CN102045152B - 以单一传输媒介达成全双工传输的通讯系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种电子讯号传输架构，该电子讯号传输架构包括一传输媒介，具有第一端与第二端，一高速讯号与一低速讯号同时在该传输媒介上对向传送，第一通讯模组，第一高通滤波器，耦接于该第一端与该第一通讯模组，用于传出或接收该高速讯号，第一低通滤波器，耦接于该第一端与该第一通讯模组，用于传出或接收该低速讯号，第二通讯模组，第二高通滤波器，耦接于该第二端与该第二通讯模组，用于传出或接收该高速讯号，以及第二低通滤波器，耦接于该第二端与该第二通讯模组，用于传出或接收该低速讯号。

Description

以单一传输媒介达成全双工传输的通讯系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种电子讯号传输架构，尤指一种多电脑切换器(KVM)系统，电性连接多台电脑及一组人性介面装置，且包含一传输媒介，凡是单一传输媒介使用分频多工(OFDM)的数据传输模式，均可适用于上述的该架构或该系统。

背景技术

传统类别5(Cat5)电缆KVM系统，因线材限制(其具有4对双绞线电缆：twisted-pair cable)，仅能使用其中一对绞线作为通讯传输媒介使用。因此，若欲达成双向通讯的目的，必须在不同时间内，传送不同方向的数据，称之为半双工(Half-duplex)或分时多工(Time Division Duplex，TDD)传输系统。例如，图1(a)即为一已知的半双工单一传输媒介的电路图。该已知的半双工单一传输媒介1包括位于左侧的一发送器11、一接收器12与一终端电阻Rhd1，一具有第一电缆线与第二电缆线的双绞线电缆15、以及位于右侧的一发送器13、一接收器14与一终端电阻Rhd2。该发送器11与该接收器12分别具有第一输入端(DI/B)、第二输入端(DE/A)、第一输出端(B/RO)与第二输出端(A/RE)，该终端电阻Rhd1、该发送器11与该接收器12分别与该第一与该第二电缆线耦合于B及A等两点。该发送器13与该接收器14分别具有第一输入端(DE/B)、第二输入端(DI/A)、第一输出端(B/RO)与第二输出端(A/RE)，该终端电阻Rhd2、该发送器13与该接收器14亦分别与该第一与该第二电缆线耦合于B及A等两点。图1(b)为图1(a)的一等效电路图，其中，该发送器11简化为具有一输入端TX与一输出端耦合于该双绞线电缆15，该接收器12简化为具有一输入端耦合于该双绞线电缆15，以及一输出端RX，且该发送器13亦简化为具有一输入端TX，以及一输出端耦合于该双绞线电缆15，而该接收器14简化为具有一输入端耦合于该双绞线电缆15，以及一输出端RX。

全双工(Full-Duplex)传输系统可保证上/下行(TX/RX)信号可拥有各自的传输频宽，而最简易实现全双工传输系统，为将上下行信号藉由不同的传输媒介作双向对传(Bi-directional transmission)。例如，图2(a)即为一已知的全双工独立传输媒介的电路图，其包括第一传输媒介，包含位于左侧的一发送器21与一终端电阻Rfd1，一具有第一电缆线与第二电缆线的第一双绞线电缆25、以及位于右侧的一接收器23与一终端电阻Rfd2，以及第二传输媒介，包含位于左侧的一接收器22与一终端电阻Rfd3，一具有第一电缆线与第二电缆线的第二双绞线电缆26、以及位于右侧的一发送器24与一终端电阻Rfd4。该接收器22与该发送器24分别具有第一输入端(DE/B)、第二输入端(DI/A)、第一输出端(Z/RE)与第二输出端(Y/RO)，该发送器21及该接收器23分别与该第一双绞线电缆25的该第一与该第二电缆线耦合于A及B与Y和Z等四点。该终端电阻Rfd1与该第一双绞线电缆25的该第一与该第二电缆线耦合于A及B等两点。该终端电阻Rfd2分别与该第一双绞线电缆25的该第一与该第二电缆线耦合于Y及Z等两点。该接收器22与该发送器24分别具有第一输入端(Z/RE)、第二输入端(Y/RO)、第一输出端(DE/B)与第二输出端(DI/A)，该接收器22及该发送器24分别与该第二双绞线电缆26的该第一与该第二电缆线耦合于Z及Y与B和A等四点。该终端电阻Rfd3分别与该第二双绞线电缆26的该第一与该第二电缆线耦合于Z及Y等两点。该终端电阻Rfd4分别与该第二双绞线电缆26的该第一与该第二电缆线耦合于B及A等两点。

