簡化大規(guī)模視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：安防系統(tǒng)、視頻矩陣、多媒體

Abstract: Analog video switching constitutes the heart of many systems. It plays a pivotal role in security video, and other equipment that captures or distributes multiple analog-video signals. Designing the circuit boards that switch these signals need to account for impedance matching, return loss, tilt effects, clamp levels, differential gain and phase errors and other important issues. This article introduce MAX4358 and its applications.
Key words: security video, Crosspoint Video Switch, multimedia

視頻矩陣開關(guān)設(shè)計(jì)中的任何失誤都會(huì)造成視頻質(zhì)量的降低，在設(shè)計(jì)需要切換數(shù)百甚至數(shù)千路視頻信號的大規(guī)模視頻陣列時(shí)，必須考慮交叉干擾、信號衰減、插入損耗、EMI、物理尺寸及系統(tǒng)散熱等問題，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案基于無源開關(guān)和運(yùn)算放大器，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)非常困難。目前，高集成度視頻矩陣開關(guān)芯片的推出大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、降低了設(shè)計(jì)難度，用戶利用較小的線路板尺寸即可實(shí)現(xiàn)高性能、大規(guī)模的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

一、新型視頻矩陣開關(guān)

Maxim最新推出的32x16交叉矩陣開關(guān)內(nèi)置緩沖電路，集成度是目前上市產(chǎn)品的兩倍，采用144引腳TQFP封裝。原理框圖如圖1所示，開關(guān)部分等效于512路模擬開關(guān)，開關(guān)矩陣的任何一路輸入可以連接到任何一路或多路輸出端，甚至同時(shí)連接到所有的輸出端。

新型矩陣開關(guān)MAX4358內(nèi)置輸入緩沖器和輸出緩沖器，這是該芯片對原有產(chǎn)品的最大改進(jìn)之一，輸入緩沖放大器提供了高輸入阻抗，允許輸入端采用簡單的電阻----二極管箝位電路。每路輸出能夠驅(qū)動(dòng)帶有75Ω終端電阻的75Ω視頻電纜（總阻抗150Ω），微分增益和相位誤差典型值為0.1%。該系列產(chǎn)品中，MAX4358（32x16）和MAX4356（16x16）內(nèi)含隨屏顯示插入功能，分別采用144引腳和128引腳TQFP封裝；MAX4357（32x16）和MAX4355（16x16）不含隨屏顯示插入功能，分別采用128引腳和100引腳TQFP封裝。適用于多媒體、大規(guī)模視頻監(jiān)控系統(tǒng)或視頻點(diǎn)播等應(yīng)用，有些系統(tǒng)中通常具有上百甚至上千個(gè)攝像機(jī)輸入，幾十到幾百路輸出。

二、構(gòu)建大規(guī)模視頻切換系統(tǒng)

MAX4358易于構(gòu)建大規(guī)模的開關(guān)陣列，所需芯片取決于輸入通道數(shù)和輸出通道數(shù)?？蓞⒖紙D2構(gòu)建大規(guī)模視頻切換系統(tǒng)，由于芯片輸出緩沖器可被設(shè)置成“禁止”狀態(tài)，“禁止”時(shí)輸出為高阻態(tài)，因此，視頻矩陣的輸出端允許線或連接。

