CN114388194A - 低电容量的电缆及可变电容量的开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及关于通信电缆和开关的新技术和设计，所述通信电缆用于降低系统电容，所述开关用于改变系统电容以解决电容引起的信号延迟和通信失败的问题。所述通信电缆包括多种低电容量的不同散线；这些散线类别包括铜线、光纤和铜线混合线及HDMI线。根据本发明的实施例，可大幅度降低电缆的电容量，从而利用本发明的电缆在进行长距离的通信过程中，可以有效地保证高质量的通信。
Description
技术领域
本发明涉及以减小电缆电容量的办法来解决由电容引起的信号延迟及由此导致的通讯失败的新技术和设计。本发明还涉及用开关来改变系统电容量的办法来解决由电容引起的信号延迟及由此导致的通讯失败。
背景技术
现实生活中有大量的长距离通讯电缆的需求，尤其是家用电子、公司媒体需求和其他不同的工业应用。连接桌下的计算机和桌上的显示器的电缆只需要1到2米长。连接在会议厅一角的机柜里的媒体播放器到会议厅前方的大屏幕平板电视的电缆需要5到10米长。连接隔壁机房里的计算机主机到会议厅顶面的投影机的电缆需要30到100米长。连接不同建筑物之间的电缆需要几公里长。连接大洲的海底电缆有几千公里长。
电信号，作为电磁场，是以光速传播的。然而，由高电平1和低电平0组成的数字信号的传输速度要慢得多，因为电流需要把电缆和设备的电容从低电平充电到高电平，再从高电平放电到低电平。充电或放电需要的时间由公式t＝RC(RC时间常数)来决定，其中t是充电时间，R是系统阻抗，C是系统电容量。系统最大的信号数据率是由这个充电时间限制的。大多数通讯系统要求系统阻抗R是一个固定值(如75欧姆，100欧姆等等)来减少信号反射，所以减少时间延迟，提高通讯可靠度的主要办法就是减少系统(主要是电缆)的电容量。
大多数现代数字通讯标准，如DVI(Digital Visual Interface),HDMI(High-Definition Multimedia Interface),DP(DisplayPort),MHL(Mobile High-DefinitionLink)等，在其信号电缆内有三组导体。这三组导体分别是：A组，其用来传输单向高速音频、视频或以太网数据流的；B组，其用来传输双向低速数据，如DDC(Display Data Channel显示器数据通道)数据(这里往往包括EDID(Extended Display Identification Data扩展显示器识别数据)、HDCP(High-bandwidth Digital Content Protection高带宽数字内容保护)、CEC(Consumer Electronics Control家用电子控制)或其他辅助数据)；C组，其用来做地线连接、远程电源、HPD(Hot Plug Detection热插拔侦测)和其他类似功能的。
许多标准使用I2C(Inter-Integrated Circuit集成电路间)协议，因为它简洁。虽然本专利申请用I2C为实施例，本发明的实施方式可以被用在所有通讯协议上，如RS232,RS485,TCP/IP,USB,Bluetooth,FTP,SSH,TELNET,SMTP,POP3,IMAP4,HTTP,HTTPS,SIP或其他协议。本发明的电缆实施方式用减小电缆电容量的办法来减小系统延迟；或用开关实施方式来改变系统电容量来避免通讯冲突。任何软件协议都会受益于这些硬件的改进。
I2C协议依靠一个对时间敏感的，被称为“仲裁”的方式，即让发送设备来比较串行数据线(SDA)上的数据和它想送出的数据，来解决多个设备的通讯冲突。
许多在商业领域应用的音频视频通讯电缆都很长。这些长电缆经常有比较大的I2C导体到地线的电容量，会引起I2C数据的延迟。这些延迟往往使I2C“仲裁”机制无法工作，导致多个通讯设备冲突发生时使整个系统通讯无法进行。
HDMI中的I2C技术规格规定SDA(串行数据)线和SCL(串行时钟)线对地的电容量不能超过700pF。现有技术的AOC(有源光纤电缆)的SDA到地和SCL到地的电容量高达160pF/m(皮法每米)。这样一根不算很长的5米电缆的总电容量就已经是800pF了，超过了I2C技术标准的最大允许的电容量700pF。一根100米的长线的总电容量更是高达16000pF，远超I2C技术标准允许的最大700pF的许多倍。因此这些电缆的系统不会有可靠的I2C(或其他通讯协议)的通讯，通讯往往会因为超过电容量极限而中断。安装人员和维修工程师往往需要检查和更换系统中的设备来使系统的信号通讯工作起来。这不是我们想要的，但却是多个工业界现在还在面对的问题。
