专利名称：微型化多路双向信号光纤传输组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种雷达系统的光纤传输设备，尤其涉及一种微型化多路双向信号光纤传输组件。
背景技术：
随着雷达技术的不断发展，在不断提高性能的同时，雷达正朝着小型化的方向发展，另一方面雷达系统所需处理和传输的数据量越来越大，信号路数也越来越多，有模拟信号、数据信号、脉冲信号，这些信号种类不同、传输速率不同，雷达系统对这些信号的要求也不同。信号路数的增加使得雷达系统的体积变大重量变重，这是机载、舰载雷达所不能接受的，与传统电缆通信相比光纤通信具有传输速率快、体积小、重量轻、抗干扰能力强等显 著优点。光纤通信在民用市场的应用与发展带动了其在军工领域的应用，雷达系统的信号传输方式也逐渐由电向光转换，而现有传输信号的光模块大致可分为集成小型化光模块和根据实际需要研制的多路信号传输光模块。集成小型化光模块如现在市售的光模块SFP、SFP+, XFP、SFF等，具体尺寸如下SFP 57. 2mmX 13. 7mmX 12. 7mmSFP+ 56. 5mmX 14. OmmX 12. ImmXFP 77. 8mmX 22. 2mmX 16. ImmSFF 48. 5mmX 13. 2mmX 10. 8mm以上介绍的光模块不仅体积大而且功能单一，无法实现同时接收和发送多路数据，以常用SFP光模块为例，该光模块虽然具有发送和接收的功能，但只能发送和接收一路数据，若要双向发送8路数据，则需要16个SFP光模块并行使用并需要16根传输光纤，其体积是雷达系统所不能忍受的。现有市售能同时传输多路数据的光模块，以8路数据光端机为例其体积最小为175mmX 150mmX75mm,该类型产品的体积也无法满足雷达系统小型化的要求，且该类型产品无法实现利用一根光纤实现8路数据的双向传输，此外该雷达系统类型产品能传输的数据信号类型为常见的RS232、RS485、低速开关量信号，无法满足雷达系统所需的高速、信号种类复杂多变的需求。由此可见，为满足雷达系统高速率、多路数据传输的要求，小尺寸微型化光收发模块的研制需求迫在眉睫。小型化光收发模块是将发射、接收组件一起封装在同一个壳体内的新型光电器件一光模块。光模块分为单模光模块与多模光模块，在整体产品架构上则包括光学次模块(Optical Subassembly ;T0SA、ROSA)、电子次模块(Electrical Subassembly ;ESA)及机械壳体三大部分。其电路板均采用直板形式，激光器和探测器均为带陶瓷插芯的光学次模块，电接口采用的是金手指方式，控制器、限幅放大器、激光驱动器等均为普通IC集成芯片，且该通用光模块芯片分散、间距较大，采用2个光模块实现光信号的发送和接收，整个光模块体积大、功能单一。而能传输多路数据的光电产品如市售视频光端机、音频光端机和数据光端机无论是体积还是传输信号的种类显然都无法满足雷达系统对体积和信号种类的要求，在此不再叙述。根据雷达系统的特殊要求，研制了一些能传输多路数据的光电产品。现有能同时传输模拟电压信号和脉冲信号的光模块采用的是电压信号和脉冲信号分别单独传输，即电压信号如4路电压信号通过一路光通道进行传输、而脉冲信号和其他数据信号通过另外的光通道进行传输，有几路数据信号就用几路光通道、同样有几路脉冲信号就用几路光通道，其原理框图如图I所示，该多路数据光纤传输组件发送端共发送5路信号，分别为4路模拟电压信号和I路故障保护信号。4路模拟电压信号通过参数采集变换为数据信号，经信号处理变换为I路数据信号经过一根光纤进行传输，故障保护信号为数据信号经输入电路整形放大后通过单独的光通道实现传输；接收端共发送3路信号，分别为2路脉冲信号和I路控制信号。2路脉冲信号通过2个光纤通道实现传输，I路控制信号通过另外一路光通道实现传输。