图2(b)为图2(a)的一等效电路图，其中，该发送器21简化为具有一输入端TX与一输出端耦合于该第一双绞线电缆25，该接收器23简化为具有一输入端耦合于该第一双绞线电缆25，以及一输出端RX，且该发送器24亦简化为具有一输入端TX，以及一输出端耦合于该第二双绞线电缆26，而该接收器22简化为具有一输入端耦合于该第二双绞线电缆26，以及一输出端RX。

但对于Cat5KVM系统仍因线材数目限制，无法使用此种全双工传输架构实现。

因传统半双工传输系统在时域(Time domain)上必须引入保护时间(Guardtime)来作为区隔上/下行(TX/RX)信号的旗标(Flag)，故等待回传数据的时间等同于传输频宽的浪费。

图3(a)为一传统半双工传输系统的传输强度对应传输频段(w)的波形图。因传统半双工传输系统在不同时段内发射或接收讯号，所以其发射与接收频率可以位在同一频段内，如图3(a)所示。

图3(b)为一传统半双工单一传输系统的传输振幅对应传输时间(t)的波形图。因传统半双工单一传输系统须在不同时段内发射或接收讯号，所以其发射与接收时段是不同的，但是必须引入如上所述的保护时间，来作为区隔上/下行(TX/RX)信号的旗标，如图3(b)所示。

图4(a)为一传统全双工独立传输系统的传输强度对应传输频段(w)的波形图。因传统全双工传输系统在相同时段内可以同时发射与接收讯号，所以其发射与接收频率必须位于不同频段内，且必须引入保护频段(Guard Band)来区隔发射与接收的频率，如图4(a)所示。

图4(b)为一传统全双工独立传输系统的传输振幅对应传输时间(t)的波形图。因传统全双工传输系统在相同时段内可以同时发射与接收讯号，所以其发射与接收时段是相同的，如图4(b)所示。

因此，发明人鉴于已知技术的缺点，提供本发明的“单一传输媒介达成全双工传输的通讯架构及其方法”。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种单一传输媒介达成全双工传输系统的通讯架构，用以解决Cat5KVM系统于传统半双工系统上/下行传输，其频宽受到保护时间限制，同时该单一传输媒介亦可避免如传统全双工独立传输系统必须额外使用独立传输媒介的缺点。

本发明的另一目的在于透过分频多工，藉由将上下行不同频段的信号，利用不同频率在向量空间的正交性(Frequency Orthogonal)，故可互不受干扰地在同一传输媒介中作不同方向的传递。其中，不同频率的传输通道必须具有一定频带的保护频段，以确保不同频带具有良好的隔离性(isolation)。

本发明的又一目的在于提供一种电子讯号传输架构，该电子讯号传输架构包括一传输媒介，具有第一端与第二端，一高速讯号与一低速讯号是同时在该传输媒介上对向传送，第一通讯模组，第一高通滤波器，耦接于该第一端与该第一通讯模组，用于传出或接收该高速讯号，第一低通滤波器，耦接于该第一端与该第一通讯模组，用于传出或接收该低速讯号，第二通讯模组，第二高通滤波器，耦接于该第二端与该第二通讯模组，用于传出或接收该高速讯号，以及第二低通滤波器，耦接于该第二端与该第二通讯模组，用于传出或接收该低速讯号。

根据上述的构想，该高速讯号与该低速讯号是以一分频多工(FDD)方式传送。

根据上述的构想，该第一与该第二低通滤波器均具有一低通通带(low passband)，该低速讯号的频率是在该些低通通带范围，该第一与该第二高通滤波器均具有一高通通带(high pass band)，该高速讯号的频率是在该些高通通带范围。

