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矩陣切換器概述
 更新時(shí)間:2011-6-7 9:44:36 。 編輯:若思 )   

  在廣電行業(yè)與顯控等行業(yè)中,矩陣切換器的應(yīng)用日益普及,本文主要針對(duì)模擬信號(hào)(視頻、音頻、VGA信號(hào))矩陣切換器的一些問(wèn)題進(jìn)行研討,因?yàn)槟M信號(hào)的信號(hào)格式、電路形式,主要指標(biāo)及主要問(wèn)題基本相同,當(dāng)然針對(duì)不同的帶寬、阻抗等會(huì)有些差異,但可歸為一類(lèi)問(wèn)題,而數(shù)字矩陣在電路形式等方面與模擬方式差別較大,故另外討論。

  一、矩陣切換的概念及功能

  矩陣的概念引用高數(shù)中的線性代數(shù)的概念,一般指在多路輸入的情況下有多路的輸出選擇,形成下圖的矩陣結(jié)構(gòu),既每一路輸出都可與不同的輸入信號(hào)“短接”,每路輸出只能接通某一路輸入,但某一路輸入都可(同時(shí))接通不同的輸出,如下圖。

矩陣切換器概述


  輸出1=輸入1,輸出2=輸入2,而輸出3=輸出4=輸入3,或者說(shuō),每一路輸出可“獨(dú)立”地在輸入中進(jìn)行選擇,而不必關(guān)心其它通道的輸出情況, 即可以與其它輸出不同,也可以相同。舉例說(shuō),8選4是指有4個(gè)獨(dú)立的輸出,每個(gè)輸出可在8個(gè)輸入中任選,或者說(shuō)有4個(gè)獨(dú)立的8選1,只是8個(gè)輸入是相同的。經(jīng)常與此混淆的是分配的概念,比如8選1分4,是指在8個(gè)輸入中選擇出1個(gè)輸出,并將其分配成4個(gè)相同的輸出,雖然外觀上看有4個(gè)輸出,但這4個(gè)輸出是相同的,而不是獨(dú)立的。一般習(xí)慣中,將形成M×N的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為矩陣,而將M×1的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為切換器或選擇器,其實(shí)不過(guò)N=1而已,我們?cè)谟懻摃r(shí)都當(dāng)作矩陣對(duì)待。

  矩陣切換器的功能是在多路信號(hào)輸入的情況下,可獨(dú)立地根據(jù)需要選擇多路(包括1路)信號(hào)進(jìn)行輸出,完成信號(hào)的選擇。

  二、矩陣切換的原理與技術(shù)指標(biāo)

  1. 電路原理:切換原理上就是選擇,選擇的方式有很多種,最簡(jiǎn)單的就是將信號(hào)線直接接在一起,比如接線板,利用人工將輸出信號(hào)線跳接在輸入信號(hào)線上,也可完成選擇,或利用琴鍵開(kāi)關(guān)完成接通與斷開(kāi),當(dāng)然這是人工操作的,機(jī)械的,不存在指標(biāo)等技術(shù)問(wèn)題,故不作為矩陣切換討論。第二種方式,利用繼電器也可完成選擇,利用電平控制繼電器的通斷,可完成輸出線與輸入信號(hào)之間的斷開(kāi)與聯(lián)接,也可完成信號(hào)的選擇,第三種方式是根據(jù)電路原理,利用芯片內(nèi)部電路的導(dǎo)通與關(guān)閉進(jìn)行接通與關(guān)斷,并可通過(guò)電平進(jìn)行控制完成信號(hào)的選擇。

