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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Vermittlungssystem zum Miteinanderverbinden mehrerer
Endgeräte
oder Workstations von Computernutrern, die jeweils Nutrerschnittstellengeräte einschließlich einer
Tastatur, einer Videoanzeigeeinheit und eines Cursorsteuergeräts oder
einer Maus (KVM) aufweisen, mit mehreren Computern in einem Computernetzwerk,
was einem Nutzer ermöglicht, von
den Nutrerschnittstellengeräten
eines einzelnen Endgerätes
oder einer einzelnen Workstation auf irgendeinen oder mehrere der
Computer zuzugreifen. Wegen der potentiell großen Anzahl von Computern, die
mit dem System miteinander verbunden werden können, wird es als "high end"
(bzw. "Hochqualität") bezeichnet.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein Vermittlungssystem für Tastaturen,
Videoeinheiten und Mäuse
(KVM), um eine einzelne Workstation mit mehreren entfernt gelegenen
Computern selektiv miteinander zu verbinden, ein "low-end"-System,
ist zum Beispiel in US-A-5,499,377 (Designed Enclosures, Inc.) beschrieben,
und solche Systeme sind von Cybex Inc. und anderen Zulieferern erhältlich.
"High end"-KVM-Systeme, bei denen mehrere Workstations über einen
computerisierten Netzwerkverteiler mit einem von mehreren Computern
selektiv miteinander verbunden werden können, sind u.a. von Cybex Inc.,
Apex PC Solutions Inc., Rose Electronics Inc., Lightwave Communications
Inc., C-C-C Group Limited erhältlich.
Diese Systme erleichtern die Systemverwaltung bzw. -administration
in einem Lokalbereichsnetr von einer einzelnen Workstation, die sich
in einem anderem Raum oder Gebäude
als miteinander verbundene Computer wie z. B. Server in einem großen Client-Servernetz
befinden kann. Der Bedarf an Kabeln zur gegenseitigen Verbindung
wird ebenfalls reduziert.
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Ein typisches Hochqualitäts-KVM-Vermittlungssystem
ist in US-A-5,721,842 (Apex) beschrieben. Schnittstelleneinheiten
zur Signalaufbereitung empfangen Tastatur- und Maussignale von einer Workstation
und erzeugen serielle digitale Datenpakete, die zu einem Netrwerkverteiler
mit einem zentralen Kreuzungspunktschalter übertragen werden. Der Kreuzungspunktschalter
leitet das Tastatur/Maus-Paket zu einer anderen Schnittstelleneinheit
zur Signalkonditionierung, die mit dem ausgewählten entfernt gelegenen Computer
gekoppelt ist. Analoge Videoausgangssignale vom entfernt gelegenen
Computer werden über
eine zentrale analoge Kreuzungspunktschaltanordnung zur Workstation übertragen,
so dass es dem Nutrer der Workstation scheint, dass es eine direkte
Verbindung zwischen der Tastatur, dem Videomonitor und der Maus
zu einem von 32 entfernt gelegenen Computern gibt.
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Der Netzwerkverteiler umfasst eine Haupt-Zentralverarbeitungseinheit
(CPU), mehrere identische Sende/Empfangskarten, mehrere Vermittlungs-
bzw. Schaltkarten, die jeweils einen digitalen 16 ×16-Kreuzungspunktschalter
und einen separaten analogen 16 × 16-Kreuzungspunktschalter aufweisen, eine
digitale Rückwandleiterplatte
(engl. backplane) und eine separate analoge Rückwandleiterplatte. Solch ein
System muß zur
Entnahme oder zum Aufrüsten
bzw. Aktualisieren von Karten abgeschaltet werden, und eine Störung auf
einer Schaltkarte oder in der Haupt-CPU bewirkt, daß das gesamte
System ausfällt.
Im Gegensatr dazu liefert die vorliegende Erfindung ein Hochqualitäts-KVM-System
mit verteilter Steuerung, d. h. ohne eine Haupt-CPU, worin alle
Karten und Komponenten "im laufenden Betrieb tauschbar" sind, ein
signifikanter Vorteil, der eine einfache Wartung und ein einfaches Aufrüsten bzw.
Aktualisieren des Systems, um mehrere Workstations und Computer
miteinander zu verbinden, ohne jegliche Abschaltreit des Systems
ermöglicht.
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US-A-5,884,096 (Apex) beschreibt
ein ähnliches
Hochqualitäts-KVM-Vermittlungssystem.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung liefert
ein Vermittlungssystem zum Miteinanderverbinden mehrerer Computernutrer-Endgeräte (1–16),
die Nutrerschnittstellengeräte
aufweisen, die eine Tastatur (1b), eine Videoanzeigeeinheit
(1a) und ein Cursorsteuergerät (1c) umfassen, mit
mehreren Computern (201–328) in
einem Computernetzwerk, um einem Nutrer zu ermöglichen, von den Nutrerschnittstellengeräten oder einem
einzelnen Endgerät
auf irgendeinen oder mehrere der Computer zuzugreifen, aufweisend:
einen
Netrwerkverteiler (40) zum Leiten von Tastatur- und Cursorsteuersignalen,
die von irgendeinem (1) der Endgeräte (1–16) an einen ausgewählten Computer
(201) gesendet werden, und zum Leiten von vom Computer
empfangenen Videosignalen zu dem einen der Endgeräte, wobei
die Signale in sowohl digitaler als auch analoger Form vorliegen;
ein Nutzerschnittstellenmodul (17–32) zum Empfangen der
gesendeten Tastatur- und Cursorsteuersignale, das zwischen die mehreren
Computernutrer-Endgeräte (1–16)
und den Netzwerkverteiler (40) gekoppelt ist; ein Computerschnittstellenmodul
(51–178)
zum Empfangen der empfangenen Videosignale, das zwischen die mehreren
Computer (201–328)
und den Netzwerkverteiler (40) gekoppelt ist; dadurch gekennzeichnet,
dass die physikalische Architektur des Netzwerkverteilers (40)
ein modulares System ist mit mehreren, im laufenden Betrieb tauschbaren
Schaltmodulen (41), wobei jedes Modul eine Analogsenderschaltung
(43) und/oder eine Analogempfängerschaltung (42)
aufweist, jede mit einer analogen Kreuzungspunktschaltanordnung,
eine programmierbare digitale Schaltung (44) zum Verarbeiten
digitaler Datensignale, die eine digitale Kreuzungspunktschaltanordnung
enthält,
und eine Schnittstelle einer Rückwandleiterplatte
(45) zwischen den analogen (42, 43) und digitalen
(44) Schaltungen.
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In einem weiteren Gesichtspunkt liefert
die Efindung einen Netzwerkverteiler (40) mit einer Kreuzungspunktschaltanordnung
(402, 501, 502), die einen analogen Kreuzungspunktschalter
(501, 502) mit einer auf einer Architektur mit
geschalteter Transkonduktanz basierender Schalttopologie enthält.
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In noch einem weiteren Gesichtspunkt
liefert die Erfindung einen Netzwerkverteiler (40), der
ein modulares System ist mit mehreren, im laufenden Betrieb tauschbaren
Schaltmodulen (41), wobei jedes Modul eine separate Analogsenderschaltung (43)
oder eine Analogempfängerschaltung
(42) aufweist, jede mit einer analogen Kreuzungspunktschaltanordnung,
eine programmierbare digitale Schaltung (44) zum Verarbeiten
digitaler Datensignale, einschließlich einer digitalen Kreuzungspunktschaltanordnung,
und eine Schnittstelle der Rückwandleiterplatte
(45) zwischen den analogen (42, 43) und digitalen
(44) Schaltungen, wobei die analoge Schaltung eine Streifenleitungsstruktur
für Videobuskanalwege
verkörpert.
