出了其高速信号的光纤传输的方案，使用该方案制造的光纤有源线缆相比铜线提供了更好的信号质量、更长的传输距离和更小的电磁辐射。但是该方案相比于铜线，只能在一个方向进行信号传输，这样的产品都会在接口处标明信号源端和显示器端。这样增加了实际使用时误插的可能性，增加了线缆和设备损坏的风险。
2、对于USB3、USB4、雷电等通用高速接口信号传输，部分公司也提出了使用光纤传输高速电信号的方法，改善了信号传输的性能。但是同样由于光纤信号传输的单向性限制，该方案在线缆制造完成后无法切换通信方向，因而无法支持DP Alt-Mode。
3、对于USB 2.0版本以下的USB协议及其他一些高速半双工通信协议，使用光纤进行高速信号传输一直以来都是一大难题，目前的主流实现基本都是进行协议转换，其实现成本高，复杂度大。
可见，现有技术中，受限于光纤信号传输的单向性，使用光纤传输高速电信号在线缆制造后存在无法改变传输方向，也无法在电接口不变的情况下实现双向通信的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统及线缆，以实现高速信号在光纤线缆中的双向传输。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统，所述系统包括：两个信号传输接头和M个光纤组；两个所述信号传输接头通过M个所述光纤组连接；每个所述光纤组均包括传输方向相反的第一光纤束和第二光纤束；
所述信号传输接头包括：M个高速电接口、M个信号发射单元、M个信号接收单元、N个低速信号接口及N个低速信号侦听单元；其中，M为大于或等于1的正整数，N等于1或M；
M个所述高速电接口分别与M个所述信号发射单元和M个所述信号接收单元对应连接；N个所述低速信号接口分别与N个所述低速信号侦听单元对应连接；当N等于1时，所述低速信号侦听单元分别与各所述信号发射单元和各所述信号接收单元连接；当N等于M时，N个所述低速信号侦听单元分别与M个所述信号发射单元和M个所述信号接收单元对应连接；
将两个所述信号传输接头分别作为第一接头和第二接头；将所述第一接头内的所述信号发射单元和所述信号接收单元分别作为第一信号发射单元和第一信号接收单元；将所述第二接头内的所述信号发射单元和所述信号接收单元分别作为第二信号发射单元和第二信号接收单元；
M个所述第一光纤束分别与M个所述第一信号发射单元和M个所述第二信号接收单元对应连接；各所述第一光纤束内的信号均从所述第一接头向所述第二接头方向传输；
M个所述第二光纤束分别与M个所述第一信号接收单元和M个所述第二信号发射单元对应连接；各所述第二光纤束内的信号均从所述第二接头向所述第一接头方向传输；
所述信号发射单元用于从所述高速电接口接收电信号，并将所述电信号转换为对应的光信号，发射到所述光纤组的光路中；所述信号接收单元用于从所述光纤组的光路中接收光信号，并将所述光信号转换为对应的电信号，发射到所述高速电接口；所述低速信号接口用于接收携带有信号的传输模式及传输方向信息的低速信号；所述低速信号侦听单元用于侦听所述低速信号接口，获取信号的传输模式及传输方向，并根据所述传输模式及传输方向使能所述第一信号发射单元及所述第二信号接收单元，并关闭所述第一信号接收单元及所述第二信号发射单元，或者，使能所述第一信号接收单元及所述第二信号发射单元，并关闭所述第一信号发射单元及所述第二信号接收单元。
可选地，所述信号发射单元包括：输入级、第一信号放大器、激光器驱动电路、激光器、第一稳压电源及第一端接控制单元；
所述第一端接控制单元与所述输入级连接；所述输入级分别与所述高速电接口及所述第一信号放大器连接；所述第一信号放大器与所述激光器驱动电路连接；所述激光器驱动电路与所述激光器连接；所述激光器与所述第一光纤束连接；所述第一稳压电源分别与所述输入级、所述信号放大器、所述激光器驱动电路、所述激光器及所述低速信号侦听单元连接；
所述信号接收单元包括：输出级、第二信号放大器、自动增益放大器、线性跨组放大器、光电探测器、第二稳压电源及第二端接控制单元；
所述第二端接控制单元与所述输出级连接；所述输出级分别与所述高速电接口及所述第二信号放大器连接；所述第二信号放大器与所述自动增益放大器连接；所述自动增益放大器与所述线性跨组放大器连接；所述线性跨组放大器与所述光电探测器连接；所述光电探测器与所述第二光纤束连接；所述第二稳压电源分别与所述输出级、所述第二信号放大器、所述自动增益放大器、所述线性跨组放大器、所述光电探测器及所述低速信号侦听单元连接；
所述低速信号侦听单元通过控制所述第一稳压电源及所述第二稳压电源的供电与否，使能或关闭所述信号发射单元及所述信号接收单元。
