基于AD8108的高性能矩陣切換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中對(duì)視頻切換的要求也越來(lái)越高。在有線電視系統(tǒng)、高質(zhì)量視頻監(jiān)控系統(tǒng)和大屏幕顯示系統(tǒng)中，高質(zhì)量視頻和VGA信號(hào)要求使用寬帶寬、低干擾的切換矩陣系統(tǒng)來(lái)完成信號(hào)源的切換過(guò)程。以前的切換矩陣使用的大多是機(jī)械式或是電子開關(guān)式的，它們的缺點(diǎn)通常是通道帶寬不能通過(guò)高質(zhì)量高分辨車的信源，并且存在強(qiáng)的串?dāng)_現(xiàn)象。

1 AD8108芯片簡(jiǎn)介

AD8l08是一種8×8的高速無(wú)交叉切換開關(guān)芯片，傳輸帶寬可達(dá)325MHz。芯片輸入口使用NPN差分輸入管，并帶有150Ω電阻對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行緩沖，加上無(wú)阻塞式的傳輸，使得AD8108能達(dá)到高性能的視頻應(yīng)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(cuò)誤率，而串?dāng)_抑制僅為-83dB。通過(guò)串行或并行輸入的控制信號(hào)可以對(duì)AD8108實(shí)現(xiàn)切換控制。串口控制數(shù)據(jù)的輸出可以方便地結(jié)合多個(gè) AD8108芯片來(lái)生成更大規(guī)模的視頻切換矩陣。AD8108芯片可應(yīng)用在高速信號(hào)切換矩陣中，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合視頻（NTSC，PAL，SECAM）、分量視頻（YUV，RGB）、壓縮視頻（MPEC，Wavelet）和HDB3數(shù)字視頻的切換。通常計(jì)算機(jī)的VGA信號(hào)可以轉(zhuǎn)換成R、C、B、H、V，等五路信號(hào)，然后通過(guò)AD8108組成的切換矩陣進(jìn)行切換。AD8108芯片的信道切換時(shí)間小于25ns，并且僅有小于l％的信號(hào)耗損。

2 視頻切換矩陣的硬件原理

寬帶寬低串?dāng)_視頻切換矩陣系統(tǒng)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(nèi)部集成了8×8的矩陣切換單元，用于對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行切換。兩片ispMACH4A5模擬AD8］08芯片的切換過(guò)程，用于對(duì)同步數(shù)字邏輯進(jìn)行切換。而AT89C51芯片作為微控制器用于對(duì)切換矩陣各單元進(jìn)行切換控制以及用于構(gòu)成人機(jī)界面和構(gòu)建RS232串行通信接口。

視頻切換矩陣系統(tǒng)的硬件原理圖如圖1所示。圖中的三片AD810S芯片分別完成R、G、B信號(hào)的8路輸入和8路輸出的切換，Rin［1-8］、 Cin［1-8］和Bin［1-8］表示R、G和B信號(hào)8路輸入。Rout［1-8］、Gout［1-8］和Bout［1-8］表示R、G和B信號(hào)的8路輸出，對(duì)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(guò)芯片內(nèi)的32個(gè)寄存器對(duì)8路輸入和8路輸出運(yùn)行切換控制。在串行輸入控制時(shí)。AD8108的Dl腳通過(guò)CLK腳信號(hào)的下降沿驅(qū)動(dòng)，依次傳輸OUT7［D3］、OUT7［D2］……OUT0［D1］、OUT0 ［D0］信號(hào)到芯片內(nèi)的32個(gè)寄存器中由寄存器控制輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的對(duì)應(yīng)切換關(guān)系。而并行輸入控制則通過(guò)D0、D1、D2、D3信號(hào)管腳和A0、 A1、A2信號(hào)管腳來(lái)完成。A0、A．1、A2信號(hào)定義要控制的輸出信道，D0、Dl、D2選擇這一信道對(duì)應(yīng)的輸入切換信道，而D3則控制由A0、A1、 A2信號(hào)指定的輸出信道的開通和關(guān)閉。

