VGA矩陣切換器

在廣電行業與顯控等行業中，矩陣切換器的應用日益普及，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行研討，因為模擬信號的信號格式、電路形式，主要指標及主要問題基本相同，當然針對不同的帶寬、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中的線性代數的概念，一般指在多路輸入的情況下有多路的輸出選擇，形成下圖的矩陣結構，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)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“獨立”地在輸入中進行選擇，而不必關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個獨立的輸出，每個輸出可在8個輸入中任選，或者說有4個獨立的8選1，只是8個輸入是相同的。經常與此混淆的是分配的概念，比如8選1分4，是指在8個輸入中選擇出1個輸出，並將其分配成4個相同的輸出，雖然外觀上看有4個輸出，但這4個輸出是相同的，而不是獨立的。一般習慣中，將形成M×N的結構稱為矩陣，而將M×1的結構稱為切換器或選擇器，其實不過N=1而已，我們在討論時都當作矩陣對待。

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

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，或利用琴鍵開關完成接通與斷開，當然這是人工操作的，機械的，不存在指標等技術問題，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接，也可完成信號的選擇，第三種方式是根據電路原理，利用晶元內部電路的導通與關閉進行接通與關斷，並可通過電平進行控制完成信號的選擇。

繼電器方式與晶元方式各有優缺點。

繼電器方式：如果不考慮輸入匹配與輸出驅動的電路部分的話，它與聯線方式一致，是靠物理接觸進行接通與斷開，從這個角度上講，是沒有什麼指標概念的(最多有接觸電阻和反應時間)，因此技術指標好且價格低廉，其缺點在於穩定性較差，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有聲響，由於線路板走線原因，不能做的規模較大，顯得不夠高檔。

晶元方式：由於靠電路進行接通與關斷，晶元本身存在技術指標(在輸入匹配與輸出驅動一樣的情況下)，因此要保障技術指標，就要選擇專用的切換晶元，因此價格較高，但穩定性好，可形成的矩陣規模較大。

矩陣切換器根據不同的應用領域，所要求的技術指標也不同。以廣電行業為例，為保證終端的顯示質量，廣電行業將整個信號傳輸過程，從攝像頭開始到電視機為止，都進行了技術指標分配，對模擬矩陣切換和分配，所定的技術指標如表：GB/T14236-93 與本公司MCON-128*32實例指標：

國標中日常用到最主要的指標如下

1) 隨機信噪比：信號通過任何設備，都會因為引入“雜訊”而使質量變差，信噪比就是指信號與所產生的雜訊的比，該值越大，表示引入雜訊越小，在視頻信號時，(6MHZ以內)信噪比要求至少達到65dB。

2) 幅頻特性：信號通過設備時，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時的頻率)，而是採用在6MHZ的頻譜內(視頻信號的頻譜都在6MHZ以內)最大的衰減量，標準要求不超過0.2dB，如果考慮到音頻的調製，在8MHZ內不超過0.5dB。

3) 路間串擾：多路信號在同一設備中，由於空間的輻射與電源的波動，彼此之間會形成干擾，稱為串擾。串擾不能大於-55dB。

根據不同的應用，對指標的要求

1) 監控行業：監控行業中，由於信號只經過攝像，傳輸(一般是基帶傳輸)，控制與顯示，且顯示時對圖象的質量要求相對較低，只要能看清，並不作轉播等工作，因此監控行業對矩陣的要求是功能多(能帶雲台控制、報警等)、指標低，此行業對矩陣的指標無明確的強制要求。

2) 廣電和視頻會議，廣電不必多言，肯定是服從國標，按廣播級標準要求，值得一提的是視頻會議領域，視頻信號要經傳輸，記錄和轉播，且受眾對圖象質量也有較高要求，故應選擇廣播級指標，而不能簡單地採用監控類產品。

3)VGA信號應用，由於VGA信號帶寬較寬，而且是有五路信號(R、G、B、H、V)同時傳輸，因此要求各通道的指標儘可能高(在6MHZ之內應滿足廣電的要求)，且必須保持一致，應該按照廣播級對分量設備的技術要求。但由於VGA信號切換不象廣電中應用得廣，牽扯到廣大的用戶，故也沒有強制的指標標準。

種類選擇，廣電和視訊會議應用，應選用廣播級產品，監控應用可採用監控類產品，VGA信號(有些人也將其視為視頻)要採用VGA信號矩陣。

在一個工程中，應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量較多，如話筒和CD以及碟機的音頻等，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音台進行混音，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。

在設計方案時，信號源的數量比較容易確定，看看有多少個信號源，矩陣的輸入數量就定下來了，但要考慮好獨立的輸出通道個數，這是根據系統的操作模式而定，有時可能有幾台顯示設備之間僅有分配關係(彼此永遠一致，不獨立)那麼就可考慮佔用一個輸出口再加分配器，如果這些設備有可能是獨立的，那麼還是各佔一個獨立的輸出口好一些。

