[发明专利]一种兼容USB协议和雷电协议信号的模式自适应光纤传输系统

说明书

一种兼容USB协议和雷电协议信号的模式自适应光纤传输系统，使用光纤传输USB协议和雷电协议的高速信号，边带信号(Sideband)和通道配置信号(CC)。本发明提出的光纤传输系统，适用于USB协议和雷电协议信号长距离，高质量，低电磁辐射，抗电磁干扰的传输。本发明提出的系统将边带信号，通道配置信号和高速信号调制到同一光纤中传输，提高了光纤通道的利用率，降低了USB协议和雷电协议有源光缆的实现复杂度和成本。特别的对于USB协议和雷电协议定义的双通道通信情况，本发明通过监听高速通道中传输的LFPS信号和监听边带信号自动关闭空闲通道。本发明还提出了通过监听通道配置，对单通道和双通道传输自适应的切换NRZ和PAM4调制方式的传输方法，在该方法的应用中可用一对光纤，自适应的适配使用单通道和双通道的不同设备。

技术领域

本发明涉及属于光电通信技术领域，特别涉及使用一种兼容USB 协议和雷电协议信号的模式自适应光纤传输系统。

背景技术

随着计算机技术的不断发展，外设接口从PS/2，串口，并口等百家争鸣的时代跨入了通用串行总线即USB接口统一接口标准的时代。 USB以其即插即用及高传输速度的特性很快成为了设备生产商和设备使用者青睐的主流设备接口。到目前为止，USB的技术发展主要经历了USB1.0，USB2.0，USB3.0，USB3.1Gen，USB3.2和USB4 这些阶段。USB协议的通信速度经历了从1.5Mbps，12Mbps，480Mbps， 5Gbps，10Gbps，到20Gbps和40Gbps这样不断提升的过程。USB 协议的在USB1.0，USB2.0时代主要使用D+，D-信号进行半双工通信，通信速度最高到达480Mbps。USB3.0时代以后USB接口引入了高速全双工通信通道SSTX+/-和SSRX+/-，其通信速度提升到了 5Gbps。USB3.1和USB3.2进一步将协议的通信速度提升到了单通道10Gbps。USB4协议采用雷电协议相同的物理接口将通信速度带入了单通道20Gbps的时代。另外USB3.2和USB4提出了USB接口双通道的形态，即USB3.2Gen1x2，USB3.2Gen2x2，USB4Gen2x和USB4 Gen3x2等产品形态，以通信并行度提升的方式让USB接口传输速度翻了一倍。雷电协议即是由英特尔公司引领的另一种高速IO接口标准，提出雷电接口的目的同样也是统一电脑与其他设备之间的接口。目前为止其发展经历了thunderbolt，thunderbolt2，thunderbolt3和 thunderbolt4几个阶段。雷电协议的通讯速度经历了10Gbps到20Gbps 到40Gbps这样的过程。自雷电3开始，雷电协议从miniDisplayPort 的接口形态转向了USBtypeC的接口形态，完成了和USB协议的兼容和统一。USB4协议的物理层协议实际上很大程度与雷电3协议相同。随着USB协议和雷电协议通信速度进入单通道20Gbps的时代，常用的铜线通信成为了通信的主要瓶颈，20Gbps通信情况下铜线传输很难做到物理层协议要求的1e-12的误码率要求，即使是5Gbps通信情况下铜线也难以做到长距离高质量的数据传输。因而引入光纤通信技术是USB协议和雷电协议技术发展的必然趋势。

关于USB协议和雷电协议的光纤传输已出现了一些解决方案：

1、使用光模块对USB信号进行转换和收发，其缺点在于光模块定义的协议一般为特定速率，一般为10.3125Gbps，24.33Gbps， 25.78125Gbps，28.05Gbps，大于20Gbps的光模块一般使用时钟数据恢复电路，但是20Gbps速率并不在光模块时钟恢复电路的工作范围内。另外该方案的集成度较低，在制造USB协议和雷电协议的有源光缆时体积大，功耗大。

2、使用类似光模块的设计方法设计USB协议，使用现有的光模块通信中使用的专用收发芯片实现信号的光电转换，使用微控制器对光收发芯片进行配置。该方案是光模块制造向USB有源光缆移植的方案，缺点在于光模块专用芯片的设计一般以单通道收和单通道发或者四通道收和四通道发的方式组合，使用这样的芯片实现双通道USB 协议和雷电协议信号传输时对贴片和耦合造成较大的困难，工艺复杂，实现困难。另外该方案中边带信号和通道配置信号需要使用额外的铜线进行传输。

发明内容