  繼電器方式與芯片方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。

  繼電器方式:如果不考慮輸入匹配與輸出驅(qū)動(dòng)的電路部分的話,它與聯(lián)線方式一致,是靠物理接觸進(jìn)行接通與斷開(kāi),從這個(gè)角度上講,是沒(méi)有什么指標(biāo)概念的(最多有接觸電阻和反應(yīng)時(shí)間),因此技術(shù)指標(biāo)好且價(jià)格低廉,其缺點(diǎn)在于穩(wěn)定性較差,畢竟是靠物理接觸,繼電器有一定壽命,原則上講,有8萬(wàn)次平均無(wú)故障操作且操作時(shí)有聲響,由于線路板走線原因,不能做的規(guī)模較大,顯得不夠高檔。

  芯片方式:由于靠電路進(jìn)行接通與關(guān)斷,芯片本身存在技術(shù)指標(biāo)(在輸入匹配與輸出驅(qū)動(dòng)一樣的情況下),因此要保障技術(shù)指標(biāo),就要選擇專(zhuān)用的切換芯片,因此價(jià)格較高,但穩(wěn)定性好,可形成的矩陣規(guī)模較大。

  2. 矩陣切換應(yīng)保證的技術(shù)指標(biāo)

  矩陣切換器根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域,所要求的技術(shù)指標(biāo)也不同。以廣電行業(yè)為例,為保證終端的顯示質(zhì)量,廣電行業(yè)將整個(gè)信號(hào)傳輸過(guò)程,從攝像頭開(kāi)始到電視機(jī)為止,都進(jìn)行了技術(shù)指標(biāo)分配,對(duì)模擬矩陣切換和分配,所定的技術(shù)指標(biāo)如表:GB/T14236-93

矩陣切換器概述


  3.國(guó)標(biāo)中日常用到最主要的指標(biāo)如下:

  1) 隨機(jī)信噪比:信號(hào)通過(guò)任何設(shè)備,都會(huì)因?yàn)橐搿霸肼暋倍官|(zhì)量變差,信噪比就是指信號(hào)與所產(chǎn)生的噪聲的比,該值越大,表示引入噪聲越小,在視頻信號(hào)時(shí),(6MHZ以?xún)?nèi))信噪比要求至少達(dá)到65dB。

  2) 幅頻特性:信號(hào)通過(guò)設(shè)備時(shí),各種頻率的信號(hào)會(huì)有不同的衰減,一般是頻率越高,衰減越大,對(duì)視頻信號(hào)而言,一般不用帶寬的概念(衰減3dB時(shí)的頻率),而是采用在6MHZ的頻譜內(nèi)(視頻信號(hào)的頻譜都在6MHZ以?xún)?nèi))最大的衰減量,標(biāo)準(zhǔn)要求不超過(guò)0.2dB,如果考慮到音頻的調(diào)制,在8MHZ內(nèi)不超過(guò)0.5dB。

  3) 路間串?dāng)_:多路信號(hào)在同一設(shè)備中,由于空間的輻射與電源的波動(dòng),彼此之間會(huì)形成干擾,稱(chēng)為串?dāng)_。串?dāng)_不能大于-55dB。

  4.根據(jù)不同的應(yīng)用,對(duì)指標(biāo)的要求也不一樣。

  1) 監(jiān)控行業(yè):監(jiān)控行業(yè)中,由于信號(hào)只經(jīng)過(guò)攝像,傳輸(一般是基帶傳輸),控制與顯示,且顯示時(shí)對(duì)圖象的質(zhì)量要求相對(duì)較低,只要能看清,并不作轉(zhuǎn)播等工作,因此監(jiān)控行業(yè)對(duì)矩陣的要求是功能多(能帶云臺(tái)控制、報(bào)警等)、指標(biāo)低,此行業(yè)對(duì)矩陣的指標(biāo)無(wú)明確的強(qiáng)制要求。

  2) 廣電和視頻會(huì)議,廣電不必多言,肯定是服從國(guó)標(biāo),按廣播級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求,值得一提的是視頻會(huì)議領(lǐng)域,視頻信號(hào)要經(jīng)傳輸,記錄和轉(zhuǎn)播,且受眾對(duì)圖象質(zhì)量也有較高要求,故應(yīng)選擇廣播級(jí)指標(biāo),而不能簡(jiǎn)單地采用監(jiān)控類(lèi)產(chǎn)品。

