基于AD8108的寬頻帶低串?dāng)_視頻切換矩陣的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種寬頻帶低串?dāng)_視頻切換矩陣的設(shè)計(jì).該矩陣采用美國(guó)ADI公司的AD8108作為寬頻帶視頻切矩陣的信號(hào)切換芯片,采用AT89C51作為微控制器完成矩陣切換的控制和外圍界面的維護(hù)實(shí)現(xiàn)的視頻切換矩陣具有325MHz的帶寬能力和低通道間串?dāng)_、低進(jìn)出串?dāng)_的特性，同時(shí)具有-98dB的高進(jìn)出隔離度，完全可以滿足各行業(yè)中對(duì)高性能視頻和VGA信號(hào)的切換需求。

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)來完成信號(hào)源的切換過程。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。

圖1

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D0、D1、D2、D3信號(hào)管腳和A0、A1、A2信號(hào)管腳來完成。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)用來選中芯片。／RST用來對(duì)AD8108芯片進(jìn)行初始化，但這個(gè)初始化沒有對(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74F373與8255芯片進(jìn)行連接。8255擴(kuò)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(kuò)展出串口以方便遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過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)存下來的切換邏輯并通過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共線的電阻形成的串?dāng)_。所有這些串?dāng)_按矢量組合起來，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)境來測(cè)量串?dāng)_與頻率的關(guān)系。如圖3所示，讓IN3通過一個(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，一般來說，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)，也可以通過這個(gè)測(cè)試方法來實(shí)現(xiàn)。

為解決串?dāng)_的問題，在設(shè)計(jì)中采用了多項(xiàng)措施來保證。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。