在很多情況下，輸入和輸出數量很大，如果採用大型矩陣，造價會較高(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，例如在監控時，可以讓顯示牆中某些顯示設備只顯示某一區域的信號，而其它設備各自顯示其它特定區域的信號，那麼就可將大規模矩陣折分成小規模的矩陣(如將128×64折分成4台32×16)如果各區之間有可能需要互傳信號，也可採用如下圖中的結構：

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構好，但成本會下降這。

矩陣切換器做為傳輸系統的一部分，所出現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，不外乎是幾種產生的機理，只要能將現象分清，解決的方嚮應該沒有大問題。比較特殊一點的是利用小規模矩陣組成大規模的問題，例：在用64×32組成128×32時，不能用二台64×32組成128×64，這還是分組使用的概念，而應用三台64×32組成128×32，如下圖，這是全矩陣的概念，因此組合使用時應分清分組使用和全矩陣的區別(全矩陣是指每一輸出口都可在所有輸入中全選，而且彼此獨立)。

生產矩陣的廠家很多，標稱指標各不相同，由於這類設備不是實驗室的樣機，而是工程應用產品，因此工程中的適用性問題和可靠性問題非常重要。工程現場情況各有不同，在產品的成熟過程中需要經過不斷的工程檢驗，發現問題需要及時改進，因此產品的成熟過程比較長，常見到的情況是：在現場，利用某些品牌的產品，工程中會出現一些技術問題，而用其它品牌的產品后，問題便可解決，並非前一品牌產品有多大錯誤，只是它的適用性不及后一種品牌產品，通俗地講，是學費沒有交夠，遇到的問題沒有足夠多，產品設計上有考慮不周之處，因此選擇專業生產公司的產品，因為它的產品已經相對成熟一些了。

廠家的標稱指標，尤其是VGA信號產品，矩陣設備是顯示的核心設備，如果出問題會是全局性的問題，會使整個系統癱瘓，因此穩定性、可靠性是壓倒一切的，情願價格高一點，甚至是指標低一點，也要保證穩定、可靠。

技術支持方面，在工程現場中遇到的問題千奇百怪，廠家的技術支持能力是很重要的指標，有獨立的研發能力，對問題產生的機理有正確認識，產品適用性強，穩定可靠，有較強現場解決能力的廠家合作，如：訊維。

·實現自動增益技術 VGA 矩陣切換器帶有斷電現場保護功能；

·能夠自動保存設備上次關機時的狀態；

·部分允許對 HV 信號和 RGB 信號進行延遲切換；

·調整延遲時間；

·採用新型的 LED 面板顯示和輕觸式按鍵；

·狀態顯示直觀合理，設備操作更加簡便；

·LCD 屏顯示輸入輸出的控制狀態；

·具有斷電現場保護功能；

·簡捷的前面板操作，後面板上有一個能與控制系統聯機使用的 RS-232C通訊埠；

·安裝快捷，操作簡單。

VGA通道

帶寬:500MHz 亮度色度干擾：-50dB@10MHz 信號類型：數字VGA，數字TMDS 微分相位I/0S：<1.28度，3.58MHz 微分增益誤差：0.1%, 3.58-4.43MHz 隔離度(串擾) ： <-85db(10MHz) 輸入信號電平：1.2伏p－p ，5伏p－p（TTL）非線性失真： <0.02%/0.02º (RL=150Ω) 支持解析度：高清480i～1080p/640X480～1600X1200（60Hz）輸入輸出介面：HD15PIN（VGA）控制方式：RS-232、紅外、鍵盤面板 控制協議：9600 波特， 8 位， 1 個停止位，無奇偶校驗 輸入電平: 0.7Vp-p 輸入助抗: 75Ω 輸出助抗: 75Ω同步通道

輸入電平: TTL輸出電平: TTL 輸入阻抗: 10KΩ 輸出阻抗: 33Ω 同步極性: 跟隨輸入產品規格：

電源AC：110V - 240V , 50 / 60 Hz 功率： 50W 尺寸：482mm（長）x 280mm（寬） x 90mm（高）重量：5.0kg 機架安裝：19英寸標準 2U高度 平均故障間隔時間MTBF：42000 小時

VGA矩陣切換器類產品作為專業、多元化的信號管理設備，在信號系統中起到了信號調度作用，並作為系統中的核心設備。該類產品廣泛用於廣播電台，電視台，有線網路，電視會議，交通管理，軍事指揮，平安城市，武警消防等需要進行信號管理和調度的領域，完成信號切換，管理、調度等功能。為視/音頻信號的靈活運用，提供了經濟實用的解決方案。隨著多媒體技術的大量普及，在矩陣切換器類產品中也融入了多媒體元素，這類矩陣切換器廣泛應用於教育，多媒體會議，多功能廳，大型展廳，娛樂場所，舞台演出，計算機應用等行業。