可选地，所述信号发射单元的输入端与所述信号接收单元的输出端连接，或者，所述信号发射单元的输入端与所述信号接收单元的输出端通过高速开关连接；所述高速开关还与所述高速电接口及所述低速信号侦听单元连接；所述低速信号侦听单元还用于控制所述高速开关的开通与关断。
可选地，所述高速开关为高速射频开关或MEMS开关。
可选地，所述低速信号侦听单元包括：
低速信号侦听子单元，与所述低速信号接口连接，用于根据所述低速信号接口接收到的低速信号判断传输协议和/或传输模式；
传输方向仲裁子单元，分别与所述信号发射单元、所述信号接收单元及所述低速信号侦听子单元连接，用于根据所述传输协议和/或传输模式判断信号的传输方向，使能所述第一信号发射单元及所述第二信号接收单元并关闭所述第一信号接收单元及所述第二信号发射单元，或者，使能所述第一信号接收单元及所述第二信号发射单元并关闭所述第一信号发射单元及所述第二信号接收单元。
可选地，当传输协议为USB/雷电协议时，所述高速电接口为SSTX/SSRX接口；所述低速信号接口为CC1/CC2及SBU1/SBU2接口；
所述低速信号侦听子单元包括：协议侦听模块和信号侦听模块；
所述协议侦听模块，分别与所述低速信号接口中的CC1/CC2接口及所述传输方向仲裁子单元连接，用于解析Power Delivery协议，判断系统处于Displayport Alt模式还是处于常规USB/雷电协议通信模式，以使所述传输方向仲裁子单元根据传输模式判断信号的传输方向；
所述信号侦听模块，分别与所述低速信号接口中的SBU1/SBU2接口及所述传输方向仲裁子单元连接，用于侦听Sideband信号或AUX信号，以使所述传输方向仲裁子单元根据信号类型判断信号的传输方向。
可选地，当传输协议为HDMI/DVI协议时，所述高速电接口为TMDSx/FRLx接口；所述低速信号接口为HPD接口；
所述低速信号侦听子单元为HPD端接检测电路；所述HPD端接检测电路用于对HPD信号的端接情况进行检测，以使所述传输方向仲裁子单元根据HPD信号的端接情况判断信号的传输方向；所述HPD信号的端接情况为HPD信号的端接电阻是上拉电阻或下拉电阻。
可选地，当传输协议为Displayport协议时，所述高速电接口为MLx接口；所述低速信号接口为HPD和AUX+/-接口；
所述低速信号侦听子单元包括：HPD端接检测电路和AUX端接检测电路；
所述HPD端接检测电路，分别与所述低速信号接口中的HPD接口及所述传输方向仲裁子单元连接，用于对HPD信号的端接情况进行检测；所述HPD信号的端接情况为HPD信号的端接电阻是上拉电阻或下拉电阻；
所述AUX端接检测电路，分别与所述低速信号接口中的AUX+/-接口及所述传输方向仲裁子单元连接，用于对AUX信号的端接情况进行检测；所述AUX信号的端接情况为AUX信号的端接电阻是上拉电阻或下拉电阻；
所述传输方向仲裁子单元用于根据HPD信号及AUX信号的端接情况判断信号的传输方向。
可选地，当传输协议为USB2.0及比USB2.0更低版本的USB协议时，所述低速信号接口为D+/D-接口；
所述低速信号侦听子单元为协议解析模块；所述协议解析模块用于解析D+/D-接口传输的数据包，以使所述传输方向仲裁子单元根据解析结果判断信号的传输方向。
本发明还提供一种可动态改变传输方向的高速光电传输线缆，所述线缆包括：第一电路板、第二电路板和M个光纤组；
所述第一电路板是将上述系统中的第一接头封装在PCB板上得到的；
所述第二电路板是将上述系统中的第二接头封装在PCB板上得到的；
其中，M的取值为4，N的取值为1；
所述第一电路板中的低速信号接口与所述第二电路板中的低速信号接口连接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的可动态改变传输方向的高速光电传输系统包括两个结构相同且反向连接的信号传输接头以及用于连接两个接头的光纤组，每个信号传输接头均包括高速电接口、信号发射单元、信号接收单元、低速信号接口及低速信号侦听单元，每个光纤组中均包括传输方向相反的第一光纤束和第二光纤束。本发明将第一接头的信号发射单元和第二接头的信号接收单元通过第一光纤束连接，将第二接头的信号发射单元和第一接头的信号接收单元通过第二光纤束连接，利用低速信号侦听单元侦听低速信号接口，获取低速信号中携带的信号的传输模式及传输方向信息，并根据传输模式及传输方向使能或关闭相应的信号发射单元及信号接收单元，从而使高速电信号在两个信号传输接头及光纤组构成的光纤线缆中双向传输，实现了在电接口不变的情况下切换光纤通信的传输方向。
说明书附图
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的可动态改变传输方向的高速光电传输系统的基本结构图；
图2为本发明信号发射单元的输入端与信号接收单元的输出端直接连接的信号传输接头的电路结构图；
图3为本发明信号发射单元的输入端与信号接收单元的输出端通过高速开关连接的电路结构图；
图4为传输协议为USB/雷电协议时，本发明信号传输接头的电路结构图；
图5为传输协议为HDMI/DVI协议时，本发明信号传输接头的电路结构图；
图6为传输协议为DP协议时，本发明信号传输接头的电路结构图；
图7为传输协议为USB2.0及比USB2.0更低版本的USB协议时，本发明信号传输接头的电路结构图；
图8为本发明提供的可动态改变传输方向的高速光电传输线缆的结构图。
符号说明：第一接头—1，第二接头—2，光纤组—3，第一光纤束—31，第二光纤束—32，高速电接口—4，低速信号接口—5，第一信号发射单元—6，第一信号接收单元—7，第二信号接收单元—8，第二信号发射单元—9，低速信号侦听单元—10，协议侦听模块—1011，信号侦听模块—1012，HPD端接检测电路—1013，AUX端接检测电路—1014，协议解析模块—1015，传输方向仲裁子单元—102，第一端接控制单元—11，输入级—12，第一信号放大器—13，激光器驱动电路—14，激光器—15，光电探测器—16，线性跨阻放大器—17，自动增益放大器—18，第二信号放大器—19，输出级—20，第二端接控制单元—21，第一稳压电源—22，第二稳压电源—23，高速开关—24，第一电路板—25，第二电路板—26，铜线—27。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统及线缆，以实现高速信号在光纤线缆中的双向传输。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的可动态改变传输方向的高速光电传输系统的基本结构图，如图1所示，本发明提供的一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统包括：两个信号传输接头和M个光纤组3；两个所述信号传输接头通过M个所述光纤组3连接；每个所述光纤组3均包括传输方向相反的第一光纤束31和第二光纤束32。其中，两个信号传输接头均为可变方向高速信号传输接头，二者结构相同且呈中心对称方式设置，并以光纤进行连接，共同组成有源光纤线缆的一个可变传输方向的光纤传输通道。
具体地，所述信号传输接头包括：M个高速电接口4、M个信号发射单元、M个信号接收单元、N个低速信号接口5及N个低速信号侦听单元10；其中，M为大于或等于1的正整数，N等于1或M。所述高速电接口4用于传输高速信号，所述低速信号接口5用于传输低速信号。高速信号与低速信号均为信号传输领域的常规概念。一般而言，当信号的传输路径长度小于信号有效波长的1/6时，可认为信号在该传输路径上各点的电平近似相同，则为低速信号，否则为高速信号。
M个所述高速电接口4分别与M个所述信号发射单元和M个所述信号接收单元对应连接；N个所述低速信号接口5分别与N个所述低速信号侦听单元10对应连接；当N等于1时，所述低速信号侦听单元10分别与各所述信号发射单元和各所述信号接收单元连接；当N等于M时，N个所述低速信号侦听单元10分别与M个所述信号发射单元和M个所述信号接收单元对应连接。
将两个所述信号传输接头分别作为第一接头1和第二接头2；将所述第一接头1内的所述信号发射单元和所述信号接收单元分别作为第一信号发射单元6和第一信号接收单元7；将所述第二接头2内的所述信号发射单元和所述信号接收单元分别作为第二信号发射单元9和第二信号接收单元8。
M个所述第一光纤束31分别与M个所述第一信号发射单元6和M个所述第二信号接收单元8对应连接；各所述第一光纤束31内的信号均从所述第一接头1向所述第二接头2方向传输。
M个所述第二光纤束32分别与M个所述第一信号接收单元7和M个所述第二信号发射单元9对应连接；各所述第二光纤束32内的信号均从所述第二接头2向所述第一接头1方向传输。
所述信号发射单元用于从所述高速电接口4接收电信号，并将所述电信号转换为对应的光信号，发射到所述光纤组3的光路中；所述信号接收单元用于从所述光纤组3的光路中接收光信号，并将所述光信号转换为对应的电信号，发射到所述高速电接口4；所述低速信号接口5用于接收携带有信号的传输模式及传输方向信息的低速信号；所述低速信号侦听单元10用于侦听所述低速信号接口5，获取信号的传输模式及传输方向，并根据所述传输模式及传输方向使能所述第一信号发射单元6及所述第二信号接收单元8，并关闭所述第一信号接收单元7及所述第二信号发射单元9，或者，使能所述第一信号接收单元7及所述第二信号发射单元9，并关闭所述第一信号发射单元6及所述第二信号接收单元8。
