采用高速無交叉切換開關芯片AD8108實現視頻切換矩陣的設計

作者：陳立全，陳先明，黃福泉

隨著多媒體技術的發展，現實應用中對視頻切換的要求也越來越高。在有線電視系統、高質量視頻監控系統和大屏幕顯示系統中，高質量視頻和VGA信號要求使用寬帶寬、低串擾的切換矩陣系統來完成信號源的切換過程。以前的切換矩陣使用的大多是機械式或是電子開關式的，它們的缺點通常是通道帶寬不能通過高質量高分辨率的信源，并且存在強的串擾現象。

1 AD8108芯片簡介

AD8108是一種8×8的高速無交叉切換開關芯片，傳輸帶寬可達325MHz。芯片輸入口使用NPN差分輸入管，并帶有150Ω電阻對輸入信號進行緩沖，加上無阻塞式的傳輸，使得AD8108能達到高性能的視頻應用效果。AD8108具有0.1dB的增益平坦度和0.02%/0.02度的差分增益/差分相位錯誤率，而串擾抑制僅為-83dB。通過串行或并行輸入的控制信號可以對AD8108實現切換控制。串口控制數據的輸出可以方便地結合多個AD8108芯片來生成更大規模的視頻切換矩陣。AD8108芯片可應用在高速信號切換矩陣中，實現對復合視頻（NTSC，PAL，SECAM）、分量視頻（YUV，RGB）、壓縮視頻（MPEG，Wavelet）和HDB3數字視頻的切換。通常計算機的VGA信號可以轉換成R、G、B、H、V等五路信號，然后通過AD8108組成的切換矩陣進行切換。AD8108芯片的信道切換時間小于25ns，并且僅有小于1%的信號耗損。

2 視頻切換矩陣的硬件原理

寬帶寬低串擾視頻切換矩陣系統主要由三片AD8108芯片、兩片可編程邏輯器件ispMACH4A5和一片AT89C51微控制器組成。AD8108芯片內部集成了8×8的矩陣切換單元，用于對輸入輸出信號進行切換。兩片ispMACH4A5模擬AD8108芯片的切換過程，用于對同步數字邏輯進行切換。而AT89C51芯片作為微控制器用于對切換矩陣各單元進行切換控制以及用于構成人機界面和構建RS232串行通信接口。

視頻切換矩陣系統的硬件原理圖如圖1所示。圖中的三片AD8108芯片分別完成R、G、B信號的8路輸入和8路輸出的切換，Rin［1-8］、Gin［1-8］和Bin［1-8］表示R、G和B信號8路輸入。Rout［1-8］、Gout［1-8］和Bout［1-8］表示R、G和B信號的8路輸出。對AD8108切換芯片的控制有串行輸入控制和并行輸入控制兩種。AD8108芯片通過芯片內的32個寄存器對8路輸入和8路輸出進行切換控制。在串行輸入控制時，AD8108的DI腳通過CLK腳信號的下降沿驅動，依次傳輸OUT7［D3］、OUT7［D2］……OUT0［D1］、OUT0［D0］信號到芯片內的32個寄存器中由寄存器控制輸入信號和輸出信號的對應切換關系。而并行輸入控制則通過D0、D1、D2、D3信號管腳和A0、A1、A2信號管腳來完成。A0、A1、A2信號定義要控制的輸出信道，D0、D1、D2選擇這一信道對應的輸入切換信道，而D3則控制由A0、A1、A2信號指定的輸出信道的開通和關閉。在AD8108中，/CE信號用來選中芯片。/RST用來對AD8108芯片進行初始化，但這個初始化沒有對寄存器內容進行初始化，而僅僅對切換矩陣輸出狀態進行初始化，使得所有通道輸出處于禁止狀態，而寄存器中切換邏輯仍置于一個隨機的排列中。/UPDATE信號用于將寄存器內的信息置于切換矩陣上，使得設置的矩陣切換邏輯起作用。而DO管腳則用于多個AD8108芯片之間的串聯控制。在實現了R、G、B信號切換之后，可由兩片可編程邏輯芯片ispMACH4A5對H、V信號進行切換。由于H信號和V信號是同步的數字邏輯信號，這里采用15ns上升時間的數字可編程邏輯器件來完成H、V信號的切換，以保證數字同步邏輯的沿同步。圖1中的ispMACH4A5（1）完成H信號的8×8切換，ispMACH4A5（2）完成V信號的8×8切換。ispMACH4A5芯片的S/PAR、CLK、DIDO、/UPDATE、/CE、/RST、D［3：0］和A［2：0］信號的連接和AD8108芯片連接相一致，同時在ispMACH4A5中組建了與AD8108邏輯一致的切換矩陣邏輯。AD8108和ispMACH4A5中的/CE信號連接在一起是將R、G、B、H、V捆綁起來一起控制，以完成對VGA信號的五路信號R、G、B、H、V的同步切換過程。當然，R、G、B、H、V也可以分開進行單獨控制以形成更多組合和更細的切換。

在圖1中，AT89C51用于對AD8108和ispMACH4A5芯片進行切換控制。P10到P15通過74F244緩沖形成CLK、S/PAR、DI、/UPDATE、/CE和/RST后與AD8108和ispMACH4A5芯片中相應的管腳相連。而P20到P26管腳則通過74F244芯片緩沖后依次與AD8108和ispMACH4A5芯片的D0、D1、D2、D3、A0、A1、A2相連。AT89C51的P0口與ALE/P管腳，通過74F373與8255芯片進行連接。8255擴展出來的PA口、PB口和PC口用于鍵盤的輸入和LED的顯示控制。AT89C51還將TXD和RXD管腳與MAX232的TX1和RX1相連，擴展出串口以方便遠程計算機通過串口控制切換矩陣系統的切換邏輯。AT89C51還與X5045芯片中的看門狗電路和E2PROM模塊對應連接來完成對MCU的監控和控制數據的存儲。

