低电容量的电缆及可变电容量的开关制造技术

本发明专利技术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。根据本发明专利技术的实施例，可大幅度降低电缆的电容量，从而利用本发明专利技术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。地保证高质量的通信。地保证高质量的通信。

【技术实现步骤摘要】
低电容量的电缆及可变电容量的开关


[0001]本专利技术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。本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]大多数现代数字通讯标准，如DVI(Digital Visual Interface),HDMI(High
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Definition Multimedia Interface),DP(DisplayPort),MHL(Mobile High
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Definition Link)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
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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。
[0005]许多标准使用I2C(Inter
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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，本专利技术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。本专利技术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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]过去二十多年，许多专利技术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。所以这些专利技术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。

技术实现思路

[0010]本专利技术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。本专利技术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，用本专利技术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。
[0011]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专利技术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
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铜线复合电缆和只有铜线的电缆的实施方式的例子，本专利技术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。
[0012]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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕晓政，
申请(专利权)人：吕晓政，
类型：发明
国别省市：