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Die Efindung liefert auch schaltende
bzw. vermittelnde KVM-Signale in einem KVM-System unter Verwendung des beschriebenen
Systems und in der Weise, wie sie hierin dargelegt ist.
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Modulares System
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In ihrer bevorzugten Ausführungsform
erzeugt die Efindung ein wirklich modulares System, das auf das
gewünschte
System hinsichtlich einer Verbindung mehrerer Nutzer und Computer
sehr einfach skalierbar ist, wenn sich die Bedürfnisse ändern, indem einfach mehrere
Module zu dem System addiert werden. Dies wird erreicht, indem Schaltmodule oder
Kartenstapel für
Sende- und Empfangsmoden vorgesehen werden, wobei ein Zugriff auf
eine vorbestimmte Anzahl von Nutzer- oder Computerschnittstellen
des Systems vorgesehen wird.
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In der beschriebenen Ausführungsform
wird ein System geschaffen, bei dem jedes Schaltmodul sechszehn
Videokanäle
verarbeiten kann, und mit neun geladenen Modulen erlaubt das System
sechszehn Nutrern, 128 Computer in nicht blockierender Weise zu
steuern.
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Wirtschaftliche Systemarchitektur
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In ihrer bevorzugten Ausführungsform
reduziert die Erfindung Design- und Herstellungskosten, indem jedes
Schaltmodul in eine analoge Karte und eine digitale Karte aufgeteilt
wird, worin die digitale Karte eine gewöhnliche Karte ist, die für sowohl
Sende- als auch Empfangsmoden austauschbar genutzt werden kann,
d. h. entweder mit einem analogen Empfänger- oder Senderkarte gebündelt.
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Tausch im laufenden Betrieb
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In ihrer bevorzugten Ausführungsform
liefert die Erfindung ein vollständig
"im laufenden Betrieb tauschbares" modulares KVM-System. Jedes einzelne
entfernbare Modul im System kann daher im laufenden Betrieb getauscht
werden, d. h. im eingeschalteten Zustand eingesteckt oder herausgenommen
werden. Dies schließt
Netrgeräte,
Gebläsemodule,
alle Karten, eine Konsole ein.
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CAN-Bus als interne Kommunikation
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In ihrer bevorzugten Ausführungsform
liefert die Erfindung eine Datenübertragung
bzw. Kommunikation zwischen allen Karten basierend z. B. auf einem
Bus eines Controller-Area-Network
(CAN); alle Schaltinformationen, Systeminformationen, Aktualisierungsinformationen
für die
Haupt-CPU, Aktualisierungsinformationen über die programmierbaren logischen
Geräte,
Steuerinformationen.
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Synchronisierungssignale
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Während
die analogen Karten zum Verteilen von Videosignalen dienen, sieht
die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung eine Digitalkarte zum Verarbeiten vertikaler und horizontaler
Synchronisierungssignale (HS und VS) ausschließlich für den Videokanal und der externen
Kommunikation vor. VS- und NS-Signale sind nicht auf die analogen
Farbvideosignale (z. B. grün
und blau) wie im Stand der Technik codiert, US-A-5,884,096 (Apex)).
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Videoqualität
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In ihrer bevorzugten Ausführungsform
verbessert die Erfindung die Qualität übertragener Videosignale ohne
jeglichen Qualitätsverlust,
wenn eine große
Anzahl von Computern mit dem System verbunden ist. Dies wird durch
eine Kombination von Merkmalen erreicht, deren gemeinsame Aufgabe
darin besteht, die Integrität
bzw. Unversehrtheit der Videosignale zu bewahren und Nebensprechen
bei jederStufe während
einer Übertragung
durch das System zu minimieren, um z. B. "ghosting bzw. eine Geisterbilderzeugung"
auf dem Schirm aus einer Interferenz anderer Videokanäle im System
zu vermeiden. Diese Merkmale umfassen, sind aber nicht auf die folgenden
beschränkt:
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Wahl eines Kreuzungspunktschalters
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Eine auf einer "Architektur mit geschalteter Transkonduktanz"
basierende analoge Kreuzungspunktschalttopologie wird gegenüber der üblicheren Art
eines "bilateralen MOS-FET-
(oder CMOS)-Schalters" eines Geräts
bevorzugt, der zum Beispiel in US-A-5,884,096 (Apex) beschrieben
ist. In der beschriebenen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung besteht der verwendete besondere Kreuzungspunktschalter
aus einem Array von 128 Transkonduktanz-Eingangsstufen, die als
acht 16 : 1-Multiplexer mit einem gemeinsamen analogen Eingangsbus
mit 16 Leitungen organisiert sind. Jeder Multiplexer ist im Grunde
ein Hochgeschwindigkeits-Spannungsrückkopplungsverstärker mit
gefalteter Kaskode mit sechzehn Eingangsstufen. Diese Architektur
ergibt einen Kreuzungspunktschalter mit niedriger Leistung, großer Matrix,
hohem Eingangswiderstand, niedriger Eingangskapazität und weiter Bandbreite
ohne die Verwendung zusätzlicher
Eingangspuffer. Bilaterale MOSFET- (oder CMOS)-Schalter leiden auf
der anderen Seite an einer signifikanten parasitären Kapazität und einem endlichen EIN-Widerstand,
da sie nicht intern gepuffert sind. Dies reduziert die gesamte Bandbreite
und bewirkt eine Schwankung in der Bandbreite, wenn Ausgänge von
einem Ansteuer- bzw. Treibereingang Ausgaben addiert oder entfernt
werden.
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Gestaltung der Rückwandleiterplatte
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Bei der Gestaltung des analogen Videobusabschnitts
der Rückwandleiterplatte
werden " Stripline- bzw. Strelfenleitung"-Techniken mit gesteuerter Impedanz
verwendet, um eine Unversehrtheit des Signals, eine Kanalbandbreite
und eine Trennung von Nebensprechen zu optimieren. Die Trennung
von Nebensprechen benachbarter Kanäle wird gesteigert, indem benachbarte
Kanalwege in einer alternierenden Dreiplatten-Streifenleitungsstruktur
verschachtelt werden, d. h. alle geraden Kanäle werden in einer Streifenleitungsstruktur
getragen, und alle ungeraden Kanäle
werden in einer anderen getragen. Erweitert man die obige Technik,
können
zusätrliche
Streifenleitungsstrukturen genutzt werden, um die Trennung zwischen
Kanälen
weiter zu steigern, was somit die Trennung von Nebensprechen weiter verbessert.
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Verbindungsgestaltung einer
Rückwandleiterplatte
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Um eine maximale Systembandbreite
und eine optimale Trennung von Nebensprechen zu erhalten, wird der
Gestaltung von Verbindern an der Rückwandleiterplatte besondere
Beachtung geschenkt. Eine spezifische Pin-Zuordnung wird mit dem
Verbinder-Array verwendet, um die Trennung von Nebensprechen zwischen
Kanälen
zu minimieren, in einer Technik, die einen pseudo-koaxialen Hohlraum
für jeden
Analogsignalweg innerhalb des entsprechenden Verbinderkörpers erzeugt,
wodurch sich eine optimale Trennung von Nebensprechen ergibt. In
der beschriebenen Ausführungsform
stammt ein geeigneter Verbinder für diese Technik vom HDM plus
Range, der von Teradyne, Inc. hergestellt wird.