过去二十多年，许多发明家尝试多个方法来解决这个问题，都没有获得成功。这些现有技术都认定电缆电容量高是不可改变的，因为电缆电容量高是由设计缺陷引起的。比如，现有技术专利US8964861和US9397750使用I2C信号“加速”或“整形”，基本上就是把方波信号经过长电缆后变成的弧形的边缘再整形成陡直的边缘；但是它们都不能把已经延迟的信号在时间轴上提前来抵消已经发生的延迟，见图2。这些专利没有解决问题。专利US8984324使用一个非通用的协议用减低I2C频率的办法来补偿由长电缆的高电容值引起的信号延迟。比如，如果电容量是I2C允许的电容量的10倍，那么这个协议就把I2C时钟频率降低10倍。这个方法在实际世界中使得通信无法工作，因为它要求系统中的所有设备都必须使用这个非标准的协议；而且使用很低的数据时钟会使数据流太低，无法满足像HDCP这样的每2秒钟就要传送新的加密密码的通讯信号。所以这些发明人不但没有解决手上的问题，反而制造了商业系统的新问题。
发明内容
本发明的实施方式是把通讯电缆的B组导体放在散线截面的中间，远离散线的外屏蔽层，也远离C组的导体，来减小导体对地的电容量。本发明的其他实施方式从散线里取消了地线导体或屏蔽层来大幅度减小导体对地的电容量。使用这种电缆结构设计，B组导体对地的电容量可以大幅度减小到8pF/m，使长电缆的总电容量大幅度减少。这个设计是很有创造性的、不容易想到的设计，其克服了现有技术的偏见，减小了导体对地的电容量，用本发明的技术方案可以制造长达100米的电缆，其仍然可以符合I2C的电容量技术规范，从而解决了因系统电容量过大而引起的通讯失败的问题。
虽然本专利申请中的附图显示了四种HDMI电缆的实施方式的例子，有经验的人应该认识到本发明也可以被设置并用到许多广泛领域不同的电缆中，包括但不限于DVI、HDMI、DP、MHL。虽然本专利申请中的附图显示了光纤-铜线复合电缆和只有铜线的电缆的实施方式的例子，本发明同样可以被设置并用到许多其他广泛领域不同的电缆中，包括但不限于无源电缆、有源电缆、双绞线电缆、或同轴电缆、铝或钢材电缆等。
有时候通讯电缆实在是太长，总电容量实在无法低于I2C最大电容量的要求；或者电缆自己的电容量低于I2C最大允许电容量的要求，但是整个系统加上连接的设备后的总电容量还是超过I2C的最大允许电容量的要求。本发明还增加了针对这些情况的解决方案的技术方案，即在电缆插头本体或设备面板上加上一个DIP开关。DIP开关是一组手动电子开关在一个标准的双排封装(DIP)里。这个实施方式的DIP开关用来控制开关电路，它可以选择对I2C电路中的SDA和SCL线和地线之间加入或断开额外的电容器。这个电容量变化会对SDA和SCL线上的信号延迟量产生小的变化，从而使系统通讯工作。如果I2C多设备通讯在DIP开关的一个位置(即系统总电容量是一个数值)上有冲突时，那么这个系统的通讯在DIP开关的另一个位置(即系统总电容量是另一个数值)上就不会有冲突。这样最终用户就可以在系统通讯冲突发生时简单地把开关从一个位置拨到另一个位置，来解决通讯冲突。
虽然本专利申请中的附图和描述是用改变电容量的方法来避开通讯冲突，本发明也涵盖用改变电阻值的方法来避开通讯冲突。时间延迟的公式是t＝RC。改变R(电阻值)和、或C(电容量)都可以改变时间延迟t来避开通讯冲突。虽然本发明申请中的附图和描述是用DIP开关，本发明也适用轻触屏、按钮、计算机或智能手机等。虽然本专利申请中的附图中使用的是电子开关来做电容量改变的执行电路，本发明也适用机械开关、电压控制的可变电容器、可变电阻器等。这些不同选项也都在本方面申请的保护范围范围中。
在有些实施方式中，通讯电缆包括：一个或多个导体，该导体用于时效关键双向通讯；一个或多个接地元件；一个或多个绝缘体，其被夹在一个或多个导体和一个或多个接地元件之间，用于使导体和接地元件之间的距离尽可能远，从而减小他们之间的电容量；其中一个或多个导体和一个或多个接地元件被一个或多个绝缘体隔开的距离可以是大约0.5毫米，大约1毫米，大约2毫米，大约5毫米，和从大约0.1到大约20毫米。在其他实施方式中，该通讯电缆可以是DVI，HDMI，DP或MHL电缆。其他不同的实施方式中上边通讯电缆的实施方式的一个或多个导体的双向通讯可以是I2C,IP,RS232,RS485,或USB。
在上述通讯电缆的一些实施方式中，所述通讯电缆还可以包括外被、和电缆整体的编织网屏蔽层；和单个导体的编织网屏蔽层。在其他实施方式中，一个或多个用于时效关键双向通讯的导体放在电缆散线的横截面的中间，一个或多个接地元件放在电缆散线的最外边，它们之间由绝缘体和其他导体隔开。在本发明的其他实施方式中，电缆的整体屏蔽层，包括整体编织网和整体铝箔包覆层都被去掉，来实现通讯导体和地线中间电容量的最大程度减小。