如图I中所示，发送端和接收端虽然都能发送数据和接收数据，但发送和接收不能通过一根光纤实现，发送端用了 2个光发射模块、3个光接收模块，相应的接收端则用了 2个光接收模块、3个光发射模块。发送端和接收端需用5根光纤实现双向传输。与图I对应的产品外形如图2所示，该多路数据光纤传输组件的长宽高尺寸分别为69. 5mmX59. 6mmX 14. 4_。该多路数据光纤传输组件能实现4路模拟电压信号、2路脉冲信号、2路数据信号的传输，在雷达行波管高压检测与高压隔离中得到了应用，但该组件·如前面所述，无法实现多路数据通过一根光纤的双向传输，且该组件体积较大无法满足雷达系统不断发展所要求的小体积多功能的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微型化且能用一根光纤传输多路双向信号的微型化多路双向信号光纤传输组件。为达到上述目的，本发明提供了一种微型化多路双向信号光纤传输组件，包括采用多芯片堆栈封装结构的现场端及控制端，所述现场端包括第一 FPGA、模数转换器、第一电平转换器、第一光模块和采用BGA封装的第一 I/O信号接口端子，所述控制端包括第二FPGA、数模转换器、第二电平转换器、第二光模块和采用BGA封装的第二 I/O信号接口端子，所述第二光模块和所述第一光模块之间通过一传输光纤相连，其中，所述第一 I/O信号接口端子，用于提供输入至所述现场端的多路电压信号、多路数据信号的输入接口，及所述现场端输出的多路数据信号、多路TTL脉冲信号的输出接口 ；所述第二 I/O信号接口端子，用于提供所述控制端输出的多路电压信号、多路数据信号的输出接口，及输入至所述控制端的多路数据信号、多路TTL脉冲信号的输入接口 ；所述模数转换器，用于通过所述第一 I/O信号接口端子接收多路电压信号，并将其进行模数转换后发送至所述第一 FPGA ；所述数模转换器，用于接收所述第二 FPGA输出的多路电压信号，并将其进行数模转换后通过所述第二 I/o信号接口端子输出；所述第一电平转换器，用于接收所述第一 FPGA输出的多路数据信号和多路TTL脉冲信号，并将其进行电平匹配转换后通过所述第一 I/O信号接口端子输出；所述第二电平转换器，用于接收所述第二 FPGA输出的多路数据信号，并将其进行电平匹配转换后通过所述第二 I/o信号接口端子输出；所述第一 FPGA，用于当收到多路数字化的电压信号和多路数据信号时将其变换为一路PECL信号发送至所述第一光模块；当收到所述第一光模块发送的包含有多路数据信号和多路TTL脉冲信号的PECL信号时，将其变换成对应的多路数据信号和多路TTL脉冲信号输出；所述第二 FPGA，用于当收到多路数据信号和多路TTL脉冲信号时将其变换为一路PECL信号发送至所述第二光模块；当收到所述第二光模块发送的包含有多路数字化的电压信号和多路数据信号的PECL信号时，将其变换成对应的多路数字化的电压信号和多路数据信号输出；所述第一光模块，用于当收到所述第一 FPGA发送的PECL信号时将其转换为对应的光信号并通过所述传输光纤发送至所述第二光模块；当收到所述第二光模块通过所述传输光纤发送的光信号时将其转换为对应的PECL信号输出； 所述第二光模块，用于当收到所述第二 FPGA发送的PECL信号时将其转换为对应的光信号并通过所述传输光纤发送至所述第一光模块；当收到所述第一光模块通过所述传输光纤发送的光信号时将其转换为对应的PECL信号输出。本发明的微型化多路双向信号光纤传输组件采用多芯片堆栈封装结构的现场端及控制端，现场端的第一 I/o信号接口端子和控制端的第二 I/O信号接口端子均采用采用BGA封装，因而整个微型化多路双向信号光纤传输组件的体积得以大幅缩小，其体积尺寸约为现有类似产品的1/4 1/3，另外本发明的微型化多路双向信号光纤传输组件的第二光模块和第一光模块之间通过一传输光纤相连，现场端能实现多路电压信号和多路数据信号的输入并将其转换成PECL信号通过光模块和传输光缆发送至控制端，控制端则将收到的PECL信号还原成多路电压信号和多路数据信号后输出；控制端亦能实现多路TTL脉冲信号和多路数据信号的输入，并将其转换成PECL信号通过光模块和传输光缆发送至现场端，现场端则将收到的PECL信号还原成多路数据信号和多路TTL脉冲信号后输出，从而实现了用一根光纤传输多路双向信号，且其抗干扰能力强，因而非常适合于现代机载和舰载雷达系统的数据传输应用。
