摘 要:提出了一种模块化设计宽带视频切换" title="视频切换">视频切换矩阵的积木型方案,深入阐述了如何确定宽带视频切换矩阵的信号通道带宽、隔离度" title="隔离度">隔离度和非线性失真" title="非线性失真">非线性失真度等关键性能指标。

　关键词:视频切换 模块化设计 隔离度 非线性失真 切换矩阵

　　宽带视频切换矩阵广泛地应用于通信指挥控制中心、空中交通管制、公安和国防等领域。20世纪80年代采用宽带小型继电器实现视频信号的切换,电路复杂、稳定性差、成本很高;90年代采用MAX4141等芯片实现16×8的视频切换矩阵,提高了性能,但是成本仍然很高。为了达到大容量、高性能、低成本和方便使用的目的,对宽带视频切换矩阵的模块化设计进行了深入研究。

1 系统结构

　　如图1所示,宽带视频切换矩阵主要由视频信号输入缓冲与分配、切换矩阵、输出驱动和逻辑控制部件组成。计算机视频信号共有5路分量信号,HV行场同步信号的切换可用EPLD实现,RGB分量视频信号的切换是关键。

2 关键技术

2.1 积木型模块化设计

　　90年代采用MAX4141等芯片实现的16×8的视频切换矩阵费用高、体积大、扩展不灵活。模块化设计视频切换矩阵既能降低成本、减小体积,又方便扩展。

　　如图2所示,积木型模块化设计方案是一种输入输出完全交叉配置的方案,它以基本模块为单位,多模块累加构成大容量的视频切换矩阵。要扩展输出端口,则将输入信号经过视频分配器进行分配;要扩展输入端口,则采用选择器对输出信号进行选择。设基本模块是a×b的视频切换电路,要将输入端口数扩展m倍,输出端口数扩展n倍,即扩展成(a×m)×(b×n)的视频切换矩阵,则总共需要(m×n)个基本模块。

　　值得注意的是,基本模块的容量适中,扩展起来就经济方便。若采用MAX4141设计4×1的基本模块,要扩展成16×8切换矩阵,则总共需要32个基本模块。若一路分量视频信号同时供给多个基本模块,可以节省分配器,但电路还是很复杂,信号线交叉的情况特别多,这给设计印制电路板带来困难,也影响整个系统的信号通道带宽,降低隔离度。若采用AD8110设计16×8基本模块,要扩展成16×24切换矩阵,共需要3个基本模块。实验表明第二种方法更可行,并且能大大降低成本和设计难度。

2.2 视频信号通道带宽的确定

　　对于视频切换矩阵电路而言,带宽适当,可以让源图像中边缘、轮廓等变化较快部分的信息不失真地通过。若视频信号通道带宽过窄,视频信号的高频成份将被部分抑制,使显示的字符、图形模糊或不稳定,严重时不能识别和观看。但是追求过高的带宽指标,会使成本上升,处理不好还会引起模拟电路自激或者引入干扰信号。

　　在确定视频设备的信号通道带宽之前,先讨论一下多级电路的带宽与单级电路的带宽之间的关系。这是因为整个显示控制系统中,除了视频切换矩阵外,还要连入分配器、选择器、显示器以及电缆等,经过每一个部件后信号的带宽都有一定的损失。即使在同一个视频设备中,各个电路模块的带宽之间也存在一定的关系。式(1)给出了多级电路的带宽与单级电路的带宽之间的关系,其中fH为多级电路的带宽上限,fHn为第n级电路的带宽上限。

　　由于视频信号的最低频率接近0,所以没有必要给出带宽下限的计算公式。

　　根据公式(1)计算显然太麻烦。工程上估算视频设备信号通道带宽的经验法则是:信号通道的带宽最好是视频信号频谱宽度的2～3倍。这样做还有一个好处,接近上限截止频率的信号能量不至于衰减太多。这是因为上限截止频率定义在半功率点(-3dB)处。

　　当全屏只显示一个点并且这个点只相当于一个象素大小(不考虑这个点垂直移动的情况)时,视频图像信号的频率最低,也就是场扫描频率。一般的场扫描频率为60Hz左右,与图像信号的最高频率相比,可以近似认为是零,因此视频图像信号的最低频率看作是零。

　　视频图像信号的最高频率出现在传送一幅全是细节图像的情况下,并且细节大小相当于一个象素,或者说等于一个扫描点的大小,即显示黑白相间的竖直条纹情况。如图3所示。

　　设系统输入的视频信号最高分辨率为1280×1024,行频f_H=64kHz,帧频f_V=60Hz,象素点频P_M≈110MHz,显示一个点的时钟周期T_d≈9.1ns。f_max=1/(2TD)=55MHz,即这种信号的频谱宽度B_W=55MHz。根据上面所论述的设备信号通道带宽的确定原则,视频切换矩阵电路的信号通道带宽至少应为110MHz。

　　另一种计算视频信号频谱宽度的方法是:由于视频信号具有脉冲特性,所以按照脉冲信号的上升/下降时间τ值,用一经典公式计算信号的带宽:BW=0.35/τ。对于待显示的信号,要求扫描时电子束中心达到象素点中心位置时,视频信号的幅值达到规定的电平,如图3所示。可见τ=T_d/2,于是可求得这一信号的带宽为:BW=0.35/(T_d/2)≈77MHz;再根据上面所论述的设备信号带宽的确定原则,视频切换矩阵电路的信号通道带宽至少应为150MHz。

