什么是矩陣切換器

什么是矩陣切換器

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，本文主要針對模擬信號(視頻、音頻、VGA信號)矩陣切換器的一些問題進(jìn)行研討，因?yàn)槟M信號的信號格式、電路形式，主要指標(biāo)及主要問題基本相同，當(dāng)然針對不同的帶寬、阻抗等會有些差異，但可歸為一類問題，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。

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“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。

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，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，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)稱為矩陣，而將M×1的結(jié)構(gòu)稱為切換器或選擇器，其實(shí)不過N=1而已，我們在討論時(shí)都當(dāng)作矩陣對待。

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

1. 電路原理：

切換原理上就是選擇，選擇的方式有很多種，最簡單的就是將信號線直接接在一起，比如接線板，利用人工將輸出信號線跳接在輸入信號線上，也可完成選擇，或利用琴鍵開關(guān)完成接通與斷開，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之間的斷開與聯(lián)接，也可完成信號的選擇，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，并可通過電平進(jìn)行控制完成信號的選擇。

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，從這個(gè)角度上講，是沒有什么指標(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8萬次平均無故障操作且操作時(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)信號傳輸過程，從攝像頭開始到電視機(jī)為止，都進(jìn)行了技術(shù)指標(biāo)分配，對模擬矩陣切換和分配，所定的技術(shù)指標(biāo)如表：GB/T14236-93 與本公司KT-128*32實(shí)例指標(biāo)：

3．國標(biāo)中日常用到最主要的指標(biāo)如下：

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

2) 幅頻特性：信號通過設(shè)備時(shí)，各種頻率的信號會有不同的衰減，一般是頻率越高，衰減越大，對視頻信號而言，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)(視頻信號的頻譜都在6MHZ以內(nèi))最大的衰減量，標(biāo)準(zhǔn)要求不超過0.2dB，如果考慮到音頻的調(diào)制，在8MHZ內(nèi)不超過0.5dB。

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

4．根據(jù)不同的應(yīng)用，對指標(biāo)的要求也不一樣。

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

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

3) VGA信號應(yīng)用，由于VGA信號帶寬較寬，而且是有五路信號(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)該按照廣播級對分量設(shè)備的技術(shù)要求。但由于VGA信號切換不象廣電中應(yīng)用得廣，牽扯到廣大的用戶，故現(xiàn)在也沒有強(qiáng)制的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

1) 種類選擇

廣電和視訊會議應(yīng)用，應(yīng)選用廣播級產(chǎn)品，監(jiān)控應(yīng)用可采用監(jiān)控類產(chǎn)品，VGA信號(有些人也將其視為視頻)要采用VGA信號矩陣。

2) 大小選擇

在一個(gè)工程中，應(yīng)將音頻信號和視頻信號和VGA信號看成三種不同的媒體。音頻信號一般情況下輸入數(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調(diào)音臺進(jìn)行混音，有可能需要幾路信號，因此音頻矩陣的輸出不會很大，比如可以32×8或64×8，但沒必要選擇32×32或64×64，除非是廣電和視訊會議傳輸，每路視頻一定會有音頻同步傳送。

在設(shè)計(jì)方案時(shí)，信號源的數(shù)量比較容易確定，看看有多少個(gè)信號源，矩陣的輸入數(shù)量就定下來了，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，而其它設(shè)備各自顯示其它特定區(qū)域的信號，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32×16)如果各區(qū)之間有可能需要互傳信號，也可采用如下圖中的結(jié)構(gòu)：

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

矩陣切換器做為傳輸系統(tǒng)的一部分，所出現(xiàn)的主要問題請見拙作“工程中常見的問題與解決”，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)該沒有大問題。比較特殊一點(diǎn)的是利用小規(guī)模矩陣組成大規(guī)模的問題，例：在用64×32組成128×32時(shí)，不能用二臺64×32組成128×64，這還是分組使用的概念，而應(yīng)用三臺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)。

3)廠家的選擇

生產(chǎn)矩陣的廠家很多，標(biāo)稱指標(biāo)各不相同，由于這類設(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題和可靠性問題非常重要。工程現(xiàn)場情況各有不同，在產(chǎn)品的成熟過程中需要經(jīng)過不斷的工程檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題需要及時(shí)改進(jìn)，因此產(chǎn)品的成熟過程比較長，常見到的情況是：在現(xiàn)場，利用某些品牌的產(chǎn)品，工程中會出現(xiàn)一些技術(shù)問題，而用其它品牌的產(chǎn)品后，問題便可解決，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)沒有交夠，遇到的問題沒有足夠多，產(chǎn)品設(shè)計(jì)上有考慮不周之處，因此選擇專業(yè)生產(chǎn)公司的產(chǎn)品，因?yàn)樗漠a(chǎn)品已經(jīng)相對成熟一些了。

廠家的標(biāo)稱指標(biāo)，尤其是VGA信號產(chǎn)品，矩陣設(shè)備是顯示的核心設(shè)備，如果出問題會是全局性的問題，會使整個(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)場中遇到的問題千奇百怪，廠家的技術(shù)支持能力是很重要的指標(biāo)，有獨(dú)立的研發(fā)能力，對問題產(chǎn)生的機(jī)理有正確認(rèn)識，產(chǎn)品適用性強(qiáng)，穩(wěn)定可靠，有較強(qiáng)現(xiàn)場解決能力的廠家合作。