在特定实施方式中，在通讯电缆中的一个或多个绝缘原料实施方式可以是尼龙填充、铁氟龙薄带、绵纸、PVC管子、和其他不接地的导体或绝缘体。
在其他实施方式中，在电缆插头本体上的或在设备面板上的开关可以有一个用户界面；一个或多个电阻器或电容器；一个或多个通讯导体；和至少一个执行电路；其中用户界面控制执行电路；执行电路可以把一个电阻器或电容器连接到每个通讯导体或把它们断开。在这些实施方式中，通讯电缆的用户界面可以是DIP开关，拨动开关，按钮，旋转开关，或计算机或智能手机的应用指令。在这些实施方式中，通讯电缆的执行电路可以是电子开关、机械开关、电压控制的可变电容器或电阻器等。还有，在其他实施方式中，通讯电缆传送的信号可以是I2C,IP,RS232,RS485,USB，模拟的行同步信号、场同步信号；通讯电缆或设备之间的互联标准可以是DVI,HDMI,DP,MHL,USB,VGA,和RGBHV其中任一个互联标准。
本发明提供了多种方法来减少光纤-铜线或只有铜线的长电缆的电容量，以此来把多设备通讯冲突的问题一次解决掉。I2C导体到地的电容量可以被减低到8pF/m，比现有技术减少了多达20倍！用本发明的实施方式，一个很长的50米的电缆的总电容量仅有400pF，远低于I2C技术规范的最大允许的700pF。即使是非常长的100米的电缆的总电容量也仅为800pF，仅比技术规范的最大允许的700pF大一点，在实际应用中应该可以提供几乎完美的通讯。所以，本发明的实施方式大幅度提高了可以提供完美或近乎完美的通讯的电缆的长度范围，解决了许多实际生活中的应用需要。而且，本发明的散线使用横截面的轴对称设计，加入填充物来保持散线的圆形外被。这些设计可以充分利用现有量产机器，使新散线的制造成本保持很低。最后，本发明还提供了在整体系统的电容量超过I2C技术规范允许的最大值时也能够使系统正常工作的方法:通过改变系统电容量。
附图说明
图1代表性的示意了一个现有技术I2C协议的多设备通讯冲突管理系统。
图2代表性的示意了通讯线路中的电容如何引起信号延迟。
图3代表性的示意了一个现有技术HDMI连接器管脚功能和分组。
图4代表性的示意了一个现有技术AOC(有源光纤电缆)散线的截面图。
图5代表性的示意了本发明之一的光纤铜线混合电缆散线的截面图。
图6代表性的示意了本发明的另一种光纤铜线混合电缆散线的截面图。
图7代表性的示意了本发明之一的铜线HDMI电缆散线的截面图。
图8代表性的示意了本发明之一的改变电容量的开关电原理图。
图9代表性的示意了本发明之一的带有可变电容量开关的HDMI电缆插头。
图10代表性的示意了本发明之一的HDMI光纤铜线混合电缆的内部电路方框图。
具体实施方式
为了便于本领域一般技术人员理解和实现本发明，现结合附图描绘本发明的实施例。
现有技术I2C仲裁机制
参见图1，示意地显示了I2C仲裁机制如何工作的信号波形图100。I2C连接多个设备；每个设备都可以是主设备(发送数据)或从设备(接收数据)(102,104)，但是在任何时刻都只能有一个主设备。当任何时刻有多于一个主设备时，通讯冲突就发生了。在图1中，102是一个准备发送数据的(主)设备的数据；104是另一个也准备在同一时间发送数据的(主)设备的数据；106是I2C的SDA(串行数据)线(或母线)的数据波形图。108是I2C的SCL(串行时钟)线(或母线)的时钟波形图。在110时刻和120时刻，两个主设备的数据很类似，SDA跟随两个主设备的数据。在130时刻，主1的数据102是逻辑“1”，主2的数据104是逻辑“0”。在这个情况下，SDA线的数据在132时刻跟随逻辑“0”。在这个时刻，主1发现SDA线的数据没有跟随它的数据，就意识到还有其他主设备在发送数据，这个主1输掉了仲裁，现在暂时改成从设备(接收数据)。在这种仲裁机制中，时间关系非常重要，其所对应的通讯方式称为时效关键双向通讯。每个设备都必须相对的在时间上同步，通讯线上的延迟必须比SCL时钟周期小足够多，才能使这些冲突的识别机制和仲裁机制能够正常工作，使系统数据通信正常工作。本发明的多种实施方式的目的就是让实际应用的长线通讯中用的这种关键的I2C通讯可以可靠工作。
现有技术：为什么信号波形重整不能解决问题？
