CN104101965B

CN104101965B - 用于usb3.0/3.1接口的混合光电收发器及其光缆

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Publication number: CN104101965B
Application number: CN201410311742.6A
Authority: CN
Inventors: 汤金宽; 江辉; 周新亮
Original assignee: Everpro Technologies Wuhan Co Ltd
Current assignee: Everpro Technologies Wuhan Co Ltd
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: CN104101965A

Abstract

一种用于USB3.0接口的混合光电收发器及其光缆，所述混合光电收发器包括：USB3.0/3.1电收发器,USB2.0电收发器和USB数据混合器，USB3.0/3.1电收发器完成USB3.0信号的转发，USB2.0电收发器完成USB2.0信号的转发，USB数据混合器一方面将两种USB信号进行混合，另一方面将接收到的USB混合数据解混，并分别将两种USB数据发送到两种电收发器。本发明使USB？3.0和USB2.0能够在相同的数据包内传输，节约了光纤数量，简便了操作，使得USB3.0标准接口的使用更为简便，使得USB3.0标准接口在使用上真正兼容了USB2.0格式。

Description

用于USB3.0/3.1接口的混合光电收发器及其光缆

技术领域

本发明涉及光电数据传输领域，具体的涉及一种用于USB3.0/3.1接口的新型有源混合光电收发器及其光缆。

背景技术

USB3.0也被称为SuperSpeedUSB，它为与PC或音频/高频设备相连接的各种设备提供了一个标准接口。作为新一代的USB接口，USB3.0/3.1的特点是传输速率非常快，理论上能达到5Gbps/10Gbps，比现在的480Mbps的HighSpeedUSB(简称为USB2.0)快10倍。USB3.0/3.1的外形和现在的USB接口基本一致，能兼容USB2.0和USB1.1设备。

相比目前的USB2.0接口，USB3.0/3.1增加了更多并行模式的物理总线。在原有4线结构(电源，地线，1对数据)的基础上，USB3.0/3.1再增加了4条(两对)线路，用于接收和传输SuperSpeed信号。因此不管是线缆内还是接口上，总共有3对差分线路，一对以半双工的方式传输USB2.0信号，另外两对以全双工的方式来传输SuperSpeed信号。

用光纤来传输USB3.0接口的信号会遇到两个问题：

1.现有的USB3.0兼容了USB2.0的信号，而USB3.0和USB2.0信号特性不一样，因此，在使用USB3.0接口进行信号传输，需要各使用一对光纤来传输USB2.0和USB3.0/3.1规格的数据。这种传输方式将会增加光电收发器件的数量，增加系统功耗和成本，并且不便于用户的使用。

2.USB2.0的数据为半双工模式，无法直接通过光纤传输，在直接对USB2.0数据进行传输时，需要转换成全双工信号，而USB3.0数据为全双工模式，可以直接进行传输。

因此，如何能够对USB3.0/3.1接口的数据直接进行光电传输，减少不必要的光纤和光电器件，提高使用的便捷性，同时兼容其中可能包含的USB2.0数据成为现有技术亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型USB3.0/3.1混合光电收发器以及使用其的光缆，能够仅仅采用两根光纤实现对USB3.0/3.1接口的数据进行直接传输。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于USB3.0/3.1接口的混合光电收发器，其特征在于：

所述混合光电收发器的一端与标准USB3.0/3.1接口相连，用于上传和下载USB3.0/3.1数据信号和USB2.0信号，另一端分别连接激光发射器和光电检测器，所述激光发射器和所述光电检测器分别连接光纤进行数据的传输；

所述混合光电收发器包括：USB3.0/3.1电收发器,USB2.0电收发器和USB数据混合器，

其中，所述USB3.0/3.1电收发器连接所述标准USB3.0/3.1接口，用于一方面接收USB3.0/3.1差分电信号进行处理和判决，并转换成单端电信号输出至所述USB数据混合器，另一方面接收所述USB数据混合器输出的单端电信号，并转换成USB3.0/3.1差分信号输出给标准USB3.0/3.1数据接口；

所述USB2.0电收发器连接所述标准USB3.0/3.1接口，用于一方面接收符合USB2.0差分电信号进行处理和判决，并转换成单端电信号输出至USB数据混合器，另一方面接收所述USB数据混合器输出的单端电信号，并转换成符合USB2.0差分信号输出给标准USB3.0/3.1数据接口；

所述USB数据混合器，用于一方面分别接收来自所述USB3.0/3.1电收发器和所述USB2.0电收发器的信号，将两种信号进行混合，形成包含USB3.0/3.1和USB2.0的混合数据并发送给激光发射器，另一方面接收来自光电检测器的信号，将接收到的混合数据解混，并分别将USB3.0/3.1数据和USB2.0数据发送到所述USB3.0/3.1电收发器和所述USB2.0电收发器。