图I为现有技术中的多路双向信号光纤传输组件的电路结构框图；图2现有技术中的多路双向信号光纤传输组件的外形结构图；图3为本发明的微型化多路双向信号光纤传输组件的硬件结构图；图4为本发明的微型化多路双向信号光纤传输组件的软件结构图；图5为本发明的微型化多路双向信号光纤传输组件中光模块发射电路的结构框图；图6为本发明的微型化多路双向信号光纤传输组件的光模块接收电路的结构框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行详细描述参考图3所示，本实施例的微型化多路双向信号光纤传输组件包括采用多芯片堆栈封装结构的现场端及控制端。现场端包括第一 FPGA、模数转换器、第一电平转换器、第一光模块和采用BGA封装的第一 I/O信号接口端子等。控制端包括第二 FPGA、数模转换器、第二电平转换器、第二光模块和采用BGA封装的第二 I/O信号接口端子等，第二光模块和第一光模块之间通过一传输光纤相连，其中现场端中，第一 I/O信号接口端子用于提供输入至现场端的2路电压信号、6路数据信号的输入接口，及现场端输出的6路数据信号、2路TTL脉冲信号的输出接口。模数转换器用于通过第一 I/O信号接口端子接收2路电压信号，并将其进行模数转换后发送至第一 FPGA。第一电平转换器用于接收第一 FPGA输出的6路数据信号和2路TTL脉冲信号，并将其进行电平匹配转换后通过第一 I/O信号接口端子输出，由于FPGA外围端口的工作电源为3. 3V，其输入端口兼容5V电平，在现场端则由FPGA处理后变为3. 3V TTL脉冲信号，再利用电平转换芯片变换为5V TTL脉冲信号输出。第一 FPGA用于当收到2路数字化的电压信号和6路数据信号时将其变换为一路PECL信号发送至第一光模块；当收到第一光模块发送的包含有6路数据信号和2路TTL脉冲信号的PECL信号时，将其变换成对应的6路数据信号和2路TTL脉冲信号输出。第一光模块用于当收到第一 FPGA发送的PECL信号时将其转换为对应的光信号并通过传输光纤发送至第二光模块；当收到第二光模块通过传输光纤发送的光信号时将其转换为对应的PECL信号输出。
·信号的输出接口，及输入至控制端的6路数据信号、2路TTL脉冲信号的输入接口。数模转换器用于接收第二 FPGA输出的2路电压信号，并将其进行数模转换后通过第二 I/O信号接口端子输出。第二电平转换器用于接收第二 FPGA输出的6路数据信号，并将其进行电平匹配转换后通过第二 I/O信号接口端子输出，由于FPGA外围端口的工作电源为3. 3V，其输入端口兼容5V电平，2路5V TTL脉冲信号在控制端可直接进入FPGA处理，通过传输光纤传输至现场端。第二 FPGA用于当收到6路数据信号和2路TTL脉冲信号时将其变换为一路PECL信号发送至第二光模块；当收到第二光模块发送的包含有2路数字化的电压信号和6路数据信号的PECL信号时，将其变换成对应的2路数字化的电压信号和6路数据信号输出。第二光模块用于当收到第二 FPGA发送的PECL信号时将其转换为对应的光信号并通过传输光纤发送至第一光模块；当收到第一光模块通过传输光纤发送的光信号时将其转换为对应的PECL信号输出。其中，第一 FPGA和第二 FPGA均设有串化/解串器硬件结构，该串化/解串器通过采用BGA封装的光模块接口端子连接传输光纤。该串化/解串器用于当收到FPGA输出的信号时将其串化成一路PECL信号并通过对应的光模块接口端子输出，当通过光模块接口端子接收到PECL信号时，将其解串后输出至对应的FPGA。