什么是矩阵切换器

2011-07-09 18:45:12来源: 互联网

什么是矩阵切换

广电行业与显控等行业中,矩阵切换器的应用日益普及,本文主要针对模拟信号(视频、音频、VGA信号)矩阵切换器的一些问题进行研讨,因为模拟信号的信号格式、电路形式,主要指标及主要问题基本相同,当然针对不同的带宽、阻抗等会有些差异,但可归为一类问题,而数字矩阵在电路形式等方面与模拟方式差别较大,故另外讨论。

一.矩阵切换的概念及功能

矩阵的概念引用高数中的线性代数的概念,一般指在多路输入的情况下有多路的输出选择,形成下图的矩阵结构,既每一路输出都可与不同的输入信号“短接”,每路输出只能接通某一路输入,但某一路输入都可(同时)接通不同的输出,如下图。

输出1=输入1,输出2=输入2,而输出3=输出4=输入3,或者说,每一路输出可“独立”地在输入中进行选择,而不必关心其它通道的输出情况,即可以与其它输出不同,也可以相同。举例说,8选4是指有4个独立的输出,每个输出可在8个输入中任选,或者说有4个独立的8选1,只是8个输入是相同的。经常与此混淆的是分配的概念,比如8选1分4,是指在8个输入中选择出1个输出,并将其分配成4个相同的输出,虽然外观上看有4个输出,但这4个输出是相同的,而不是独立的。一般习惯中,将形成M×N的结构称为矩阵,而将M×1的结构称为切换器或选择器,其实不过N=1而已,我们在讨论时都当作矩阵对待。

矩阵切换器的功能是在多路信号输入的情况下,可独立地根据需要选择多路(包括1路)信号进行输出,完成信号的选择。

二.矩阵切换的原理与技术指标

1. 电路原理

切换原理上就是选择,选择的方式有很多种,最简单的就是将信号线直接接在一起,比如接线板,利用人工将输出信号线跳接在输入信号线上,也可完成选择,或利用琴键开关完成接通与断开,当然这是人工操作的,机械的,不存在指标等技术问题,故不作为矩阵切换讨论。第二种方式,利用继电器也可完成选择,利用电平控制继电器的通断,可完成输出线与输入信号之间的断开与联接,也可完成信号的选择,第三种方式是根据电路原理,利用芯片内部电路的导通与关闭进行接通与关断,并可通过电平进行控制完成信号的选择。

继电器方式与芯片方式各有优缺点。

继电器方式:如果不考虑输入匹配与输出驱动的电路部分的话,它与联线方式一致,是靠物理接触进行接通与断开,从这个角度上讲,是没有什么指标概念的(最多有接触电阻和反应时间),因此技术指标好且价格低廉,其缺点在于稳定性较差,毕竟是靠物理接触,继电器有一定寿命,原则上讲,有8万次平均无故障操作且操作时有声响,由于线路板走线原因,不能做的规模较大,显得不够高档。

芯片方式:由于靠电路进行接通与关断,芯片本身存在技术指标(在输入匹配与输出驱动一样的情况下),因此要保障技术指标,就要选择专用的切换芯片,因此价格较高,但稳定性好,可形成的矩阵规模较大。

2. 矩阵切换应保证的技术指标

矩阵切换器根据不同的应用领域,所要求的技术指标也不同。以广电行业为例,为保证终端的显示质量,广电行业将整个信号传输过程,从摄像头开始到电视机为止,都进行了技术指标分配,对模拟矩阵切换和分配,所定的技术指标如表:GB/T14236-93 与本公司KT-128*32实例指标:

3.国标中日常用到最主要的指标如下:

1) 随机信噪比:信号通过任何设备,都会因为引入“噪声”而使质量变差,信噪比就是指信号与所产生的噪声的比,该值越大,表示引入噪声越小,在视频信号时,(6MHZ以内)信噪比要求至少达到65dB。


2) 幅频特性:信号通过设备时,各种频率的信号会有不同的衰减,一般是频率越高,衰减越大,对视频信号而言,一般不用带宽的概念(衰减3dB时的频率),而是采用在6MHZ的频谱内(视频信号的频谱都在6MHZ以内)最大的衰减量,标准要求不超过0.2dB,如果考虑到音频的调制,在8MHZ内不超过0.5dB。

3) 路间串扰:多路信号在同一设备中,由于空间的辐射与电源的波动,彼此之间会形成干扰,称为串扰。串扰不能大于-55dB。

4.根据不同的应用,对指标的要求也不一样。

1) 监控行业:监控行业中,由于信号只经过摄像,传输(一般是基带传输),控制与显示,且显示时对图象的质量要求相对较低,只要能看清,并不作转播等工作,因此监控行业对矩阵的要求是功能多(能带云台控制、报警等)、指标低,此行业对矩阵的指标无明确的强制要求。

