标题：VGA矩阵切换器
矩阵切换器
在广电行业与显控等行业中，矩阵切换器的应用日益普及，本文主要针对模拟信号(视频、音频、VGA信号)矩阵切换器的一些问题进行研讨，因为模拟信号的信号格式、电路形式，主要指标及主要问题基本相同，当然针对不同的带宽、阻抗等会有些差异，但可归为一类问题，而数字矩阵在电路形式等方面与模拟方式差别较大，故另外讨论。
矩阵切换的概念及功能
矩阵的概念引用高数中的线性代数的概念，一般指在多路输入的情况下有多路的输出选择，形成下图的矩阵结构，既每一路输出都可与不同的输入信号“短接”，每路输出只能接通某一路输入，但某一路输入都可(同时)接通不同的输出，如下图。
  输出1=输入1，输出2=输入2，而输出3=输出4=输入3，或者说，每一路输出可“独立”地在输入中进行选择，而不必关心其它通道的输出情况，即可以与其它输出不同，也可以相同。举例说，8选4是指有4个独立的输出，每个输出可在8个输入中任选，或者说有4个独立的8选1，只是8个输入是相同的。经常与此混淆的是分配的概念，比如8选1分4，是指在8个输入中选择出1个输出，并将其分配成4个相同的输出，虽然外观上看有4个输出，但这4个输出是相同的，而不是独立的。一般习惯中，将形成M×N的结构称为矩阵，而将M×1的结构称为切换器或选择器，其实不过N=1而已，我们在讨论时都当作矩阵对待。
矩阵切换器的功能是在多路信号输入的情况下，可独立地根据需要选择多路(包括1路)信号进行输出，完成信号的选择。
矩阵切换的原理与技术指标
电路原理切换原理上就是选择，选择的方式有很多种，最简单的就是将信号线直接接在一起，比如接线板，利用人工将输出信号线跳接在输入信号线上，也可完成选择，或利用琴键开关完成接通与断开，当然这是人工操作的，机械的，不存在指标等技术问题，故不作为矩阵切换讨论。第二种方式，利用继电器也可完成选择，利用电平控制继电器的通断，可完成输出线与输入信号之间的断开与联接，也可完成信号的选择，第三种方式是根据电路原理，利用芯片内部电路的导通与关闭进行接通与关断，并可通过电平进行控制完成信号的选择。
继电器方式与芯片方式各有优缺点。
继电器方式：如果不考虑输入匹配与输出驱动的电路部分的话，它与联线方式一致，是靠物理接触进行接通与断开，从这个角度上讲，是没有什么指标概念的(最多有接触电阻和反应时间)，因此技术指标好且价格低廉，其缺点在于稳定性较差，毕竟是靠物理接触，继电器有一定寿命，原则上讲，有8万次平均无故障操作且操作时有声响，由于线路板走线原因，不能做的规模较大，显得不够高档。
芯片方式：由于靠电路进行接通与关断，芯片本身存在技术指标(在输入匹配与输出驱动一样的情况下)，因此要保障技术指标，就要选择专用的切换芯片，因此价格较高，但稳定性好，可形成的矩阵规模较大。
矩阵切换应保证的技术指标矩阵切换器根据不同的应用领域，所要求的技术指标也不同。以广电行业为例，为保证终端的显示质量，广电行业将整个信号传输过程，从摄像头开始到电视机为止，都进行了技术指标分配，对模拟矩阵切换和分配，所定的技术指标如表：GB/T14236-93 与本公司MCON-128*32实例指标： 
  
国标中日常用到最主要的指标如下1) 随机信噪比：信号通过任何设备，都会因为引入“噪声”而使质量变差，信噪比就是指信号与所产生的噪声的比，该值越大，表示引入噪声越小，在视频信号时，(6MHZ以内)信噪比要求至少达到65dB。
2) 幅频特性：信号通过设备时，各种频率的信号会有不同的衰减，一般是频率越高，衰减越大，对视频信号而言，一般不用带宽的概念(衰减3dB时的频率)，而是采用在6MHZ的频谱内(视频信号的频谱都在6MHZ以内)最大的衰减量，标准要求不超过0.2dB，如果考虑到音频的调制，在8MHZ内不超过0.5dB。
3) 路间串扰：多路信号在同一设备中，由于空间的辐射与电源的波动，彼此之间会形成干扰，称为串扰。串扰不能大于-55dB。