  3) VGA信號(hào)應(yīng)用,由于VGA信號(hào)帶寬較寬,而且是有五路信號(hào)(R、G、B、H、V)同時(shí)傳輸,因此要求各通道的指標(biāo)盡可能高(在6MHZ之內(nèi)應(yīng)滿足廣電的要求),且必須保持一致,應(yīng)該按照廣播級(jí)對(duì)分量設(shè)備的技術(shù)要求。但由于VGA信號(hào)切換不象廣電中應(yīng)用得廣,牽扯到廣大的用戶(hù),故現(xiàn)在也沒(méi)有強(qiáng)制的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn),廠家一般都會(huì)自己標(biāo)稱(chēng)一些參數(shù),但這種參數(shù)水份較大。例如帶寬,專(zhuān)用的矩陣芯片廠家的標(biāo)稱(chēng)帶寬為230MHZ左右,但許多廠家利用這種芯片標(biāo)稱(chēng)能作到350MHZ,甚至以上,多少有點(diǎn)胡蘿卜做成龍蝦的味道,客戶(hù)選擇時(shí)應(yīng)注意,在選擇時(shí)也應(yīng)注意三項(xiàng)主要指標(biāo)。

  三.矩陣切換器的選擇和常見(jiàn)問(wèn)題

  1) 種類(lèi)選擇,廣電和視訊會(huì)議應(yīng)用,應(yīng)選用廣播級(jí)產(chǎn)品,監(jiān)控應(yīng)用可采用監(jiān)控類(lèi)產(chǎn)品,VGA信號(hào)(有些人也將其視為視頻)要采用VGA信號(hào)矩陣。

  2) 大小選擇:在一個(gè)工程中,應(yīng)將音頻信號(hào)和視頻信號(hào)和VGA信號(hào)看成三種不同的媒體。音頻信號(hào)一般情況下輸入數(shù)量較多,如話筒和CD以及碟機(jī)的音頻等,但考慮到功放和音響一般只有一套,最多在功放之前加一級(jí)調(diào)音臺(tái)進(jìn)行混音,有可能需要幾路信號(hào),因此音頻矩陣的輸出不會(huì)很大,比如可以32×8或64×8,但沒(méi)必要選擇32×32或64×64,除非是廣電和視訊會(huì)議傳輸,每路視頻一定會(huì)有音頻同步傳送。

  在設(shè)計(jì)方案時(shí),信號(hào)源的數(shù)量比較容易確定,看看有多少個(gè)信號(hào)源,矩陣的輸入數(shù)量就定下來(lái)了,但要考慮好獨(dú)立的輸出通道個(gè)數(shù),這是根據(jù)系統(tǒng)的操作模式而定,有時(shí)可能有幾臺(tái)顯示設(shè)備之間僅有分配關(guān)系(彼此永遠(yuǎn)一致,不獨(dú)立)那么就可考慮占用一個(gè)輸出口再加分配器,如果這些設(shè)備有可能是獨(dú)立的,那么還是各占一個(gè)獨(dú)立的輸出口好一些。

  在很多情況下,輸入和輸出數(shù)量很大,如果采用大型矩陣,造價(jià)會(huì)較高(矩陣是越大越難作、成本也越高)可以考慮是否能夠分組使用,例如在監(jiān)控時(shí),可以讓顯示墻中某些顯示設(shè)備只顯示某一區(qū)域的信號(hào),而其它設(shè)備各自顯示其它特定區(qū)域的信號(hào),那么就可將大規(guī)模矩陣折分成小規(guī)模的矩陣(如將128×64折分成4臺(tái)32×16)如果各區(qū)之間有可能需要互傳信號(hào),也可采用如下圖中的結(jié)構(gòu):