参见图2，示意地显示了波形图200，其中202是原始的方波波形，212是经过有电容量的通讯线路之后边角变“圆滑”了的信号波形，222是经过信号整形(或叫加速，或叫处理)电路后的方波波形。原始信号202的上升沿是在206时刻。一旦原始信号212变成了“园”角，波形整形电路是设定为在信号电压超过一个预先设定的阈值214后把数据从逻辑“0”转换成逻辑“1”，输出信号222现在的上升沿时钟226时刻。226时刻很清楚地永远晚于206时刻；它们的时间差就是通讯线路的延迟236。不管这个整形过的信号222和原始信号202在波形上怎么相似，这个时间延迟236永远存在。因为在通信线路远端的收到信号212的接收机是无法从它的角度来预测未来会发生什么，它是无法在收到信号的226时刻之前来产生信号222的上升沿的。换句话说，一旦信号被延迟，它就无论如何都不可能被“去延迟”。这就是为什么现有技术的I2C“加速”或“整形”做法都无法消除光-铜混合线或全铜线的长电缆中的I2C通讯冲突。本发明的多种实施方式就是要克服这些不足，让实际生活中需要的长电缆的I2C通讯可以可靠进行。
现有技术：通讯电缆导体分组
参看图3，300示意地显示了HDMI电缆的管脚和导体配置图表。在19个管脚和导体中，前12个(第1到12管脚)组成4个TMDS(转换最少化的差分信号)或FRL(固定速率链接)双绞线。这些导体用来传送高速单向信号。这些管脚和导体被归类为A组302导体。下4个导体(管脚13到16)用来传送低速双向信号，如CEC(家用电子控制)，Utility(辅助线),和I2C通讯的SCL(串行信号时钟)和SDA(串行信号数据)线；这一组管脚和导体被归类为B组304导体。最后3个导体(管脚17到19)是地线、或者与地线之间有低阻抗的线如5伏电源，HPD(热插入侦测)；这个最后一组的管脚和导体被归类为C组306导体。任何电源线包括5伏线到地的阻抗几乎是零，所以5伏线是与地线之间有低阻抗的线。HPD线和5伏线连通，所以也是与地线之间有低阻抗的线。本发明的实施方式是多种可以量产的，把B组导体对地电容量减到可能做到的最小，来使长线I2C通讯在实际生活中可靠工作的办法。
现有技术：散线电容量基本知识
两条平行扁平散线之间的每米电容量公式是:
其中w是扁平线导体的面积，d是两个导体之间的距离。两条平行园导体之间的每米电容量公式是:
其中D是两个导体圆心之间的距离，a是每个导体的直径。在这些例子中，两个导体之间的距离越远，他们之间的每米电容量越小。还有，某个散线结构的每米电容量是固定的，每个电缆的总电容量和电缆长度成正比，也就是说，电缆越长，I2C通讯出问题的可能性就越高。在这两个例子中，εo是空气的绝对介电常数，
εr是介质的相对介电常数。空气的εr为1，铁氟龙为2.1，纸为2.3，尼龙为4到5。所以首选的和最有效的减低电缆电容量的办法包括让导体和地线之间的距离尽量地大，并、或把它们之间的空间用εr最小的绝缘体来填充。绝缘体可以是任何可以用的包裹，管子，填充物，编制或是空气(空间)。导体对地线的距离可以根据电缆的应用环境来设计成合适的尺寸。对中等长度的电缆，导体对地线的被绝缘体隔开的距离可以是0.5到3毫米。对很长的电缆，这个距离可以是5到20毫米。需要的话，导体之间的空间应该用绝缘体充满，以保持电缆的机械强度。空气(空间)的εr最小，所以应该是用来减小电容量的首选。铁氟龙和尼龙也是填充空间的好材料，代表其它的实施方式。
现有技术AOC(主动光纤电缆)散线横截面
参看图4，400示意地显示了现有技术AOC(主动光纤电缆)散线的横截面图。这个光纤电缆的A组442线是四根光纤412被薄的材料410包裹。这个薄材料可以是铁氟龙薄带，绵纸或其它材料。B组的线444和C组的线446这些导体被薄的绝缘材料424包裹；它们在整体屏蔽层420之内，没有特别区分B组或C组。这个屏蔽层420可以是铜或铝编制或铝箔包裹。最外边是整体外被402。这个电缆外被可以是PVC或其它可以用的绝缘体材料。在这个普遍的设计中，B组444的导体422和接地的外屏蔽层420是紧挨着的，所以422和420之间的距离很小。根据上一段落的讨论，这个很小的距离会使B组444导体包括I2C的SCL和SDA导体422与接地的屏蔽层420之间的电容量很大。还有，因为C组446的导体422和B组444的导体422是混在一起不区分的，这样B组444的导体很有可能与C组446的导体从一边或两边相接触。C组446导体是地线或与地线有关的线。这个B组的I2C导体与C组的与地线有关的导体之间的很小距离会导致它们之间的很大电容量。这个I2C导体与电缆整体屏蔽层和与地线有关的导体之间的小距离是引起AOC(主动光纤电缆)和铜线长线电缆的I2C通讯问题的根本原因。图4显示的这样的现有技术HDMI AOC电缆在5米的长度就不能可靠工作了，因为它的I2C电容量已经超过了HDMI规范允许的最大700pF。这个线长的限制无法适用于把会议厅桌上的笔记本电脑连到大屏幕电视的应用需求。本发明的实施方式就是克服这些缺陷，使在实际生活中的长距离电缆的I2C通讯可以可靠工作。