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Zusätrliche Maßnahmen zur Rauschreduzierung
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Um übertragenes Rauschen vom digitalen Abschnitt
zu den Analogschaltungen zu reduzieren, ist in allen Schnittstellenwegen
zwischen der digitalen Karte und der analogen Karte eine galvanische Isolierung
eingebaut. Dies wird durch die Verwendung von Optokopplern in allen
Digitalsignalwegen zwischen der analogen Leiterplatine (PCB) und
der digitalen PCB erreicht. In der beschriebenen Ausführungsform
ist ein geeigneter Optokoppler ein Bauteil HCPL-0531, das von Hewlett
Packard, Inc. geliefert wird.
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Redundante Netzgeräte
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In ihrer bevorzugten Ausführungsform
liefert die Erfindung ein KVM-Vermittlungssystem mit einer vollredundanten
Stromversorgung mit mindestens zwei unabhängigen Stromversorgungssystemen. Falls
eine Stromversorgung ausfällt,
wird die andere ein stabiles System garantieren, welches ohne Unterbrechung
weiterarbeiten wird.
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FPGA-Kreuzungspunktschaltanordnung
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In ihrer bevorzugten Ausführungsform
liefert die Erfindung ein programmierbares logisches Gerät wie z.
B. ein feldprogrammierbares Gate-Array (FGPA) zum Umschalten bzw.
Vermitteln der Synchronisierungssignale. In der beschriebenen Ausführungsform
gibt es vorteilhafterweise zwei bidirektionale 16-mal-l6-Kreuzungspunktschalter,
die beide gleichzeitig geschaltet werden, um horizontale und vertikale
Synchronisierungssignale immer zusammen auf einem Kanal zu verteilen.
Die Kreuzungspunktschalter werden vorzugsweise durch die Haupt-CPU
gesteuert. Auf das logische Gerät
wird vorzugsweise durch einen Datenbus, ein Adressbus und einige
Steuersignale zugegriffen. Diese Schnittstelle kann mit einer Standardschnittstelle
eines Mikrocontrollers oder einer seriellen Steuerverbindung kompatibel
sein. Dieses Gerät
ist vorzugsweise von der Haupt-CPU des Systems programmierbar. Vorteilhafterweise
ist es dafür
eingerichtet, automatisch aktualisiert zu werden, wenn die Firmware
der CPU aktualisiert wird.
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Treiber einer Rückwandleiterplatte
für differentielle Sende-Empfangsgeräte mit niedriger
Spannung (LVDS)
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Für
die Rückwandleiterplatte
werden differentielle LVDS-Treiber/Empfänger verwendet. Dies reduziert
eine elektromagnetische Interferenz (EMI) und reduziert Nebensprechen
zu anderen Signalen.
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Fernaktualisierung einer
Firmware
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Vorteilhafterweise können alle
programmierbaren elektronischen Geräte von einer entfernten Stelle
aus neu programmiert oder aktualisiert werden. Alternativ dazu könnten Aktualisierungen
von Computern mit serieller, paralleler, LAN-, Internet-, Infrarot-
und funkgesteuerter Übertragung
durchgeführt
werden. Das System könnte über Internet
konfiguriert werden.
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Systemüberwachung über eine Konsole
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Vorteilhafterweise kann die Konsole
bzw. das Steuerpanel zum Aktualisieren des gesamten Systems genutzt
werden. Die Aktualisierungsinformationen werden über den CAN-Bus intern verteilt, und der externe
Befehlsbus verteilt diese Informationen zu anderen Schaltmodulen.
Es ist möglich,
Karten in anderen, mit dem System verbundenen Einheiten zu aktualisieren.
Eine weitere vorteilhafte Nutrung der Konsole besteht darin, das
System zu konfigurieren und Verwaltungsarbeiten einschließlich einer
Fehlersuche und -beseitigung (engt. debugging) des Systems durchzuführen.
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Übertragung mittels eines einzelnen
Kabels mit ungeschirmtem verdrilltem Aderpaar (UTP) Kategorie 5 (CAT5)
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Ein einzelnes CATS-Übertragungskabel kann
verwendet werden, um Schnittstellen von Workstations und Computern
mit dem Verteiler des KVM-Vermittlungsnetzes zu verbinden.
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Ein solches Kabel hat einen bekannten
Aufbau, z. B. wie er in den US-Patentanmeldungen Nr. 60/043,085,
60/045,608, 09/073,178, 08/971,223, 08/971,224 beschrieben ist,
die alle Cybex Inc. erteilt wurden.
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Flash-aktualisierbare Firmware
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Firmware im System ist vorzugsweise
ein aktualisierbarer Flash-Speicher. Das System startet von einem
Urstart- bzw. Boot-ROM/EPROM und sucht nach einer neueren Version
einer Firmware im Flash-Speicher. Falls es eine neuere Version gibt, führt das
System Befehle vom Flash-Speicher aus.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Highend-KVM-Vermittlungssystems
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, in der sechzehn Workstations von Nutzern
mit 128 Computern verbunden sind;
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2 ist
ein Blockdiagramm einer gewöhnlichen
Karte, eines Senders oder Empfängers,
die in einem Schaltmodul des in 1 gezeigten
Systems enthalten ist;
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3 ist
ein Blockdiagramm des feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FGPA) und
einer Kreuzungspunktschaltanordnung der in 2 gezeigten digitalen Karte;
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4 ist
ein Blockdiagramm einer analogen Senderkarte, die in einem Schaltmodul
des in 1 gezeigten Systems
enthalten ist;
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5 ist
ein Blockdiagramm einer analogen Empfängerkarte, die in einem Schaltmodul
des in 1 gezeigten Systems
enthalten ist;
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6 ist
eine Endansicht der rückwärtigen Leiterplatte
der in 1 gezeigten Netzwerkverteilereinheit;
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7 zeigt
einen Abschnitt einer Pin-Zuordnung von Verbindern der Rückwandleiterplatte,
was eine Abschirmtechnik veranschaulicht;
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8 zeigt
weitere Aspekte der in 4 und 5 gezeigten analogen Schnittstelle
einer Rückwandleiterplatte;
und
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9 zeigt
ein Beispiel einer abwechselnden Dreiplatten-Streifenleitungsstruktur,
die mit Verweis auf die in 4 und 5 gezeigten analogen Schaltungen
beschrieben werden.
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Ausführliche Beschreibung
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1 zeigt
das computerisierte Highend-KVM-Vermittlungssystem ("Tastatur-Video-Maus bzw. Keyboard-Video-Mouse")
oder einen Kreuzungspunktschalter gemäß der Erfin dung, der ermöglicht,
daß eine
große
Anzahl von Computern mit mehreren Endgeräten oder Workstations von Nutrern
gekoppelt wird. In der dargestellten Ausführungsform sind 128 Computer
(201–328)
mit sechzehn Workstations (1–16) verbunden, wobei
von irgendeiner der Workstations, die beispielsweise in einem anderen
Raum oder Gebäude
entfernt gelegen sein können,
Zugriff auf alle Computer erlangt werden kann. Jede Workstation
(1–16)
umfaßt
eine Nutzerschnittstelle mit einem Bild- bzw. Videomonitor (1a),
einer Tastatur (1b) und einem Cursorsteuergerät wie z.
B. einer Maus (1c). Eingangssignale der Workstation von
der Tastatur und der Maus werden von einem Nutrerschnittstellenmodul
(17–32)
empfangen, beispielsweise einem bekannten System mit der Bezeichnung
4 × P
von Cybex Computer Products International Ltd.
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Das Nutrerschnittstellenmodul (17)
stapelt bzw. packt und sendet/empfängt die bidirektionalen Datensignale
der Tastatur und Maus über
eine Kommunikationsverbindung (33) an einen/von einem Netzwerkverteiler
(40). Nachdem sie durch den Netzwerkverteiler geleitet
sind, werden die Tastatur- und Maussignale auf einer anderen Kommunikationsverbindung
(50) an ein Computerschnittstellenmodul (51) erneut
gesendet, das mit einem entfernt gelegenen Computer (201)
verbunden ist. Das Computerschnittstellenmodul kann auch einen bekannten
Aufbau aufweisen, vorzugsweise einen Cybex 4 × P.