根据上述的构想，该第一与该第二高通滤波器与该第一与该第二低通滤波器之间的一保护频段(guard band)大于500KHz。

根据上述的构想，该高速讯号对该低速讯号频率的比值大于4。

根据上述的构想，各该第一与该第二高通滤波器是选自一切比雪夫(Chebyshev)高通滤波器、一巴特沃斯(Butterworth)高通滤波器与一贝塞尔(Bessel)高通滤波器其中之任一，而各该第一与该第二低通滤波器是选自一Chebyshev低通滤波器、一Butterworth低通滤波器与一Bessel低通滤波器其中之任一。

根据上述的构想，该传输媒介为一类别5(Cat5)电缆的四对双绞线(twistedpair)其中之一对。

根据上述的构想，当该架构于第一状态时，该第一通讯模组用于接收该高速讯号与传出该低速讯号，且该第二通讯模组用于接收该低速讯号与传出该高速讯号，而当该架构切换至第二状态时，该第通二讯模组用于接收该高速讯号与传出该低速讯号，且该第一通讯模组用于接收该低速讯号与传出该高速讯号。

根据上述的构想，该第一状态与该第二状态的切换是经由一软件予以控制。

根据上述的构想，该第一状态与该第二状态的切换是经由一切换装置及至少一开关予以控制。

根据上述的构想，各该第一与该第二通讯模组还分别包括一发送器以及一接收器，其中当该发送器传出该高速信号时，该接收器接收该低速信号，当该发送器发出该低速信号时，该接收器接收该高速信号。

本发明的下一目的在于提供一种多电脑切换器(KVM)系统，电性连接多台电脑及一组人性介面装置，包含一切换装置，切换该组人性介面装置与该些电脑之间的讯号传输路径，一传输媒介，具有第一端与第二端，一高速讯号与一低速讯号是同时在该传输媒介上对向传送，第一通讯模组，第一高通滤波器，耦接于该第一端与该第一通讯模组，用于传出或接收该高速讯号，第一低通滤波器，耦接于该第一端与该第一通讯模组，用于传出或接收该低速讯号，第二通讯模组，第二高通滤波器，耦接于该第二端与该第二通讯模组，用于传出或接收该高速讯号，以及第二低通滤波器，耦接于该第二端与该第二通讯模组，用于传出或接收该低速讯号。

本发明的再一目的在于提供一种用于一具一全双工传输架构的四端多电脑切换器(KVM)系统的控制方法，包含下列步骤：(a)提供具第一端与第二端的一单一传输媒介、一高速讯号与一低速讯号；以及(b)使用一分频多工(FDD)方式传送该高速与该低速讯号，使该高速与该低速讯号可以同时在该单一传输媒介的该第一端与该第二端之间对向传送。

根据上述的构想，该方法还包括下列步骤：(c)提供耦接于该第一端的第一高通滤波器与第一低通滤波器，和耦接于该第二端的第二高通滤波器与第二低通滤波器；以及(d)使该第一与该第二高通滤波器的一通带(pass band)与该第一与该第二低通滤波器的一抑制频带(stop band)间具有一保护频段(guard band)，其中该保护频段为该通带与该停带之差。

为了让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1(a)显示了一传统的半双工单一传输媒介的电路图；