作为一种具体的实施方式，若信号从第一接头1向第二接头2方向传输，则第一接头1中的低速信号侦听单元10使能第一信号发射单元6并关闭第一信号接收单元7，第二接头2中的低速信号侦听单元10使能第二信号接收单元8并关闭第二信号发射单元9；若信号从第二接头2向第一接头1方向传输，则第二接头2中的低速信号侦听单元10使能第二信号发射单元9并关闭第二信号接收单元8，第一接头1中的低速信号侦听单元10使能第一信号接收单元7并关闭第一信号发射单元6。所述系统改变了常见高速光电传输系统仅可单向传输的局限性，使得高速光电信号传输方向的动态改变及高速光电信号的半双工通信成为可能。
进一步地，所述信号发射单元的输入端与所述信号接收单元的输出端连接，或者，所述信号发射单元的输入端与所述信号接收单元的输出端通过高速开关24连接。
图2为本发明信号发射单元的输入端与信号接收单元的输出端直接连接的信号传输接头的电路结构图，如图2所示，所述信号发射单元包括：输入级12、第一信号放大器13、激光器驱动电路14、激光器15、第一稳压电源22及第一端接控制单元11；所述信号接收单元包括：输出级20、第二信号放大器19、自动增益放大器18、线性跨阻放大器17、光电探测器16、第二稳压电源23及第二端接控制单元21。
具体地，所述第一端接控制单元11与所述输入级12连接；所述输入级12分别与所述高速电接口4及所述第一信号放大器13连接；所述第一信号放大器13与所述激光器驱动电路14连接；所述激光器驱动电路14与所述激光器15连接；所述激光器15与所述第一光纤束31连接；所述第一稳压电源22分别与所述输入级12、所述信号放大器、所述激光器驱动电路14、所述激光器15及所述低速信号侦听单元10连接。所述第二端接控制单元21与所述输出级20连接；所述输出级20分别与所述高速电接口4及所述第二信号放大器19连接；所述第二信号放大器19与所述自动增益放大器18连接；所述自动增益放大器18与所述线性跨阻放大器17连接；所述线性跨阻放大器17与所述光电探测器16连接；所述光电探测器16与所述第二光纤束32连接；所述第二稳压电源23分别与所述输出级20、所述第二信号放大器19、所述自动增益放大器18、所述线性跨阻放大器17、所述光电探测器16及所述低速信号侦听单元10连接。所述低速信号侦听单元10通过控制所述第一稳压电源22及所述第二稳压电源23的供电与否，使能或关闭所述信号发射单元及所述信号接收单元。
此外，为方便后续表述，将信号发射单元中的输入级12、第一信号放大器13、激光器驱动电路14、第一稳压电源22及第一端接控制单元11组成的结构作为发射电路(即图2中的TX)；将信号接收单元中的输出级20、第二信号放大器19、自动增益放大器18、线性跨阻放大器17、第二稳压电源23及第二端接控制单元21组成的结构作为接收电路(即图2中的RX)。
本发明中的发射电路TX结构和接收电路RX结构与基本光通信通路结构类似，可在此基础上扩展增益，时钟恢复，信道均衡等光通信常用的电路单元，这里不一一列举。
图2中不同于通常光通信结构的在于，该结构将TX的输入(即输入级12的输入端)和RX的输出(即输出级20的输出端)进行了端接，共享同一个高速电接口4。目前高速信号的输出普遍采用电流模式的接口，即CML输出结构。如图2将接收电路输出(即信号接收单元的输出端)短接到发射电路的输入(即信号发射单元的输入端)接口，并且通过低速信号侦听单元10接收电路输出级20的尾电流及第二稳压电源23，从而可使得信号仅从高速电接口4通过发射电路TX和激光器15转换为光信号，而由于接收电路RX的关闭，无信号从光电探测器16向高速电接口4方向反向传输。而当低速信号侦听单元10控制发射电路TX关闭，而接收电路RX打开时，信号由光电探测器16向高速电接口4传输，此时高速电接口4到激光器15方向无信号传输。
具体地，本实施例中发射电路TX与接收电路RX的端接需要在芯片内完成，使得这一连接涉及的高速传输线尽量的短，且需要经过电磁学仿真合理选择特征阻抗，在高速信号传播时减小信号反射的影响，同时第一端接控制单元11和第二端接控制单元21需要选择与传输线匹配的电阻值。
图3为本发明信号发射单元的输入端与信号接收单元的输出端通过高速开关24连接的电路结构图，如图3所示，所述信号发射单元的输入端与所述信号接收单元的输出端通过高速开关24连接。所述高速开关24还与所述高速电接口4及所述低速信号侦听单元10连接；所述低速信号侦听单元10还用于控制所述高速开关24的开通与关断。作为一种具体的实施方式，所述高速开关24为高速射频开关或MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)开关。