优选地，所述混合光电收发器还包括USB2.0半双工-全双工转换器，连接所述USB2.0电收发器和所述USB数据混合器，用于将USB2.0的半双工信号转换为全双工信号。

优选地，所述USB数据混合器包括：

混合发送器，用于分别接收来自所述USB3.0/3.1电收发器和所述USB2.0半双工-全双工转换器的信号，将两种信号进行混合，形成包含USB3.0/3.1和USB2.0的混合数据并发送给激光发射器；

混合接收器，用于接收来自光电检测器的信号，将接收到的包含USB3.0/3.1和USB2.0的混合数据解混，将USB3.0/3.1数据和USB2.0数据分别发送到所述USB3.0/3.1电收发器和所述USB2.0半双工-全双工转换器。

优选地，所述混合发送器包括：

USB3.0/3.1数据接收器及缓存，用于接收所述USB3.0/3.1电收发器发送过来的数据并以先入先出的方式缓存在高速缓存中；

USB2.0数据接收器及缓存，用于接收所述USB2.0电收发器发送过来的数据以先入先出的方式缓存在高速缓存中；

混合控制器，用于以第一固定间隔从USB3.0/3.1数据接收器及缓存的数据缓存和USB2.0数据接收器及缓存的数据缓存中按顺序将数据读出并组成新的数据包存在发送缓存中；

发送缓存，用于接收所述新数据包并提供给混合发送器；

混合发送器，用于读取发送缓存中的所述新数据包并发送。

优选地，所述混合控制器将读出的数据以下格式组成新的数据包：

数据帧头

USB 3.0/3.1数据

分段标志

USB 2.0数据

数据帧尾

优选地，所述混合接收器包括：

混合接收单元,用于接收混合数据并按顺序存在接收缓存中；

接收缓存，用于存储所接收到的混合数据，并提供给解混控制器；

解混控制器，用于按第二固定间隔从所述接收缓存中提取混合数据并解混成USB3.0/3.1数据和USB2.0数据分别发送给USB3.0/3.1数据发送器及缓存和USB2.0数据接收器及缓存；

USB3.0/3.1数据发送器及缓存，用于缓存所接收的USB3.0/3.1数据，并按先入先出的方式将USB3.0/3.1数据发送给USB3.0/3.1电收发器；

USB2.0数据接收器及缓存，用于缓存所接收的USB2.0数据，并按先入先出的方式将USB2.0数据发送给USB2.0电收发器。

优选地，发送定时器向所述混合控制器提供所述第一固定间隔，解混控制器主要依据帧头、分段标志以及帧尾来产生所述第二固定间隔，接收定时器向所述解混控制器提供辅助定时信号，以在解混控制器不能正确确认帧头和帧尾时，利用辅助定时信息来辅助产生帧头和帧尾，以辅助产生所述第二固定间隔。

优选地，所述发送定时器和所述接收定时器为同一个定时器。

优选地，所述混合光电收发器的还具有：

激光驱动器，用于接收将要发送的数据，并驱动所述激光发射器；

信号探测器，用于将所述光电检测器转换出来的微弱电信号转成数字信号并发送给所述USB数据混合器。

同时，本发明还公开了一种用于同时传输USB3.0/3.1和USB2.0数据的光缆系统，包括两根光纤，上述任意一项所述的混合光电收发器，标准USB3.0/3.1接口，激光发射器和光电检测器，其特征在于，所述标准USB3.0/3.1接口连接权利要求1-9中任意一项所述的混合光电收发器，所述混合光电发送器分别经过所述激光发射器和所述光电检测器与光纤连接。

本发明统一了USB2.0的数据传输模式，使得其也成为全双工模式，并通过USB数据混合器23完成了USB3.0/3.1数据和USB2.0的混合和解混，使得USB3.0/3.1和USB2.0能够在相同的数据包内传输，节约了光纤数量，简便了操作，使得USB3.0/3.1标准接口的使用更为简便，使得USB3.0/3.1标准接口在使用上真正兼容了USB2.0格式。

