视频交换是许多系统的核心。它在安防视频、视频点播和其他捕获或分配多个视频信号的设备中起着关键作用。设计用于切换这些信号的电路板可能具有挑战性，因为设计者必须考虑阻抗匹配、回波损耗、倾斜效应、钳位电平、差分增益和相位误差、故障能量和其他重要问题。

在这些方面的任何错误决定都会影响最终的视频质量。当设计一个切换几百或几千个视频信号的非常大的系统时，还必须考虑串扰、信号退化、插入损耗、EMI、物理尺寸和过热。基于无源开关和IC运放的传统设计方法即使对经验丰富的视频工程师来说也是具有挑战性的。然而，如今高度集成的视频交叉点ic使设计人员能够更快、更省力地生产更可靠的系统。由于系统的大部分复杂性都存在于集成电路中，因此设计人员可以开发更小的系统，从而产生更高的性能和更高的利润。

新的，集成的，视频交叉点矩阵

Maxim提高了标准，宣布了下一个级别的集成交叉点集成电路。这个新家族的旗舰成员是一个完全缓冲的32x16交叉点矩阵，是目前可用的最大矩阵的两倍。作为第一款达到这种集成度的器件，新ic封装了32x16矩阵和其他有用的功能，采用144引脚TQFP外形(图1）. 仅交换部分就相当于512台交换机。开关矩阵100%无阻塞，这意味着任何输入都可以连接到任何输出。您还可以将任何输入连接到任意数量的输出，甚至同时连接到所有输出。

图1所示。这个框图说明了MAX4358的功能，MAX4358是一个32 × 16视频交叉点矩阵。

完全缓冲

MAX4358具有缓冲输入和输出，是对无源开关矩阵的一大改进。输入缓冲放大器提供高阻抗输入，允许使用简单的电阻-二极管输入箝位。每个输出可以驱动一个标准的75欧姆视频电缆与75欧姆反匹配电阻(150欧姆总计)，典型的差分增益和相位误差分别为0.05%和0.1°。

该系列包括在144引脚TQFP封装(MAX4358)中具有OSD插入能力的32x16交叉点，在128引脚TQFP (MAX4357)中具有OSD插入能力的32x16交叉点，在128引脚TQFP (MAX4356)中具有16x16交叉点，以及在100引脚TQFP (MAX4355)中具有16x16交叉点。

这些设备最适用于中到大容量的安全视频系统，这些系统通常有100到数千个摄像头输入，以及数十到数百个输出。其他好的应用还有“视频点播”系统和按次付费的电影服务。同样，典型的设备具有数百到数千个目的地和10到100个输入源。这些系统的目标是自动将选定的电影源路由到发出请求的房间。

构建大型视频交换系统

MAX4358可以轻松创建更大的开关矩阵。实现矩阵所需的ic数量取决于输入通道的数量、输出的数量以及阵列是否是非阻塞的或有开关限制。另一个主要因素是集成构建块的大小。使用32x16的设备而不是16x16的设备，可以用一半的ic数量实现大型阵列。

实现非阻塞矩阵的最直接技术是将构建块排列在网格中。输入端以平行的方式连接到每一组垂直的设备，而每一组垂直柱的输出端则以有线或有线的方式连接在一起(图2）.

图2。该图显示了一个128输入、32输出的非阻塞阵列，该阵列采用32x16交叉点器件实现。

有线或连接是可能的，因为IC的输出缓冲器可以放置在禁用或高阻抗输出状态，以最大阻抗相对频率保持低输出电容。这些特性有助于减少“关闭”输出的不利长期影响。以这种方式连接ic允许将任何输入路由到任何输出，并且通过将连接技术扩展到更多设备来构建更大的阵列。

驱动电容性负载

正如您所看到的，上面的示例需要将许多输出连接在一起。因此，每个输出缓冲区不仅可以看到正常负载阻抗，还可以看到连接到该节点的所有其他输出的禁用阻抗。这个阻抗有一个电阻和一个电容分量。电阻元件减少了驱动输出的总有效负载，但对性能的影响最小，因为输出缓冲器很容易处理最小的负载增加。