图1(b)显示了该图1(a)的一等效电路图；

图2(a)显示了一传统的全双工独立传输媒介的电路图；

图2(b)显示了该图2(a)的一等效电路图；

图3(a)显示了一传统半双工单一传输系统的传输强度对应传输频段的波形图；

图3(b)为一传统半双工单一传输系统的传输振幅对应传输时间(t)的波形图。

图4(a)显示了一传统全双工独立传输系统的传输强度对应传输频段的波形图；

图4(b)显示了一传统全双工独立传输系统的传输振幅对应传输时间的波形图；

图5显示了一依据本发明构想的较佳实施例的一电子讯号传输架构的架构示意图；

图6显示了一依据本发明构想的较佳实施例的电子讯号传输架构的该第一高通滤波器的第一子系统的第一较佳实施例与该第一低通滤波器的第一子系统的第一较佳实施例的电路图；

图7(a)显示了一使用PSPICE来测试依据本发明构想的较佳实施例的电子讯号传输架构时的模拟线路的电路图；以及

图7(b)显示了该图7(a)的一等效电路图；以及

图8显示了依据本发明构想的较佳实施例所提出的全双工传输系统的模拟结果的相关波形图。

主要元件符号说明

1：具半双工单一传输媒介的电子讯号传输架构

11，13，21，24，361，371：发送器

12，14，22，23，362，372：接收器

15，35：双绞线电缆            25：第一双绞线电缆

26：第二双绞线电缆

2：具全双工独立传输媒介的电子讯号传输架构

3：具全双工单一传输媒介的电子讯号传输架构

31：第一高通滤波器            32：第一低通滤波器

311，321，331，341：第一子系统

312，322，332，342：第二子系统

33：第二高通滤波器            34：第二低通滤波器

351：第一电缆线               352：第二电缆线

36：第一通讯模组              363，373：切换装置

364，365，374，375：开关  37：第二通讯模组

具体实施方式

请参阅图5，其显示了一依据本发明构想的较佳实施例的一电子讯号传输架构的架构示意图。该电子讯号传输架构3包括一传输媒介35，具有第一端与第二端，其中一高速讯号与一低速讯号是同时在该传输媒介(例如一Cat5电缆线的四对双绞线中的一对)35上对向传送，第一通讯模组36，第一高通滤波器31，耦接于传输媒介35的第一端与第一通讯模组36之间，用于传出或接收高速讯号，第一低通滤波器32，耦接于传输媒介35的第一端与第一通讯模组36之间，用于传出或接收低速讯号，第二通讯模组37，第二高通滤波器33，耦接于传输媒介35的第二端与第二通讯模组37之间，用于传出或接收该高速讯号，以及一第二低通滤波器34，耦接于传输媒介35的第二端与第二通讯模组37之间，用于传出或接收该低速讯号。

请参阅图6，其显示了一依据本发明构想的较佳实施例的一电子讯号传输架构的第一高通滤波器31的第一子系统311与第一低通滤波器32的第一子系统321的第一较佳实施例的电路图。第一子系统311包括电容C1、C2与C3及电感L1与L2，且第一子系统321包括电容C4与C5及电感L3、L4与L5。上述图6中的各该第一较佳实施例是藉由一组Chebyshev高通滤波器，其通带(Pass band)是1MHz与一组Chebyshev低通滤波器，其抑制频带(Stop band)是250KHz来达成，且并联于Cat5电缆的四对双绞线中的一对，藉此提供两组不同频率的传输通道，其中保护频带为750KHz。因此，高速传送(TX)信号的位元率(bit rates)不可低于2Mbps，低速接收(RX)信号的位元率不可高于500Kbps。高速信号输入端定义为P1，低速信号输入端定义为P2，连接Cat5电缆的输出端定义为P3。当然，滤波器的模式的选定，可以任意选择，除了上述使用的Chebyshev滤波器以外，亦可选择Butterworth滤波器或Bessel滤波器。

我们可以使用最贴近真实运作环境的时域(time domain)模拟来测试依据本发明构想的较佳实施例所提出的全双工传输系统的封包传送正确性。而图7(a)为使用PSPICE来测试时的模拟线路的电路图。该模拟线路的电路图中包括，例如该第一高通滤波器31的该第一子系统311的第二较佳实施例的电路图，其中包括电容C5、C6与C7及电感L1与L2，第二子系统312的较佳实施例的电路图包括电容C8、C9与C10及电感L3与L4，和该第一低通滤波器32的该第一子系统321的第二较佳实施例的电路图包括电容C12与C24及电感L7、L8与L17。此外，第二高通滤波器33亦包括第一子系统331与第二子系统332，且第二低通滤波器34亦包括第一子系统341与第二子系统342，以及显示第一通讯模组36与第二通讯模组37的较佳实施例的电路图。因为图7(a)中的各电子元件的符号均已标示于该电路图中，本领域具一般技艺者均能了解其所代表者为何种电子元件，例如，U59即为一IC晶片，故在此不再一一赘诉。从图7(a)的高速通道或是低速通道来看，均可在同时双向发送高低速信号后，在所属的高速或低速接收端解析出对应的高速或低速信号无误。