Das Computerschnittstellenmodul trennt und entpackt alle verschiedenen
Arten von Daten wieder und liefert die Tastatur- und Maussignale über geeignete
Verbinder (180) an die Eingangs-Ports des Computers. Das
Computerschnittstellenmodul arbeitet wie eine Tastatur und Maus,
die mit dem Computer verbunden ist, selbst wenn eine Kommunikation
bzw. Datenübertragung
mit dem Workstationsystem verloren wird. Eine Emulation einer Tastatur
und Maus im Computerschnittstellenmodul lässt auch den Computer ohne
Fehlermeldungen und Ausfälle
urladen bzw. booten.
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Die Vermittlungs- bzw. Schaltinformation,
die für
den Schalter des Netzwerkverteilers benötigt wird, wird gewöhnlich im
Nutrerschnittstellenmodul (17) erzeugt. Die Information
wird an den Netzwerkverteiler (40) über die Kommunikationsverbindung (33)
geliefert, die auch die Datensignale der Maus und Tastatur trägt.
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Eine analoge Videosignalausgabe,
die durch den entfernt gelegenen Computer (201) erzeugt
wird, wird entlang der Kommunikationsverbindung (50) an den
Netzwerkverteiler (40) gesendet. Dieses wird dann durch
den Netzwerkverteiler (40) geleitet und wieder an das Nutrerschnittstellenmodul
(17) gesendet, das die Videosignale an die Überwachungseinrichtung
bzw. den Monitor (1a) liefert.
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Synchronisierungssignale, horizontale
Synchronisierungssignale (NS) und vertikale Synchronisierungssignale
(VS), die mit den Analogvideosignalen (z. B. rot, grün, blau)
verbunden sind, werden an den Netzwerkverteiler (40) gesendet,
durch die Kreuzungspunktschaltanordnung geleitet und dann an das
Nutrerschnittstellenmodul (17) erneut gesendet. Das Nutzerschnittstellenmodul
liefert dann die Synchronisierungssignale an den Monitor (1a).
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Aus der Perspektive des Nutrers erscheinen der
Monitor (1a), die Tastatur (1b) und die Maus (1a), als
ob sie direkt mit dem entfernten Computer (201) verbunden
sind.
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Der Netzwerkverteiler
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1 zeigt
auch in allgemeiner Darstellung ein Blockdiagramm des Netzwerkverteilers
(40), der viele neue Merkmale gemäß der vorliegenden Erfindung
aufweist. Dieser ist wegen seiner physikalischen modularen Architektur
einfach auf das benötigte
System skalierbar. Schaltmodule (41), die innerhalb einzelner
Racks bzw. Gestelle im Netzwerkverteilergehäuse eingebaut sind (siehe 6), schaffen jeweils einen
Zugriff auf entweder sechzehn Nutrerschnittstellenmodule (17-23)
oder sechzehn Computerschnittstellenmodule (51-67) des
Systems. Jedes Schaltmodul ist in eine analoge Karte (42, 43)
und eine digitale Karte (44) in einer antiparallelen Konfiguration
geteilt. Die Schaltmodule sind nicht alle identisch und können entweder
als ein Empfangsmodul (42, 44) oder als ein Sendemodul
(43, 44) konfiguriert sein. Die digitale Karte
(44) ist am bevorzugtesten gemeinsam für beide Arten eines Schaltmoduls
vorgesehen, was die Konstruktions- und Herstellungskosten reduziert.
Die analoge Karte ist entweder ein Analogempfänger (42) oder ein
Analogsender (43), der jeweils dafür eingerichtet ist, ankommende
und abgehende Videosignale vom Netzwerkverteiler (40) zu
verteilen. Eine kombinierte Analogempfänger/Senderkarte ist möglich. Die
digitale Karte verarbeitet Videosynchronisierungssignale, die externe
Kommunikation und die Steuersignale für die analogen Karten. Von
der digitalen Karte kommende und zur analogen Karte gehende Steuersignale
werden mit Optokopplern isoliert.
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Es gibt daher in der beschriebenen
Ausführungsform
sechzehn Videokanäle
pro Schaltmodul (41). Die Anzahl von Nutrern oder Computern
könnte mit
jedem Modul (41) in Sechzehner-Schritten erhöht werden.
Dieses System ermöglicht,
daß sechzehn Nutrer 128 Computer
in nicht blockierender Weise steuern. Es ist auch möglich, mehr
als sechzehn mit dem Netzwerkverteiler verbundene Nutrerschnittstellen
zu haben. Außerdem
muß besonders
erwähnt werden,
daß mehr
als ein Nutzer mit dem gleichen Computer verbunden werden kann.
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Jedes Schaltmodul enthält eine
digitale: sechzehn mal sechzehn Kreuzungspunktschaltanordnung (siehe 2) und hat Zugriff auf sechzehn Kanäle auf einer
Rückwandleiterplatte
(45). Ein "Kanal" umfaßt
verschiedene Leitungen für
jedes der folgenden Signale: analoges Videosignal rot, analoges Videosignal
grün, analoges
Videosignal blau, ein Paar für
eine vertikale Synchronisierung (VS) und ein Paar für eine horizontale
Synchronisierung (HS). Die Kommunikation zwischen den Karten wird
auf einem internen Kommunikationsbus durchgeführt. Die Kommunikation basiert
auf einem differentiellen CAN-Bus (Controller-Area-Network) (404).
Zum Beispiel können
auf de m CAN gesendete Informationen sein: Tastaturinformationen,
Mausinformationen, Schalt- tzw. Vermittlungsinformationen, Systeminformationen,
Aktualisierungsinformationen für
die Haupt-CPU, Aktualisierungsinformationen für die programmierbaren logischen
Geräte,
Steuerinformationen.
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Konsole
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Eine Konsole (46) kann zum
Aktualisie en des gesamten Systems genutzt werden. Die Aktualisierungsinformation
wird über
den C/ N-Bus intern auf andere eingesteckte Karten verteilt, und
der Bus für
externe Kommunikation verteilt diese Information auf andere Einheiten,
zum Beispiel Nutzerschnittstellenmodule oder Computerschnittstellenmodule.
Eine andere Verwendung der Konsole besteht darin, das System zu
konfigurieren und administrative Arbeiten auszuführen. Die Konsole könnte a ich
zur Fehlersuche und -beseitigung des Systems zum Beispiel von einer
Workstation (47) genutzt werden.
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Digitale Karte
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Wie oben erwähnt wurde, besteht ein Schaltmodul
(41) aus einer digitalen Karte (44) und einer analogen
Sender- (43) oder Empfangerkarte (42). Die CPU (400) (zentrale
Verarbeitungseinheit), die in 2 gezeigt
ist, steuert beide Karten, die digitale und die analoge Karte. Die
analoge Karte sendet entweder oder empfängt und schaltet bzw. vermittelt
die analogen Videosignale. Im Gegensatz dazu steuert und verteilt
die digitale Karte die Digitaldatensignale, die für ein Maus-,
Tastatur- und Monitorschalten notwendig sind. Eine definierte Schnittstelle
steuert die analoge Karte.
