一種延長計算機主機與人機接口設備之間距離的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種延長計算機主機與人機接口設備之間距離的裝置和方法，特別涉及到在主機和人機接口設備之間采用長距離線纜傳輸視頻信號及USB數(shù)據(jù)以增加主機和人機接口設備之間距離的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，計算機的主機和顯示器、鼠標、鍵盤、攝像頭等人機接口設備之間的距離較近，一般在兩、三米以內(nèi)。在某些應用場合，基于安全或便于維護等方面的考慮，需要將主機和人機接口設備放置在不同的物理空間，這樣就需要增加主機和人機接口設備之間的距離。傳輸無壓縮視頻所需的帶寬很高，如常用的顯示器分辨率1920x1080在掃描頻率為60赫茲時，所需帶寬為每秒5G位。使用線纜傳輸視頻時，線纜會對信號質(zhì)量造成衰減，且信號頻率與帶寬越高，衰減越嚴重。目前主機和顯示器之間常用的接口有VGA、DV1、HDMI,DisplayPort等接口，其所用線纜因信號的高頻衰減問題，一般傳輸距離在10米以內(nèi)。將視頻信號壓縮后再傳輸，將有效降低信號所需帶寬，從而可以增加傳輸距離。目前常用的傳輸壓縮后視頻信號的方案為IP傳輸方案，IP傳輸方案將視頻信號經(jīng)過壓縮打包后通過IP網(wǎng)絡傳輸，傳輸距離長，具有高度的擴展性和延伸性，但因其是基于復雜的IP協(xié)議，增加了視頻傳輸延時，且需要進行雙向通信，局限了應用場景也增加了系統(tǒng)的復雜性與成本。通用串行總線的英文為Universal Serial Bus，縮寫為USB，它是在PC領(lǐng)域廣為應用的接口技術(shù)，USB接口具有傳輸速度快、支持熱插拔、可同時連接多個設備的特點，目前主機和鼠標、鍵盤、攝像頭等除顯示設備外的其它人機接口設備之間多采用USB接口進行連接。由于存在信號衰減，且USB傳輸線纜采用直流耦合方式與主機和設備相連，不適于長距離傳輸，USB標準中規(guī)定的線纜最大長度只有5米，雖然可用USB集線器增加USB數(shù)據(jù)傳輸距離，但最多只能采用5級集線器，而且較多的集線器同時也增加了成本。傳輸距離的限制在一定程度上制約了 USB接口標準的應用。綜上所述，目前在主機和人機接口設備之間缺乏一種有效的長距離視頻與USB數(shù)據(jù)傳輸解決方案，其既可以將視頻以低延時進行遠距離傳輸，又可以通過較長距離傳輸USB數(shù)據(jù)，超越USB標準中規(guī)定的USB設備間最大長度5米的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，通過對視頻信號的壓縮和USB數(shù)據(jù)的處理，使得視頻信號和USB數(shù)據(jù)可通過長距離的線纜在主機和人機接口設備之間傳輸。
[0004]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:作為本發(fā)明的一種延長計算機主機與人機接口設備之間距離的裝置，該延長計算機主機與人機接口設備之間距離的裝置包括遠端裝置、近端裝置和傳輸線纜，遠端裝置連接著計算機主機，近端裝置連接著人機接口設備，遠端裝置通過傳輸線纜連接著近端裝置；遠端裝置包括視頻發(fā)送裝置和遠端通用串行總線延長距離裝置，近端裝置包括視頻接收裝置和近端通用串行總線延長距離裝置，傳輸線纜包括一個或兩個或三個視頻傳輸通道以及一個數