高速大容量光子传输网络的制作方法

本发明属于模块化综合系统集成技术领域，具体涉及一种系统内部模块间光通信传输领域带宽超过40ghz的高速大容量传输网络。

技术背景

随着全球通信业务量的飞速增长，业务形式日趋多样化，高速综合业务网络已成为现代通信网络的发展趋势。未来光网络光纤具有极宽的频带，可以传送巨大的信息容量，未来的宽带网络将具有tb/s的吞吐量和gb/s的入线速率。最高的网络性能、最低的每比特传送成本和最个性化的网络是未来网络将要重点面对的基本需求。在高速率网络中，高速率是指高速、低时延的接口及高速线路传输；大容量是指节点对大连接、大跨度、多方向数据流的中转处理能力；若继续采用原有的sdxc或atmdxc/adm设备，节点设备将变的十分庞大复杂，实现难度越来越大。模块化综合系统集成打破传统联合式系统集成的限制，将多个功能独立的设备作为一个整体，在模块级进行综合集成。这种系统集成需要能够接入各种天线信号，在同一硬件平台上实现通信、雷达、电侦等任务，因此，相应的传输网络就需要具备串行(流水)信号、并行信号和阵列信号传输处理能力。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。

已有专利文献公开的《一种数字阵列雷达光纤传输网络》采用基于光分路器的跳线开关设计，仅仅满足数字阵列雷达单对多的信号传输需求，很难满足数字波束形成(dbf)的传输需求，更无法同时满足多种传输模式的需求。现有技术《基于fpga的多业务高速光纤传输系统》采用lvds总线，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。

技术实现要素：

本发明针对模块化综合系统集成的需求和现有技术的不足，提供一种集成度高、具有时延稳定、价格低廉的高速大容量光子传输网络，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，本发明提供了一种高速大容量光子传输网络，包括：对外收发数字信号的初级dbf模块1、初级dbf模块2、初级dbf模块3…初级dbf模块n，次级dbf模块1，次级dbf模块2，…次级dbf模块m，以及末级dbf模块，并且所有光纤链路均为双向传输通道，其特征在于：任意初级dbf模块均与每个次级dbf模块相连，每个次级dbf模块与末级dbf模块相连，建立初级dbf模块到次级dbf模块之间、以及次级dbf模块与末级dbf模块之间对称的数据通信光子传输网络，所有光纤链路在各级dbf模块上，均通过光/电、电/光转换后直接接与现场可编程门阵列fpga高速gth接口连接，各级模块之间光纤链路物理连接方式固定，初级dbf模块可发送数字信号到多个次级dbf模块或收多个次级dbf模块的数字信号，次级dbf模块可接收多个初级dbf模块的数字信号或发送数字信号到多个初级dbf模块，末级dbf模块可接收多个次级dbf模块的数字信号或发送数字信号到多个次级dbf模块，整体构成一个在多级dbf模块之间传输数字信号的大容量高速光子传输网络。

本发明相比于现有技术具有如下有益效积极效果：

集成度高。本发明采用任意初级dbf模块均与每个次级dbf模块相连，每个次级dbf模块与末级dbf模块相连，建立各级dbf模块之间的数据通信光子传输网络，不仅集成度高，而且采用的初级dbf模块到次级dbf信号处理模块之间的光纤传输链路全对称的互联设计，具有较强的灵活性，可以灵活组成串行信号、并行信号和阵列信号等多种互联拓扑，在通用系统中满足通信、雷达、电侦等多种应用模式。

具有时延稳定。本发明采用所有光纤链路在各级dbf模块上，均通过光/电、电/光转换后直接与fpga高速gth接口连接，各级模块之间光纤链路物理连接方式固定，不存在一般交换网络因交换链路配置不同带来的时延不确定性；同时，作为链路中唯一可能带来时延抖动的光/电、电/光转换器件，其抖动范围一般在200皮秒(ps)级别，对通常10纳秒级(ns)以上的同步要求不造成实质影响。