本发明：光纤铜线混合电缆；散线横截面
参看图5，示意地显示了本发明的光纤铜线混合HDMI电缆的散线横截面图500的一个例子。在一个实施方式中，A组542的光纤512放在散线横截面的正中央，被薄的绝缘层510包裹。这个510层可以是铁氟龙薄带，绵纸，薄PVC管或类似材料。在一个实施方式中，B组544的四个导体522和它们的绝缘层524被紧排在A组542的光纤512和它们的包裹层510的外边，并被薄的绝缘层520包裹。这个520层可以是铁氟龙薄带，绵纸，薄PVC管或类似材料。这个绝缘层520的材料厚度可以根据需要的机械强度来选取，比如说，可以是大约0.1毫米，大约0.5毫米，大约1毫米，大约2毫米，或从大约0.1毫米到大约20毫米的任何厚度间隔(如0.05毫米，0.1毫米，0.2毫米，0.5毫米或其他)。在本实施方式中，C组546的导体532和它们的绝缘层534被均匀地排在B组544的包裹之外。重要的是，C组546的导体532之间空隙被填充绝缘体填充物536充满，以保证整体电缆散线的横截面是圆形，来防止散线内部的元件随便移动，使生产过程能够轻松的使用现有机器。空气(空间)有最小的εr应该是减小电容量的绝缘体填充物首选。铁氟龙，纸，尼龙和其他有弹性或硬的材料也可以被用来做空间填充物的材料。所有这些元件被整体屏蔽层530包裹。这个整体屏蔽层可以是铝编制或铝箔，或其他可用的已知材料。最后，外边是整体外被502。这个外被502可以是PVC，TPE，FEP或其他可用的已知材料。在本设计中，对时效关键的B组544导体522被设计的与整体屏蔽层530在可能的最远的位置，所以这些导体到地之间的电容量被减到可能的最小。这是本发明用来解决长距离AOC光纤和混合电缆通讯问题的关键而且不容易想到的基本实施方式。这些根据本发明实施方式的图5制造的光纤铜线混合电缆的散线把每米的I2C电容量比根据现有技术图4制造的AOC光纤的散线减少了大约5倍！这些使本发明的长达25米的HDMI电缆还照样符合HDMI规范的I2C电容量最大700pF的指标从而可靠地工作；这个长度的电缆可以满足中等到大型会议厅的连接会议桌上的电脑到会议厅前墙上的大电视的应用。B组导体到地线之间的距离可以根据电缆的应用来设计。中等长度的电缆，它的散线导体对地线的距离可以是大约0.1毫米到大约3毫米。很长的电缆，这个距离开始是大约3毫米到10毫米甚至20毫米。所有用来充满B组导体544与整体屏蔽层530之间的空隙，来保持它们分开，包括薄层520，空间填充物536和空间538的绝缘体统称为“绝缘体元件”。所有整体屏蔽层530和其他C组546的那些在设备里连到地线的导体统称为“地线元件”。所有其他变化，如导体的材料或数量，导体用途，电缆的名字，标准，协议等只是本发明可以被用到的例子，和有经验的工程师可以学到的技术，这些都是在本发明涵盖范围之内。
本发明：光纤-铜线混合电缆；散线横截面
参看图6和图10，示意地显示了本发明的一个实施方式的光纤-铜线混合HDMI电缆的散线的横截面600。本光纤电缆的A组642是4条被薄层材料610包裹的光纤612。这个薄层材料可以是铁氟龙薄带，绵纸或其他绝缘材料。B组644和C组646的被薄层绝缘材料624包裹的导体622是同样的，不分彼此的导体，随机的被排放在整体绝缘包裹层620里边。这个绝缘层620可以是铁氟龙胶带，绵纸或其他绝缘材料。电缆最外层的材料是整体外被602。这个外被602可以是PVC或其他已知的可以用在这里的绝缘材料。B组644或C组646里的导体都不要或尽量少地直接接地，或与该电缆1000中的与地线低阻抗的终端连接，或通过系统里相连的电子设备接地；这样可以使这些低速数据通信的导体与系统地线之间的电容量最小。
参看图9和图10，现在在电缆层次来描述本发明。在光纤铜线混合电缆的实施方式中，该电缆使用图6的散线，如图10所示，在输入端插头本体里边有一个电路板1012，上边的集成电路芯片1014把高速数据的TMDS信号转换成4个光信号，然后通过4个光纤1024传输。在电缆输出端的插头本体里还有另外一个电路板1032，上边的集成电路芯片1034把四个光信号转换回高速TMDS电信号。这个设计把最大的EMI(电磁辐射)的发射源消除了，因为高速数字TMDS信号不再是用电子形式传输，而是用图6中的4条光纤612来传输。本发明的实施方式把现有技术的电缆整体屏蔽层，如图4中的元件420，改成了任何适用的绝缘包裹层，如图6中的元件620。在有些其他的实施方式中，电缆输入端的插头本体中的信号和电源地线通过输入端的插头和插座与信号源设备相连；电缆输出端的插头本体中的信号和电源地线通过输出端的插头和插座与终端设备相连；本发明的有些实施方式不把这些电缆插头本体电路板上的信号和电源地线与连接电缆输入端和输出端之间的散线相连。