图3所示结构是基于图2所示电路结构的变形，由于图2结构将发射电路TX和接收电路RX进行直接端接，给该结构下的传输线设计带来了挑战。并且无论传输方向配置为由高速电接口4向激光器15或者光电探测器16向高速电接口4，第一端接控制单元11和第二端接控制单元21都必须保持端接的连接，以保证高速信号在两个端点上无较大的发射。这就造成了发射电路TX发射时输入的信号幅度减小一半左右，而接收电路RX输出时输出的信号幅度也减小一半左右。为解决该问题，本发明使用高速射频开光将发射电路TX的输入和接收电路RX的输出进行物理分离，开关的控制同样由低速信号侦听单元10实现。该结构由于实现了发射电路TX输入和接收电路RX输出的传输线的物理分离，可使得阻抗匹配设计简单，且输入信号和输出信号的幅度变大。
进一步地，所述低速信号侦听单元10包括：低速信号侦听子单元和传输方向仲裁子单元102。所述低速信号侦听子单元，与所述低速信号接口5连接，用于根据所述低速信号接口5接收到的低速信号判断传输协议和/或传输模式；所述传输方向仲裁子单元102，分别与所述信号发射单元、所述信号接收单元及所述低速信号侦听子单元连接，用于根据所述传输协议和/或传输模式判断信号的传输方向，使能所述第一信号发射单元6及所述第二信号接收单元8并关闭所述第一信号接收单元7及所述第二信号发射单元9，或者，使能所述第一信号接收单元7及所述第二信号发射单元9并关闭所述第一信号发射单元6及所述第二信号接收单元8。
具体地，低速信号侦听单元10根据采用协议的不同对不同的信号进行侦听，从中提取出表征线缆传输方向的信息，以下分别对采用不同协议时的低速信号侦听单元10的结构进行设计。
实施例1
图4为传输协议为USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)/雷电协议时，本发明信号传输接头的电路结构图，如图4所示，当传输协议为USB/雷电协议时，所述高速电接口4为SSTX/SSRX接口；所述低速信号接口5为CC1/CC2及SBU1/SBU2(Side Band Use，边带使用)接口；所述低速信号侦听子单元包括：协议侦听模块1011和信号侦听模块1012。
所述协议侦听模块1011，分别与所述低速信号接口5中的CC1/CC2接口及所述传输方向仲裁子单元102连接，用于解析Power Delivery协议(即充电协议)，判断系统处于Displayport Alt模式还是处于常规USB/雷电协议通信模式，以使所述传输方向仲裁子单元102根据传输模式判断信号的传输方向。
所述信号侦听模块1012，分别与所述低速信号接口5中的SBU1/SBU2接口及所述传输方向仲裁子单元102连接，用于侦听Sideband信号(即边带信号)或AUX信号(即辅助信号)，以使所述传输方向仲裁子单元102根据信号类型判断信号的传输方向。
实施例2
图5为传输协议为HDMI(High Definition Multimedia Interface，高清多媒体接口)/DVI协议时，本发明信号传输接头的电路结构图，如图5所示，当传输协议为HDMI/DVI协议时，所述高速电接口4为TMDSx/FRLx接口；所述低速信号接口5为HPD(hot plugdetection，热插拔)接口。
所述低速信号侦听子单元为HPD端接检测电路1013；所述HPD端接检测电路1013用于对HPD信号的端接情况进行检测，以使所述传输方向仲裁子单元102根据HPD信号的端接情况判断信号的传输方向；所述HPD信号的端接情况为HPD信号的端接电阻是上拉电阻或下拉电阻。
实施例3
图6为传输协议为DP协议时，本发明信号传输接头的电路结构图，如图6所示，当传输协议为Displayport协议时，所述高速电接口4为MLx接口；所述低速信号接口5为HPD和AUX+/-接口；所述低速信号侦听子单元包括：HPD端接检测电路1013和AUX端接检测电路1014。
所述HPD端接检测电路1013，分别与所述低速信号接口5中的HPD接口及所述传输方向仲裁子单元102连接，用于对HPD信号的端接情况进行检测；所述HPD信号的端接情况为HPD信号的端接电阻是上拉电阻或下拉电阻。
所述AUX端接检测电路1014，分别与所述低速信号接口5中的AUX+/-接口及所述传输方向仲裁子单元102连接，用于对AUX(Auxiliary，辅助)信号的端接情况进行检测；所述AUX信号的端接情况为AUX信号的端接电阻是上拉电阻或下拉电阻。
所述传输方向仲裁子单元102用于根据HPD信号及AUX信号的端接情况判断信号的传输方向。
实施例4
图7为传输协议为USB2.0及比USB2.0更低版本的USB协议时，本发明信号传输接头的电路结构图，如图7所示，当传输协议为USB2.0及比USB2.0更低版本的USB协议时，所述低速信号接口5为D+/D-接口(即差分信号接口)。
所述低速信号侦听子单元为协议解析模块1015；所述协议解析模块1015用于解析D+/D-接口传输的数据包，以使所述传输方向仲裁子单元102根据解析结果判断信号的传输方向。