(shù)據(jù)傳輸通道，傳輸線纜可以是不同介質(zhì)、不同型號和規(guī)格的線纜，包括同軸電纜、雙絞線等，視頻發(fā)送裝置通過視頻傳輸通道連接著視頻接收裝置，遠端通用串行總線延長距離裝置通過數(shù)據(jù)傳輸通道連接著近端通用串行總線延長距離裝置，遠端通用串行總線延長距離裝置和數(shù)據(jù)傳輸通道之間以及近端通用串行總線延長距離裝置和數(shù)據(jù)傳輸通道之間都是通過交流耦合方式連接，可以是電容耦合或變壓器耦合，采用交流耦合方式可消除傳輸線纜上的低頻及共模干擾電壓，可有效提高裝置的可靠性，避免因高壓損壞裝置；視頻發(fā)送裝置包括視頻源接收端口、視頻壓縮引擎和串行視頻發(fā)送端口，視頻源接收端口接收來自計算機主機的視頻源信號并產(chǎn)生壓縮前視頻信號，視頻壓縮引擎接收壓縮前視頻信號，對壓縮前視頻信號采用幀內(nèi)靜態(tài)圖像壓縮算法進行壓縮，產(chǎn)生壓縮后視頻信號，采用幀內(nèi)靜態(tài)圖像壓縮算法與幀間壓縮算法相比，可有效縮短視頻信號的壓縮延時，串行視頻發(fā)送端口接收來自視頻壓縮引擎的壓縮后視頻信號，產(chǎn)生發(fā)送到視頻傳輸通道的串行視頻信號，如果只使用一個視頻傳輸通道，那么直接將串行視頻信號傳遞到此通道進行發(fā)送，如果同時使用兩個或三個視頻傳輸通道，那么需要將視頻信號分配到這兩個或三個通道再分別進行發(fā)送，這樣可將通道上的信號平均速率降至只使用一個通道傳輸視頻信號時的二分之一或三分之一，串行視頻信號通過視頻傳輸通道從視頻發(fā)送裝置單向傳輸?shù)揭曨l接收裝置，在傳輸過程中不需要施加反向控制信號，也不需要進行流量控制，從而消除因流量控制而可能引起的傳輸延時，這樣也可減少傳輸視頻信號時需要的傳輸線纜數(shù)量，從而可以簡化設計并降低成本；視頻接收裝置包括串行視頻接收端口、視頻解壓縮引擎和視頻顯示發(fā)送端口，串行視頻接收端口接收來自視頻傳輸通道的串行視頻信號，如果只使用一個視頻傳輸通道，那么接收串行視頻信號后產(chǎn)生解壓縮前視頻信號，如果同時使用兩個或三個視頻傳輸通道，那么需要首先將兩個通道或三個通道接收的串行視頻信號進行相位對齊，然后合并為一路視頻信號，再產(chǎn)生解壓縮前視頻信號，視頻解壓縮引擎接收來自串行視頻接收端口的解壓縮前視頻信號，對解壓縮前視頻信號采用幀內(nèi)靜態(tài)圖像解壓縮算法進行解壓縮，產(chǎn)生解壓縮后視頻信號，視頻顯示發(fā)送端口接收來自視頻解壓縮引擎的解壓縮后視頻信號，產(chǎn)生發(fā)送到人機接口設備的終端視頻顯不彳目號；
[0005]遠端通用串行總線延長距離裝置和近端通用串行總線延長距離裝置都包括狀態(tài)檢測單元、狀態(tài)信息打包單元、狀態(tài)信息解析單元、USB接口單元、延長線發(fā)送處理單元、延長線接收處理單元和延長線接口單元；USB接口單元接收來自計算機主機和人機接口設備的USB格式的終端USB數(shù)據(jù)包并產(chǎn)生USB接收數(shù)據(jù)包，USB接收數(shù)據(jù)包包含USB有效數(shù)據(jù)、USB接收數(shù)據(jù)包前綴碼同步字段和USB接收數(shù)據(jù)包前綴碼包標識符字段；狀態(tài)檢測單元檢測通用串行總線差分線上電平的高低和持續(xù)時間，判斷計算機主機和人機接口設備的通用串行總線上拉電阻和通用串行總線下拉電阻的狀態(tài)，當通用串行總線上拉電阻和通用串行總線下拉電阻