附图说明

图1是根据本发明的具体实施例的具有混合光电收发器的USB3.0/3.1数据接口的光纤传输示意图；

图2是根据本发明的具体实施例的具有混合光电收发器的双向光纤传输的示意图；

图3是根据本发明的具体实施例的混合光电收发器的框架示意图；

图4是根据本发明的具体实施例的USB数据混合器的框架示意图；

图5是本发明的混合器中的混合发送器的框架示意图；

图6是本发明的混合器中的混合接收器的框架示意图。

图中的附图标记所分别指代的技术特征为：

1、标准USB3.0/3.1接口；2、混合光电收发器；3、激光发射器；4、光电检测器；5、光纤；21、USB3.0/3.1电收发器；22、USB2.0电收发器；23、USB数据混合器；24、USB2.0半双工-全双工转换器；25、激光驱动器；26、信号探测器；27、混合发送器；28、混合接收器；271、USB3.0/3.1数据接收器及缓存；272、USB2.0数据接收器及缓存；273、混合控制器；274、发送缓存；275、混合发送器；276、发送定时器；281、混合接收单元；282、接收缓存；283、解混控制器；284、USB3.0/3.1数据发送器及缓存；285、USB2.0数据发送器及缓存；286、接收定时器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

为了向下兼容USB2.0，USB3.0/3.1采用了9针脚设计。其中4个针脚和USB2.0的形状定义均完全相同，而另外5根是专门为USB3.0准备。USB3.0/3.1引入全双工数据传输，5根线路中2根用来发送数据，2根用来接收数据，还有1根是地线，也就是说USB3.0/3.1可以同步全速地进行读写操作，而以前的USB版本，即USB2.0和USB1.1并不支持全双工数据传输。

根据标准的定义，参见表1，USB3.0/3.1的9根引脚定义如下。

表1USB3.0/3.1引脚定义

在现有的标准中，StdA_SSRX+/-和StdA_SSTX+/-为USB3.0/3.1的高速数据接收(SuperSpeed)和发送差分对，D-和D+为USB2.0信号差分对。其中，SSRX+/-和SSTX+/-为全双工信号，发送和接收采用独立的物理媒介，D-和D+为半双工信号，发送和接收采用统一的物理媒介，即分开传输。

USB3.1为USB3.0的延伸协议，也是一种高速USB数据传输方式，因此在本文中，用于USB3.0的器件和方法均适用于USB3.1。

在标准协议中，USB3.0/3.1SuperSpeed和USB2.0采用独立的媒介传输。因此，为了节约光纤以及激光收发器件的数量，本发明将USB3.0/3.1SuperSpeed信号和USB2.0信号混合后发送，这样就可以只用一对光纤实现基于统一USB3.0/3.1数据接口的混合数据的传输。

参见图1，公开了根据本发明的具体实施例的具有混合光电收发器的USB3.0/3.1数据接口的光纤传输示意图。一种用于USB3.0接口的混合光电收发器，其中一端与标准USB3.0/3.1接口1相连，用于上传和下载USB3.0/3.1数据信号和USB2.0信号，另一端分别连接激光发射器3和光电检测器4，所述激光发射器3和所述光电检测器4分别连接光纤5进行数据的传输。

其中所述激光发射器3根据数字信号发射激光，可以是LD,LED等等常用的激光发射设备。

所述光电检测器4，用于检测光信号并转换为电信号，本领域技术人员应当知道，所述光电二极管可以是光电二极管等任何常用的光电检测设备。

显然，本领域技术人员知道，图1示出的是光纤5的一端，在光纤5的另外一端具有与图1相同的结构。即，参见图2，公开了根据本发明的具体实施例的具有混合光电收发器的双向光纤传输的示意图，一对光缆5的两端分别具有两个混合光电收发器2，实现USB3.0/3.1和USB2.0数据的发送和接收。

参见图3，公开了根据本发明的具体实施例的混合光电收发器2的框架示意图，所述混合光电收发器2包括USB3.0/3.1电收发器21,USB2.0电收发器22和USB数据混合器23。

其中所述USB3.0/3.1电收发器21位于面向所述标准USB3.0/3.1接口1的一端，用于一方面接收符合USB3.0电气规范的USB3.0差分电信号，即接收SSTX，进行处理和判决，并转换成单端电信号输出至USB数据混合器23，另一方面负责接收混合了USB数据混合器23输出的单端电信号，并转换成符合USB3.0电气规范的差分信号输出给标准USB3.0/3.1数据接口1。即，参见图3，所述USB3.0/3.1电收发器21连接了SSRX+/-和SSTX+/-。

所述USB2.0电收发器22位于面向所述标准USB3.0/3.1接口1的一端，负责解析和驱动USB2.0电气接口，用于一发面接收符合USB2.0电气规范的差分电信号，进行处理和判决，并转换成单端电信号输出至USB数据混合器23，另一方面接收所述USB数据混合器输出的单端电信号，并转换成符合USB2.0电气规范的差分信号输出给标准USB3.0/3.1数据接口1。即，参见图3，所述USB2.0电收发器22连接了D+/-。