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Zentrale Verarbeitungseinheit
(CPU) und Speicher
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Eine verteilte Steuerung wird durch
eine separate selbständige
CPU und einen Speicher auf jeder digitalen Karte geliefert. Die
CPU (100) auf der digitalen Karte ist z. B. ein Sechzehn-Bit-CMOS-Mikrocontroller
(C167) von Siemens A.G. Sie wird als ein ROM (Nurlesespei cher),
ein RAM (Direktrugriffsspeicher) und ein Flash-ROM genutzt. Für das Speichersystem
(401) werden jeweils zwei (RAM und ROM) erwendet. Die Speichergeräte haben
eine Breite von 8 Bits, so daß ein
Gerät für die niedrige
en und eines für
die oberen 8 Bits des 16-Bit-Datenbusses
genutzt wird. Alles im System st im Flash-Betrieb aktualisierbar.
So startet das System oder die CPU von einem Boot-ROM/EPROM, sucht
aber zunächst
aber nach einer neueren Version einer Firmware im Flash-Speicher.
Falls eine neuere Version existiert, führt das System weiter Befehle
vom Flash-Speicher aus. Der Flash-ROM kann auf der Karte durch das
System von einer Workstation (47), von einem entfernt gelegenen Computer
oder von der Konsole (46) zum Beispiel über eine Infrarotverbindung
von einem tragbaren Computer aus aktualisiert werden.
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Es ist möglich, einen anderen Prozessortyp aus
dieser Familie zu verwenden. Durch Ändern von zwei, mit dem EA-Pin
der CPU werbundenen Widerständen
ist es möglich,
einen Prozessor mit einem internen Flash zu nutze n und die Flash-ROM's
aus dem Speichersystem herauszulassen. Es gibt eine Schnittstelle
auf der digitalen Karte (44), die für ein solches Aufrüsten genutzt
werden kann.
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Programmierbares logisches
Gerät und
Sende-Empfangsgeräte
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Während
einer Inbetriebnahme programmiert die zentrale Verarbeitungseinheit
ein programmierbares logisches Gerät oder FPGA (402)
in dieser Ausführungsform,
das über
eine serielle Schnittstelle programmiert wird. Dieses Gerät ist mit
dem Daten-, Adress- und Steuerbus der CPU verbunden. Eine Programmierung
dieses Geräts
durch die CPU bei jeder Inbetriebnahme stellt sicher, daß immer
die neueste Firmware im FPGA vorhanden ist.
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Um eine 16-Kanal-Kommunikation mit
anderen Einheiten zu erhalten, werden auf jedem Modul (41)
vier Vierkanal-UARTs (403) verwendet. Diese UARTs sind
ebenfalls mit dem Daten-, Adress- und Steuerbus der CPU verbunden.
Puffer können
verwendet werden, um eine solche Menge an Geräten auf dem Adressbus anzusteuern.
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Die digitalen Karten sind voll bidirektic
nal, d. h. alle Eingangs- und Ausgangssignale können durch eine Richtungs-Steuereinheit
(408) (siehe 3) umgekehrt
werden, und eine gemeinsame Karte wird für einen Sender (43, 44)
und einen Empfänger
(42, 44) eines Schaltmoduls (41) verwendet.
Der digitale Teil (44) des Moduls erkennt in Abhängigkeit von einem vom analogen
Teil kommenden Richtungssignal, in welcher Weise er arbeiten muß. Wenn
er als Empfängermodul
arbeitet, laufen von dem Computerschnittstellenmodul (51)
differentiell die Synchronisierungssignale HS, VS ein. Sie werden
durch Differentialleitungs empfänger
empfangen und in CMOS-kompatible Signalpegel umgewandelt. Alle sechzehn
HS- und sechzehn VS-Signale werden dann an den FPGA angelegt.
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Kreuzungspunktschalter auf
digitaler Karte
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Es gibt zwei bidirektionale 16-mal-16
Kreuzungspunktschalter, die durch die FPGA (402) verkörpert werden.
Beide werden gleichzeitig geschaltet, um HS- und VS-Synchronisierungssignale
immer zusammen auf einem Kanal oder einer Kommunikationsverbindung
zu verteilen. Diese Kreuzungspunktschalter werden durch die CPU
(400) gesteuert. Auf das logische Gerät wird durch einen Datenbus
(406), einen Adressbus (405) und einige Steuersignale (407)
zugegriffen. Diese Schnittstelle ist mit einer Standardschnittstelle
eines Mikrocontrollers kompatibel. Eine serielle Steuerverbindung
könnte
ebenfalls genutzt werden.
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3 zeigt
das FPGA (402) und die Kreuzungspunktschaltanordnung ausführlicher,
welche aus sechzehn (16 mal 1) Multiplexer (450–466)
für die
NS und aus sechzehn (16-mal-1)
Multiplexer (470–486)
für die
VS-Synchronsierungssignale besteht. Die sechzehn Eingänge jeder
Gruppe Multiplexer sind miteinander verbunden. Die Ausgänge der Multiplexer
gehen wieder aus dem Gerät
heraus. Mit diese r Anordnung werden zwei 16-mal-16 Kreuzungspunktschalter
geschaffen.
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Wenn von einem Nutzerschnittstellenmodul eine
Verbindung gefordert wird, wählt
die CPU (400) einen der sechzehn Multiplexer mit seiner
Codierung auf dem Adressbus aus. Der Datenbus wird die Information
tragen, die einer sechzehn Eingänge
zum Ausgang des Multiplexers weiterleiten wird. Es gibt ein 5-Bit-Datenregister
für jedes
Multiplexerpaar (NS und VS), das die Vermittlungs- bzw. Schaltinformation
speichert und die Verbindung hält.
Datenregister (409) werden mit Informationen von Datenbus
(406) aktualisiert, wenn das Adressregister eine legale Adresse
erkennt und ein Aktualisierungssignal an das entsprechende Datenregister
gesendet wird. Verbindungen können
in der gleichen Weise mit dem Datenbaus auf einen niedrigen Pegel
auf jedem Signal gelöst
werden. Die Vermittlungs- bzw. Schaltinformation ist im FPGA (402)
gespeichert, wenn das Gerät
mit einem Chip-Freigabesignal ausgewählt wird und das Schreibsignal
herunterfährt
und wieder ansteigt. Die Rücksetrleitung
wird alle Verbindungen trennen bzw. löschen. Es ist das gleiche,
wenn das System wieder eingeschaltet wird. Das FPGA wird durch die
CPU (400) programmiert. Es wird automatisch aktualisiert,
wenn die Firmware der CF U aktualisiert wird.
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Differentielle Sende-Empfangsgeräte niedriger Spannung
(LVDS)
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Wenn die Synchronisierungssignale
durch den Kreuzungspunktschalter (402) geleitet werden, werden
sie zu sechzehn Sende-Empfangsgeräten geleitet. Diese Sende-Empfangsgeräte (410)
für niedrige
Spannung und differentielle Signale (LVDS) liefern die Synchronisierungssignale
an die Rückwandleiterplatte
(45). In dieser Ausführungsform
wird wegen einer Reduzierung elektromagnetisch er Interterenz (EMI)
ein LVDS-Sende-Empfangsgerät verwendet,
und auch um das Nebensprechen zwischen diesen und anderen Signalen
niedrig zu halten. Der LVDS-Treiber könnte mit dem durch die analoge
Karte gelieferten Richtungssignal umgekehrt werden.
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In der umgekehrten Richtung empfäng it, wenn
die digitale Karte (44) als ein Sender arbeitet, das LVDS-Sende-Empfangsgerät (410)
differentielle Synchronisierungssignale von der Rückwandleiterplatte,
wandelt sie in einen CMOS-kompatiblen Signalpegel um und leitet
sie an den FPGA-Kreuzungspunktschalter (4
02) weiter.