此外，现场端中，模数转换器和第一 I/O信号接口端子之间设有用于将输入的2路电压信号进行放大调理的运放调理电路；控制端中，数模转换器和第二 I/O信号接口端子之间设有用于将输出的2路电压信号进行放大调理的运放调理电路。结合图4所示，第一 FPGA和第二 FPGA均包括输入缓存模块、输出缓存模块、第一优先选择与控制模块、第二优先选择与控制模块、成帧CRC校验模块、解帧CRC校验模块、8B/10B编码模块、8B/10B解码模块和状态机，其中，第一优先选择与控制模块用对对应的输入缓存模块和输出缓存模块的输入输出进行优先级排列。第二优先选择与控制模块用于对FPGA向对应的串化/解串器并行输出的信号进行进行优先级排列。第一优先选择与控制模块和第二优先选择与控制模块的优先级从高到低的排列依次为2路TTL脉冲信号、6路数据信号和2路电压信号。成帧CRC校验模块用于信源编码，其通过第一优先选择与控制模块读取输入缓存模块内的数据进行封装和校验。8B/10B编码模块用于将成帧CRC校验模块封装和校验后的数据进行8B/10B编码，并在编码后通过第二优先选择与控制模块发送至对应的串化/解串器。8B/10B解码模块用于通过第二优先选择与控制模块接收对应的串化/解串器发送的数据，并将其进行8B/10B解码。解帧CRC校验模块用于信源解码，将8B/10B解码模块解码后输出的数据进行解封装和校验，并将解封装和校验后的数据通过第一优先选择与控制模块写入输出缓存模。而状态机则用于实现对成帧CRC校验模块、解帧CRC校验模块、8B/10B编码模块和8B/10B解码模块的状态转移控制。上述CRC校验的目的是减少误码率，提高通信质量。在发送数据时由生成多项式计算出CRC值并随数据一同发送给接收端，接收端对收到的数据重新计算CRC并与收到的CRC相比较，若两个CRC值不同，则说明数据通讯出现错误。现场端的第一光模块和控制端的第二光模块均由光模块发射电路和光模块接收电路构成。结合图6所示，其中，光模块接收电路包括光电转换器、前置放大电路、后级放大 电路、第一滤波网络和判决电路。光电转换器用于接收光信号并将其转换成对应的电流信 号输出。从光电转换器获得的电流信号十分微弱，通常为μ A或nA量级，因而需要前置放大电路将光电转换器输出的电流信号转换成对应的电压信号并放大输出。由于前置放大电路受放大倍数的限制，输出电压信号的幅度往往较小，不能满足判决电路的输入要求，因而前置放大电路输出的电压信号需要经后级放大电路进行再次放大处理，后级放大电路的放大处理只要满足一定放大倍数和适合的带宽即可。判决电路用于对后级放大电路放大后输出的不规则电压信号进行电平判决，并在电平判决后整形输出PECL信号。第一滤波网络用于将输入电源进行滤波后向前置放大电路、后级放大电路和判决电路供电。结合图5所示，其中，光模块发射电路包括驱动电路、激光器、光电探测器、APC电路、第二滤波网络、发光二极管和告警电路。驱动电路用于将来自FPGA的PECL信号转换为驱动激光器所需的电流信号，并将该电流信号进行放大和调制处理后输出驱动信号。激光器用于根据驱动电路输出的驱动信号发出对应的光信号。光电探测器用于探测激光器发出的光信号的光功率。由于激光器输出的光功率很容易受到温度和激光器老化的影响，APC电路则可根据光电探测器探测到的光信号的光功率自动调节自身的偏置电流，并据此输出功率调整信号至驱动电路，以保持激光器输出的光信号的光功率稳定。告警电路用于当判定APC电路输出的功率调整信号致使激光器发出的光信号的光功率低于设定阈值时，输出告警信号点亮发光二极管。第一滤波网络用于将输入电源进行滤波后向驱动电路、APC电路和告警电路供电。以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
权利要求