1、容性負(fù)載

由圖2可以看出，在實(shí)際電路中需要將許多個(gè)輸出端連接在一起，每路輸出阻抗不僅包括緩沖器的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載阻抗，還包括與相關(guān)節(jié)點(diǎn)連接的其它處于“禁止”狀態(tài)緩沖器的輸出阻抗，該阻抗包含阻性和容性元件，阻性元件降低了輸出驅(qū)動(dòng)電路的有效負(fù)載，對輸出性能的影響不大。對線或連接影響較大的是容性負(fù)載，所有處于“禁止”狀態(tài)的輸出電容相加，等效電容的大小與視頻陣列的尺寸有關(guān)，另外，較大規(guī)模的視頻陣列通常存在較長的PC板引線，這也導(dǎo)致容性負(fù)載的增大。為克服容性負(fù)載的影響，MAX4358系列產(chǎn)品的輸出級采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)，使其在驅(qū)動(dòng)30pF電容時(shí)仍能保持較好的交流響應(yīng)特性（在20MHz頻帶內(nèi)保持0.1dB的增益平坦度），如果視頻陣列開關(guān)數(shù)量過多導(dǎo)致容性負(fù)載過大，使系統(tǒng)性能降低時(shí)，可采取以下措施改善系統(tǒng)性能：首先，通過添加矩陣開關(guān)器件減少輸出端的連接數(shù)（圖3）。另一種解決方案是在輸出端串聯(lián)一個(gè)小電阻（5Ω至30Ω）將負(fù)載與輸出隔離開，該電阻使輸出級能夠驅(qū)動(dòng)不受限制的容性負(fù)載，同時(shí)，它與寄生電容共同構(gòu)成一階RC低通濾波器，單階RC網(wǎng)絡(luò)對視頻信號的性能沒有影響，但大規(guī)模視頻陣列中會(huì)包括多個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)，其累計(jì)效應(yīng)將導(dǎo)致幅頻特性在高頻端出現(xiàn)跌落，使圖像出現(xiàn)“軟化”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象對于安防系統(tǒng)還可以接受，但在一些高清晰度系統(tǒng)中需采取一些措施抑制這種效應(yīng)，如：設(shè)計(jì)輸出端的引線使其產(chǎn)生一定的電感量，電感使幅頻特性在高頻端出現(xiàn)峰值，與寄生電容的效應(yīng)相互抵消。當(dāng)然，也可直接在電路中接入一個(gè)小的電感達(dá)到同樣的效果。

2、串?dāng)_與線路板布局

圖3、128 x 16矩陣開關(guān)可降低容性負(fù)載
在大規(guī)模視頻切換系統(tǒng)中，不良的信號布線會(huì)導(dǎo)致諸多的負(fù)面影響，最主要的是與串?dāng)_相關(guān)的引線，與大多數(shù)芯片一樣，MAX4358系列產(chǎn)品具有內(nèi)在的抑制串?dāng)_特性，其串?dāng)_抑制最小值為65dB，典型值大于70dB。但不良的線路板布局可能導(dǎo)致串?dāng)_抑制比降低20dB，因此，設(shè)計(jì)中必須重視線路板的合理布局。具體設(shè)計(jì)時(shí)注意以下事項(xiàng)：

·信號線之間采用地線隔離，所添加的地線如同屏蔽線一樣可避免信號間的干擾。注意：信號線平行排列或僅利用線路板層面隔離都會(huì)導(dǎo)致串?dāng)_增大。線路板層面之間的潛在耦合與線路板厚度及所用板材的電介質(zhì)有關(guān)。

·保證引線阻抗可控制，將PC板引線設(shè)計(jì)成阻抗為75Ω的傳輸線能夠大大減小串?dāng)_，為整體平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)，許多元件都需要配置匹配電阻，大多數(shù)電源也都采用緩沖輸出以驅(qū)動(dòng)更低的阻抗。

·減小地電流的交互作用，良好的接地平面可解決該問題。
除串?dāng)_之外，另一設(shè)計(jì)關(guān)鍵是隔離問題---指輸出被禁止時(shí)從輸入端饋入到輸出端的不良信號。為達(dá)到理想的隔離，芯片引腳按照輸入和輸出分別排列在兩側(cè)，這種排列能夠在6MHz時(shí)達(dá)到80dB以上的隔離度。對用戶而言，只需考慮外部元器件的排列，如：PC板引線間的耦合、電源耦合（這主要取決于旁路電容的質(zhì)量和安裝位置），低阻元件應(yīng)盡量靠近IC安裝，應(yīng)盡量避免輸入信號靠近輸出信號，注意適當(dāng)?shù)木€路隔離。