本发明采用fpga高速gth端口直接与多模光纤互联，具有单路高达7.5gbps的传输速率；在多个初级dbf模块之间采用大规模光纤互联，整个网络初级到次级的信号传输容量高达巨大传输能力。

本发明实时采用波长为850nm的多模光纤介质，具有时延稳定、集成度高、价格便宜等优点。为航天航空综合化电子系统中阵列天线高速采样信号传输和数字波速合成提供了一种灵活的实时同步传输网络通道。

附图说明

图1为本发明的实时高速大容量光子传输网络一般互联示意图。

图2为图1优选实施例的模块级综合化系统实时高速大容量光子传输网络组成图。

图3为图2的通信类功能串行/并行处理任务实例化示意图。

图4为图2的雷达类数字阵列单波束形成的多级dbf实例化示意图。

图5为图2的电侦类数字阵列多波束形成的多级dbf实例化示意图。

参见示出本实施例的附图，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。应对指出的是，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。在以下描述的实施例中，一种高速大容量光子传输网络，包括：对外收发数字信号的数目为的初级dbf模块1、初级dbf模块2、初级dbf模块3…初级dbf模块n，数目为的次级dbf模块1，次级dbf模块2，…次级dbf模块m，以及数目为的末级dbf模块，且每个初级dbf模块向次级dbf模块的总输入/输出链路数目相同，每个次级模型向初级模块的总输入/输出链路数目也相同。同时，任意初级dbf模块均与每个次级dbf模块相连，每个次级dbf模块与末级dbf模块相连，建立初级dbf模块到次级dbf模块之间、以及次级dbf模块与末级dbf模块之间的光纤传输链路数据通信光子传输网络，所有光纤链路在各级dbf模块上，均通过光/电、电/光转换后直接接与现场可编程门阵列fpga高速gth接口连接，各级模块之间光纤链路物理连接方式固定，所有光纤链路均为双向传输通道。

初级dbf模块数目f1取决于模块级综合化系统所需输入输出信号的通道数目t，以及单个初级dbf模块可以处理的通道数目p，即为向上取整符号；次级dbf模块数目f2取决于系统所需同时形成波束的数目d，以及单个初级dbf模块到单个次级dbf模块光纤链路最大传输的波束数目vr为光纤链路传输速率，vd为波束速率，为向下取整符号，即为了便于融合处理和结果输出，末级模块数目fe＝1。

由于初级dbf模块到次级dbf模块之间的光纤传输链路采用对称设计，即任意初级dbf模块均与每个次级dbf模块相连，任意次级dbf模块均与每个初级模块相连，且每个初级dbf模块向次级dbf模块的总输入/输出链路数目相同，每个次级dbf模块向初级dbf模块的总输入/输出链路数目也相同；因此，每个初级dbf模块与次级dbf模块相连的总输入/输出链路数目n1与次级dbf模块数目f2相同，即n1＝f2，每个次级dbf模块与初级dbf模块相连的输入/输出链路数目n2与次级dbf模块数目f1相同，即n2＝f1。

初级、次级和末级dbf模块均基于fpga设计，所有光纤链路均直接与fpga高速gth接口连接，实现信号的高速实时传输；因此，为了达到更大规模、更大传输容量的互联，尽量选取高速gth端口较多(如大于40个)的fpga芯片。

所述初级、次级和末级dbf信号处理模块均基于现场可编程门阵列fpga设计，所有光纤链路均直接与fpga高速gth接口连接，实现信号的高速实时传输；光子传输采用波长为850nm的多模光纤介质，具有传输带宽大(≥10gbps)、时延稳定、集成度高、价格便宜等优点，满足系统内部大规模信号处理模块之间的大容量高速传输需求。