图7(b)为图7(a)的等效电路图，其中该双绞线电缆35还包括第一电缆线351与第二电缆线352，而各第一与第二通讯模组36/37还分别包括一发送器361/371，以及一接收器362/372；其中当该发送器361/371传出该高速信号时，该接收器362/372接收该低速信号，当该发送器361/371发出该低速信号时，该接收器362/372接收该高速信号。当该架构3于第一状态时，该第一通讯模组36用于接收该高速讯号与传出该低速讯号，且该第二通讯模组37用于接收该低速讯号与传出该高速讯号，而当该架构切换至第二状态时，该第二通讯模组37用于接收该高速讯号与传出该低速讯号，且该第一通讯模组36用于接收该低速讯号与传出该高速讯号，其中该第一状态与该第二状态的切换是经由一切换装置363/373及至少一开关，例如364与365以及374和375予以控制。而该第一状态与该第二状态的切换是经由一软件来控制。

另外，并可根据S-Parameter模拟来测试依据本发明构想的较佳实施例所提出的全双工传输系统3，其模拟结果的相关波形图如图8所示。在图8中，可以观察到低速通道在250KHz(位元率为500Kbps)时，Insertion Loss(接入损耗)S32在250KHz时仍保有相当优良的平坦性(Flatness)，并且Return Loss(回波损耗)S22亦相当低，仅有24.17dB，使得低速信号在抵制频带250KHz以内的失真低。当频率高于250KHz时，S32急速下降(High roll-off speed)。同理，高速通道在1MHz(位元率为500Kbps)时，Insertion Loss S31在1MHz平坦性佳，且Return LossS11同样相当低，仅有20.21dB。当频率为560KHz时，此为交越频率(Cross-overFrequency)，此时Insertion Loss S32＝S31＝26.9dB，表示高低速通道具备良好的隔离度。

当然，依据本发明构想的较佳实施例的电子讯号传输架构3(参看，例如图5)，亦可运用于一种多电脑切换器(KVM)系统，电性连接多台电脑及一组人性介面装置，包含一切换装置，切换该组人性介面装置与该些电脑之间的讯号传输路径，以及该电子讯号传输架构3。

综上所述，本发明提供一种单一传输媒介达成全双工传输系统的通讯架构，用以解决Cat5KVM系统于传统半双工系统上/下行传输，其频宽受到保护时间限制的问题，同时该单一传输媒介亦可避免如传统全双工独立传输系统必须额外使用独立传输媒介的缺点，故其具有极佳的产业利用性。

因此，纵使本发明已由上述的实施例所详细叙述而可由熟悉本技术领域者任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附权利要求书欲保护的范围。

Claims (10)

1.一种电子讯号传输系统，该电子讯号传输系统包括：

一传输媒介，具有第一端与第二端，一高速讯号与一低速讯号是同时在该传输媒介上对向传送；

第一通讯模组；

第一高通滤波器，耦接于该第一端与该第一通讯模组，用于传出或接收该高速讯号；

第一低通滤波器，耦接于该第一端与该第一通讯模组，用于传出或接收该低速讯号；

第二通讯模组；

第二高通滤波器，耦接于该第二端与该第二通讯模组，用于传出或接收该高速讯号；以及

第二低通滤波器，耦接于该第二端与该第二通讯模组，用于传出或接收该低速讯号；

其中当该系统于第一状态时，该第一通讯模组用于接收该高速讯号与传出该低速讯号，且该第二通讯模组用于接收该低速讯号与传出该高速讯号，而当该系统切换至第二状态时，该第二通讯模组用于接收该高速讯号与传出该低速讯号，且该第一通讯模组用于接收该低速讯号与传出该高速讯号，电子讯号传输系统是全双工模式。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该高速讯号与该低速讯号是以一分频多工方式传送；