的狀態(tài)發(fā)生改變時，狀態(tài)檢測單元產(chǎn)生發(fā)送到狀態(tài)信息打包單元的狀態(tài)信息；狀態(tài)信息打包單元接收來自狀態(tài)檢測單元的狀態(tài)信息，對狀態(tài)信息添加前綴碼并產(chǎn)生發(fā)送到延長線發(fā)送處理單元的狀態(tài)信息發(fā)送數(shù)據(jù)包，狀態(tài)信息發(fā)送數(shù)據(jù)包包含狀態(tài)信息、狀態(tài)信息前綴碼同步字段和狀態(tài)信息前綴碼包標識符字段，狀態(tài)信息發(fā)送數(shù)據(jù)包的前綴碼與USB接收數(shù)據(jù)包的前綴碼的不同之處在于以下兩點中的至少一點:一是狀態(tài)信息發(fā)送數(shù)據(jù)包的狀態(tài)信息前綴碼同步字段與USB接收數(shù)據(jù)包的USB接收數(shù)據(jù)包前綴碼同步字段不同，二是狀態(tài)信息發(fā)送數(shù)據(jù)包的狀態(tài)信息前綴碼包標識符字段與USB接收數(shù)據(jù)包的USB接收數(shù)據(jù)包前綴碼包標識符字段不同；延長線發(fā)送處理單元接收來自USB接口單元的USB接收數(shù)據(jù)包和來自狀態(tài)檢測單元的狀態(tài)信息發(fā)送數(shù)據(jù)包，根據(jù)需要對這兩個數(shù)據(jù)進行二擇一地選擇，并產(chǎn)生發(fā)送到延長線接口單元的延長線發(fā)送數(shù)據(jù)包；延長線接口單元接收來自延長線發(fā)送處理單元的延長線發(fā)送數(shù)據(jù)包，并產(chǎn)生發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸通道的延長線數(shù)據(jù)包，同時延長線接口單元也接收來自數(shù)據(jù)傳輸通道的延長線數(shù)據(jù)包，并產(chǎn)生延長線接收數(shù)據(jù)包；延長線接收處理單元接收來自延長線接口單元的延長線接收數(shù)據(jù)包并解析前綴碼，當前綴碼與USB接收數(shù)據(jù)包的前綴碼相同時，產(chǎn)生發(fā)送到USB接口單元的USB發(fā)送數(shù)據(jù)包，而當前綴碼與USB接收數(shù)據(jù)包的前綴碼不同時，產(chǎn)生發(fā)送到狀態(tài)信息解析單元的狀態(tài)信息接收數(shù)據(jù)包；USB接口單元接收來自延長線接收處理單元的USB發(fā)送數(shù)據(jù)包，并產(chǎn)生發(fā)送到計算機主機和人機接口設備的USB格式的終端USB數(shù)據(jù)包；狀態(tài)信息解析單元接收來自延長線接收處理單元的狀態(tài)信息接收數(shù)據(jù)包，從狀態(tài)信息接收數(shù)據(jù)包中讀取狀態(tài)信息，并配置近端通用串行總線延長距離裝置和遠端通用串行總線延長距離裝置的通用串行總線上拉電阻和通用串行總線下拉電阻，使得近端通用串行總線延長距離裝置的通用串行總線上拉電阻和通用串行總線下拉電阻的狀態(tài)與計算機主機的通用串行總線上拉電阻和通用串行總線下拉電阻的狀態(tài)保持同步，使得遠端通用串行總線延長距離裝置的通用串行總線上拉電阻和通用串行總線下拉電阻的狀態(tài)與人機接口設備的通用串行總線上拉電阻和通用串行總線下拉電阻的狀態(tài)保持同步。狀態(tài)檢測單元、狀態(tài)信息打包單元和狀態(tài)信息解析單元結(jié)合使用，將緩慢傳輸變成了快速傳輸，適于使用交流耦合方式連接裝置和傳輸線纜，使得不易長距離傳輸?shù)腢SB格式變成了易于長距離傳輸?shù)母袷?，遠端通用串行總線延長距離裝置32與近端通用串行總線延長距離裝置42之間的距離可以超越USB標準規(guī)定的主機與設備之間最大5米的限制。