本发明的这些实施方式保证了在散线的全长中没有接地的屏蔽层，离DDC(Display Data Channel)最近的导体都不接地或最少的导体接地或接电源(电源对地阻抗低)，以此来使DDC导体对地线的电容量最小。这是本发明的很有创新的地方，也是不容易想到的解决长通讯电缆I2C通讯问题的关键。这个本发明的图6显示的实施方式的光纤铜线混合电缆散线的每米I2C电容量比现有技术的图4显示的AOC散线减少了令人吃惊的大约10倍！这使得本发明的长达50米的HDMI电缆的总I2C电容量还在HDMI规范的最大700pF之内，还可以可靠工作；这个长度可以满足很大的会议厅内把办公桌上的电脑连接到前墙的大电视或室内房顶的投影电视上的需求。
本发明：铜线；散线横截面
参看图7，示意地显示了本发明铜线HDMI电缆散线的横截面的一个例子700。在这个实施方式中，4个B组744的导体722和它们的绝缘体724被放在散线横截面的中心，由薄层720包裹。这个薄层720可以是铁氟龙薄带，绵纸，薄PVC套管或其他已知的可以用在这里的绝缘材料。薄层720的厚度可以根据需要的I2C每米电容量来选取，比如，大约0.1毫米，大约0.5毫米，大约1毫米，大约5毫米，或从大约0.1毫米到大约20毫米。在本实施方式中，A组742的每队双绞线的导体712，它们的绝缘体714，地线716被薄层710包裹，被均匀地排放在B组744组合的外边。这里，C组746的导体732和它们的绝缘体734也被均匀排放在B组744组合的外边，并和A组742的多个双绞线交错排布。所有这些元件都被整体屏蔽层730包裹。这个整体屏蔽层可以是铝编织和、或铝箔，或其他已知的可用的材料。最外边是整体外被702。这个外被702可以是PVC，TPE，FEP或已知的可用的绝缘材料。在这个设计中，对时效关键的B组744的导体722被放在离整体屏蔽层730最可能地远的地方，这样它们之间的电容量也是最可能地小。这是本发明的很有创新的，不容易想到的解决长通讯电缆I2C通讯问题的关键。B组导体744和接地屏蔽层730之间的距离可以根据电缆应用的需求而变化。对中等长度的电缆，这个散线中的导体到地线的距离可以是大约0.5到大约3毫米。对很长的电缆，这个距离可以是大约3毫米到大约20毫米。如果需要，导体之间的空隙应该用绝缘的填充物充满以保证电缆的机械强度。空气(空间)有最小的εr所以应该是减少电容量的首选。铁氟龙，纸，尼龙或其他绝缘的，柔软或坚硬的材料也可以作为空间填充物。所有这些绝缘的，用来填充B组导体744和整体屏蔽层730之间的空隙来保持它们被分开的元件，包括薄层720，填充物736(如果需要；图中未画出)和空地738，统称为“绝缘元件”。所有整体屏蔽层730，单个双绞线的屏蔽层710和任何C组746中在设备内接地的导体，统称为“接地元件”。其他所有变化，如材料，导体数量，导体功能，电缆名称，标准，协议等都是有经验的工程师可以知道的应用本发明的例子，也是在本发明的保护范围中。图7显示的本发明的铜线散线比图4显示的现有技术AOC散线的I2C电容量减少了大约3倍。这使本发明的实施方式中的长达15米的HDMI电缆的I2C电容量还在HDMI最大允许的700pF之内，所以可以可靠工作；这样的长度可以适合中小会议厅的连接会议桌上的笔记本电脑到会议厅前墙上的电视的应用场合。
本发明：可变电容量或电阻值的开关电路
参看图8，示意地显示了本发明的可变电容量的电路的实施方式的一个例子。在上述本发明实施例的描述了本发明的前半部分，用来从根本上解决I2C通讯的问题，即大幅度减小长电缆的I2C电容量。可是在有些商业使用中需要非常长的电缆，电缆的I2C电容量还可能超过I2C标准的极限；或者即使电缆的I2C电容量在I2C标准的极限之内，两端的电子设备还有它们自己的I2C电容量，这样整个系统的I2C电容量还是有可能超过标准的极限。本发明的后半部分是针对系统总I2C电容量超过I2C标准极限的情况下如何使系统照样正常工作。当电子设备检测到了由I2C通讯长时间延迟引起的通讯错误时，这些设备会在短时间停顿之后再试着重新恢复通讯；这个停顿时间可以是1，或2，或3秒之后。如果后来的通讯成功了，用户也许就根本不知道前边发生过通讯问题。这个通讯失败只有在不仅第一次尝试时失败，而且之后每次尝试都失败的情况下，才能被用户察觉。让这样的情况发生，下边3个条件必须同时都满足：1)系统的I2C电容量超过I2C标准的极限；2)系统中在某个时刻有多于一个设备试图发送信号；3)在前边通讯冲突后，这些多于一台的设备又在经过同样停顿时间之后再试再冲突。第1和第3个条件是由现有系统里的设备和电缆决定的固定参数，不可改变。