所述光子传输网络优选实施例为初级f1＝10的初级dbf模块，次级f2＝6的初级dbf模块，末级fe＝1的末级dbf模块；任意初级模块到任意次级dbf模块的gth高速光纤传输链路数目r＝6路，所有初级到次级的总收发光纤数目2×360路，2倍表示双向传输，每个端口通过光纤链路收发速率v1＝7.5gbps，对应的双向总信号传输能力2×2700gbps。

所述次级dbf模块到末级模块的光纤链路，任意次级到末级的gth高速光纤传输链路数目r＝6路，所有次级到末级的总收发光纤数目2×36路，对应的双向总信号传输能力2×270gbps。

所述光子传输网络，对应通信类功能串行/并行处理任务进行实例化部署，可以实现诸如2路串行信号处理通道，多路串行信号处理通道，2路串行的多路并行信号处理通道，以及多路串行的多路并行信号处理通道的部署传输。

所述光子传输网络，对应雷达类数字阵列单波束形成的多级dbf实例化部署，可以实现诸如二级单波束dbf信号通道，三级单波束dbf信号通道，四级及四级以上单波束dbf信号通道的部署传输。

所述光子传输网络，对应电侦类数字阵列多波束形成的多级dbf实例化部署，可以实现诸如二级同时多波束dbf信号通道，以及三级同时多波束dbf信号通道的部署传输。

参阅图2。根据图1提供的光子传输网络结构，在某模块级综合化系统中优选实施例的一种实时高速大容量光子传输网络；本实施例高速大容量光子传输网络以64阵元的阵列天线最大输入/输出数字信号分为64路，每个初级dbf模块均包含接收数字阵列多路ad采样信号的fpga模块，每个fpga模块包括含fpga1、fpga2的主模块和光/电转换子卡，每个次级dbf模块均包括含fpga1、fpga2的主模块和光/电转换子卡，每个末级dbf模块包括连接处理器的现场可编程门阵列fpga，每个初级dbf模块的光/电转换模块通过多路通道连接次级dbf模块的光/电转换模块形成交叉连接网络，每个次级dbf模块的fpga模块通过高速gth接口连接末级dbf模块的现场可编程门阵列fpga。考虑到初级dbf模块的接口能力和处理能力，每个初级dbf模块最大输入/输出8路数字信号信号，故初级dbf模块数目根据该模块级综合化系统电子侦察功能需求，单个初级dbf模块到单个次级dbf模块单向光纤链路最大传输2路19.5gbps波束信号，即故次级dbf模块数目其中，p表示单个初级dbf模块可以处理的通道数目，t表示系统输入输出数字信号的总通道数目，b表示单个初级dbf模块到单个次级dbf模块光纤链路最大传输的波束数目，vr表示光纤链路传输速率，vd表示单个波束速率，d表示系统所需同时形成波束的数目。

为了确保资源余量，提高系统可靠性，本实施例设计初级dbf模块的数目f1＝10，分别用1,2,3，……10标示，次级dbf模块的数目f2＝6，分别用1,2,3，……6标示，末级dbf模块数目fe＝1；单个初级dbf模块与次级dbf模块相连的总输入/输出链路数目n1＝f2＝6，单个次级dbf模块与初级dbf模块相连的输入/输出链路数目n2＝f1＝10。

在模块级综合化系统系统中，初级dbf模块和次级dbf模块采用完全相同的设计，每个初级dbf模块和次级dbf模块均由两片相同的fpga芯片组成的fpga主模块和光电电光转换子卡组成，其中fpga芯片具有80个高速gth端口，每个端口通过光纤链路收发速率v1＝7.5gbps；末级dbf模块由一片fpga芯片和一片cpu芯片组成，fpga芯片与初级dbf模块和次级dbf模块的fpga芯片相同；考虑光纤规模和数据传输需求，任意初级dbf模块到任意次级dbf模块的gth高速光纤传输链路数目r＝6路，其任意初级dbf模块与任意次级dbf模块之间信号双向传输速率vr＝2×r·v1＝2×45gbps，2倍表示双向传输；因此，任意初级dbf模块的收发光纤数目nr1＝2×n2·r＝2×36路，其双向速率为vf1；双向速率vf1＝nr1·v1＝f2·vr＝2×6×45gbps＝2×270gbps，任意次级dbf模块的收发光纤数目nr2＝2×n1·r＝2×60路，对应的双向速率为vf2，并且vf2＝nr2·v1＝f1·vr＝2×10×45gbps＝2×450gbps，所有初级到次级的总收发光纤数目nr1r2＝2×nr1·f1·r＝2×nr2·f2·r＝2×360路，对应的双向总信号传输能力vf1f2＝nr1r2·v1＝f1·vf1＝f2·vf2＝2×10×270gbps＝2×6×450gbps＝2×2700gbps。

