利用模擬開關(guān)切換視頻

然數(shù)字視頻漸呈流行之勢，但模擬視頻仍在眾多的應(yīng)用中使用。本文討論了標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻格式以及在模擬視頻源之間進(jìn)行切換的方法。

引言

RS-170在過去曾是黑白圖像的標(biāo)準(zhǔn)，視頻被分為多個(gè)幀，而標(biāo)準(zhǔn)的幀速率是每秒30 (美國)或25 (歐洲)幀。 廣播電視又將每個(gè)幀分成兩個(gè)隔行掃描場。就北美電視而言，每幀1/30秒且采用隔行掃描，則顯示圖像可達(dá)到每秒15750線的行掃描速率。按照慣例，黑電平為極性最負(fù)的圖像信號(hào)，同步頭頭電平在黑電平之下。信號(hào)各部分的直流電平如圖1所示。


圖1. 黑白圖像信號(hào)的直流電平

視頻有效部分的白電平至黑電平之間為100個(gè)IRE單位，因此白電平至同步頭為140個(gè)IRE單位。如果信號(hào)被衰減，則黑白電平的比值以及白電平與同步頭的比值將保持不變；不論信號(hào)是否被衰減或放大，白色電平與同步頭信號(hào)的比值總是140個(gè)IRE單位。

現(xiàn)今的復(fù)合視頻基帶信號(hào)(CVBS)是RS-170的衍生，其白電平至同步頭已被設(shè)置為1.0V (白電平+0.714，空白0V，同步頭-0.286)。 它可以被看作衰減了71%的RS-170信號(hào)，因?yàn)樗械腎RE值均保持不變。國家電視系統(tǒng)委員會(huì)(NTSC)制式修改了部分行幅和場幅，并非常巧妙的將已降低帶寬的色度信息添加到實(shí)質(zhì)上相同的基帶信號(hào)中。由于黑白視頻信號(hào)已經(jīng)在過去用于廣播，(為了和早期的設(shè)備兼容)，黑白信號(hào)仍然是任何彩色電視信號(hào)制式的一個(gè)組成部分。該信息亦稱之為Y，或亮度信息。Y由全部的RGB信號(hào)合成1。

NTSC以及后來的PAL和SECAM均采用了類似的方法。由于Y信號(hào)已被用于廣播，所以我們需要R-Y和B-Y信號(hào)來產(chǎn)生RGB信號(hào)。只需借助如下的簡單代數(shù)操作，即可將RGB從分量信號(hào)中提取出來：

Y = R + G + B, R = Y + (R - Y), G = Y + (G -Y), G = Y - R - B

這些操作可以通過一些簡單電路的和差運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。對于NTSC和PAL，R-Y (U)和B-Y (V)信息經(jīng)過調(diào)制，從而可以輕松的從基帶信號(hào)中恢復(fù)出來。例如，當(dāng)觀察DVD播放機(jī)輸出的彩色NTSC基帶信號(hào)時(shí)，該信號(hào)看起來非常像RS-170信號(hào)。但是，我們可以看到，在同步頭后沿帶有許多類似“循環(huán)振鈴”的色同步信號(hào)，頻率大約為3.58MHz/4.43MHz。 PAL信號(hào)看起來也非常相似，只是H和V同步和色同步信號(hào)頻率有些許的不同。白電平至同步頭的標(biāo)稱值是1.0V。

通常，視頻電纜的額定阻抗是75Ω。RG-59/RG-6是用于連接視頻設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)電纜，通常配有RCA復(fù)合視頻接頭。在歐洲，CVBS均使用SCART接頭，該接頭整合了CVBS和音頻信號(hào)。

切換CVBS

所有制式的CVBS信號(hào)帶寬均低于6.5MHz。由于輸入阻抗低且?guī)捰邢蓿F(xiàn)今的大部分模擬CMOS開關(guān)均可輕松勝任此任務(wù)。該信號(hào)包含負(fù)電平部分，設(shè)計(jì)師可以使用電容耦合，然后將信號(hào)箝位在黑電平。如果不夠謹(jǐn)慎，則同步頭可能會(huì)和色同步信號(hào)一同丟失。通常1.0V信號(hào)的變化范圍在±6dB左右，因此該信號(hào)可高達(dá)2.0V_P-P，此時(shí)同步頭電壓約為-600mV。設(shè)計(jì)師可以選擇一個(gè)±5.0V電源的放大器對開關(guān)進(jìn)行偏置，以防止出現(xiàn)問題。如果該信號(hào)會(huì)被再次傳送到另一個(gè)CVBS輸入端，則設(shè)計(jì)師必須使用雙極性電源供電的方式2。如果信號(hào)停留在同一塊電路板上，并用于內(nèi)部顯示，則可以考慮更廉價(jià)的偏置方案。

應(yīng)用1：帶有緩沖輸出的CVBS

假設(shè)可提供+5和-5V電源，則幾乎總是需要視頻運(yùn)算放大器進(jìn)行緩沖。CVBS信號(hào)被施加至放大器同相輸入端上。運(yùn)算放大器通常設(shè)置為+6dB的增益，以使信號(hào)按2:1進(jìn)行放大。然后串入一個(gè)75Ω的電阻，以使阻抗匹配。在大部分情況下，輸出均是通過一個(gè)電容進(jìn)行AC耦合的。當(dāng)輸出端采用合理的低阻抗終端電阻時(shí)，CMOS模擬開關(guān)的性能最佳。任何與開關(guān)并聯(lián)的電容均由輸入電阻旁路至地。由于CVBS信號(hào)必須使用75Ω終端電阻，故可以按照稍高于75Ω的阻抗對電路進(jìn)行端接。如果使用一個(gè)300Ω的電阻作為同相運(yùn)算放大器的接地端，則使用一個(gè)95Ω的電阻可以使輸入阻抗理想的匹配至75Ω。如果模擬開關(guān)的R_ON值為35Ω，則大約會(huì)有1.0dB的輕微損耗。該損耗可通過稍微調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器的增益來補(bǔ)償。如果開關(guān)的R_ON值較高或較低，則可對增益進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。由于視頻運(yùn)算放大器的輸出幾乎為零阻抗，其輸出亦可同時(shí)驅(qū)動(dòng)其它電路。不宜取消該電阻或使用非常高的阻值，此舉會(huì)使視頻失去終端匹配，從而產(chