简化大规模视频监控系统的设计

摘要：模拟视频开关是许多应用中的中枢部件，在视频监控及需要捕捉或分配多路模拟视频信号的系统中起着非常重要的作用。在设计视频切换系统时，必须考虑阻抗匹配、反射损耗、畸变、嵌位电平、差分增益、相位误等因素，本文主要介绍MAX4358的特点、讨论设计视频矩阵开关时需要注意的事项。

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

视频矩阵开关设计中的任何失误都会造成视频质量的降低，在设计需要切换数百甚至数千路视频信号的大规模视频阵列时，必须考虑交叉干扰、信号衰减、插入损耗、EMI、物理尺寸及系统散热等问题，传统的设计方案基于无源开关和运算放大器，具体实现时非常困难。目前，高集成度视频矩阵开关芯片的推出大大简化了系统设计、降低了设计难度，用户利用较小的线路板尺寸即可实现高性能、大规模的视频监控系统。

一、新型视频矩阵开关

Maxim最新推出的32x16交叉矩阵开关内置缓冲电路，集成度是目前上市产品的两倍，采用144引脚TQFP封装。原理框图如图1所示，开关部分等效于512路模拟开关，开关矩阵的任何一路输入可以连接到任何一路或多路输出端，甚至同时连接到所有的输出端。

新型矩阵开关MAX4358内置输入缓冲器和输出缓冲器，这是该芯片对原有产品的最大改进之一，输入缓冲放大器提供了高输入阻抗，允许输入端采用简单的电阻----二极管箝位电路。每路输出能够驱动带有75Ω终端电阻的75Ω视频电缆（总阻抗150Ω），微分增益和相位误差典型值为0.1%。该系列产品中，MAX4358（32x16）和MAX4356（16x16）内含随屏显示插入功能，分别采用144引脚和128引脚TQFP封装；MAX4357（32x16）和MAX4355（16x16）不含随屏显示插入功能，分别采用128引脚和100引脚TQFP封装。适用于多媒体、大规模视频监控系统或视频点播等应用，有些系统中通常具有上百甚至上千个摄像机输入，几十到几百路输出。

二、构建大规模视频切换系统

MAX4358易于构建大规模的开关阵列，所需芯片取决于输入通道数和输出通道数。可参考图2构建大规模视频切换系统，由于芯片输出缓冲器可被设置成“禁止”状态，“禁止”时输出为高阻态，因此，视频矩阵的输出端允许线或连接。

1、容性负载

由图2可以看出，在实际电路中需要将许多个输出端连接在一起，每路输出阻抗不仅包括缓冲器的标准负载阻抗，还包括与相关节点连接的其它处于“禁止”状态缓冲器的输出阻抗，该阻抗包含阻性和容性元件，阻性元件降低了输出驱动电路的有效负载，对输出性能的影响不大。对线或连接影响较大的是容性负载，所有处于“禁止”状态的输出电容相加，等效电容的大小与视频阵列的尺寸有关，另外，较大规模的视频阵列通常存在较长的PC板引线，这也导致容性负载的增大。为克服容性负载的影响，MAX4358系列产品的输出级采用独特的设计，使其在驱动30pF电容时仍能保持较好的交流响应特性（在20MHz频带内保持0.1dB的增益平坦度），如果视频阵列开关数量过多导致容性负载过大，使系统性能降低时，可采取以下措施改善系统性能：首先，通过添加矩阵开关器件减少输出端的连接数（图3）。另一种解决方案是在输出端串联一个小电阻（5Ω至30Ω）将负载与输出隔离开，该电阻使输出级能够驱动不受限制的容性负载，同时，它与寄生电容共同构成一阶RC低通滤波器，单阶RC网络对视频信号的性能没有影响，但大规模视频阵列中会包括多个RC网络串联，其累计效应将导致幅频特性在高频端出现跌落，使图像出现“软化”现象。这种现象对于安防系统还可以接受，但在一些高清晰度系统中需采取一些措施抑制这种效应，如：设计输出端的引线使其产生一定的电感量，电感使幅频特性在高频端出现峰值，与寄生电容的效应相互抵消。当然，也可直接在电路中接入一个小的电感达到同样的效果。