Dieses Gerät
wird die Signale nach Bedarf für
den Nutzer leiten und gibt sie wie der an eine Ausgabesektion (411)
eines CATS-Treibers
(Kategorie 5 Computer Network Cable) ab. Diese differentiellen
Treiber (siehe 2) sind
parallel zu den Empfängern
für die
umgekehrte Richtung und werden durch das von der analogen Karte
kommende Richtungssignal gesteuert. Zu einem Zeitpunkt ist nur einer
der parallelen Treiber aktiv. Der differentielle Eingang oder Ausgang
von der CATS-Seite ist mit dem Differentialleitungsempfänger des
Typs 26C32 verbunden und auch mit dem Differentialleitungstreiber
des Typs 26C31 verbunden. Das Signal T/R (Senden/Empfangen bzw. Transmit/Receive)
bestimmt die Richtungsinformation. Der Treiber ist aktiv, wenn dieses
Signal auf einem niedrigem Pegel liegt, weil es mit dem positiven Freigabe-Pin
des Treibers verbunden ist. Das T/R-Signal ist auch mit dem niedrigen
aktiven Freigabesignal des Differentialleitungsempfängers verbunden, und
in einem Fall eines aktiven Treibers wird dieser Empfänger inaktiv
sein und umgekehrt.
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Kommunikationsverbindungen
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Die externe Systemkommunikation basiert auf
differentiellen Signalen. Die vorher präparierten bzw. vorbereiteten
Datenpakete, wie sie durch die Nutzer- oder Computerschnittstellenmodule
(17, 51) vorbereitet werden, werden durch Differentialleitungsempfänger an
den CATS-Kabeleingängen empfangen.
Es sollte besonders erwähnt
werden, daß die
Kommunikation auf einem voll duplexfähig firmeneigenen Kommunikationsprotokoll
basiert.
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Universelle asynchrone Empfangs-Sendemodule
(UARTs) Ankommende Datenpakte werden in e nen CMOS-kompatiblen Signalpegel
umgewandelt und dann an die UART-Eingänge (403) weitergeleitet.
Für die
sechzehn Kommunikationsleitungen werden Vierkanal-UARTs (403)
verwendet. Diese UARTs sind auch voll duplexfähig und senden und empfangen
gleichzeitig. Die seriellen Daten werden in parallele Daten umgewandelt
und in einem FIFO-Speicher (First in First out) gespeichert. Das UART
enthält
für jeden
Kommunikationsweg einen 16-Byte-FIFO. Die CPU, die mit den UARTs über Daten,
Adress- und Steuerbusse (405, 406, 407)
verbunden ist, hat dann Zugriff auf diese Bytes. Die CPU wird durch
Unterbrechungssignale darüber
informiert, wenn Bytes ankommen. Die UARTs wird auch Empfangsfehler
oder Sendefehler an die CPU (400) melden.
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In der umgekehrten Richtung speichert
die CPU, wenn die digitale Karte (44) als ein Sender arbeitet,
Datenbytes für
eine externe Busübertragung im
UART. Diese Datenbytes werden serialisiert und durch das UART an
d ie CATS-Treibersektion (411) ausgegeben. Um auf die UARTs
zuzugreifen, werden der Datenbus und der Adressbus genutzt. Um das 16-Chip-Auswahlsignal
zu erzeugen, wird nur ein Chip-Auswahlsignal von der CPU verwendet.
Die anderen werden durch einen Adress-Decodierer (412) erzeugt,
der aus zwei 1-mal-8-Demultiplexer
aufgebaut ist (siehe 3).
[ naher sind drei niedrigere Adressleitungen mit den UARTs selbst
verbunden, und vier zusätzliche
höhere
Adressleitungen sind mit den Decodergeräten verbunden. Der Treiber
wandelt das CMOS-Signal in ein differentielles Signal um und gibt
es an die CATS-Verbinder ab.
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Die CPU, die alle Daten von und zu
den UARTs empfängt
und sendet, leitet alle Informationen mit anderen Zielen an den
internen Systembus weiter, der auf einer Rückwandleiterplatte (45)
liegt. Dieser Systembus basierr auf dem CAN-Bus. Das integrierte
CAN-Modul (404) der CPU wird dafür verwendet. Alle serdellen
CAN-Daten werden an einen fest zugeordneten CAN-Treiber (413)
ausgegeben, der die Signale in differentielle Signale umwandelt.
Der CAN-Systembus läuft
bei einer Geschwirdigkeit von z. B. 1 MHz. Auf diesem Weg kommunizieren
alle Module miteinander.
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Verarbeitung des CAN-Bus-Protokolls
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CAN-Bus-Datenpakete, die für ein best
mmtes Modul vorgesehen sind, werden durch die CPU in diesem Modul
verarbeitet. Im Falle einer Vermittlungs- bzw. Schaltinformation
wird es Vermittlungs- bzw. Schaltbefehle an den FPGA-Kreuzungspunktschalter
(402), an den analogen Video-Kreuzungspunktschalter (501, 502)
und Freigabesignale an die Videopuffer senden. Zum Freigeben der
Videopuffer wird eine serielle synchrone Schnittstelle (500)
genutzt. Diese Schnittstelle (500) zu dir jeweiligen analogen
Karte (42, 43) ist durch Optokoppler getrennt, um
Rauschen auf der analogen Karte zu verhindern. Diese seriellen Daten
werden in sechzehn parallele Freigabesignale für die Videopuffer umgewandelt. Die
sechs Video-Kreuzungspunktschalter werden in der gleichen Weise
gesteuert. Die seriellen synchronen Daten werden in die Kreuzungspunktschalter
getaktet. Diese Schnittstelle ist auch opto-isoliert, um digitales
Rauschen hoher Frequenz im analogen Teil des Systems zu verhindern.
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Frontkonsole
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Die Frontkonsole (46), die
auch mit de m internen CAN-Bus (414) verbunden ist, wird
Konfigurationsinformationen an die Schaltmodule liefern. Dies könnten Informationen
wie Informationen zur Speicheraktualisierung für die CPUs der anderen Schaltmodule
(41) sein. Die Chassisadresse für diese Einheit könnte mit
der Konsole festgelegt werden, und sie wird an andere Karten weitergeleitet,
die die Informationen benötigen.
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Das Frontpanel (46) könnte auch
als eine Schnittstelle zur Fehlersuche und -beseitigung des Systems
genutzt werden. In diesem Fall kann das Panel genutzt werden, um
den internen Kommunikationsbus (CAN) zu uberwachen und die Information an
eine Anzeige oder an einen Computer (47) weiterzuleiten,
der über
einen seriellen Port mit dem Panel verbunden ist. Nötigenfalls
kann der Entwickler oder Nutrer Befehle und Daten einlesen oder
aussenden.
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Die Konsole bzw. das Steuerpanel
kann auch genutzt werden, um die primären und redundanten Stromversorgungseinheiten
(601, 602) zu überwachen
und eine Warnung bezüglich
Spannungsabfälle
oder Leistungsstörungen
liefern. Sie könnte
auch zum Überwachen
der Temperatur im Systemgehäuse
genutzt werden und einen Alarm im Fall einer Überhitzung geben.
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Die Nutrerschnittstelle der Konsole
kann eine graphische Anzeige mit einem Berührungsfeld sein, um Befehle
einzugeben und das System einzustellen, oder eine Zeichenanzeige
mit Knöpfen
oder Schaltern, um Informationen einzugeben.
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Redundante Stromversorgung
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Das System enthält am bevorzugtesten zwei unabhängige, voll
redundante Stromversorgungseinheiten. Falls eine Stromversorgung
(601) ausfällt,
garantiert die andere (602) ein stabiles System, das ohne
Unterbrechung weiterarbeitet. Die Stromversorgungen werden durch
die Konsole bzw. das Steuerpanel überwacht.