在AD8108中，／CE信號(hào)用來(lái)選中芯片。／RST用來(lái)對(duì)AD8108芯片進(jìn)行初始化，但這個(gè)初始化沒(méi)有對(duì)寄存器內(nèi)容進(jìn)行初始化，而僅僅對(duì)切換矩陣輸出狀態(tài)進(jìn)行初始化，使得所有通道輸出處于禁止?fàn)顟B(tài)，而寄存器中切換邏輯仍置于一個(gè)隨機(jī)的排列中：／UPDATE信號(hào)用于將寄存器內(nèi)的信息置于切換矩陣上，使得設(shè)置的矩陣切換邏輯起作用。而DO管腳則用于多個(gè)AD8108芯片之間的串聯(lián)控制。在實(shí)現(xiàn)了R、G、B信號(hào)切換之后，可由兩片可編程邏輯芯片ispMACH4A5對(duì)H、V信號(hào)進(jìn)行切換。由于H信號(hào)和V信號(hào)是同步的數(shù)字邏輯信號(hào)，這里采用15ns上升時(shí)間的數(shù)字可編程邏輯器件來(lái)完成H、V信號(hào)的切換，以保證數(shù)字同步邏輯的沿同步。

圖1中的ispMACH4A5（1）完成H信號(hào)的8×8切換，ispMACH4A5（2） 完成V信號(hào)的8×8切換。ispMACH4A5芯片的S／PAR、CLK、DI、DO、／UPDATE、／CE、／RST、D［3：0］和A［2：0］信號(hào)的連接和AD8108芯片連接相一致，同時(shí)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(hào)連接在一起是將R、G、B、H、V捆綁起來(lái)一起控制，以完成對(duì)VCA信號(hào)的五路信號(hào)R、G、B、H、V的同步切換過(guò)程。當(dāng)然，R、G、B、H、V電可以分開進(jìn)行單獨(dú)控制以形成更多組合和更細(xì)的切換。

在圖1中，AT89C51用于對(duì)AD8108和ispMACH4A5芯片進(jìn)行切換控制。Pl0到P15通過(guò)74F244緩沖形成CLK、 S／PAR、DI、／UPDATE、/CE和／PST后與AD8108和ispMACH4A5芯片中相應(yīng)的管腳相連。而P20到P26管腳則通過(guò) 74F244芯片緩沖后依次與AD8108和ispMACH4A5芯片的D0、D1、D2、D3、A0、Al、A2相連。AT89C51的P0口與 ALE／P管腳．通過(guò)74F373與8255芯片進(jìn)行連接。8255擴(kuò)展出來(lái)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(kuò)展出串口以方便遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過(guò)串口控制切換矩陣系統(tǒng)的切換邏輯。

AT89C51還與 X5045芯片中的看門狗電路和E2PROM模塊對(duì)應(yīng)連接來(lái)完成對(duì)MCU的監(jiān)控和控制數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

3 軟件流程

軟件流程圖如圖2所示。通過(guò)5V供電的硬件系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化。這里，AT89C51完成對(duì)串行口、E2ROM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 E2ROM中上一次掉電時(shí)存下來(lái)的切換邏輯并通過(guò)DI串行控制口發(fā)送到AD8108芯片和ispMACH4A5芯片中的寄存器，當(dāng)它們的／UPDATE管腳加上一個(gè)低電平，則上一次掉電時(shí)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(jìn)入掃描鍵盤和串口中斷的循環(huán)過(guò)程。

由于切換矩陣系統(tǒng)顯示LED是采用動(dòng)態(tài)顯示方法，因而在收到串口中斷控制信號(hào)和鍵盤輸入控制信號(hào)時(shí)，一般使用并行控制方法對(duì)AD8108進(jìn)行切換以節(jié)省切換處理時(shí)間。當(dāng)然，在其它場(chǎng)合，若對(duì)矩陣進(jìn)行大規(guī)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(tǒng)中，帶寬和串?dāng)_是兩個(gè)重要的衡量指標(biāo)。AD 8108芯片中采用輸入緩沖和高隔離度的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)低串?dāng)_性能；采用無(wú)阻塞型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)芯片系統(tǒng)的寬帶寬性能，并實(shí)現(xiàn)低耗能。AD 8108芯片組成的視頻切換矩陣系統(tǒng)的-3dB帶寬可達(dá)到325MHz。