根据不同的应用，对指标的要求1) 监控行业：监控行业中，由于信号只经过摄像，传输(一般是基带传输)，控制与显示，且显示时对图象的质量要求相对较低，只要能看清，并不作转播等工作，因此监控行业对矩阵的要求是功能多(能带云台控制、报警等)、指标低，此行业对矩阵的指标无明确的强制要求。
2) 广电和视频会议，广电不必多言，肯定是服从国标，按广播级标准要求，值得一提的是视频会议领域，视频信号要经传输，记录和转播，且受众对图象质量也有较高要求，故应选择广播级指标，而不能简单地采用监控类产品。
3) VGA信号应用，由于VGA信号带宽较宽，而且是有五路信号(R、G、B、H、V)同时传输，因此要求各通道的指标尽可能高(在6MHZ之内应满足广电的要求)，且必须保持一致，应该按照广播级对分量设备的技术要求。但由于VGA信号切换不象广电中应用得广，牵扯到广大的用户，故现在也没有强制的指标标准。
矩阵切换器的选择和常见问题
种类选择，广电和视讯会议应用，应选用广播级产品，监控应用可采用监控类产品，VGA信号(有些人也将其视为视频)要采用VGA信号矩阵。
大小选择在一个工程中，应将音频信号和视频信号和VGA信号看成三种不同的媒体。音频信号一般情况下输入数量较多，如话筒和CD以及碟机的音频等，但考虑到功放和音响一般只有一套，最多在功放之前加一级调音台进行混音，有可能需要几路信号，因此音频矩阵的输出不会很大，比如可以32×8或64×8，但没必要选择32×32或64×64，除非是广电和视讯会议传输，每路视频一定会有音频同步传送。
在设计方案时，信号源的数量比较容易确定，看看有多少个信号源，矩阵的输入数量就定下来了，但要考虑好独立的输出通道个数，这是根据系统的操作模式而定，有时可能有几台显示设备之间仅有分配关系(彼此永远一致，不独立)那么就可考虑占用一个输出口再加分配器，如果这些设备有可能是独立的，那么还是各占一个独立的输出口好一些。
在很多情况下，输入和输出数量很大，如果采用大型矩阵，造价会较高(矩阵是越大越难作、成本也越高)可以考虑是否能够分组使用，例如在监控时，可以让显示墙中某些显示设备只显示某一区域的信号，而其它设备各自显示其它特定区域的信号，那么就可将大规模矩阵折分成小规模的矩阵(如将128×64折分成4台32×16)如果各区之间有可能需要互传信号，也可采用如下图中的结构： 
  这样可使矩阵2的输出中包含矩阵1的部分输入信号，效果虽没有全矩阵结构好，但成本会下降。
矩阵切换器做为传输系统的一部分，所出现的主要问题请见拙作“工程中常见的问题与解决”，原理是相同的，不外乎是几种产生的机理，只要能将现象分清，解决的方向应该没有大问题。比较特殊一点的是利用小规模矩阵组成大规模的问题，例：在用64×32组成128×32时，不能用二台64×32组成128×64，这还是分组使用的概念，而应用三台64×32组成128×32，如下图，这是全矩阵的概念，因此组合使用时应分清分组使用和全矩阵的区别(全矩阵是指每一输出口都可在所有输入中全选，而且彼此独立)。 
  
厂家的选择生产矩阵的厂家很多，标称指标各不相同，由于这类设备不是实验室的样机，而是工程应用产品，因此工程中的适用性问题和可靠性问题非常重要。工程现场情况各有不同，在产品的成熟过程中需要经过不断的工程检验，发现问题需要及时改进，因此产品的成熟过程比较长，常见到的情况是：在现场，利用某些品牌的产品，工程中会出现一些技术问题，而用其它品牌的产品后，问题便可解决，并非前一品牌产品有多大错误，只是它的适用性不及后一种品牌产品，通俗地讲，是学费没有交够，遇到的问题没有足够多，产品设计上有考虑不周之处，因此选择专业生产公司的产品，因为它的产品已经相对成熟一些了。
厂家的标称指标，尤其是VGA信号产品，矩阵设备是显示的核心设备，如果出问题会是全局性的问题，会使整个系统瘫痪，因此稳定性、可靠性是压倒一切的，情愿价格高一点，甚至是指标低一点，也要保证稳定、可靠。
技术支持方面，在工程现场中遇到的问题千奇百怪，厂家的技术支持能力是很重要的指标，有独立的研发能力，对问题产生的机理有正确认识，产品适用性强，稳定可靠，有较强现场解决能力的厂家合作，如：讯维。
VGA矩阵切换器特性