2) 广电和视频会议,广电不必多言,肯定是服从国标,按广播级标准要求,值得一提的是视频会议领域,视频信号要经传输,记录和转播,且受众对图象质量也有较高要求,故应选择广播级指标,而不能简单地采用监控类产品。

3) VGA信号应用,由于VGA信号带宽较宽,而且是有五路信号(R、G、B、H、V)同时传输,因此要求各通道的指标尽可能高(在6MHZ之内应满足广电的要求),且必须保持一致,应该按照广播级对分量设备的技术要求。但由于VGA信号切换不象广电中应用得广,牵扯到广大的用户,故现在也没有强制的指标标准。

三.矩阵切换器的选择和常见问题

1) 种类选择

广电和视讯会议应用,应选用广播级产品,监控应用可采用监控类产品,VGA信号(有些人也将其视为视频)要采用VGA信号矩阵。

2) 大小选择

在一个工程中,应将音频信号和视频信号和VGA信号看成三种不同的媒体。音频信号一般情况下输入数量较多,如话筒和CD以及碟机的音频等,但考虑到功放和音响一般只有一套,最多在功放之前加一级调音台进行混音,有可能需要几路信号,因此音频矩阵的输出不会很大,比如可以32×8或64×8,但没必要选择32×32或64×64,除非是广电和视讯会议传输,每路视频一定会有音频同步传送。

在设计方案时,信号源的数量比较容易确定,看看有多少个信号源,矩阵的输入数量就定下来了,但要考虑好独立的输出通道个数,这是根据系统的操作模式而定,有时可能有几台显示设备之间仅有分配关系(彼此永远一致,不独立)那么就可考虑占用一个输出口再加分配器,如果这些设备有可能是独立的,那么还是各占一个独立的输出口好一些。

在很多情况下,输入和输出数量很大,如果采用大型矩阵,造价会较高(矩阵是越大越难作、成本也越高)可以考虑是否能够分组使用,例如在监控时,可以让显示墙中某些显示设备只显示某一区域的信号,而其它设备各自显示其它特定区域的信号,那么就可将大规模矩阵折分成小规模的矩阵(如将128×64折分成4台32×16)如果各区之间有可能需要互传信号,也可采用如下图中的结构:

这样可使矩阵2的输出中包含矩阵1的部分输入信号,效果虽没有全矩阵结构好,但成本会下降。

矩阵切换器做为传输系统的一部分,所出现的主要问题请见拙作“工程中常见的问题与解决”,原理是相同的,不外乎是几种产生的机理,只要能将现象分清,解决的方向应该没有大问题。比较特殊一点的是利用小规模矩阵组成大规模的问题,例:在用64×32组成128×32时,不能用二台64×32组成128×64,这还是分组使用的概念,而应用三台64×32组成128×32,如下图,这是全矩阵的概念,因此组合使用时应分清分组使用和全矩阵的区别(全矩阵是指每一输出口都可在所有输入中全选,而且彼此独立)。

3)厂家的选择

生产矩阵的厂家很多,标称指标各不相同,由于这类设备不是实验室的样机,而是工程应用产品,因此工程中的适用性问题和可靠性问题非常重要。工程现场情况各有不同,在产品的成熟过程中需要经过不断的工程检验,发现问题需要及时改进,因此产品的成熟过程比较长,常见到的情况是:在现场,利用某些品牌的产品,工程中会出现一些技术问题,而用其它品牌的产品后,问题便可解决,并非前一品牌产品有多大错误,只是它的适用性不及后一种品牌产品,通俗地讲,是学费没有交够,遇到的问题没有足够多,产品设计上有考虑不周之处,因此选择专业生产公司的产品,因为它的产品已经相对成熟一些了。

厂家的标称指标,尤其是VGA信号产品,矩阵设备是显示的核心设备,如果出问题会是全局性的问题,会使整个系统瘫痪,因此稳定性、可靠性是压倒一切的,情愿价格高一点,甚至是指标低一点,也要保证稳定、可靠。

技术支持方面,在工程现场中遇到的问题千奇百怪,厂家的技术支持能力是很重要的指标,有独立的研发能力,对问题产生的机理有正确认识,产品适用性强,稳定可靠,有较强现场解决能力的厂家合作。

关键字:矩阵切换  切换器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0709/article_10466.html
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