2、串扰与线路板布局

图3、128 x 16矩阵开关可降低容性负载
在大规模视频切换系统中，不良的信号布线会导致诸多的负面影响，最主要的是与串扰相关的引线，与大多数芯片一样，MAX4358系列产品具有内在的抑制串扰特性，其串扰抑制最小值为65dB，典型值大于70dB。但不良的线路板布局可能导致串扰抑制比降低20dB，因此，设计中必须重视线路板的合理布局。具体设计时注意以下事项：

·信号线之间采用地线隔离，所添加的地线如同屏蔽线一样可避免信号间的干扰。注意：信号线平行排列或仅利用线路板层面隔离都会导致串扰增大。线路板层面之间的潜在耦合与线路板厚度及所用板材的电介质有关。

·保证引线阻抗可控制，将PC板引线设计成阻抗为75Ω的传输线能够大大减小串扰，为整体平衡系统设计，许多元件都需要配置匹配电阻，大多数电源也都采用缓冲输出以驱动更低的阻抗。

·减小地电流的交互作用，良好的接地平面可解决该问题。
除串扰之外，另一设计关键是隔离问题---指输出被禁止时从输入端馈入到输出端的不良信号。为达到理想的隔离，芯片引脚按照输入和输出分别排列在两侧，这种排列能够在6MHz时达到80dB以上的隔离度。对用户而言，只需考虑外部元器件的排列，如：PC板引线间的耦合、电源耦合（这主要取决于旁路电容的质量和安装位置），低阻元件应尽量靠近IC安装，应尽量避免输入信号靠近输出信号，注意适当的线路隔离。

3、功耗问题
在多媒体及大型安防系统中常常需要解决开关阵列的热耗散问题，这些系统一般安装在非常不理想的环境中，设备产生的热量会使环境温度提升许多，为解决这一问题，Maxim设计的矩阵开关具有极低的功耗，可工作于±5V，也可以工作于低电压±3V或单电源+5V。

4、负载驱动
为适应不同的负载驱动环境，Maxim的视频矩阵开关可通过串行接口设置增益（1V/V或2V/V），增益为1V/V时可用于驱动近距离（>3cm）、PC板上负载；当驱动75Ω传输线时可将增益设为2V/V，并在输出端串联一个75Ω电阻（这是视频系统中的一种常见配置）。增益设置为2V/V时，串联电阻和75Ω负载电阻分压使信号减半，为负载提供标准的1V视频信号。串联75Ω电阻为潜在的反射信号提供匹配阻抗，大大抑制或减小了信号反射。

5、随屏显示插入
视频切换系统中通常需要在每个通路中插入一些有关视频信号源的信息，如摄像机、日期、时间等信息，称其为随屏显示功能（OSD）。MAX4358/MAX4356具有OSD功能，内部相应于每个输出通路内置2：1模拟复用开关（图1），开关时间典型值为30ns。利用这些高速复用器切换16路OSD模拟输入信号和16路OSD控制线。需要插入的图像或字符信号加载到OSD模拟输入端；另外，还需在OSD控制端提供适当的时序信号。由于OSD信号在矩阵开关之前被插入，省去了连接在OSD器件后面的输出缓冲器，降低了成本。

6、独特的控制结构
Maxim的视频矩阵开关可以通过标准的SPI串行接口与主机通信，具有两种通信方式：独立地址模式和交替工作模式，独立地址模式下，芯片地址由外部引脚设置，主机发送包括片选、控制指令的16位字节给视频开关，11位控制字中有4位表示所选输出通路，5位表示所要接通的输入道路，1位用于设置输出缓冲器的增益，另一位用于设置是否“禁止”输出。交替工作模式下，许多视频矩阵开关串行连接，前级芯片的数据输出与后级芯片的数据输入相连，多个芯片通过一个较长的数据字节编程。两种编程模式通过一条控制线选择，两种模式下线路连接完全相同，因此，可以在系统启动时采用菊花链编程模式，发送一个长数据字配置视频开关的各个通道，而后，按照独立地址模式具体配置需要切换的矩阵开关的状态。在无需改变引脚和线路连接的条件下，能够采用两种编程模式设置开关状态。
从以上讨论可以看出：Maxim最新推出的视频矩阵开关芯片在提高系统性能的前提下具有更灵活的功能、能够进一步减小现有系统的尺寸、并具有更低的热耗散。