[0006]作為本發(fā)明的另一種延長計算機主機與人機接口設備之間距離的裝置，該延長計算機主機與人機接口設備之間距離的裝置包括遠端裝置、近端裝置和傳輸線纜，遠端裝置連接著計算機主機，近端裝置連接著人機接口設備，遠端裝置通過傳輸線纜連接著近端裝置；遠端裝置包括視頻發(fā)送裝置和遠端通用串行總線延長距離裝置，近端裝置包括視頻接收裝置和近端通用串行總線延長距離裝置，傳輸線纜包括一個或兩個或三個視頻傳輸通道以及一個數(shù)據(jù)傳輸通道，傳輸線纜可以是不同介質(zhì)、不同型號和規(guī)格的線纜，包括同軸電纜、雙絞線等，視頻發(fā)送裝置通過視頻傳輸通道連接著視頻接收裝置，遠端通用串行總線延長距離裝置通過數(shù)據(jù)傳輸通道連接著近端通用串行總線延長距離裝置，遠端通用串行總線延長距離裝置和數(shù)據(jù)傳輸通道之間以及近端通用串行總線延長距離裝置和數(shù)據(jù)傳輸通道之間都是通過交流耦合方式連接，可以是電容耦合或變壓器耦合，采用交流耦合方式可消除傳輸線纜上的共模干擾電壓，可有效提高裝置的可靠性，避免因高壓損壞裝置；視頻發(fā)送裝置包括視頻源接收端口、視頻壓縮引擎和串行視頻發(fā)送端口，視頻源接收端口接收來自計算機主機的視頻源信號并產(chǎn)生壓縮前視頻信號，視頻壓縮引擎接收壓縮前視頻信號，對壓縮前視頻信號采用了幀內(nèi)靜態(tài)圖像壓縮算法進行壓縮，產(chǎn)生壓縮后視頻信號，幀內(nèi)靜態(tài)圖像壓縮算法與幀間壓縮算法相比，可有效縮短視頻信號的壓縮延時，串行視頻發(fā)送端口接收來自視頻壓縮引擎的壓縮后視頻信號，產(chǎn)生發(fā)送到視頻傳輸通道的串行視頻信號，如果只使用一個視頻傳輸通道，那么直接將串行視頻信號傳遞到此通道進行發(fā)送，如果同時使用兩個或三個視頻傳輸通道，那么需要將視頻信號平均分配到這兩個或三個通道再分別進行發(fā)送，這樣可將通道上的信號速率降至只使用一個通道傳輸視頻信號時的二分之一或三分之一，串行視頻信號通過視頻傳輸通道從視頻發(fā)送裝置單向傳輸?shù)揭曨l接收裝置，在傳輸過程中不需要施加反向控制信號，也不需要進行流量控制，從而消除因流量控制而可能引起的傳輸延時，這樣也可減少傳輸視頻信號時需要的傳輸線纜數(shù)量，從而可以簡化設計并降低成本；視頻接收裝置包括串行視頻接收端口、視頻解壓縮引擎和視頻顯示發(fā)送端口，串行視頻接收端口接收來自視頻傳輸通道的串行視頻信號，如果只使用一個視頻傳輸通道，那么接收串行視頻信號后產(chǎn)生解壓縮前視頻信號，如果同時使用兩個或三個視頻傳輸通道，那么需要首先將兩個通道或三個通道接收的串行視頻信號進行相位對齊，然后合并為一路視頻信號，再產(chǎn)生解壓縮前視頻信號，視頻解壓縮引擎接收來自串行視頻接收端口的解壓縮前視頻信號，對解壓縮前視頻信號采用幀內(nèi)靜態(tài)圖像解壓縮算法進行解壓縮，產(chǎn)生解壓縮后視頻信號，視頻顯示發(fā)送端口接收來自視頻解壓縮引擎的解壓縮后視頻信號，產(chǎn)生發(fā)送到人機接口設備的終端視頻顯示信號；