　　第三种计算视频设备信号通道带宽的方法是按照EXTRON公司给出的近似公式:BW=3[T_p×V_t/2]。式中:T_p表示可显示象素总数,在已知显示分辨率时,T_p就是水平显示点数与垂直显示点数的乘积;V_t表示垂直扫描频率。用该式计算,可以得出切换上述视频信号所需的信号通道带宽约为120MHz。这与前两种方法计算的结果相差不大。实际上这三种计算方法本质上是一样的,只是给出的误差容限不一致。

2.3 隔离度与交叉串扰

　　虽然导通情况下的信号带宽性能很重要,但是涉及高频信号切换的很多应用中,关断情况下的隔离度也是一项重要指标。隔离度表明了视频切换矩阵在关断的情况下隔离输入输出信号的能力,可以用如下公式定义:

　　隔离度(dB)=20log(V_OUT/V_IN)

　　V_IN是输入信号的幅值,V_OUT是在开关关断情况下耦合过去的信号幅值。

　　所谓串扰" title="串扰">串扰就是指不希望某一路视频信号串入到另外一些电路中去。串扰信号可能失真,也可能不失真。大多数情况下,频率越高,串扰越严重;特别是当两个不同步的信号发生串扰时更显著,主观效果很差。

　　串扰信杂比定义为串扰信号幅度的峰峰值与输入信号幅度的峰峰值之比,一般用dB表示,其计算公式为:S/N=20log(串扰信号幅度峰峰值/输入信号幅度峰峰值)。实际上在测量时,将隔离度与串扰信杂比放在一起测,并统一称为隔离度。

　　采用宽带小型继电器实现视频信号的切换,体积大,功耗高,但是它的带宽指标很好,隔离度和串扰也很小。现在采用宽带视频切换集成电路,体积缩小了,功耗降低了,但是带宽和隔离度却成了棘手的事情,这可以从切换开关的等效电路来分析,如图4 所示。

　　图4中的基本模拟开关由FET(JFET或者CMOS)管构建,另外加上栅极的驱动电路。驱动电路控制源极和漏极之间的通断。RON是导通电阻,CEQ是源极和漏极之间的寄生电容" title="寄生电容">寄生电容,CD是漏极对地的寄生电容。

　　隔离状态的寄生电容取决于下面几个基本因素:制造工艺(LC2MOS)、引脚配置和封装类型(塑料双列直插/陶瓷封装/塑料覆铅芯片载体)。LC2MOS(Linear Compatible CMOS)的特点是寄生电容很小。合理的引脚分配使模拟输入/输出引脚尽可能隔得远,这样也可以减小寄生电容。AD8110视频切换集成电路的输入引脚排列在一侧,输出引脚排列在另一侧。不论输入还是输出引脚之间,都有模拟地线隔离,这样有利于减小信号之间的相互串扰。总之,引脚的配置和封装类型,对隔离的效果影响很大。

　　从图4可以看出,降低C_EQ可以提高隔离度;此外,隔离度在很大程度上取决于C_D、C_L和R_L。R_L值越低隔离度越好,这是因为C_EQ的作用越小。但是RL值越低,导通时信号的损失越大,这一点可从分压公式看出来:R_L/(R_ON+R_L)。较大的C_D、C_L值可以提高隔离度,但是降低了视频信号通道的带宽。因此在设计印制电路板时,信号线之间要用地线隔离,但又不能将信号线与地线离得太近。

2.4 视频信号的非线性失真

　　视频信号通过一个系统之后所产生的失真可分成两大类:一类是线性失真,另一类是非线性失真。线性失真的特点是失真与输入信号的幅度无关,仅仅是由于电路自身的幅频特性和相频特性不好造成的;非线性失真的特点是失真与输入信号的幅度有关,它是由传输系统的非线性引起的。

　　视频信号非线性失真可用阶梯波信号测试,每个阶梯为0.1V,共8阶,最高一阶为0.8V。这个规定主要为避免最高阶叠加1MHz正弦波测试信号(100mV)后产生非线性失真,从而使测量结果脱离实际。

　　由于宽带视频切换矩阵信号通道的非线性,使彩色信息切换后不仅有亮度失真,还有色度失真。前者不易觉察,后者较易引起注意。因此,色度失真必须限制在人眼色差辨别阈所确定的容限内。人眼分辨颜色变化的能力是有限的,而且随着颜色种类及其变化趋向的不同而有所不同。根据对整个彩色范围所做的实验,绘出了XYZ色度图中的等色差域图,反映出人眼对各种颜色改变的不同分辨能力。利用等色差域图可以确定彩色信号RGB失真的容限以及估计对视频信号通道的要求。

　　视频信号最终目的还是给人眼看,所以确定非线性失真指标的最低要求是不能让人眼明显感觉到图像失真了。研究表明,采用AD8110做视频切换的核心器件并按照积木型模块化方案设计的切换矩阵,非线性失真度小于-46dB，人眼感觉不到图像失真。

　　本文提出的一些研究成果已成功应用于通用图像显示控制系统,在军事指挥和航空航天等领域发挥了重要作用。

参考文献

1 余理富，胡亚华，卢力.通用图像显示控制技术研究.国防科技大学学报，2000；22(2)

2 俞斯乐.电视原理.长沙:国防工业出版社，1994

3 陈善移.视频测量技术.北京:中国广播电视出版社

4 黎洪松. 数字视频技术及其应用.北京:清华大学出版社，1997