矩陣切換器概述


  這樣可使矩陣2的輸出中包含矩陣1的部分輸入信號(hào),效果雖沒(méi)有全矩陣結(jié)構(gòu)好,但成本會(huì)下降。

  矩陣切換器做為傳輸系統(tǒng)的一部分,所出現(xiàn)的主要問(wèn)題請(qǐng)見(jiàn)拙作“工程中常見(jiàn)的問(wèn)題與解決”,原理是相同的,不外乎是幾種產(chǎn)生的機(jī)理,只要能將現(xiàn)象分清,解決的方向應(yīng)該沒(méi)有大問(wèn)題。比較特殊一點(diǎn)的是利用小規(guī)模矩陣組成大規(guī)模的問(wèn)題,例:在用64×32組成128×32時(shí),不能用二臺(tái)64×32組成128×64,這還是分組使用的概念,而應(yīng)用三臺(tái)64×32組成128×32,如下圖,這是全矩陣的概念,因此組合使用時(shí)應(yīng)分清分組使用和全矩陣的區(qū)別(全矩陣是指每一輸出口都可在所有輸入中全選,而且彼此獨(dú)立)。

矩陣切換器概述


  3)廠家的選擇

  生產(chǎn)矩陣的廠家很多,標(biāo)稱(chēng)指標(biāo)各不相同,依本人拙見(jiàn),由于這類(lèi)設(shè)備不是實(shí)驗(yàn)室的樣機(jī),而是工程應(yīng)用產(chǎn)品,因此工程中的適用性問(wèn)題和可靠性問(wèn)題非常重要。工程現(xiàn)場(chǎng)情況各有不同,在產(chǎn)品的成熟過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)不斷的工程檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)問(wèn)題需要及時(shí)改進(jìn),因此產(chǎn)品的成熟過(guò)程比較長(zhǎng),常見(jiàn)到的情況是:在現(xiàn)場(chǎng),利用某些品牌的產(chǎn)品,工程中會(huì)出現(xiàn)一些技術(shù)問(wèn)題,而用其它品牌的產(chǎn)品后,問(wèn)題便可解決,并非前一品牌產(chǎn)品有多大錯(cuò)誤,只是它的適用性不及后一種品牌產(chǎn)品,通俗地講,是學(xué)費(fèi)沒(méi)有交夠,遇到的問(wèn)題沒(méi)有足夠多,產(chǎn)品設(shè)計(jì)上有考慮不周之處,因此選擇歷史相對(duì)長(zhǎng)久的公司的產(chǎn)品,因?yàn)樗漠a(chǎn)品已經(jīng)相對(duì)成熟一些了。

  廠家的標(biāo)稱(chēng)指標(biāo),尤其是VGA信號(hào)產(chǎn)品,有些水份比較大,無(wú)法判斷真?zhèn),本人認(rèn)為,與其強(qiáng)調(diào)指標(biāo),不如強(qiáng)調(diào)可靠性,指標(biāo)在招投標(biāo)中有用,但矩陣設(shè)備是顯示的核心設(shè)備,如果出問(wèn)題會(huì)是全局性的問(wèn)題,會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓,因此穩(wěn)定性、可靠性是壓倒一切的,情愿價(jià)格高一點(diǎn),甚至是指標(biāo)低一點(diǎn),也要保證穩(wěn)定、可靠。

  技術(shù)支持方面,在工程現(xiàn)場(chǎng)中遇到的問(wèn)題千奇百怪,廠家的技術(shù)支持能力是很重要的指標(biāo),有些廠家仿造的能力很強(qiáng),自主研發(fā)的能力差一些,在遇到實(shí)際問(wèn)題時(shí),能夠真正明白原理,找到問(wèn)題并解決的能力不足,會(huì)使工程方在工作中走許多彎路,不如選擇歷史長(zhǎng)久一些,有獨(dú)立的研發(fā)能力,對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生的機(jī)理有正確認(rèn)識(shí),產(chǎn)品適用性強(qiáng),穩(wěn)定可靠,有較強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)解決能力的廠家合作。


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