摘? 要: 提出了一種模塊化設計寬帶視頻切換" title="視頻切換">視頻切換矩陣的積木型方案,深入闡述了如何確定寬帶視頻切換矩陣的信號通道帶寬、隔離度" title="隔離度">隔離度和非線性失真" title="非線性失真">非線性失真度等關鍵性能指標。
關鍵詞: 視頻切換? 模塊化設計? 隔離度? 非線性失真? 切換矩陣
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寬帶視頻切換矩陣廣泛地應用于通信指揮控制中心、空中交通管制、公安和國防等領域。20世紀80年代采用寬帶小型繼電器實現視頻信號的切換,電路復雜、穩定性差、成本很高;90年代采用MAX4141等芯片實現16×8的視頻切換矩陣,提高了性能,但是成本仍然很高。為了達到大容量、高性能、低成本和方便使用的目的,對寬帶視頻切換矩陣的模塊化設計進行了深入研究。
1 系統結構
如圖1所示,寬帶視頻切換矩陣主要由視頻信號輸入緩沖與分配、切換矩陣、輸出驅動和邏輯控制部件組成。計算機視頻信號共有5路分量信號,HV行場同步信號的切換可用EPLD實現,RGB分量視頻信號的切換是關鍵。
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2 關鍵技術
2.1 積木型模塊化設計
90年代采用MAX4141等芯片實現的16×8的視頻切換矩陣費用高、體積大、擴展不靈活。模塊化設計視頻切換矩陣既能降低成本、減小體積,又方便擴展。
如圖2所示,積木型模塊化設計方案是一種輸入輸出完全交叉配置的方案,它以基本模塊為單位,多模塊累加構成大容量的視頻切換矩陣。要擴展輸出端口,則將輸入信號經過視頻分配器進行分配;要擴展輸入端口,則采用選擇器對輸出信號進行選擇。設基本模塊是a×b的視頻切換電路,要將輸入端口數擴展m倍,輸出端口數擴展n倍,即擴展成(a×m)×(b×n)的視頻切換矩陣,則總共需要(m×n)個基本模塊。
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值得注意的是,基本模塊的容量適中,擴展起來就經濟方便。若采用MAX4141設計4×1的基本模塊,要擴展成16×8切換矩陣,則總共需要32個基本模塊。若一路分量視頻信號同時供給多個基本模塊,可以節省分配器,但電路還是很復雜,信號線交叉的情況特別多,這給設計印制電路板帶來困難,也影響整個系統的信號通道帶寬,降低隔離度。若采用AD8110設計16×8基本模塊,要擴展成16×24切換矩陣,共需要3個基本模塊。實驗表明第二種方法更可行,并且能大大降低成本和設計難度。
2.2 視頻信號通道帶寬的確定
對于視頻切換矩陣電路而言,帶寬適當,可以讓源圖像中邊緣、輪廓等變化較快部分的信息不失真地通過。若視頻信號通道帶寬過窄,視頻信號的高頻成份將被部分抑制,使顯示的字符、圖形模糊或不穩定,嚴重時不能識別和觀看。但是追求過高的帶寬指標,會使成本上升,處理不好還會引起模擬電路自激或者引入干擾信號。
在確定視頻設備的信號通道帶寬之前,先討論一下多級電路的帶寬與單級電路的帶寬之間的關系。這是因為整個顯示控制系統中,除了視頻切換矩陣外,還要連入分配器、選擇器、顯示器以及電纜等,經過每一個部件后信號的帶寬都有一定的損失。即使在同一個視頻設備中,各個電路模塊的帶寬之間也存在一定的關系。式(1)給出了多級電路的帶寬與單級電路的帶寬之間的關系,其中fH為多級電路的帶寬上限,fHn為第n級電路的帶寬上限。
由于視頻信號的最低頻率接近0,所以沒有必要給出帶寬下限的計算公式。
根據公式(1)計算顯然太麻煩。工程上估算視頻設備信號通道帶寬的經驗法則是:信號通道的帶寬最好是視頻信號頻譜寬度的2～3倍。這樣做還有一個好處,接近上限截止頻率的信號能量不至于衰減太多。這是因為上限截止頻率定義在半功率點(-3dB)處。
當全屏只顯示一個點并且這個點只相當于一個象素大小(不考慮這個點垂直移動的情況)時,視頻圖像信號的頻率最低,也就是場掃描頻率。一般的場掃描頻率為60Hz左右,與圖像信號的最高頻率相比,可以近似認為是零,因此視頻圖像信號的最低頻率看作是零。
視頻圖像信號的最高頻率出現在傳送一幅全是細節圖像的情況下,并且細節大小相當于一個象素,或者說等于一個掃描點的大小,即顯示黑白相間的豎直條紋情況。如圖3所示。
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設系統輸入的視頻信號最高分辨率為1280×1024,行頻fH=64kHz,幀頻fV=60Hz,象素點頻PM≈110MHz,顯示一個點的時鐘周期Td≈9.1ns。fmax=1/(2TD)=55MHz,即這種信號的頻譜寬度BW=55MHz。根據上面所論述的設備信號通道帶寬的確定原則,視頻切換矩陣電路的信號通道帶寬至少應為110MHz。