只有第2个条件相对容易改变：即改变系统通讯时间关系。通讯系统中的信号延迟量是：所以改变R(电阻值)或、和C(电容量)就可以改变系统的时间关系。本发明用一个开关来控制可变的电缆电容量或电阻值；在开关的一个位置，额外的电容器或电阻器被加入现有电缆的通讯线路中；在开关的另一个位置，这个电容器或电阻器没有被加入，见图8在这个实施方式中，802是电缆的I2C SDA线路；804是电缆的I2C SCL线路；806是电缆的地线。在本实施方式中，812是电缆的本体SDA线路到地线的电容量。814是电缆的本体的SCL线路到地线的电容量。832是用户可以操作的开关。在不同的实施方式中，它可以是DIP开关，拨动开关，轻触开关，旋转开关，计算机或智能手机的应用程序，或其他有经验的工程师知道的开关。在开关的一个位置，执行电路834把电容器822连到SCL线路，把824连到SDA线路。在开关的另一个位置，电子开关电路会把它们从那两条线路上断开。执行电路可以是电子开关，机械开关，电压控制的可变电容器或电阻器等。如果用户发现系统有了由高I2C电容量引起的I2C通讯冲突造成的系统失败，他只需要把开关从一个位置拨到另一个位置，这样系统I2C通讯的时间关系会有小的但是有效的改变来阻止通讯失败。这个改变把前边讨论过的让系统通讯持续失败的3个必要条件中的一个改变了，这会使由I2C控制的数据通讯系统重新工作起来。本发明的实施方式是用改变系统电阻值和、或电容量的办法让通讯失败的系统重新工作起来。不同的用户界面，执行电路，增加的不同的电阻器阻值或电容器的容量，不同的电缆种类等只是有经验的工程师可以应用本发明的例子，也都在本发明的涵盖范围中。本发明的实施方式也可以被用到模拟信号的VGA或RGBHV的行同步信号或场同步信号电缆中或被应用到其他模拟信号格式中。
本发明：改变电容量或电阻值的用户界面
参看图9，示意地显示了本发明可变电容量电路的用户界面的实施方式的一个例子。HDMI电路的插头本体902通过张力缓冲部906连到散线908。在插头本体902上有一个单刀开关904，有两个开关位置(双掷)；它就是图8中的开关832。在开关的一个位置上，它使图8中的执行电路834到连通的位置，把两个电容器822和824分别连到电缆的两跟导体上。在开关的另一个位置，它把图8中的执行电路834到断开的位置，把两个电容器822和824分别从电缆的两个导体断开。当用户在实际应用中发现系统有I2C通讯问题时，他只需要把开关904从一个位置拨到另一个位置。这样会改变I2C通讯的时间关系从而避免了多设备企图同时发送信号引起的冲突，而使系统重新工作起来。这只是用户界面的一个实施方式。不同的用户界面，执行电路，不同的增加的电阻器的电阻值或电容器的电容量，不同的通讯标准，电缆种类等和其他适用的元件都是有经验的工程师可以根据本发明实施的例子，都在本发明涵盖范围之内。
本发明：光纤-铜线混合电缆方框图
参看图10，示意地显示了HDMI光纤-铜线混合电缆的一个实施方式的方框图。这个电缆1000包括一个带有内部电路板1012的输入连接器1002；一个带有内部电路板1032的输出连接器1042。该输入连接器1002包括19跟管脚1004，管脚号码从1006的管脚1起。其中12个管脚(管脚1到12)把高频电子信号送往集成电路1014做转换。输入电路板1012包括一个集成电路芯片1014。该集成电路芯片1014包括4个电到光的转换器1016。每个转换器把从3个管脚1017(正输入，负输入和地线)输入的电信号，转换成光信号，从光信号接口1018输出。4个光信号通过4个光纤1024传到电缆的另一端。其他从输入连接器1002的管脚13到16来的低速电信号通过铜导体1026直接送到电缆的另一端。在电缆的另一端，有电路板1032。电路板1032包括一个集成电路芯片1034。该集成电路芯片包括4给光到电的转换器电路1036。每一个转换器电路1036把从1个光纤1037来的光信号转换成电信号，并从输出连接器1042的3个管脚1038(正输出，负输出，地线)送出。在这个设计中，最大的EMI(电磁辐射)源被取消了，因为高速TMDS信号没有被以电的方式传输，而是被以光的方式通过4跟光纤1024传输。在系统可以通过HDMI电缆以外的元件来连接设备之间的地线时，本发明还有图10没有画出的其他实施方式，可以单独使用或联合使用。输入连接器1002的5伏线1019(管脚18)于HPD(热插拔感知)的管脚19在输入端电路板1012上连通，来提供电缆插入源设备的回馈。这两个管脚不和任何该电缆中间散线的导体1026连接。输出连接器1042中的5伏管脚18和HPD(热插拔感知)的管脚19都不和任何电缆中间的散线导体1026连接。注意在理想的实施方式中，尽可能多的在输入连接器1002中的地线管脚(管脚2，5，8，11，17)和与地线之间的阻抗很低的管脚(管脚18，19)，都不通过电缆散线的导体1026与输出连接器1042相应的管脚相连。理想的实施方式利用了这个重要元件，即把这个版本的HDMI光纤-铜线混合电缆中的尽可能多的地线和对地有低阻抗的线在电缆两边的连接去掉。有经验的工程师可以知道怎样把这些本发明的要点用于其他连接器或电缆格式，比如DP,DVI,MHL或其他新开发的格式；这些都在本发明的涵盖范围中。