1.一种微型化多路双向信号光纤传输组件，其特征在于，包括采用多芯片堆栈封装结构的现场端及控制端，所述现场端包括第一 FPGA、模数转换器、第一电平转换器、第一光模块和采用BGA封装的第一 I/O信号接口端子，所述控制端包括第二 FPGA、数模转换器、第二电平转换器、第二光模块和采用BGA封装的第二 I/O信号接口端子，所述第二光模块和所述第一光模块之间通过一传输光纤相连，其中， 所述第一 I/O信号接口端子，用于提供输入至所述现场端的多路电压信号、多路数据信号的输入接口，及所述现场端输出的多路数据信号、多路TTL脉冲信号的输出接口 ； 所述第二 I/O信号接口端子，用于提供所述控制端输出的多路电压信号、多路数据信号的输出接口，及输入至所述控制端的多路数据信号、多路TTL脉冲信号的输入接口 ； 所述模数转换器，用于通过所述第一 I/O信号接口端子接收多路电压信号，并将其进行模数转换后发送至所述第一 FPGA ； 所述数模转换器，用于接收所述第二 FPGA输出的多路电压信号，并将其进行数模转换后通过所述第二 I/O信号接口端子输出； 所述第一电平转换器，用于接收所述第一 FPGA输出的多路数据信号和多路TTL脉冲信号，并将其进行电平匹配转换后通过所述第一 I/O信号接口端子输出； 所述第二电平转换器，用于接收所述第二 FPGA输出的多路数据信号，并将其进行电平匹配转换后通过所述第二 I/O信号接口端子输出； 所述第一 FPGA，用于当收到多路数字化的电压信号和多路数据信号时将其变换为一路PECL信号发送至所述第一光模块；当收到所述第一光模块发送的包含有多路数据信号和多路TTL脉冲信号的PECL信号时，将其变换成对应的多路数据信号和多路TTL脉冲信号输出； 所述第二 FPGA，用于当收到多路数据信号和多路TTL脉冲信号时将其变换为一路PECL信号发送至所述第二光模块；当收到所述第二光模块发送的包含有多路数字化的电压信号和多路数据信号的PECL信号时，将其变换成对应的多路数字化的电压信号和多路数据信号输出； 所述第一光模块，用于当收到所述第一 FPGA发送的PECL信号时将其转换为对应的光信号并通过所述传输光纤发送至所述第二光模块；当收到所述第二光模块通过所述传输光纤发送的光信号时将其转换为对应的PECL信号输出； 所述第二光模块，用于当收到所述第二 FPGA发送的PECL信号时将其转换为对应的光信号并通过所述传输光纤发送至所述第一光模块；当收到所述第一光模块通过所述传输光纤发送的光信号时将其转换为对应的PECL信号输出。
2.根据权利要求I所述的微型化多路双向信号光纤传输组件，其特征在于，所述第一光模块和所述第二光模块均由光模块发射电路和光模块接收电路构成，其中， 所述光模块接收电路包括光电转换器、前置放大电路、后级放大电路、第一滤波网络和判决电路； 所述光电转换器，用于接收光信号并将其转换成对应的电流信号输出； 所述前置放大电路，用于将所述光电转换器输出的电流信号转换成对应的电压信号并放大输出； 所述后级放大电路，用于将所述前置放大电路输出的电压信号进行放大输出；所述判决电路，用于对所述后级放大电路放大后输出的不规则电压信号进行电平判决，并在电平判决后整形输出PECL信号； 所述第一滤波网络，用于将输入电源进行滤波后向所述前置放大电路、所述后级放大电路和所述判决电路供电； 所述光模块发射电路包括驱动电路、激光器、光电探测器、APC电路、第二滤波网络、发光二极管和告警电路； 所述驱动电路，用于将来自FPGA的PECL信号转换为驱动所述激光器所需的电流信号，并将该电流信号进行放大和调制处理后输出驱动信号； 所述激光器，用于根据所述驱动电路输出的驱动信号发出对应的光信号； 所述光电探测器，用于探测所述激光器发出的光信号的光功率； 所述APC电路，用于根据所述光电探测器探测到的光信号的光功率自动调节自身的偏置电流，并据此输出功率调整信号至所述驱动电路，以保持所述激光器输出的光信号的光功率稳定； 所述告警电路，用于当判定所述APC电路输出的功率调整信号致使所述激光器发出的光信号的光功率低于设定阈值时，输出告警信号点亮所述发光二极管； 所述第一滤波网络，用于将输入电源进行滤波后向所述驱动电路、所述APC电路和所述告警电路供电。