所述USB数据混合器23位于面向所述激光发射器3和所述光电检测器4的一端，用于一方面分别接收来自所述USB3.0/3.1电收发器21和所述USB2.0电收发器22的信号，将两种信号进行混合，形成包含USB3.0/3.1和USB2.0的混合数据并发送给激光发射器3，另一方面接收来自光电检测器4的信号，将接收到的包含USB3.0/3.1和USB2.0的混合数据解混，并分别将USB3.0/3.1数据和USB2.0数据发送到所述USB3.0/3.1电收发器21和所述USB2.0电收发器22。

可见，本发明分别采用两个不同的电收发器实现USB3.0/3.1和USB2.0数据的发送和接收，利用USB数据混合器23混合上述两种不同的数据，因此，使得采用一对光纤实现两种不同格式的信号的传输成为了可能。

优选地，所述混合光电收发器2还包括USB2.0半双工-全双工转换器24，连接所述USB2.0电收发器22和所述USB数据混合器23，用于将USB2.0的半双工信号转换为全双工信号，这样使得USB2.0的信号传输模式和USB3.0的信号传输模式统一，进一步有利于USB2.0的信号和USB3.0信号在同一对光纤上进行传输。

进一步的，参见图4，在一个优选的实施例中，公开了所述USB数据混合器23的框架示意图，所述USB数据混合器23包括：混合发送器27，用于，例如通过USB3.0/3.1TX和USB2.0TX线路，分别接收来自所述USB3.0/3.1电收发器21和所述USB2.0半双工-全双工转换器24的TX信号，将两种信号进行混合，形成包含USB3.0/3.1和USB2.0的混合数据并发送给激光发射器3；混合接收器28，用于接收来自光电检测器4的信号，将接收到的包含USB3.0/3.1和USB2.0的混合数据解混，将USB3.0/3.1数据和USB2.0数据通过，例如通过USB3.0/3.1RX和USB2.0RX线路，分别发送到所述USB3.0/3.1电收发器21和所述USB2.0半双工-全双工转换器24。

进一步优选地，所述USB2.0半双工-全双工转换器24具有如下功能：解析USB2.0总线，获得并维护USB2.0总线的状态；解析USB2.0总线，接收USB2.0主机或设备发送过来的数据；将总线状态进行编码，与接收到的数据混合后发送到USB2.0TX；接收USB2.0RX的数据，解析总线状态信息并作相应的状态调整；接收USB2.0RX的数据，并将数据按照USB2.0的规范发送到USB2.0总线。

混合发送器27通过将接收到的USB3.0/3.1数据和USB2.0数据按照既定的格式混合之后，以更高的数据率(在图4中采用6Gbps/11Gbps，但不限于6Gbps和11Gbps)发送到光纤5上，通过光纤传输到远端的混合收发器。

进一步的，参见图5，在一个优选的实施例中，公开了所述混合发送器27的框架示意图，所述混合发送器27包括：USB3.0/3.1数据接收器及缓存271，用于,例如通过USB3.0TX，接收USB3.0/3.1电收发器21发送过来的数据并以先入先出的方式缓存在高速缓存中；USB2.0数据接收器及缓存272，用于，例如通过USB2.0TX，接收USB2.0电收发器22发送过来的数据以先入先出的方式缓存在高速缓存中；混合控制器273，用于以第一固定间隔从USB3.0/3.1数据接收器及缓存271的数据缓存和USB2.0数据接收器及缓存272的数据缓存中按顺序将数据读出并组成新的数据包存在发送缓存274中；发送缓存274，用于接收所述新数据包并提供给混合发送器275；混合发送器275，用于读取发送缓存274中的所述新数据包并发送。

在进一步优选的实施例中，被读出的数据以下格式组成新的数据包：

数据帧头

USB 3.0/3.1数据

分段标志

USB 2.0数据

数据帧尾

进一步优选地，发送定时器276向所述混合控制器273提供所述第一固定间隔。

混合接收器28通过将接收到的USB3.0/3.1和USB2.0混合数据按照既定的格式解混后，分别将USB3.0/USB3.1和USB2.0的数据发送到本端的USB3.0/3.1和USB2.0接口上。