Claims (10)
1.一种通讯电缆散线，包括至少一个用于时效关键双向通讯的导体，其特征在于，所述通讯电缆散线还包括：
至少一个地线元件；
至少一个绝缘体元件，其被夹在所述至少一个导体与所述至少一个地线元件之间，并尽可能加大所述至少一个导体和所述至少一个地线元件之间的距离，以减少所述导体和地线元件之间的电容量；
该被至少一个绝缘体分开的导体和地线元件之间的距离从包括：大约0.5毫米到大约1毫米，或大约1毫米到大约2毫米，或大约2毫米到大约5毫米，或大约0.1毫米到大约20毫米的数字范围中选取。
2.根据权利要求1所述的通讯电缆散线，其特征在于，
电缆规格从包括DVI，HDMI，DP和MHL的电缆规格中选取；
其双向通讯的协议从包括I2C,RS232,RS485,TCP/IP,USB,Bluetooth,FTP,SSH,TELNET,SMTP,POP3,IMAP4,HTTP,HTTPS,SIP协议中选取；
其中，电缆还包括：包裹多个导体的整体编织屏蔽层；和整体金属箔包覆层；
其中，绝缘体从包括空间(空气)，尼龙填充物，铁氟龙薄带，绵纸，PVC套管的绝缘体中选取。
3.根据权利要求1所述的通讯电缆散线，其特征在于，至少一个用于时效关键双向通讯的导体被放在散线横截面的正中间，并把其他绝缘体元件和其他导体排布并充满至少一个时效关键双向通讯的导体与在散线最外围的至少一个地线元件的整体屏蔽层之间。
4.一种用于改变系统参数或在通讯电缆上或在通讯设备上的开关；其特征在于，该开关包括：
至少一个用户界面；
至少一个电容器或电阻器；
至少一个通讯电缆；
至少一个执行电路；
其中用户界面控制执行电路；执行电路可以把至少一个电容器或电阻器与至少一个通讯导体之间连通或断开。
5.根据权利要求4所述的开关，其特征在于，
其中至少一个用户界面从包括DIP开关，拨动开关，按压开关，旋转开关，计算机或智能手机应用程序指令中选取；
其中执行电路从包括电子开关，机械开关，电压控制的可变电容或电阻中选取；
其中的电缆传输的信号从包括I2C,IP,RS232,RS485,USB协议或模拟行同步头或场同步头中选取；
其中通讯电缆和设备的互联标准从包括DVI,HDMI,DP,MHL,USB,VGA,和RGBHV标准中选取。
6.一种通讯电缆散线，其特征在于，其包括：
至少一个导体和至少一根光纤；
一个包裹至少一个光纤的绝缘层来形成光学组件；
一个包裹所有导体和光纤的绝缘层；和
一个在包裹所有导体和光纤的绝缘层外边的绝缘整体外被；其中没有包裹导体和光纤的整体导电屏蔽层。
7.根据权利要求6所述的通讯电缆散线，其特征在于，其中的绝缘层材料从包括铁氟龙薄带，绵纸，PVC套管的绝缘材料中选取。
8.一种通讯电缆，其包括权利要求6所述的通讯电缆散线，其特征在于，还包括一个在输入端的带电路板的连接器，和一个在输出端的带电路板的连接器；
这两个连接器之间的散线从包括DVI,HDMI,DP,MHL或其他电缆规格中选取；
每端都有一个电路板；
该在输入端的电路板包括用来把至少一个高速电子信号转换成至少一个光信号并通过散线中的至少一个光纤来传输的电路；输入端的电路板还包括用来把至少一个低速电子信号通过散线中的至少一个导体来传输的电路；
该在输出端的电路板包括用来把从散线的至少一个光纤传来的至少一个光信号转换成至少一个高速电子信号；该在输出端的电路板还包括用来接收从散线的至少一个导体传来的低速电子信号的电路。
9.根据权利要求8所述的通讯电缆，其特征在于，其中输入端的地线管脚和与地线之间有低阻抗的管脚，不通过散线的导体与输出端的对应的地线管脚和与地线之间有低阻抗的管脚连接。
10.根据权利要求8所述的通讯电缆，其特征在于，其中的电缆种类是HDMI；
其中输入端的电路用来把4个TMDS高速电子信号转换成4个光信号，用4个光纤传输；
其中输入端的电路用来把包括CEC,Utility,SCL,SDA的低速电子信号通过导体传输；
其中的地线管脚2，5，8，11不通过散线的导体连到输出端的连接器。
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