摘? 要: 提出了一種模塊化設(shè)計(jì)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(guān)鍵性能指標(biāo)。
關(guān)鍵詞: 視頻切換? 模塊化設(shè)計(jì)? 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(yīng)用于通信指揮控制中心、空中交通管制、公安和國防等領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代采用寬帶小型繼電器實(shí)現(xiàn)視頻信號的切換,電路復(fù)雜、穩(wěn)定性差、成本很高;90年代采用MAX4141等芯片實(shí)現(xiàn)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(dá)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(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
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(qū)動和邏輯控制部件組成。計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn),RGB分量視頻信號的切換是關(guān)鍵。
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2 關(guān)鍵技術(shù)
2.1 積木型模塊化設(shè)計(jì)
90年代采用MAX4141等芯片實(shí)現(xiàn)的16×8的視頻切換矩陣費(fèi)用高、體積大、擴(kuò)展不靈活。模塊化設(shè)計(jì)視頻切換矩陣既能降低成本、減小體積,又方便擴(kuò)展。
如圖2所示,積木型模塊化設(shè)計(jì)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(gòu)成大容量的視頻切換矩陣。要擴(kuò)展輸出端口,則將輸入信號經(jīng)過視頻分配器進(jìn)行分配;要擴(kuò)展輸入端口,則采用選擇器對輸出信號進(jìn)行選擇。設(shè)基本模塊是a×b的視頻切換電路,要將輸入端口數(shù)擴(kuò)展m倍,輸出端口數(shù)擴(kuò)展n倍,即擴(kuò)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(kuò)展起來就經(jīng)濟(jì)方便。若采用MAX4141設(shè)計(jì)4×1的基本模塊,要擴(kuò)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(jié)省分配器,但電路還是很復(fù)雜,信號線交叉的情況特別多,這給設(shè)計(jì)印制電路板帶來困難,也影響整個系統(tǒng)的信號通道帶寬,降低隔離度。若采用AD8110設(shè)計(jì)16×8基本模塊,要擴(kuò)展成16×24切換矩陣,共需要3個基本模塊。實(shí)驗(yàn)表明第二種方法更可行,并且能大大降低成本和設(shè)計(jì)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(dāng),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(wěn)定,嚴(yán)重時不能識別和觀看。但是追求過高的帶寬指標(biāo),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(shè)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(guān)系。這是因?yàn)檎麄€顯示控制系統(tǒng)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(jīng)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(shè)備中,各個電路模塊的帶寬之間也存在一定的關(guān)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(guān)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(jì)算公式。
根據(jù)公式(1)計(jì)算顯然太麻煩。工程上估算視頻設(shè)備信號通道帶寬的經(jīng)驗(yàn)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?yàn)樯舷藿刂诡l率定義在半功率點(diǎn)(-3dB)處。
當(dāng)全屏只顯示一個點(diǎn)并且這個點(diǎn)只相當(dāng)于一個象素大小(不考慮這個點(diǎn)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(rèn)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(xiàn)在傳送一幅全是細(xì)節(jié)圖像的情況下,并且細(xì)節(jié)大小相當(dāng)于一個象素,或者說等于一個掃描點(diǎn)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(shè)系統(tǒng)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(diǎn)頻PM≈110MHz,顯示一個點(diǎn)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(jù)上面所論述的設(shè)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(yīng)為110MHz。
另一種計(jì)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(jīng)典公式計(jì)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(dá)到象素點(diǎn)中心位置時,視頻信號的幅值達(dá)到規(guī)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(jù)上面所論述的設(shè)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(yīng)為150MHz。
第三種計(jì)算視頻設(shè)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(shù),在已知顯示分辨率時,Tp就是水平顯示點(diǎn)數(shù)與垂直顯示點(diǎn)數(shù)的乘積;Vt表示垂直掃描頻率。用該式計(jì)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(jì)算的結(jié)果相差不大。實(shí)際上這三種計(jì)算方法本質(zhì)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?dāng)_
雖然導(dǎo)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(yīng)用中,關(guān)斷情況下的隔離度也是一項(xiàng)重要指標(biāo)。隔離度表明了視頻切換矩陣在關(guān)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(guān)關(guān)斷情況下耦合過去的信號幅值。
所謂串?dāng)_" title="串?dāng)_">串?dāng)_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?dāng)_信號可能失真,也可能不失真。大多數(shù)情況下,頻率越高,串?dāng)_越嚴(yán)重;特別是當(dāng)兩個不同步的信號發(fā)生串?dāng)_時更顯著,主觀效果很差。
串?dāng)_信雜比定義為串?dāng)_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(jì)算公式為:S/N=20log(串?dāng)_信號幅度峰峰值/輸入信號幅度峰峰值)。實(shí)際上在測量時,將隔離度與串?dāng)_信雜比放在一起測,并統(tǒng)一稱為隔離度。
采用寬帶小型繼電器實(shí)現(xiàn)視頻信號的切換,體積大,功耗高,但是它的帶寬指標(biāo)很好,隔離度和串?dāng)_也很小。現(xiàn)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(guān)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(guān)由FET(JFET或者CMOS)管構(gòu)建,另外加上柵極的驅(qū)動電路。驅(qū)動電路控制源極和漏極之間的通斷。RON是導(dǎo)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(tài)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(diǎn)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(yuǎn),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(cè),輸出引腳排列在另一側(cè)。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?dāng)_。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?yàn)镃EQ的作用越小。但是RL值越低,導(dǎo)通時信號的損失越大,這一點(diǎn)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(shè)計(jì)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(tǒng)之后所產(chǎn)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(diǎn)是失真與輸入信號的幅度無關(guān),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(diǎn)是失真與輸入信號的幅度有關(guān),它是由傳輸系統(tǒng)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(guī)定主要為避免最高階疊加1MHz正弦波測試信號(100mV)后產(chǎn)生非線性失真,從而使測量結(jié)果脫離實(shí)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(nèi)。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(jù)對整個彩色范圍所做的實(shí)驗(yàn),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(jì)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(biāo)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(shè)計(jì)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(yīng)用于通用圖像顯示控制系統(tǒng),在軍事指揮和航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。
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參考文獻(xiàn)
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