进一步的，参见图6，在一个优选的实施例中，公开了所述混合接收器28的框架示意图，所述混合接收器28包括：混合接收单元281,用于接收混合数据并按顺序存在接收缓存282中；接收缓存282，用于存储所接收到的混合数据，并提供给解混控制器283；解混控制器283，用于按第二固定间隔从所述接收缓存282中提取混合数据并解混成USB3.0/3.1数据和USB2.0数据分别发送给USB3.0/3.1数据发送器及缓存284和USB2.0数据接收器及缓存285；所述USB3.0/3.1数据发送器及缓存284，用于缓存所接收的USB3.0/3.1数据，并按先入先出的方式将USB3.0/3.1数据发送给USB3.0/3.1电收发器21；所述USB2.0数据接收器及缓存285，用于缓存所接收的USB2.0数据，并按先入先出的方式将USB2.0数据发送给USB2.0电收发器22。

进一步优选地，解混控制器主要依据帧头、分段标志以及帧尾来产生所述第二固定间隔。接收定时器286向所述解混控制器283提供辅助定时信号，以在解混控制器不能正确确认帧头和帧尾时，利用辅助定时信息来辅助产生帧头和帧尾，以辅助产生所述第二固定间隔。

优选地，所述发送定时器276和所述接收定时器286可以为同一个定时器。

进一步优选地，所述混合光电收发器2的还具有激光驱动器25，用于接收将要发送的数据，并驱动所述激光发射器；信号探测器26，用于将光电检测器转换出来的微弱电信号转成成数字信号并发送给所述USB数据混合器。

本发明还公开了一种用于同时传输USB3.0/3.1和USB2.0数据的光缆系统，包括两根光纤5，标准USB3.0/3.1接口，激光发射器和光电检测器，其特征在于，标准USB3.0/3.1接口1连接本发明的上述实施例中所述的混合光电收发器2，所述混合光电发送器分别经过激光发射器3和光电检测器4与光纤5连接。即，利用本发明中的所述的混合光电收发器2进行USB2.0和USB3.0/3.1的数据的混合和解混。

因此，本发明统一了USB2.0的数据传输模式，使得其也成为全双工模式，并通过USB数据混合器23完成了USB3.0/3.1数据和USB2.0的混合和解混，使得USB3.0/3.1和USB2.0能够在相同的数据包内传输，节约了光纤数量，简便了操作，使得USB3.0/3.1标准接口的使用更为简便，使得USB3.0/3.1标准接口在使用上真正兼容了USB2.0格式。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims

1.一种用于USB3.0/3.1接口的混合光电收发器，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的用于USB3.0/3.1接口的混合光电收发器，其特征在于：

所述混合光电收发器还包括USB2.0半双工-全双工转换器，连接所述USB2.0电收发器和所述USB数据混合器，用于将USB2.0的半双工信号转换为全双工信号。

3.根据权利要求2所述的用于USB3.0/3.1接口的混合光电收发器，其特征在于：

所述USB数据混合器包括：

4.根据权利要求3所述的用于USB3.0/3.1接口的混合光电收发器，其特征在于：

所述混合发送器包括：

发送缓存，用于接收所述新数据包并提供给混合发送器；

混合发送器，用于读取发送缓存中的所述新数据包并发送。

5.根据权利要求4所述的用于USB3.0/3.1接口的混合光电收发器，其特征在于：

所述混合控制器将读出的数据以下格式组成新的数据包：

数据帧头 USB 3.0/3.1数据分段标志 USB 2.0数据数据帧尾

。

6.根据权利要求4或5所述的用于USB3.0/3.1接口的混合光电收发器，其特征在于：

所述混合接收器包括：

混合接收单元,用于接收混合数据并按顺序存在接收缓存中；

7.根据权利要求6所述的用于USB3.0/3.1接口的混合光电收发器，其特征在于：

发送定时器向所述混合控制器提供所述第一固定间隔，解混控制器主要依据帧头、分段标志以及帧尾来产生所述第二固定间隔，接收定时器向所述解混控制器提供辅助定时信号，以在解混控制器不能正确确认帧头和帧尾时，利用辅助定时信息来辅助产生帧头和帧尾，以辅助产生所述第二固定间隔。

8.根据权利要求7所述的用于USB3.0/3.1接口的混合光电收发器，其特征在于：

所述发送定时器和所述接收定时器为同一个定时器。

9.根据权利要求6所述的用于USB3.0/3.1接口的混合光电收发器，其特征在于：

所述混合光电收发器的还具有：

10.一种用于同时传输USB3.0/3.1和USB2.0数据的光缆系统，包括两根光纤，权利要求1-9中任意一项所述的混合光电收发器，标准USB3.0/3.1接口，激光发射器和光电检测器，

其特征在于，所述标准USB3.0/3.1接口连接权利要求1-9中任意一项所述的混合光电收发器，所述混合光电发送器分别经过所述激光发射器和所述光电检测器与所述光纤连接。