线或连接的潜在更重要的影响是电容。所有禁用输出加在一起，因此数量取决于矩阵的大小。更大的矩阵具有更长的pc板走线，这增加了更多的电容。因此，这些器件上的输出缓冲器被设计成在驱动超过30pF时保持良好的交流响应(0.1dB增益平坦到12MHz)。如果在一个大阵列中连接了足够的输出，在某些情况下，输出所看到的电容可能会超过这个量。如果性能损失过大，有几种方法可以改善这种情况。

首先，您可以通过增加更多的交叉点设备(图3）. 注意，第二组中的附加设备对信号进行多路复用，从而减少了有线连接的数量。另一种解决方案是在电容性负载之前，通过在输出端串联一个小(5欧姆到30欧姆)电阻来隔离负载和输出。这个增加的电阻使输出能够驱动几乎无限的电容，但也(作为一个小缺点)，它形成了一个低通滤波器与寄生电容到地。单个RC网络对视频性能没有影响，但大型系统可能包括许多串联RC的级联。累积效应可能是在高频率下轻微的滚动，导致图像的轻微“软化”。这种效果在典型的安全视频应用程序中可能是可以接受的，但是为了获得更高的性能，有几个选项可用。一种是设计与输出相关联的pc板走线，使它们显示出一定的电感。通过以重复的“S”配置布线，彼此最近的走线具有互感，从而增加总电感。串联电感使幅值响应在较高频率处达到峰值，从而抵消寄生电容的滚降。作为一种替代方案，您可以通过添加小值电感器来达到相同的效果。最佳的安排通常是这两种方法的结合。

图3。这种128x16非阻塞矩阵的特点是减少了电容损耗。

串音和板路由

在大型视频矩阵上不正确的信号路由可能导致多种性能问题，但与路由相关的最困难的问题是串扰抑制。与大多数集成电路一样，这些矩阵器件具有非常好的固有串扰性能。对于家族中的所有ic，串扰抑制通常为-62dB。不良的pc板布局会使性能降低20dB或更多，因此您应该密切关注板布局。为了获得最佳的相声表演，

• 在携带信号的关键(长)pc板走线之间放置接地隔离． 增加的走线起到屏蔽潜在干扰信号的作用。请注意，并行走线和仅由pc板层分隔的走线都鼓励串扰。层之间的潜在耦合是电路板厚度和材料介电介质的函数。

• 保持控制阻抗走线． 将pc板走线设计为75欧姆传输线，通过降低走线阻抗显著减少串扰的潜在来源。作为权衡，需要更多的组件来设置终端阻抗，并且由于缓冲输出驱动较低的阻抗，需要消耗更多的功率。

• 使地电流相互作用最小化． 一个好的地平面策略可以最小化这个问题。

除了串扰之外，另一个关键问题是隔离，隔离被定义为在输出被禁用的情况下，从输入到输出的不良馈通的数量。IC引脚具有出色的隔离性:输入在一侧，输出在另一侧，在6MHz时隔离度大于-110dB。对于用户来说，唯一关心的是外部:通过pc板走线和公共电源连接进行耦合。通过电源的耦合取决于旁路电容器的质量和位置。注意使用合适的低阻抗元件，并将其放置在尽可能靠近IC的位置。合理注意避免将输入布线在输出附近，应确保良好的隔离。

大系统中的电力

在大多数中大型安全视频安装中，一个大问题是开关矩阵中功率耗散产生的热量。许多这样的系统在非理想条件下运行，安装在小房间和储物柜中是事后的想法。在小空间内产生的大量热量会使环境温度升高到使维修人员不舒服的水平。由于这个原因和明显的电源节省，Maxim交叉点设备需要的功率比现有的替代品要少得多(在最低工作电源电压下不到三分之一)。与仅在±5V工作的竞争器件不同，Maxim交点器件的工作电压从±5V降至±3V，或者仅从5V工作。

驱动电缆或pc板与同一设备互连

为了处理不同的负载驱动情况，Maxim交点器件的输出缓冲器可以通过串行接口编程为1V/V或2V/V增益。1V/V配置用于驱动pc板上的短(<3cm)高阻抗“本地”走线。对于驱动电缆或75欧姆传输在线走线，将输出缓冲增益设置为2V/V，并将75欧姆电阻与输出串联(这是视频系统中最常见的输出配置)。增益设置为2V/V，串联电阻和75欧姆负载阻抗作为分压器，将信号分成两半，通过电缆传输标准的1V视频信号。串联75欧姆电阻器(称为反向匹配、反向端接或串联端接)为称为反射的潜在反向信号提供75欧姆匹配阻抗。匹配的阻抗消除或大大减少了反射。