实施例5
本发明还提供一种可动态改变传输方向的高速光电传输线缆，图8为本发明提供的可动态改变传输方向的高速光电传输线缆的结构图，如图8所示，所述线缆包括：第一电路板25、第二电路板26和M个光纤组3。
所述第一电路板25是将上述系统中的第一接头1封装在PCB板上得到的；所述第二电路板26是将上述的系统中的第二接头2封装在PCB板上得到的；其中，M的取值为4，N的取值为1；所述第一电路板25中的低速信号接口5与所述第二电路板26中的低速信号接口5连接。其中，两个接头之间的高速信号使用光纤进行连接。低速信号由于传输速度较低，无需使用光纤连接，因此仅使用铜线27连接，低速侦听单元对低速信号进行侦听。
具体地，将第一接头1中的发射电路与接收电路部分封装在一起，作为第一芯片，将第二接头2中的发射电路与接收电路部分封装在一起，作为第二芯片，则每个芯片均由四个发射电路，四个接收电路和低速信号侦听单元10组成。将第一芯片与第二芯片分别在两个PCB板上进行贴片打线或封装后贴片，得到第一电路板25和第二电路板26，激光器15和光电探测器16直接贴在PCB板上，并且对激光器15和光电探测器16进行透镜耦合，然后使用光纤进行连接，从而得到本发明可动态改变传输方向的高速光电传输线缆。
此时，对于不同高速通信协议的应用不同，低速信号侦听单元10侦听的内容不同，通过改变低速侦听单元侦听的信号，可以适用于大部分主流高速信号的光纤传输。
当图8中的低速信号侦听单元10为图4中结构时，该线缆可作为USB/雷电协议全功能有源光缆，线缆无需区分方向。低速侦听单元侦听USB/雷电协议的CC1/CC2低速信号接口，通过Power Delivery协议的解析可以知道系统是进入了Displayport Alt-mode的模式还是处于常规的USB/雷电协议通信模式。当处于USB/雷电通信模式时，将每个接头中的两个高速电接口4配置成发射电路TX，另外两个高速电接口4配置成接收电路RX，此时可以很好地支持USB3.0，USB3.1，USB3.2，USB4和雷电相关协议。当Power Delivery协议侦听结果显示系统进入了Displayport Alt-mode的模式，此时两个接头一端的4个高速电接口4都配置成发射电路TX，另一端的4个高速电接口4都配置成接收电路RX。具体哪一侧是发射电路，哪一侧是接收电路可按照Displayport协议对HPD信号或者AUX(SBU1，SBU2)信号的上下拉电阻进行检测从而判决。结合图4和图8结构实现的有源光纤线缆可用于实现全功能的USB/雷电有源光缆，弥补了这类有源光缆的市场空白。
当图8中的低速信号侦听单元10为图5中结构时，该线缆可作为HDMI/DVI有源光缆，且该光缆无需区分方向。其低速信号侦听单元10通过检测HDMI/DVI协议的HPD信号的端接电阻是上拉或是下拉来判定本地接头(即低速信号侦听单元10所在的信号传输接头)是发射电路TX还是接收电路RX。当该结构为图8所示的电路及有源光缆时，线缆可自适应地改变传输方向，解决了HDMI/DVI有源光缆需要区分源端和显示器端方向的问题，使得线缆和铜缆一样无方向性，减小了错插的可能带来的风险，增强了HDMI/DVI有源光缆的易用性。
当图8中的低速信号侦听单元10为图6中结构时，该线缆可作为Displayport有源光缆，且该光缆无需区分方向。低速侦听单元通过检测Displayport协议的HPD信号和AUX信号的上下拉来判定判定本地接头是发射电路TX还是接收电路RX。当该结构为图8所示的电路及有源光缆时，线缆可自适应的改变传输方向，解决了Displayport有源光缆需要区分源端和显示器端方向的问题,使得线缆和铜缆一样无方向性，减小了错插的可能带来的风险，增强了Displayport有源光缆的易用性。
当图8中的低速信号侦听单元10为图7中结构时，将高速通道数目(即每个接头中的高速电接口4的个数)减少到1个，可实现USB2.0及更低版本的USB协议的有源光缆。其侦听单元直接侦听USB2.0及更低版本的USB协议，来获取当前信号的传输发现。USB2.0及更低版本的USB协议采用半双工通信，其通信由token，data，handshake三个阶段，根据USB包的解析可获取目前所处的阶段，目前是主机输出信息还是主机接收信息，以此可获取目前信号的传输方向，基于此侦听信息可进行传输方向的动态切换。当将图7的结构与图8所示的电路和线缆结合时可实现USB2.0及更低版本USB协议的光纤半双工传输。类似的其他的半双工通信也可使用本发明提出的结构进行光纤传输。
对于其他的方向可变或半双工有源光缆实现，可根据需求在图8基础上进行高速通道个数的增减。