其中，该第一与该第二高通滤波器与该第一与该第二低通滤波器之间的一保护频段大于500KHz；

其中，该高速讯号对该低速讯号频率的比值大于4；

其中，该传输媒介为一类别5电缆的四对双绞线其中之一对；

其中，各该第一与该第二高通滤波器是选自一切比雪夫高通滤波器、一巴特沃斯高通滤波器与一贝塞尔高通滤波器其中之任一，而各该第一与该第二低通滤波器是选自一切比雪夫低通滤波器、一巴特沃斯低通滤波器与一贝塞尔低通滤波器其中之任一。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该第一与该第二低通滤波器均具有一低通通带，该低速讯号的频率是在该些低通通带范围，该第一与该第二高通滤波器均具有一高通通带，该高速讯号的频率是在该些高通通带范围。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该第一状态与该第二状态的切换是经由一软件予以控制；或

该第一状态与该第二状态的切换是经由一切换装置及至少一开关予以控制。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，各该第一与该第二通讯模组还分别包括：

一发送器；以及

一接收器，

其中当该发送器传出该高速信号时，该接收器接收该低速信号，当该发送器发出该低速信号时，该接收器接收该高速信号。

6.一种多电脑切换器系统，电性连接多台电脑及一组人性介面装置，包含：

一切换装置，切换该组人性介面装置与该些电脑之间的讯号传输路径；以及一电子讯号传输系统，其更具有：一传输媒介，具有第一端与第二端，

一高速讯号与一低速讯号是同时在该传输媒介上对向传送；

第一通讯模组；

第一高通滤波器，耦接于该第一端与该第一通讯模组，用于传出或接收该高速讯号；以及

第一低通滤波器，耦接于该第一端与该第一通讯模组，用于传出或接收该低速讯号；

第二通讯模组；

第二高通滤波器，耦接于该第二端与该第二通讯模组，用于传出或接收该高速讯号；以及

第二低通滤波器，耦接于该第二端与该第二通讯模组，用于传出或接收该低速讯号；

其中当该电子讯号传输系统于第一状态时，该第一通讯模组用于接收该高速讯号与传出该低速讯号，且该第二通讯模组用于接收该低速讯号与传出该高速讯号，而当该系统切换至第二状态时，该第二通讯模组用于接收该高速讯号与传出该低速讯号，且该第一通讯模组用于接收该低速讯号与传出该高速讯号。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，该高速讯号与该低速讯号是以一分频多工方式传送；

其中，该第一与该第二高通滤波器与该第一与该第二低通滤波器之间的一保护频段大于500KHz；

其中，该高速讯号对该低速讯号频率的比值大于4；

其中，该传输媒介为一类别5电缆的四对双绞线其中之一对；

其中，各该第一与该第二高通滤波器是选自一切比雪夫高通滤波器、一巴特沃斯高通滤波器与一贝塞尔高通滤波器其中之任一，而各该第一与该第二低通滤波器是选自一切比雪夫低通滤波器、一巴特沃斯低通滤波器与一贝塞尔低通滤波器其中之任一。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，该第一与该第二低通滤波器均具有一低通通带，该低速讯号的频率是在该些低通通带范围，该第一与该第二高通滤波器均具有一高通通带，该高速讯号的频率是在该些高通通带范围。

9.一种用于一具一全双工传输系统的四端多电脑切换器系统的控制方法，包含下列步骤：

(a)提供具第一端与第二端的一单一传输媒介、一高速讯号与一低速讯号；以及

(b)提供耦接于该第一端的第一高通滤波器与第一低通滤波器，和耦接于该第二端的第二高通滤波器与第二低通滤波器，使用一分频多工方式传送该高速与该低速讯号，使该高速与该低速讯号可以同时在该单一传输媒介的该第一端与该第二端之间对向传送，其中当全双工传输系统于第一状态时，该系统中的第一通讯模组用于接收该高速讯号与传出该低速讯号，且该系统中的第二通讯模组用于接收该低速讯号与传出该高速讯号，而当该系统切换至第二状态时，该第二通讯模组用于接收该高速讯号与传出该低速讯号，且该第一通讯模组用于接收该低速讯号与传出该高速讯号。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

(c)使该第一与该第二高通滤波器的一通带与该第一与该第二低通滤波器的抑制频带间具有一保护频段，其中该保护频段为该通带与该停带之差。