次级dbf模块到末级dbf模块的光纤链路，任意次级dbf到末级dbf模块的gth高速光纤传输链路数目r＝6路，其双向传输能力vr＝2×r·v1＝2×45gbps与初级dbf模块到次级dbf模块一致，所有次级dbf模块到末级dbf模块的总收发光纤数目nr2re＝2×f2·fe·r＝2×36路，对应的双向总信号传输能力vf2fe＝nr2re·v1＝2×270gbps。

参阅图3。本实施例以图2实施例部署的通信类功能的多级串行和多路并行处理任务实例化，以接收方向为例，发送方向同理；典型实施例包括2路串行信号通道、多路串行信号通道、2路串行的多路并行信号通道和多路串行的多路并行信号通道。

在图3(a)所示的2路串行信号通道表示a/d采样输入的数字信号，通过一个初级dbf模块经串行信号通道1送入一个次级dbf模块，次级dbf模块完成信号处理后通过串行信号通道2输出到由光纤链路建立的信号通道，即数字信号经过由光纤链路连接的1个初级dbf模块和1个次级dbf模块进行两次串行信号处理。一般地，初级dbf模块可以是10个初级dbf模块中的任意一个，次级dbf模块可以是6个次级dbf模块中的任意一个。

在图3(b)所示的多路串行信号通道表示a/d采样输入的数字信号，通一个初级dbf模块经串行信号通道1送入一个次级dbf模块，次级dbf模块完成信号处理后，通过次级dbf模块到初级dbf模块的反向光纤链路建立的串行信号通道2，送入另一个初级dbf模块，初级dbf模块次级处理后有光纤链路的反向通道传输到初级dbf模块，如此交叉往复形成了i个通道，由该初级dbf模块处理后，又进入由光纤链路建立的串行信号通道i，如此通过初级dbf模块到次级dbf模块之间的往返链路不断串行下去，一般地，由光纤网络互连的10个初级dbf模块和6个次级dbf模块，可以满足最多i＝18个多路串行信号通道。

在图3(c)所示的2路串行的多路并行信号通道表示了可以同时部署1个初级dbf模块和1个次级dbf模块串联的j路并行信号；输入初级dbf模块的多路数字信号通过并行j信号通道1送入次级dbf模块，次级dbf模块通过并行j信号通道2输出j路并行信号。一般地，最大并行数目为次级dbf模块数目j＝f2＝6；

在图3(d)所示的多路串行的多路并行信号通道表示了可以同时部署i个初级dbf模块+次级dbf模块串联的j路并行信号；一般地，可以同时部署的最大串行数目i和最大并行j部署的约束条件是i×j≤f1+f2＝18。输入初级dbf模块的多路数字信号通过并行j信号通道1送入次级dbf模块，次级dbf模块通过并行j信号通道2将输出j路并行信号送入初级dbf模块，初级dbf模块经并行j信号通道i输出j路并行信号。