·实现自动增益技术 VGA 矩阵切换器带有断电现场保护功能；
·能够自动保存设备上次关机时的状态；
·部分允许对 HV 信号和 RGB 信号进行延迟切换；
·调整延迟时间；
·采用新型的 LED 面板显示和轻触式按键；
·状态显示直观合理，设备操作更加简便；
·LCD 屏显示输入输出的控制状态；
·具有断电现场保护功能；
·简捷的前面板操作，后面板上有一个能与控制系统联机使用的 RS-232C 通讯端口；
·安装快捷，操作简单。
主要技术参数
VGA通道
带宽:500MHz 亮度色度干扰 ：-50dB@10MHz 信号类型：数字VGA，数字TMDS 微分相位I/0S：<1.28度，3.58MHz 微分增益误差 ：0.1%, 3.58-4.43MHz 隔离度(串扰) ： <-85db(10MHz) 输入信号电平：1.2伏p－p ，5伏p－p（TTL） 非线性失真 ： <0.02%/0.02&ordm; (RL=150Ω) 支持分辨率：高清480i～1080p/640X480～1600X1200（60Hz） 输入输出接口：HD15PIN（VGA） 控制方式：RS-232、红外、键盘面板 控制协议：9600 波特， 8 位， 1 个停止位，无奇偶校验 输入电平: 0.7Vp-p 输入助抗: 75Ω 输出助抗: 75Ω同步通道
输入电平: TTL 输出电平: TTL 输入阻抗: 10KΩ 输出阻抗: 33Ω 同步极性: 跟随输入产品规格：
电源AC：110V - 240V , 50 / 60 Hz 功率： 50W 尺寸：482mm（长）x 280mm（宽） x 90mm（高） 重量：5.0kg 机架安装：19英寸标准 2U高度 平均故障间隔时间MTBF：42000 小时
VGA矩阵切换器的选择
1) 种类选择，广电和视讯会议应用，应选用广播级产品，监控应用可采用监控类产品，VGA信号(有些人也将其视为视频)要采用VGA矩阵切换器(知名厂家有讯维)。
2) 大小选择：在一个工程中，应将音频信号和视频信号和VGA信号看成三种不同的媒体。音频信号一般情况下输入数量较多，如话筒和CD以及碟机的音频等，但考虑到功放和音响一般只有一套，最多在功放之前加一级调音台进行混音，有可能需要几路信号，因此音频矩阵的输出不会很大，比如可以32×8或64×8，但没必要选择32×32或64×64，除非是广电和视讯会议传输，每路视频一定会有音频同步传送。
在设计方案时，信号源的数量比较容易确定，看看有多少个信号源，矩阵的输入数量就定下来了，但要考虑好独立的输出通道个数，这是根据系统的操作模式而定，有时可能有几台显示设备之间仅有分配关系(彼此永远一致，不独立)那么就可考虑占用一个输出口再加分配器，如果这些设备有可能是独立的，那么还是各占一个独立的输出口好一些。
在很多情况下，输入和输出数量很大，如果采用大型VGA矩阵切换器，造价会较高(矩阵是越大越难作、成本也越高)可以考虑是否能够分组使用，例如在监控时，可以让显示墙中某些显示设备只显示某一区域的信号，而其它设备各自显示其它特定区域的信号，那么就可将大规模矩阵折分成小规模的矩阵(如将128×64折分成4台32×16)如果各区之间有可能需要互传信号，也可采用如下图中的结构：
这样可使矩阵2的输出中包含矩阵1的部分输入信号，效果虽没有全矩阵结构好，但成本会下降。
VGA矩阵切换器做为传输系统的一部分，不外乎是几种产生的机理，只要能将现象分清，解决的方向应该没有大问题。比较特殊一点的是利用小规模矩阵组成大规模的问题，例：在用64×32组成128×32时，不能用二台64×32组成128×64，这还是分组使用的概念，而应用三台64×32组成128×32，这是全矩阵的概念，因此组合使用时应分清分组使用和全矩阵的区别(全矩阵是指每一输出口都可在所有输入中全选，而且彼此独立)。
VGA矩阵切换器功能单元设计
实现VGA矩阵切换器显示，除了实现时序控制，还必须有其他功能单元的支持才能实现完整的图像显示。 
1 控制器
VGA显示有多种模式，需要通过控制器实现模式间切换，还需要对显示的内容进行接收、处理和显示