另一種計算視頻信號頻譜寬度的方法是:由于視頻信號具有脈沖特性,所以按照脈沖信號的上升/下降時間τ值,用一經典公式計算信號的帶寬:BW=0.35/τ。對于待顯示的信號,要求掃描時電子束中心達到象素點中心位置時,視頻信號的幅值達到規定的電平,如圖3所示。可見τ=Td/2,于是可求得這一信號的帶寬為:BW=0.35/(Td/2)≈77MHz;再根據上面所論述的設備信號帶寬的確定原則,視頻切換矩陣電路的信號通道帶寬至少應為150MHz。
第三種計算視頻設備信號通道帶寬的方法是按照EXTRON公司給出的近似公式:BW=3[Tp×Vt/2]。式中:Tp表示可顯示象素總數,在已知顯示分辨率時,Tp就是水平顯示點數與垂直顯示點數的乘積;Vt表示垂直掃描頻率。用該式計算,可以得出切換上述視頻信號所需的信號通道帶寬約為120MHz。這與前兩種方法計算的結果相差不大。實際上這三種計算方法本質上是一樣的,只是給出的誤差容限不一致。
2.3 隔離度與交叉串擾
雖然導通情況下的信號帶寬性能很重要,但是涉及高頻信號切換的很多應用中,關斷情況下的隔離度也是一項重要指標。隔離度表明了視頻切換矩陣在關斷的情況下隔離輸入輸出信號的能力,可以用如下公式定義:
隔離度(dB)=20log(VOUT/VIN)
VIN是輸入信號的幅值,VOUT是在開關關斷情況下耦合過去的信號幅值。
所謂串擾" title="串擾">串擾就是指不希望某一路視頻信號串入到另外一些電路中去。串擾信號可能失真,也可能不失真。大多數情況下,頻率越高,串擾越嚴重;特別是當兩個不同步的信號發生串擾時更顯著,主觀效果很差。
串擾信雜比定義為串擾信號幅度的峰峰值與輸入信號幅度的峰峰值之比,一般用dB表示,其計算公式為:S/N=20log(串擾信號幅度峰峰值/輸入信號幅度峰峰值)。實際上在測量時,將隔離度與串擾信雜比放在一起測,并統一稱為隔離度。
采用寬帶小型繼電器實現視頻信號的切換,體積大,功耗高,但是它的帶寬指標很好,隔離度和串擾也很小。現在采用寬帶視頻切換集成電路,體積縮小了,功耗降低了,但是帶寬和隔離度卻成了棘手的事情,這可以從切換開關的等效電路來分析,如圖4 所示。
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圖4中的基本模擬開關由FET(JFET或者CMOS)管構建,另外加上柵極的驅動電路。驅動電路控制源極和漏極之間的通斷。RON是導通電阻,CEQ是源極和漏極之間的寄生電容" title="寄生電容">寄生電容,CD是漏極對地的寄生電容。
隔離狀態的寄生電容取決于下面幾個基本因素:制造工藝(LC2MOS)、引腳配置和封裝類型(塑料雙列直插/陶瓷封裝/塑料覆鉛芯片載體)。LC2MOS(Linear Compatible CMOS)的特點是寄生電容很小。合理的引腳分配使模擬輸入/輸出引腳盡可能隔得遠,這樣也可以減小寄生電容。AD8110視頻切換集成電路的輸入引腳排列在一側,輸出引腳排列在另一側。不論輸入還是輸出引腳之間,都有模擬地線隔離,這樣有利于減小信號之間的相互串擾。總之,引腳的配置和封裝類型,對隔離的效果影響很大。
從圖4可以看出,降低CEQ可以提高隔離度;此外,隔離度在很大程度上取決于CD、CL和RL。RL值越低隔離度越好,這是因為CEQ的作用越小。但是RL值越低,導通時信號的損失越大,這一點可從分壓公式看出來:RL/(RON+RL)。較大的CD、CL值可以提高隔離度,但是降低了視頻信號通道的帶寬。因此在設計印制電路板時,信號線之間要用地線隔離,但又不能將信號線與地線離得太近。
2.4 視頻信號的非線性失真
視頻信號通過一個系統之后所產生的失真可分成兩大類:一類是線性失真,另一類是非線性失真。線性失真的特點是失真與輸入信號的幅度無關,僅僅是由于電路自身的幅頻特性和相頻特性不好造成的;非線性失真的特點是失真與輸入信號的幅度有關,它是由傳輸系統的非線性引起的。
視頻信號非線性失真可用階梯波信號測試,每個階梯為0.1V,共8階,最高一階為0.8V。這個規定主要為避免最高階疊加1MHz正弦波測試信號(100mV)后產生非線性失真,從而使測量結果脫離實際。
由于寬帶視頻切換矩陣信號通道的非線性,使彩色信息切換后不僅有亮度失真,還有色度失真。前者不易覺察,后者較易引起注意。因此,色度失真必須限制在人眼色差辨別閾所確定的容限內。人眼分辨顏色變化的能力是有限的,而且隨著顏色種類及其變化趨向的不同而有所不同。根據對整個彩色范圍所做的實驗,繪出了XYZ色度圖中的等色差域圖,反映出人眼對各種顏色改變的不同分辨能力。利用等色差域圖可以確定彩色信號RGB失真的容限以及估計對視頻信號通道的要求。
視頻信號最終目的還是給人眼看,所以確定非線性失真指標的最低要求是不能讓人眼明顯感覺到圖像失真了。研究表明,采用AD8110做視頻切換的核心器件并按照積木型模塊化方案設計的切換矩陣,非線性失真度小于-46dB，人眼感覺不到圖像失真。
本文提出的一些研究成果已成功應用于通用圖像顯示控制系統,在軍事指揮和航空航天等領域發揮了重要作用。
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參考文獻
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