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Tausch im laufenden Betrieb
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Jedes ersetzbare Modul im System
ist am bevorzugtesten dafür
ausgelegt, daß es
"im laufenden Betrieb tauschbar" ist. Jedes einzelne Modul, zum
Beispiel Stromversorgungen (601, 602), Gebläsemodule
(603, 604), alle Shaltmodule (41) und
die Konsole (46), könnte
im eingeschalteten Zustand ohne Unterbrechung der Systemfunktion
eingesteckt oder ausgesteckt werden. Der neuartige modulare Aufbau
der Schaltmodule (41) ermöglicht, daß jedes dieser individuell
im laufenden Betrieb tauschbar ist, was ein am meisten vorteilhaftes
Merkmal der Erfindung ist.
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Analoge Senderkarte (4)
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Das Senderschaltmodul (43, 44)
besteht aus einer analogen Senderkarte (43), die auf die
digitale Karte (44) wie oben beschrieben "gestapelt" ist.
Jede Eingangsstufe der Senderkarte präsentiert eine hohe Impedanz
für de
n analogen Bus der Rückwandleiterplatte,
wodurch eine vernachlässigbare
Last hervorgerufen und eine Unversehrtheit der Signale maximiert
wird.
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Die analoge Senderkarte ist mit dem
analogen Bus der Rückwandleiterplatte
unter Verwendung zum Beispiel einer Verbinderbaugruppe (503)
HDM plus untergeordnete Karte verbunden, wie sie von Teradyne Ine.
geliefert wird. Die Länge
der Leiterbahn der Leiterplatine (PCB) zwischen dem Verbinder und
den i Eingangspufferverstärker
(504) wurde so kurz wie möglich gehalten, um eine parasitäre Streukapazität zu minimieren
und dadurch die Kanalbahnbreite zu maximieren. Die Ausgabe dieses
Verstärkers
steuert direkt (d. h. die Übertragungsleitung ist
nur am entfernten Ende durch ihre charakteristische Impedanz abgeschlossen)
eine Übertragungsleitung
mit gesteuerter Impedanz, die durch eine während der Herstellung in der
PCB-Struktur eingebettete Stripline- bzw. Streifenleitungsstruktur
implementiert ist. Diese Streifenleitung hat eine Nominalimpedanz
von 50 Ω +/-
15%. Der Abschluß für diese Sektion
einer Streifenleitung ist so nahe wie möglich an einem analogen 16 × 16-Kreuzungspunktschalter plaziert,
der zwei gepufferte 16 × 8-Video-Kreuzungspunktschalter
(501, 502) pro analoges Signal (rot, grün, blau)
aufweisen kann, z. B. ein Produkt Bauteil AD8110 von Analog Devices,
Inc. Um eine nicht blockierende 16 × 16-Matrix aufzubauen, sind die sechzehn
asymmetrischen Hochimpedanzeingänge
beider Geräte
parallel verbunden, was somit einen 16 × 16- Kreuzungspunkt-Matrixschalter
bildet.
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Um eine nicht blockierende 16 × 16-Kreuzungspunktmatrix
für alle
drei analogen Signale (rot, grün,
blau) zu implementieren, sind da her sechs AD8110 Geräte (501, 502)
in dieser Ausführungsform der
Erfindung notwendig.
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Steuersignale von der entsprechenden
und benachbarten digitalen Karte (44) im Schaltmodul (41)
werden über
einen Stacker-Verbinder an die analoge Senderkarte (43)
als serielle Daten geliefert. Um die Kopplung des übertragenen
digitalen "Rauschens" von der digitalen Karte zu den analogen Schaltungen
zu minimieren, sind alle Steuersignale unter Verwendung von Opto-Kopplern
(500) in bekannter Weise "galvanisch isoliert". Auf der
analogen Seite der opto-isolierten Barriere wird dieser Datenstrom
den analogen Kreuzungspunktschaltern direkt zugeführt und
bestimmt die Signalleitung innerhalb des Kreuzungspunktschalters.
Der ausgewählte
aktive Kreuzungspunktausgang wird durch einen monolithischen Breitbandverstärker (505)
sofort gepuffert. Dieser Puffer steuert eine "Streifenleitungs"-Sektion ähnlich der
früher
beschriebe ne direkt an.
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Die Streifenleitungssektion trägt das geleitete
Signal zu einer korrekt abgeschlossenen Eingangsstufe einer diskreten
differentiellen Verstärkerstufe
(506). Diese differentielle Verstärkerstufe liefert die Umwandlung
von asymmetrisch in symmetrisch. Diese Stufe liefert auch eine vermittelte
bzw. geschaltete "Vorverzerrung" (engt. "pre-emphasis"). Diese hier
in Verbindung mit der Entzerrung im analogen Empfänger angewandte
Vorverzerrung liefert ein Mittel, um einen weiten Bereich von CATS-Kabellängen zu
berücksichtigen.
Das ausgeglichene Signal ist durch eine Sektion einer symmetrischen
Streifenleitung mit einer nominellen differentiellen Impedanz von
100 Ω mit
eine m jeweiligen RJ45 verbunden.
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Operationsverfahren des
analogen Busses der Rückwandleiterplatte
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"Streifenleitungs"-Techniken mit
gestewerter Impedanz wurden beim Entwurf des analogen Videobusabschnitts
der Rückwandleiterplatte
verwendet, um eine Unversehrtheit des Signals, eine Kanalbandbreite
und eine Trenuung von Nebensprechen zu optimieren. Der analoge Bus
der Rückwandleiterplatte besteht
aus sechzehn "beidseitig abgestimmten" Übertragungsleitungen (d. h.
an beiden Enden duich ihre charakteristische Impedanz abgeschlossen),
die in einer "Streifenleitungs"-Struktur mit einer belasteten Impedanz
von ungefähr
50 Ω ausgeführt sind. Somit
beträgt
die effektive Eingangsimpedanz an jedem Punkt entlang dieser Übertragungsleitung 25 Ω.
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Das Treibergerät für den analogen Bus in der Empfängerkarte
steuert diese Rückwandleiterplatte mit
einer Quellenimpedanz von nominell 25 Ω an. Dieser Ansatz mit abgestimmter
Impedanz minimiert gedämpfte
Schwingungen (engt. ringing) an schnellen Stellensignalflanken (siehe 8).
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Nebensprechen benachbarter Kanäle wird reduziert,
indem benachbarte Kanalwege in einer alternierenden Dreiplatten-Streifenleitungsstruktur
verschachtelt werden, d. h. alle geradzahligen Kanäle werden
in einer Streifenleitungsstruktur getragen und alle ungeraden Kanäle werden
auf einer anderen versetzten Struktur getragen. Erweitert man die
obige Technik, können
zusätrliche
Streifenleitungsstrukturen verwendet werden, um die Trennung zwischen Kanälen weiter
zu steigern, was folglich die Trennung von Nebensprechen weiter
verbessert (siehe 9).
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Um eine maximale Systembandbreite
und eine optimale Trennung von Nebensprechen aufrechtruerhalten,
wurde der Wahl einer verwendeten Verbindungstechnologie besondere
Aufmerksamkeit geschenkt. Der gewählte Verbinder stammt vorzugsweise
vom HDM plus Range, der von Teradyne, Inc. hergestellt wird. Dieser
Verbinder hat eine integrale Streifenleitungsstruktur und ist für Umgebungen
mit gesteuerter Impedanz zwischen 50 Ω und 60 Ω optimiert. Eine spezifische
Pin-Zuordnung wird bei diesem Verbinder genutzt, um die Trennung
von Nebensprechen zwischen Kanälen
zu maximieren (siehe 7).