。所以控制器的性能越高，数据更新和显示效果就越好。 
2 显示数据缓存区
VGA显示要求显存速度快、容量大。读速度要达到65MHz以上，存储容量至少要2MB。可采用高速SRAM
或SDRAM作为显示数据缓存。 
3 数模转换器DAC
VGA显示对数模转换DAC有如下要求：一是高速转换，转换的速度应该在80MHz或以上；二是同步性好
，能保证 R、G、B三路信号的同步性；三是有相应的精度。可选择一种包括3路8位高速D/A的专用视频芯
片。 
4 数据源及其接口
要提高VGA显示的效率，就要不断更新数据，同时还要保证实时性，因此需要非常高的接口速度。VGA
显示卡虽可达到100Mbps的数据更新速度，但是一般设备、特别是嵌入式设备达不到这么高的速度，而且
大多数情况下也不需要这么高的数据更新率。目前常用接口为EPP接口、USB接口、 TCP/IP、RS232C/
485等。其中TCP/IP、EPP接口和USB接口是基于计算机的，速度较快；TCP/IP、RS232C/485是基于网络
通信的接口，其中RS485速度虽慢，但应用广泛且容易实现远程控制。 
在数据源为低速接口时，可以考虑采用 Flash或者SM存储卡等预先存储一些常用的图像显示数据和字
库文件，在更新数据时直接应用这些数据，从而加快显示缓存的更新速度。这样既能满足高分辨率图像的
显示，又能满足文字信息数据的快速更新。刚时为了存储更多的图像，可以先存储JPEG格式图像，再由控
制器解码成BMP位图图像后送到显示缓存显示，这样就相对扩展了Flash的存储空间。同时，由于图像的解
码速度要大大快于数据源接口的速度，也就相应提高了显示缓存的数据更新速度。 
显存数据更新与显示的同步实现
在VGA显示时，要考虑如何实现显存数据更新与显示的同步进行。解决的方案有以下几种： 
(1) 采用具有缓存作用的双口RAM，这种方法使用的器件数量多、功耗大、成本高，基本不可取。 
(2) 采用两组SRAM进行乒乓工作模式，一组SRAM用于显示的同时，另一组SRAM用于图像数据的更新，
然后在两组SRAM之间切换。这样做会提高一些成本，而且需要更复杂的总线控制。 
(3) 利用FPAG/CPLD和SDRAM构造双口SRAM。这种方法实时性好，成本较低，时序控制比较复杂，它
是 实现高性能低成本要求的最佳方案。 
(4) 采用一组SRAM作为显存，可以简化系统设计、降低成本。这时可以考虑利用行时序和帧时序中
SRAM总线空闲的时序段，在不关闭图像显示的情况下实现显存SRAM的数据更新。该方法的更新率与数据写
速度密切相关，显存的写数据速度越快，该方法的更新率就越高。 
假设CPU的工作时钟最大为60MHz，并采用JPEG解码更新方式。这时如果将解码缓存区分配在CPU片内
内存，则更新数据时直接由内存向 SRAM写数据，一次需要0.17μs；如果将解码缓存区分配在片外空间，
则更新数据时CPU要先从片外读数据，再向SRAM写数据，这样写一次需要 0.25μs。在相邻显示的两帧图
像只存在局部差别或更新文本显示信息时，可使用局部数据更新方法，以提高更新率。表2给出了显示每
帧图像包含的总线空闲时间，以及在不同解码缓存区分配方式下图像全部更新和10%局部更新的帧率。这
里提到的帧率是指对显存数据的更新速度，而不是指图像的屏幕刷新率，它对刷新率没有影响。 
嵌入式VGA显示系统
基于以上方案设计的嵌入式VGA显示系统在只有系统控制板和CRT显示器的情况下实现了嵌入式高分辨
率VGA显示。 
通过对嵌入式VGA显示系统的设计分析和实际使用，得到如下结论： 
(1) 由于VGA显示是一个高速过程，所以选择器件时要选择高速器件。 
(2) VGA显示时序要求较严格，时序中的前后沿及同步脉冲宽度都要依照严格的参考数据设置。 
(3) 在一般情况下，由于数据接口的限制，数据更新率不能达到计算机的水平。通过一些特殊设计，
还是能够满足大多数嵌入式VGA的需求。 
(4) 性能、成本和复杂度要综合考虑，要以系统的实际需求为目标，采用合理而实用的设计方案。