现有技术中，受限于光纤信号传输的单向性，使用光纤传输高速电信号在线缆制造后存在无法改变传输方向，也无法在电接口不变的情况下实现双向通信的问题。本发明针对该问题提出了可动态改变传输方向的高速光电传输系统及线缆，在不同高速通信协议的具体实现中可通过侦听相关低速信号切换信号传输方向，在半双工通信中通过高速信号协议侦听实现动态的信号传输方向切换。适用于光纤传输HDMI、Displayport、DVI等音视频高速信号及低速信号，适用于光纤传输USB(super speed，USB4)、雷电协议的高速及低速信号，适用于光纤传输半双工通信信号。采用本发明所述系统的结构实现的有源光缆可改变目前用于显示的有源光缆需要区分信号源和显示器、线缆需要区分方向的问题，可实现USB及雷电的全功能有源光缆，且能够通过解析相关低速信号自适应地切换光纤通信方向，实现USB/雷电高速通信模式和displayport alt-mode之间的切换，且能保持线缆的方向无关性，此外高速半双工通信也可使用本发明的方案使用光纤进行传输。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统，其特征在于，所述系统包括：两个信号传输接头和M个光纤组；两个所述信号传输接头通过M个所述光纤组连接；每个所述光纤组均包括传输方向相反的第一光纤束和第二光纤束；
所述信号传输接头包括：M个高速电接口、M个信号发射单元、M个信号接收单元、N个低速信号接口及N个低速信号侦听单元；其中，M为大于或等于1的正整数，N等于1或M；
M个所述高速电接口分别与M个所述信号发射单元和M个所述信号接收单元对应连接；N个所述低速信号接口分别与N个所述低速信号侦听单元对应连接；当N等于1时，所述低速信号侦听单元分别与各所述信号发射单元和各所述信号接收单元连接；当N等于M时，N个所述低速信号侦听单元分别与M个所述信号发射单元和M个所述信号接收单元对应连接；
将两个所述信号传输接头分别作为第一接头和第二接头；将所述第一接头内的所述信号发射单元和所述信号接收单元分别作为第一信号发射单元和第一信号接收单元；将所述第二接头内的所述信号发射单元和所述信号接收单元分别作为第二信号发射单元和第二信号接收单元；
M个所述第一光纤束分别与M个所述第一信号发射单元和M个所述第二信号接收单元对应连接；各所述第一光纤束内的信号均从所述第一接头向所述第二接头方向传输；
M个所述第二光纤束分别与M个所述第一信号接收单元和M个所述第二信号发射单元对应连接；各所述第二光纤束内的信号均从所述第二接头向所述第一接头方向传输；
所述信号发射单元用于从所述高速电接口接收电信号，并将所述电信号转换为对应的光信号，发射到所述光纤组的光路中；所述信号接收单元用于从所述光纤组的光路中接收光信号，并将所述光信号转换为对应的电信号，发射到所述高速电接口；所述低速信号接口用于接收携带有信号的传输模式及传输方向信息的低速信号；所述低速信号侦听单元用于侦听所述低速信号接口，获取信号的传输模式及传输方向，并根据所述传输模式及传输方向使能所述第一信号发射单元及所述第二信号接收单元，并关闭所述第一信号接收单元及所述第二信号发射单元，或者，使能所述第一信号接收单元及所述第二信号发射单元，并关闭所述第一信号发射单元及所述第二信号接收单元。
2.根据权利要求1所述的一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统，其特征在于，所述信号发射单元包括：输入级、第一信号放大器、激光器驱动电路、激光器、第一稳压电源及第一端接控制单元；
所述第一端接控制单元与所述输入级连接；所述输入级分别与所述高速电接口及所述第一信号放大器连接；所述第一信号放大器与所述激光器驱动电路连接；所述激光器驱动电路与所述激光器连接；所述激光器与所述第一光纤束连接；所述第一稳压电源分别与所述输入级、所述信号放大器、所述激光器驱动电路、所述激光器及所述低速信号侦听单元连接；
所述信号接收单元包括：输出级、第二信号放大器、自动增益放大器、线性跨组放大器、光电探测器、第二稳压电源及第二端接控制单元；
所述第二端接控制单元与所述输出级连接；所述输出级分别与所述高速电接口及所述第二信号放大器连接；所述第二信号放大器与所述自动增益放大器连接；所述自动增益放大器与所述线性跨组放大器连接；所述线性跨组放大器与所述光电探测器连接；所述光电探测器与所述第二光纤束连接；所述第二稳压电源分别与所述输出级、所述第二信号放大器、所述自动增益放大器、所述线性跨组放大器、所述光电探测器及所述低速信号侦听单元连接；
所述低速信号侦听单元通过控制所述第一稳压电源及所述第二稳压电源的供电与否，使能或关闭所述信号发射单元及所述信号接收单元。