串?dāng)_問(wèn)題一般可定義為在同一個(gè)方向上傳輸?shù)母餍诺乐g信號(hào)的干擾。另外也可定義為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)出間的耦合干擾。在視頻切換矩陣系統(tǒng)中，串?dāng)_的過(guò)程是復(fù)雜的，有電的串?dāng)_，比如每個(gè)電阻是電磁發(fā)射器的同時(shí)，也是電磁的接收器；有磁場(chǎng)的串?dāng)_，電流的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)進(jìn)而在其它線路上產(chǎn)生串?dāng)_電壓；還有共阻回饋串?dāng)_，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(guò)共線的電阻形成的串?dāng)_。所有這些串?dāng)_按矢量組合起來(lái)，形成一個(gè)復(fù)雜的矢變量。降低串?dāng)_的方法是選擇低串?dāng)_的芯片，同時(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上對(duì)串?dāng)_進(jìn)行抑制處理。在本系統(tǒng)中，信道間的串?dāng)_體現(xiàn)較為明顯。一般計(jì)量信道間串?dāng)_的公式如下：

其中，s=jw是拉普拉斯轉(zhuǎn)換量，Atest（s）是選定的信道中的串?dāng)_信號(hào)的振幅，而Atest（s）是測(cè)試信號(hào)的振幅。如以dB值表示信道間串?dāng)_值，則可以看到︱XT︱是一個(gè)與頻率相關(guān)的量，而與測(cè)試信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)。另外串?dāng)_信號(hào)與測(cè)試信號(hào)之間還有著相位相關(guān)的關(guān)系。根據(jù)串?dāng)_的有關(guān)定義，可以建立一個(gè)測(cè)試環(huán)境來(lái)測(cè)量串?dāng)_與頻率的關(guān)系。

如圖3所示，讓IN3通過(guò)一個(gè)75Ω的電阻接地，另外的7路線路輸入1V標(biāo)準(zhǔn)電壓的測(cè)試信號(hào)Atest （s），且測(cè)試信號(hào)的頻率可以調(diào)節(jié)，而這7路的輸出端也是通過(guò)75Ω的電阻接地。然后測(cè)量OUT3輸出鏈路信號(hào)的振幅Asel（s）。根據(jù)公式（1）可計(jì)算出通道間串?dāng)_的水平。改變輸入測(cè)試信號(hào)的頻率繼續(xù)進(jìn)行串?dāng)_的測(cè)試，就可以得到一個(gè)與頻率相關(guān)的串?dāng)_變化圖，如圖4所示，一般來(lái)說(shuō)，由于高頻信號(hào)的干擾特性表現(xiàn)明顯，串?dāng)_會(huì)隨著頻率的變高而逐漸加大。在這里測(cè)量了7路輸入對(duì)單路信號(hào)的串?dāng)_，當(dāng)要測(cè)量一個(gè)信道對(duì)另外一個(gè)信道的串?dāng)_時(shí)，也可以通過(guò)這個(gè)測(cè)試方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為解決串?dāng)_的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中采用了多項(xiàng)措施來(lái)保證。R、G、B、H、V五路信號(hào)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(gè)芯片的電源接線端采用高宕量濾波電容送行濾波，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(yīng)用分析

基于AD8108的高性能矩陣切換系統(tǒng)可以應(yīng)用在有線電視系統(tǒng)、大屏幕顯示系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中。它的325MHz的通道帶寬可以對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的分辨軍為1280×1024的75Hz的24bit的真彩SXGA信號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)損傷切換。在高分辨率大屏幕顯示系統(tǒng)中，需要切換不同分辨率的計(jì)算機(jī)信源信號(hào)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(guò)程。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，一般是將計(jì)算機(jī)的VGA信號(hào)的各色度信號(hào)與同步信號(hào)分解成R、G、B、H、V信號(hào)，再通過(guò)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(gè)AD8108組成16x8、16x16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(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的寬頻帶低串?dāng)_的視頻切換矩陣。