参阅图4。本实施例以图2实施例部署雷达类数字阵列波束形成的多级dbf，以接收方向为例，发送方向同理。

图4(a)所示的二级dbf信号通道表示了多个初级dbf模块均通过光纤链路连接到同一个次级dbf模块。多路数字信号通过多个初级dbf模块送入一个次级dbf模块完成数字波束合成，次级dbf模块完成波束合成后通过图中合成信号通道输出；10个初级dbf模块的最大输入数字阵列信号数目t＝f1·p＝10×8＝80，当输入数字阵列信号数目小于80路时，如64路只需8个初级初级dbf模块，剩下的2个初级初级dbf模块可以作为部署备份，一个次级dbf模块可以是f2＝6中的任意模块，当部署在其中一个次级初级dbf模块后，其余5个次级初级dbf模块均可作为备份。

图4(b)所示的三级dbf信号通道表示了多路数字信号通过多个初级dbf模块、多个次级dbf模块和一个末级dbf模块完成数字波束合成，而且，多个初级dbf模块均通过光纤链路连接到所有多个次级dbf模块，次级dbf模块完成次级波束合成后再通过光纤链路连接到一个末级dbf模块，最后由末级dbf模块完成末级波束合成后，末级dbf模块通过合成信号通道输出到由光纤链路建立的合成信号通道；假设同样有64路数字信号，经8个初级dbf模块完成初级波束合成后通过初级dbf模块到次级dbf模块之间的光纤链路输入到所有3个次级dbf模块，3个次级dbf模块完成次级波束合成后，通过次级dbf模块到末级dbf模块之间的光纤链路输入到同1个末级dbf模块，最后由一个末级dbf模块完成末级波束合成后，输出到由光纤链路建立的合成信号通道。

图4(c)所示的四级及四级以上dbf信号通道，与图4(b)同理，表示了多路数字信号通过多个初级dbf模块送入多个次级dbf模块，经多个初级dbf模块完成多级数字波束合成，再经多个次级dbf模块、……、最后通过末端初级dbf模块将完成的多级数字波束合成信号从合成信号通道输出。假设有48路数字信号，经6个初级dbf模块完成初级波束合成后通过初级dbf模块到次级dbf模块之间的光纤链路输入到所有4个次级dbf模块，4个次级dbf模块完成次级波束合成后，通过次级dbf模块到初级dbf模块之间的反向光纤链路输入到所有2个初级dbf模块，2个初级dbf模块完成三级波束合成后，通过初级dbf模块到次级dbf模块之间的光纤链路输入到所有同1个次级dbf模块，最后由1个次级dbf模块完成四级波束合成后，输出到由光纤链路建立的合成信号通道。

参阅图5。本实施例以图2实施例部署电侦类功能的数字阵列多波束形成的多级dbf，电侦类功能一般只有数字信号接收。

图5(a)所示的二级同时多波束dbf信号通道，表示了多路数字信号通过通过多个初级dbf模块、多个次级dbf模块完成多路数字波束合成，而且，多个初级dbf模块均通过光纤链路连接到所有多个次级dbf模块，多个次级dbf模块完成多个次级波束合成，经合成信号通道输出；一般地，合成的数字波束最大数目dmax＝f2·b＝12。

图5(b)所示的三级同时多波束dbf信号通道，表示了两组数字信号，分别通过通过多个初级dbf模块、多个次级dbf模块、再各自由2个初级dbf模块，完成各自独立的多路数字波束合成；其中，对于任意一组数字信号，多个初级dbf模块均通过光纤链路连接到所有多个次级dbf模块，多个次级dbf模块完成多个次级波束合成，输出到由次级dbf模块到初级dbf模块之间的反向光纤链路连接到1个初级dbf模块，再由该初级dbf模块完成多个三级波束合成，经合成信号通道输出；一般地，两组数字信号的数目t1和t2，需要满足的约束条件是t1/8+t2/8≤f1＝10，同时各自形成波束的数目d1和d2，同时形成的波束数目与占用的次级dbf模块数目相关，且需要满足的约束条件是d1+d2≤12，比如阵列1的次级dbf占用2个次级初级dbf模块，其最大同时形成波束数目为4，即d1＝2×b＝4。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。