實現VGA矩陣切換器顯示，除了實現時序控制，還必須有其他功能單元的支持才能實現完整的圖像顯示。

1 控制器

VGA顯示有多種模式，需要通過控制器實現模式間切換，還需要對顯示的內容進行接收、處理和顯示

。所以控制器的性能越高，數據更新和顯示效果就越好。

2 顯示數據緩存區

VGA顯示要求顯存速度快、容量大。讀速度要達到65MHz以上，存儲容量至少要2MB。可採用高速SRAM

或SDRAM作為顯示數據緩存。

3數模轉換器DAC

VGA顯示對數模轉換DAC有如下要求：一是高速轉換，轉換的速度應該在80MHz或以上；二是同步性好

，能保證 R、G、B三路信號的同步性；三是有相應的精度。可選擇一種包括3路8位高速D/A的專用視頻芯

片。

4 數據源及其介面

要提高VGA顯示的效率，就要不斷更新數據，同時還要保證實時性，因此需要非常高的介面速度。VGA

顯示卡雖可達到100Mbps的數據更新速度，但是一般設備、特別是嵌入式設備達不到這麼高的速度，而且

大多數情況下也不需要這麼高的數據更新率。常用介面為EPP介面、USB介面、 TCP/IP、RS232C/

485等。其中TCP/IP、EPP介面和USB介面是基於計算機的，速度較快；TCP/IP、RS232C/485是基於網路

通信的介面，其中RS485速度雖慢，但應用廣泛且容易實現遠程控制。

在數據源為低速介面時，可以考慮採用 Flash或者SM存儲卡等預先存儲一些常用的圖像顯示數據和字

庫文件，在更新數據時直接應用這些數據，從而加快顯示緩存的更新速度。這樣既能滿足高解析度圖像的

顯示，又能滿足文字信息數據的快速更新。剛時為了存儲更多的圖像，可以先存儲JPEG格式圖像，再由控

制器解碼成BMP點陣圖圖像後送到顯示緩存顯示，這樣就相對擴展了Flash的存儲空間。同時，由於圖像的解

碼速度要大大快於數據源介面的速度，也就相應提高了顯示緩存的數據更新速度。

顯存數據更新與顯示的同步實現

在VGA顯示時，要考慮如何實現顯存數據更新與顯示的同步進行。解決的方案有以下幾種：

(1) 採用具有緩存作用的雙口RAM，這種方法使用的器件數量多、功耗大、成本高，基本不可取。

(2) 採用兩組SRAM進行乒乓工作模式，一組SRAM用於顯示的同時，另一組SRAM用於圖像數據的更新，

然後在兩組SRAM之間切換。這樣做會提高一些成本，而且需要更複雜的匯流排控制。

(3) 利用FPAG/CPLD和SDRAM構造雙口SRAM。這種方法實時性好，成本較低，時序控制比較複雜，它

是 實現高性能低成本要求的最佳方案。

(4) 採用一組SRAM作為顯存，可以簡化系統設計、降低成本。這時可以考慮利用行時序和幀時序中

SRAM匯流排空閑的時序段，在不關閉圖像顯示的情況下實現顯存SRAM的數據更新。該方法的更新率與數據寫

速度密切相關，顯存的寫數據速度越快，該方法的更新率就越高。

假設CPU的工作時鐘最大為60MHz，並採用JPEG解碼更新方式。這時如果將解碼緩存區分配在CPU片內

內存，則更新數據時直接由內存向 SRAM寫數據，一次需要0.17μs；如果將解碼緩存區分配在片外空間，

則更新數據時CPU要先從片外讀數據，再向SRAM寫數據，這樣寫一次需要 0.25μs。在相鄰顯示的兩幀圖

像只存在局部差別或更新文本顯示信息時，可使用局部數據更新方法，以提高更新率。表2給出了顯示每

幀圖像包含的匯流排空閑時間，以及在不同解碼緩存區分配方式下圖像全部更新和10%局部更新的幀率。這

里提到的幀率是指對顯存數據的更新速度，而不是指圖像的屏幕刷新率，它對刷新率沒有影響。

嵌入式VGA顯示系統

基於以上方案設計的嵌入式VGA顯示系統在只有系統控制板和CRT顯示器的情況下實現了嵌入式高分辨

率VGA顯示。

通過對嵌入式VGA顯示系統的設計分析和實際使用，得到如下結論：

(1) 由於VGA顯示是一個高速過程，所以選擇器件時要選擇高速器件。

(2) VGA顯示時序要求較嚴格，時序中的前後沿及同步脈衝寬度都要依照嚴格的參考數據設置。

(3) 在一般情況下，由於數據介面的限制，數據更新率不能達到計算機的水平。通過一些特殊設計，

還是能夠滿足大多數嵌入式VGA的需求。

(4) 性能、成本和複雜度要綜合考慮，要以系統的實際需求為目標，採用合理而實用的設計方案。