3.根据权利要求1所述的一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统，其特征在于，所述信号发射单元的输入端与所述信号接收单元的输出端连接，或者，所述信号发射单元的输入端与所述信号接收单元的输出端通过高速开关连接；所述高速开关还与所述高速电接口及所述低速信号侦听单元连接；所述低速信号侦听单元还用于控制所述高速开关的开通与关断。
4.根据权利要求3所述的一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统，其特征在于，所述高速开关为高速射频开关或MEMS开关。
5.根据权利要求1所述的一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统，其特征在于，所述低速信号侦听单元包括：
低速信号侦听子单元，与所述低速信号接口连接，用于根据所述低速信号接口接收到的低速信号判断传输协议和/或传输模式；
传输方向仲裁子单元，分别与所述信号发射单元、所述信号接收单元及所述低速信号侦听子单元连接，用于根据所述传输协议和/或传输模式判断信号的传输方向，使能所述第一信号发射单元及所述第二信号接收单元并关闭所述第一信号接收单元及所述第二信号发射单元，或者，使能所述第一信号接收单元及所述第二信号发射单元并关闭所述第一信号发射单元及所述第二信号接收单元。
6.根据权利要求5所述的一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统，其特征在于，当传输协议为USB/雷电协议时，所述高速电接口为SSTX/SSRX接口；所述低速信号接口为CC1/CC2及SBU1/SBU2接口；
所述低速信号侦听子单元包括：协议侦听模块和信号侦听模块；
所述协议侦听模块，分别与所述低速信号接口中的CC1/CC2接口及所述传输方向仲裁子单元连接，用于解析PowerDelivery协议，判断系统处于DisplayportAlt模式还是处于常规USB/雷电协议通信模式，以使所述传输方向仲裁子单元根据传输模式判断信号的传输方向；
所述信号侦听模块，分别与所述低速信号接口中的SBU1/SBU2接口及所述传输方向仲裁子单元连接，用于侦听Sideband信号或AUX信号，以使所述传输方向仲裁子单元根据信号类型判断信号的传输方向。
7.根据权利要求5所述的一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统，其特征在于，当传输协议为HDMI/DVI协议时，所述高速电接口为TMDSx/FRLx接口；所述低速信号接口为HPD接口；
所述低速信号侦听子单元为HPD端接检测电路；所述HPD端接检测电路用于对HPD信号的端接情况进行检测，以使所述传输方向仲裁子单元根据HPD信号的端接情况判断信号的传输方向；所述HPD信号的端接情况为HPD信号的端接电阻是上拉电阻或下拉电阻。
8.根据权利要求5所述的一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统，其特征在于，当传输协议为Displayport协议时，所述高速电接口为MLx接口；所述低速信号接口为HPD和AUX+/-接口；
所述低速信号侦听子单元包括：HPD端接检测电路和AUX端接检测电路；
所述HPD端接检测电路，分别与所述低速信号接口中的HPD接口及所述传输方向仲裁子单元连接，用于对HPD信号的端接情况进行检测；所述HPD信号的端接情况为HPD信号的端接电阻是上拉电阻或下拉电阻；
所述AUX端接检测电路，分别与所述低速信号接口中的AUX+/-接口及所述传输方向仲裁子单元连接，用于对AUX信号的端接情况进行检测；所述AUX信号的端接情况为AUX信号的端接电阻是上拉电阻或下拉电阻；
所述传输方向仲裁子单元用于根据HPD信号及AUX信号的端接情况判断信号的传输方向。
9.根据权利要求5所述的一种可动态改变传输方向的高速光电传输系统，其特征在于，当传输协议为USB2.0及比USB2.0更低版本的USB协议时，所述低速信号接口为D+/D-接口；
所述低速信号侦听子单元为协议解析模块；所述协议解析模块用于解析D+/D-接口传输的数据包，以使所述传输方向仲裁子单元根据解析结果判断信号的传输方向。
10.一种可动态改变传输方向的高速光电传输线缆，其特征在于，所述线缆包括：第一电路板、第二电路板和M个光纤组；
所述第一电路板是将权利要求1-9中任一项所述的系统中的第一接头封装在PCB板上得到的；
所述第二电路板是将权利要求1-9中任一项所述的系统中的第二接头封装在PCB板上得到的；
其中，M的取值为4，N的取值为1；
所述第一电路板中的低速信号接口与所述第二电路板中的低速信号接口连接。
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