屏幕显示插入

在视频交换系统中，在每个信道中插入一些关于视频信号源的信息是有用的(并且通常是强制性的)，以便最终在监视器上查看。通常称为屏幕显示(OSD)，该信息通常包括位置(例如，相机的位置)、时间和日期。实现OSD的传统技术是将OSD设备与开关矩阵输出(图4）. Maxim的两款新型交叉点设备包括插入这些屏幕图形和字符所需的电路。这种能力是通过与16个输出中的每一个相关联的快速2:1多路复用器实现的，如图1所示。典型的多路复用器开关为40ns，这比单个像素的宽度小得多。访问这些快速开关是通过额外的16个专用输入命名为OSD Fill，和16个专用控制线命名为OSD Key。

图4。实现OSD的传统技术是将OSD设备与开关矩阵输出串联起来。

表示要插入的图形或字符的视频信号应用于OSD Fill输入，该输入对应于要添加屏幕显示的输出。然后向OSD Key输入提供适当的时序信号。OSD Key引脚上的逻辑低电平将OSD Fill输入端的信号连接到输出端，逻辑高电平将常规视频连接到输出端。这种切换动作对每条扫描线逐像素重复，允许在屏幕上插入任意图形或任何同步视频信号。这种插入屏幕显示信息的技术(图5)是一种与传统方法截然不同的方法。

图5。新的和改进的屏幕显示(OSD)将OSD设备放置在切换矩阵的前面。

通过这种方法，OSD信息现在插入到切换矩阵之前。由此产生的体系结构消除了OSD设备之后输出缓冲区的复杂性和成本，因为OSD设备不能直接驱动电缆，所以需要输出缓冲区。新方法不需要输出缓冲器，因为交叉点设备可以直接驱动电缆。当前系统中的视频信号必须先经过OSD设备，再经过输出缓冲区。由于当前OSD设备的视频传输能力较差，新ic的第二个好处是提高了信号质量。

独特的控制界面

Maxim交叉点设备上的数字接口通过标准串行SPI接口与主处理器通信，有两种方式。首先，它以单独的地址模式与主机“对话”。在这种模式下，地址是通过在包裹上绑上四个外部引脚来设置的。然后主机发送一个16位的字，由4个芯片地址位、11个有效载荷位和(为了使字长为两个字节)一个“不在乎”位组成。11位数据负载包括4位选择要编程的输出，5位选择要连接到该输出的输入，1位设置输出缓冲区的增益，1位控制是否将该输出置于禁用模式。该方法每次对矩阵进行一个输出编程(配置)，直到为矩阵系统中的每个交叉点设备配置所有16个输出。

其次，该接口有一种替代模式，在这种模式中，许多交叉点设备被串行寻址，每个数据输出端口连接到下一个设备的数据输入端口。用一个长编程字对多个设备进行编程。在这个长数据字中，第一个比特是链中最远设备的LSB，最后一个比特是链中最近设备的MSB(一种称为菊花链的编程模式)。长数据字的长度等于112位乘以要串行编程的交叉点设备的数目。

这种编程方法最常用于配置启动时的开关矩阵。初始化字序列可以从系统内存中读取并作为一个连续字发送到接口，从而简化了初始化程序或减少了在设备上电阶段处理器的开销，此时处理器在初始化系统时必须执行许多任务。

通过切换单个控制线的高或低来选择两种编程模式。两种模式都使用相同的物理板布局。因此，您可以在启动时通过菊花链和发送一个长数据字对IC进行编程，并立即寻址和更新矩阵中的各个位置。因此，您可以实现两种不同的串行寻址方案，没有额外的引脚，也没有改变板布局!

总结

这种新的交叉点设备系列简化了视频矩阵交换系统的设计，同时提供更高的性能和更多的功能。其结果是物理上比现有的系统更小，产生的热量也少得多。

视频设计师:加入我们基于电子邮件的视频设计师讨论组。