3 軟件流程

軟件流程圖如圖2所示。通過5V供電的硬件系統上電后，首先進行系統的初始化。這里，AT89C51完成對串行口、E2PROM芯片讀寫的初始化；8255芯片完成鍵盤掃描和顯示的初始化；而AD8108芯片的/RST起作用完成切換矩陣的初始化。然后AT89C51讀入X5025 E2PROM中上一次掉電時存下來的切換邏輯并通過DI串行控制口發送到AD8108芯片和ispMACH4A5芯片中的寄存器，當它們的/UPDATE管腳加上一個低電平，則上一次掉電時的邏輯在AD8108和 ispMACH4A5中起作用，從而形成輸入輸出切換邏輯；以后軟件進入掃描鍵盤和串口中斷的循環過程。由于切換矩陣系統顯示LED是采用動態顯示方法，因而在收到串口中斷控制信號和鍵盤輸入控制信號時，一般使用并行控制方法對AD8108進行切換以節省切換處理時間。當然，在其它場合，若對矩陣進行大規模的模式切換，用DI串行控制則可以更方便和快捷些。

4 視頻切換矩陣的性能分析

在高速視頻切換矩陣系統中，帶寬和串擾是兩個重要的衡量指標。AD8108芯片中采用輸入緩沖和高隔離度的運算放大器實現低串擾性能；采用無阻塞型的設計結構實現芯片系統的寬帶寬性能，并實現低耗能。AD8108芯片組成的視頻切換矩陣系統的-3dB帶寬可達到325MHz。

串擾問題一般可定義為在同一個方向上傳輸的各信道之間信號的干擾。另外也可定義為一個系統進出間的耦合干擾。在視頻切換矩陣系統中，串擾的過程是復雜的，有電的串擾，比如每個電阻是電磁發射器的同時，也是電磁的接收器；有磁場的串擾，電流的流動會產生磁場進而在其它線路上產生串擾電壓；還有共阻回饋串擾，它是指由于公用的電源供電線和地線或其它的共用連線通過共線的電阻形成的串擾。所有這些串擾按矢量組合起來，形成一個復雜的矢變量。降低串擾的方法是選擇低串擾的芯片，同時在系統設計上對串擾進行抑制處理。在本系統中，信道間的串擾體現較為明顯。一般計量信道間串擾的公式如下：

|XT|=20log10［Asel（s）/Atest（s）］ （1）

其中，s=jw是拉普拉斯轉換量，Atest（s）是選定的信道中的串擾信號的振幅，而Atest（s）是測試信號的振幅。如以dB值表示信道間串擾值，則可以看到|XT|是一個與頻率相關的量，而與測試信號的幅度無關。另外串擾信號與測試信號之間還有著相位相關的關系。根據串擾的有關定義，可以建立一個測試環境來測量串擾與頻率的關系。如圖3所示，讓IN3通過一個75Ω的電阻接地，另外的7路線路輸入1V標準電壓的測試信號Atest（s），且測試信號的頻率可以調節，而這7路的輸出端也是通過75Ω的電阻接地。然后測量OUT3輸出鏈路信號的振幅Asel（s）。根據公式（1）可計算出通道間串擾的水平。改變輸入測試信號的頻率繼續進行串擾的測試，就可以得到一個與頻率相關的串擾變化圖，如圖4所示。一般來說，由于高頻信號的干擾特性表現明顯，串擾會隨著頻率的變高而逐漸加大。在這里測量了7路輸入對單路信號的串擾。當要測量一個信道對另外一個信道的串擾時，也可以通過這個測試方法來實現。

為解決串擾的問題，在設計中采用了多項措施來保證。R、G、B、H、V五路信號的PCB排布采取并行排布，更好的方法是把它們分別排布于不同的板子上；另外，要做好電源的濾波，在每個芯片的電源接線端采用高容量濾波電容進行濾波，而且濾波電容盡可能地靠近芯片電源接線端；再有，R、G、B的輸入和輸出端采用75Ω的電阻接地，以與外部的75Ω視頻連線電阻相匹配。

5 應用分析

基于AD8108的高性能矩陣切換系統可以應用在有線電視系統、大屏幕顯示系統、計算機監控系統中。它的325MHz的通道帶寬可以對計算機應用系統中的分辨率為1280×1024的75Hz的24bit的真彩SXGA信號實現無損傷切換。在高分辨率大屏幕顯示系統中，需要切換不同分辨率的計算機信源信號到顯示大屏幕上，基于AD8108的切換矩陣可以有效地完成這樣的切換過程。在實現時，一般是將計算機的VGA信號的各色度信號與同步信號分解成R、G、B、H、V信號，再通過基于AD8108的切換矩陣切換到顯示投影儀上。另外，AD8108芯片的串行控制輸入輸出鏈功能和輸出禁止功能還可以使多個AD8108組成16×8、16×16甚至更多輸入輸出端口的切換矩陣。輸入可以采用并行輸入，而輸出則可使用線與方式，就能有效地實現更大規模的寬頻帶低串擾的視頻切換矩陣。

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