簡化大規(guī)模視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計

關鍵詞：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

視頻矩陣開關設計中的任何失誤都會造成視頻質(zhì)量的降低，在設計需要切換數(shù)百甚至數(shù)千路視頻信號的大規(guī)模視頻陣列時，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)的設計方案基于無源開關和運算放大器，具體實現(xiàn)時非常困難。目前，高集成度視頻矩陣開關芯片的推出大大簡化了系統(tǒng)設計、降低了設計難度，用戶利用較小的線路板尺寸即可實現(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

Maxim最新推出的32x16交叉矩陣開關內(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，開關部分等效于512路模擬開關，開關矩陣的任何一路輸入可以連接到任何一路或多路輸出端，甚至同時連接到所有的輸出端。

新型矩陣開關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)或視頻點播等應用，有些系統(tǒng)中通常具有上百甚至上千個攝像機輸入，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置成“禁止”狀態(tài)，“禁止”時輸出為高阻態(tài)，因此，視頻矩陣的輸出端允許線或連接。

1、容性負載

由圖2可以看出，在實際電路中需要將許多個輸出端連接在一起，每路輸出阻抗不僅包括緩沖器的標準負載阻抗，還包括與相關節(jié)點連接的其它處于“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)動電路的有效負載，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，另外，較大規(guī)模的視頻陣列通常存在較長的PC板引線，這也導致容性負載的增大。為克服容性負載的影響，MAX4358系列產(chǎn)品的輸出級采用獨特的設計，使其在驅(qū)動30pF電容時仍能保持較好的交流響應特性（在20MHz頻帶內(nèi)保持0.1dB的增益平坦度），如果視頻陣列開關數(shù)量過多導致容性負載過大，使系統(tǒng)性能降低時，可采取以下措施改善系統(tǒng)性能：首先，通過添加矩陣開關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)一個小電阻（5Ω至30Ω）將負載與輸出隔離開，該電阻使輸出級能夠驅(qū)動不受限制的容性負載，同時，它與寄生電容共同構(gòu)成一階RC低通濾波器，單階RC網(wǎng)絡對視頻信號的性能沒有影響，但大規(guī)模視頻陣列中會包括多個RC網(wǎng)絡串聯(lián)，其累計效應將導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，如：設計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，與寄生電容的效應相互抵消。當然，也可直接在電路中接入一個小的電感達到同樣的效果。

2、串擾與線路板布局

圖3、128 x 16矩陣開關可降低容性負載
在大規(guī)模視頻切換系統(tǒng)中，不良的信號布線會導致諸多的負面影響，最主要的是與串擾相關的引線，與大多數(shù)芯片一樣，MAX4358系列產(chǎn)品具有內(nèi)在的抑制串擾特性，其串擾抑制最小值為65dB，典型值大于70dB。但不良的線路板布局可能導致串擾抑制比降低20dB，因此，設計中必須重視線路板的合理布局。具體設計時注意以下事項：

·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導致串擾增大。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。

·保證引線阻抗可控制，將PC板引線設計成阻抗為75Ω的傳輸線能夠大大減小串擾，為整體平衡系統(tǒng)設計，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。
除串擾之外，另一設計關鍵是隔離問題---指輸出被禁止時從輸入端饋入到輸出端的不良信號。為達到理想的隔離，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時達到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），低阻元件應盡量靠近IC安裝，應盡量避免輸入信號靠近輸出信號，注意適當?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，設備產(chǎn)生的熱量會使環(huán)境溫度提升許多，為解決這一問題，Maxim設計的矩陣開關具有極低的功耗，可工作于±5V，也可以工作于低電壓±3V或單電源+5V。

4、負載驅(qū)動
為適應不同的負載驅(qū)動環(huán)境，Maxim的視頻矩陣開關可通過串行接口設置增益（1V/V或2V/V），增益為1V/V時可用于驅(qū)動近距離（>3cm）、PC板上負載；當驅(qū)動75Ω傳輸線時可將增益設為2V/V，并在輸出端串聯(lián)一個75Ω電阻（這是視頻系統(tǒng)中的一種常見配置）。增益設置為2V/V時，串聯(lián)電阻和75Ω負載電阻分壓使信號減半，為負載提供標準的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)中通常需要在每個通路中插入一些有關視頻信號源的信息，如攝像機、日期、時間等信息，稱其為隨屏顯示功能（OSD）。MAX4358/MAX4356具有OSD功能，內(nèi)部相應于每個輸出通路內(nèi)置2：1模擬復用開關（圖1），開關時間典型值為30ns。利用這些高速復用器切換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?shù)臅r序信號。由于OSD信號在矩陣開關之前被插入，省去了連接在OSD器件后面的輸出緩沖器，降低了成本。

6、獨特的控制結(jié)構(gòu)
Maxim的視頻矩陣開關可以通過標準的SPI串行接口與主機通信，具有兩種通信方式：獨立地址模式和交替工作模式，獨立地址模式下，芯片地址由外部引腳設置，主機發(fā)送包括片選、控制指令的16位字節(jié)給視頻開關，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位用于設置輸出緩沖器的增益，另一位用于設置是否“禁止”輸出。交替工作模式下，許多視頻矩陣開關串行連接，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，多個芯片通過一個較長的數(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)啟動時采用菊花鏈編程模式，發(fā)送一個長數(shù)據(jù)字配置視頻開關的各個通道，而后，按照獨立地址模式具體配置需要切換的矩陣開關的狀態(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置開關狀態(tài)。
從以上討論可以看出：Maxim最新推出的視頻矩陣開關芯片在提高系統(tǒng)性能的前提下具有更靈活的功能、能夠進一步減小現(xiàn)有系統(tǒng)的尺寸、并具有更低的熱耗散。