[0007]遠端通用串行總線延長距離裝置和近端通用串行總線延長距離裝置都包括狀態(tài)檢測單元、狀態(tài)信息打包單元、狀態(tài)信息解析單元、USB接口單元、延長線發(fā)送處理單元、延長線接收處理單元、延長線編碼單元、延長線解碼單元和延長線接口單元；USB接口單元接收來自計算機主機和人機接口設備的USB格式的終端USB數(shù)據(jù)包并產(chǎn)生USB接收數(shù)據(jù)包，USB接收數(shù)據(jù)包包含USB有效數(shù)據(jù)、USB接收數(shù)據(jù)包前綴碼同步字段和USB接收數(shù)據(jù)包前綴碼包標識符字段；狀態(tài)檢測單元檢測通用串行總線差分線上電平的高低和持續(xù)時間，判斷計算機主機和人機接口設備的通用串行總線上拉電阻和通用串行總線下拉電阻的狀態(tài)，當通用串行總線上拉電阻和通用串行總線下拉電阻的狀態(tài)發(fā)生改變時，狀態(tài)檢測單元產(chǎn)生發(fā)送到狀態(tài)信息打包單元的狀態(tài)信息；狀態(tài)信息打包單元接收來自狀態(tài)檢測單元的狀態(tài)信息，對狀態(tài)信息添加前綴碼并產(chǎn)生發(fā)送到延長線發(fā)送處理單元的狀態(tài)信息發(fā)送數(shù)據(jù)包，狀態(tài)信息發(fā)送數(shù)據(jù)包包含狀態(tài)信息、狀態(tài)信息前綴碼同步字段和狀態(tài)信息前綴碼包標識符字段，狀態(tài)信息發(fā)送數(shù)據(jù)包的前綴碼與USB接收數(shù)據(jù)包的前綴碼的不同之處在于以下兩點中的至少一點:一是狀態(tài)信息發(fā)送數(shù)據(jù)包的狀態(tài)信息前綴碼同步字段與USB接收數(shù)據(jù)包的USB接收數(shù)據(jù)包前綴碼同步字段不同，二是狀態(tài)信息發(fā)送數(shù)據(jù)包的狀態(tài)信息前綴碼包標識符字段與USB接收數(shù)據(jù)包的USB接收數(shù)據(jù)包前綴碼包標識符字段不同；延長線發(fā)送處理單元接收來自USB接口單元的USB接收數(shù)據(jù)包和來自狀態(tài)檢測單元的狀態(tài)信息發(fā)送數(shù)據(jù)包，根據(jù)需要對這兩個數(shù)據(jù)進行二擇一地選擇，并產(chǎn)生發(fā)送到延長線編碼單元的延長線發(fā)送數(shù)據(jù)包；延長線編碼單元接收來自延長線發(fā)送處理單元的延長線發(fā)送數(shù)據(jù)包，對延長線發(fā)送數(shù)據(jù)包進行編碼，并產(chǎn)生發(fā)送到延長線接口單元的延長線編碼后數(shù)據(jù)包，編碼方式至少采用以下兩種方式中的一種:一是采用直流平衡編碼，二是采用擾碼，這兩種方式都可使數(shù)據(jù)中O和I的個數(shù)相等或接近相等，使得信號的直流分量在數(shù)據(jù)傳輸過程中保持恒定或近似恒定，以便于在接收端恢復出時鐘和數(shù)據(jù)；延長線接口單元接收來自延長線編碼單元的延長線編碼后數(shù)據(jù)包，并產(chǎn)生發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸通道的延長線數(shù)據(jù)包，同時延長線接口單元也接收來自數(shù)據(jù)傳輸通道的延長線數(shù)據(jù)包，并產(chǎn)生發(fā)送到延長線解碼單元的延長線解