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Diese Pin-Zuordnung erzeugt einen
"pseudo-koaxialen Hohlraum" (700), der durch Erdungs-Pins (701)
definiert wird, die jeden Analogsignalweg (702) innerhalb des gesteckten
Verbinderkörpers
umgeben, was eine optimale Trennung von Nebensprechen zur Folge
hat.
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Analoge Empfängerkarte
(5)
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Das Empfängerschaltmodul (42, 44)
besteht aus einer analogen Empfängerkarte
(42), die auf die digitale Karte "gestapelt" ist. Rote,
grüne,
blaue und HS-Synchronisie rungsinformationen werden der analogen
Empfängerkarte
als elektronisch symmetrische oder differentielle Signalpaare präsentiert.
VS Synchronisierungsinformationen, zusammen mit Tastatur- und Maussignalen,
werden direkt zur darunterliegenden digitalen Karte (44)
geleitet. Jeder Kanal oder jede obige Signalgruppe wird in einem
in einem RJ45-Verbinder abgeschlossenen CATS-Kabelaufbau untergebracht.
Das symmetrische HS-Synchronisierungssignal
wird direkt intern zur digitalen Karte über den Staplerverbinder geleitet.
Der analoge Empfänger
führt keine
Operation an diesem Signal durch.
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Die verbleibenden differentiellen
roten, blauen und grünen
Signale werden von den RJ45-Verbindern durch eine symmetrische Streifenleitung
mit einer differentiellen Impedanz von nominal 100 Ω zu den
Eingangsstufen geleitet, wo sie durch diskrete differentielle Verstärkerstufen
(509) in asymmetrische Signale umgewandelt werden. Jeder
differentielle Verstärker
schließt
eine Schaltkabelentrerrung ein, um einen fortschreitenden Hochfrequenzabfall mit
zunehmender Länge
eines verwenderen CATS-Kabels zu kompensieren und daher den Frequenzgang
"abzuflachen".
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Um den Stromverbrauch zu reduzieren,
haben inaktive oder ungenutzte differentielle Verstärkereingangsstufen
eine Abschaltfunktion, wodurch die Spannung der Stromversorgung
von der Stufe genommen wird. Dies reduziert auch die innere Wärme, die
von ungenutzten Eingangsstufen erzeugt wird, die eingeschaltet sind.
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Die Steuersignale, die erforderlich
sind. um die Freigabe/Sperrfunktion zu liefern, werden vom seriellen
Datenstrom abgeleitet. Diese Steuerinformation wird unter Verwendung
zwei 8-Bit-Schieberegistern extrahiert und steuert direkt die diskreten
differentiellen Verstärkerstufen
des Eingangs.
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Das Ausgangssignal wird dann durch
einen monolithischen Verstärker
(508) gepuffert, dessen Ausgabe direkt (d. h. die Übertragungsleitung
ist nur am entfernten Ende durch ihre charakteristische Impedanz
abgeschlossen) eine Übertragungsleitung mit
gesteuerter Impedanz ansteuert, die durch eine während der Herstellung in der
PCB-Struktur eingebettete Streifenleitungsstruktur ausgeführt ist.
Die Streifenleitung hat eine Nominalimpedanz von 50 Ω +/- 15%.
Der Abschluß für diese
Sektion der Streifenleitung ist so nahe wie möglich am analogen 16 × 16-Kreuzungspunktschalter
(501, 502) plaziert, ähnlich
zu dem oben für
die Senderkarte beschriebenen.
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Eine auf einer "Architektur mit geschahteter Transkonduktanz"
basierende Topologie von Kreuzungspunktschaltern wurde gegenüber dem
allgemeineren Gerätetyp
eines "bilateralen MOSFET-Schalters" gewählt. Der verwendete besondere Kreuzungspunktschalter
besteht aus einem Array von 128 Transkonduktanz-Eingangsstufen,
die als acht 16 : 1- Multiplexer
mit einem gemeinsamen Analogengangsbus mit 16 Leitungen organisiert
sind. Jeder Multiplexer ist im Grunde ein Hochgeschwindigkeits-Spannungsrückkopplungsverstärker mit
gefalteter Kaskode mit sechzehn Eingangsstufen. Diese Architektur
ergibt einen Kreuzungspunktschalter mit großer Matrix, geringer Leistung,
hohem Eingangswiderstand, niedriger Eingangskapazität und weiter Bandbreite
ohne die Verwendung zusätzlicher
Eingangspuffer.
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Um eine nicht blockierende 16 × 16-Kreuzungspunktmatrix
für alle
drei analogen Videosignale (rot, grün, blau) zu implementieren,
sind daher in der vorliegenden Ausführung der Erfindung sechs AD8110-Geräte erforderlich,
Steuersignale von der darunterliegenden digitalen Karte werden als
serielle Daten über
den Stacker-Verbinder an die analoge Empfänger-PCB geliefert. Um die Kopplung eines geleiteten
digitalen "Rauschens" von der digitalen PCB zu den analogen Schaltungen
zu minimieren. sind alle Steuersignale unter Verwendung von Opto-Isolatoren
"galvanisch" isoliert. Auf der analogen Seite der opto-isolierten
Barriere wird dieser serielle Datenstrom direkt den analogen Kreuzungspunktschaltern
zugeführt
und bestimmt die Signalleitung innerhalb des Kreuzungspunktschalters.
Der ausgewählte
aktive Kreuzungspunktausgang wird durch einen monolithischen Breitbandverstärker (511)
unmittelbar gepuffert. Dieser Puffer steuert direkt eine Sektion
einer "Streifenleitung" ähnlich
der früher
beschriebenen an. Diese Streifenleitungssektion trägt das Signal
zu der korrekt abgeschlossenen Eingangsstufe der Treiberschaltung
(510) für
einen "Analogbus der Rückwandleiterplatte",
die sich nahe dem Verbinder (503) HDM plus untergeordnete
Karte befindet. Diese Plazierung ist notwendig, um die Länge einer
nicht abgeschlossenen "Blindleitung" kurz zu halten, wenn der Bustreiber
gesperrt ist. Die analoge Senderkarte (42) ist mit dem
analogen Bus der Rückwandleiterplatte
unter Verwendung der Verbinderbaugruppe HDM plus untergeordnete
Karte verbunden, wie oben beschrieben wurde.
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In der vorliegenden Ausführungsform
der Erfindung ist der verwendete Analogbustreiber ein MAX4223EUT-T-Gerät, das von
Maxin geliefert wird. Dieses Gerät
hat eine Ausgabe-Sperrfunktion,
die aktiviert wird, indem ein Abschalt-Steuerpin (SHDN) "heruntergezogen"
wird (507).
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Daher ist ein bestimmter Kanalausgang
mit den gleichen Kanalausgängen
auf einer anderen Empfängerkarte
oder Karten im gleichen Chassis in "einer ODER-Konfiguration verdrahtet",
was dadurch ein Ausgabezugriff jeder Karte auf den gemeinsamen Analogbus
der Rückwandleiterplatte
ergibt. Die Steuersignale, die erforderlich sind, um die
Freigabe-Sperrfunktion
zu liefern, werden ebenfalls aus dem seriellen Datenstrom abgeleitet.
Diese Steuerinformation wird in einer zu der für die differentiellen Eingangsstufen
beschriebenen ähnlichen
Weise unter Verwendung weiterer zwei 8-Bit-Schieberegister extrahiert
und steuert die Analogbustreiber direkt.
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Obgleich die Erfindung mit Verweis
auf ihre Ausführungsformen
in besonderer Weise dargestellt und beschrieben wurde, erkennt der
Fachmann, daß das
Vorhergehende und andere Änderungen
in Form und Einzelheiten ausgeführt
werden können,
ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.