3.根据权利要求2所述的微型化多路双向信号光纤传输组件，其特征在于，所述第一FPGA和所述第二 FPGA均设有串化/解串器，所述串化/解串器通过采用BGA封装的光模块接口端子连接所述传输光纤，其中， 所述串化/解串器，用于当收到FPGA输出的信号时将其串化成一路PECL信号并通过对应的光模块接口端子输出，当通过光模块接口端子接收到PECL信号时，将其解串后输出至对应的FPGA。
4.根据权利要求3所述的微型化多路双向信号光纤传输组件，其特征在于，所述模数转换器和所述第一 I/O信号接口端子之间设有用于将输入的多路电压信号进行放大调理的运放调理电路。
5.根据权利要求4所述的微型化多路双向信号光纤传输组件，其特征在于，所述数模转换器和所述第二 I/O信号接口端子之间设有用于将输出的多路电压信号进行放大调理的运放调理电路。
6.根据权利要求5所述的微型化多路双向信号光纤传输组件,其特征在于,所述第一FPGA和所述第二 FPGA均包括输入缓存模块、输出缓存模块、第一优先选择与控制模块、第二优先选择与控制模块、成帧校验模块、解帧校验模块、8B/10B编码模块、8B/10B解码模块和状态机，其中， 所述第一优先选择与控制模块，用对对应的输入缓存模块和输出缓存模块的输入输出进行优先级排列； 所述第二优先选择与控制模块，用于对FPGA向对应的串化/解串器并行输出的信号进行进行优先级排列； 所述成帧校验模块，用于信源编码，通过所述第一优先选择与控制模块读取所述输入缓存模块内的数据进行封装和校验；所述8B/10B编码模块，用于将所述成帧校验模块封装和校验后的数据进行8B/10B编码，并在编码后通过所述第二优先选择与控制模块发送至对应的串化/解串器； 所述8B/10B解码模块，用于通过所述第二优先选择与控制模块接收对应的串化/解串器发送的数据，并将其进行8B/10B解码； 所述解帧校验模块，用于信源解码，将所述8B/10B解码模块解码后输出的数据进行解封装和校验，并将解封装和校验后的数据通过所述第一优先选择与控制模块写入所述输出缓存模块； 所述状态机，用于实现对所述成帧校验模块、所述解帧校验模块、所述8B/10B编码模块和所述8B/10B解码模块的状态转移控制。
7.根据权利要求6所述的微型化多路双向信号光纤传输组件,其特征在于,所述成中贞校验模块为成帧CRC校验模块，所述解帧校验模块为解帧CRC校验模块。
8.根据权利要求7所述的微型化多路双向信号光纤传输组件,其特征在于,所述第一优先选择与控制模块和所述第二优先选择与控制模块的优先级从高到低的排列依次为多路TTL脉冲信号、多路数据信号和多路电压信号。
全文摘要
本发明公开了一种微型化多路双向信号光纤传输组件，其包括采用多芯片堆栈封装结构的现场端及控制端，他们之间通过一传输光纤相连，现场端能实现多路电压信号和多路数据信号的输入并将其转换成PECL信号通过光模块和传输光缆发送至控制端，控制端则将收到的PECL信号还原成多路电压信号和多路数据信号后输出；控制端亦能实现多路TTL脉冲信号和多路数据信号的输入，并将其转换成PECL信号通过光模块和传输光缆发送至现场端，现场端则将收到的PECL信号还原成多路数据信号和多路TTL脉冲信号后输出，从而实现了用一根光纤传输多路双向信号，且其抗干扰能力强，因而非常适用于现代机载和舰载雷达系统的数据传输。
文档编号H04B10/25GK102882604SQ201210390410
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月15日 优先权日2012年10月15日
发明者高进, 杨鹏毅, 陆兆辉, 孙磊, 吴振刚 申请人:中国电子科技集团公司第八研究所