3、功耗問題
在多媒體及大型安防系統(tǒng)中常常需要解決開關(guān)陣列的熱耗散問題，這些系統(tǒng)一般安裝在非常不理想的環(huán)境中，設(shè)備產(chǎn)生的熱量會(huì)使環(huán)境溫度提升許多，為解決這一問題，Maxim設(shè)計(jì)的矩陣開關(guān)具有極低的功耗，可工作于±5V，也可以工作于低電壓±3V或單電源+5V。

4、負(fù)載驅(qū)動(dòng)
為適應(yīng)不同的負(fù)載驅(qū)動(dòng)環(huán)境，Maxim的視頻矩陣開關(guān)可通過串行接口設(shè)置增益（1V/V或2V/V），增益為1V/V時(shí)可用于驅(qū)動(dòng)近距離（>3cm）、PC板上負(fù)載；當(dāng)驅(qū)動(dòng)75Ω傳輸線時(shí)可將增益設(shè)為2V/V，并在輸出端串聯(lián)一個(gè)75Ω電阻（這是視頻系統(tǒng)中的一種常見配置）。增益設(shè)置為2V/V時(shí)，串聯(lián)電阻和75Ω負(fù)載電阻分壓使信號減半，為負(fù)載提供標(biāo)準(zhǔn)的1V視頻信號。串聯(lián)75Ω電阻為潛在的反射信號提供匹配阻抗，大大抑制或減小了信號反射。

5、隨屏顯示插入
視頻切換系統(tǒng)中通常需要在每個(gè)通路中插入一些有關(guān)視頻信號源的信息，如攝像機(jī)、日期、時(shí)間等信息，稱其為隨屏顯示功能（OSD）。MAX4358/MAX4356具有OSD功能，內(nèi)部相應(yīng)于每個(gè)輸出通路內(nèi)置2：1模擬復(fù)用開關(guān)（圖1），開關(guān)時(shí)間典型值為30ns。利用這些高速復(fù)用器切換16路OSD模擬輸入信號和16路OSD控制線。需要插入的圖像或字符信號加載到OSD模擬輸入端；另外，還需在OSD控制端提供適當(dāng)?shù)臅r(shí)序信號。由于OSD信號在矩陣開關(guān)之前被插入，省去了連接在OSD器件后面的輸出緩沖器，降低了成本。

6、獨(dú)特的控制結(jié)構(gòu)
Maxim的視頻矩陣開關(guān)可以通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口與主機(jī)通信，具有兩種通信方式：獨(dú)立地址模式和交替工作模式，獨(dú)立地址模式下，芯片地址由外部引腳設(shè)置，主機(jī)發(fā)送包括片選、控制指令的16位字節(jié)給視頻開關(guān)，11位控制字中有4位表示所選輸出通路，5位表示所要接通的輸入道路，1位用于設(shè)置輸出緩沖器的增益，另一位用于設(shè)置是否“禁止”輸出。交替工作模式下，許多視頻矩陣開關(guān)串行連接，前級芯片的數(shù)據(jù)輸出與后級芯片的數(shù)據(jù)輸入相連，多個(gè)芯片通過一個(gè)較長的數(shù)據(jù)字節(jié)編程。兩種編程模式通過一條控制線選擇，兩種模式下線路連接完全相同，因此，可以在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)采用菊花鏈編程模式，發(fā)送一個(gè)長數(shù)據(jù)字配置視頻開關(guān)的各個(gè)通道，而后，按照獨(dú)立地址模式具體配置需要切換的矩陣開關(guān)的狀態(tài)。在無需改變引腳和線路連接的條件下，能夠采用兩種編程模式設(shè)置開關(guān)狀態(tài)。
從以上討論可以看出：Maxim最新推出的視頻矩陣開關(guān)芯片在提高系統(tǒng)性能的前提下具有更靈活的功能、能夠進(jìn)一步減小現(xiàn)有系統(tǒng)的尺寸、并具有更低的熱耗散。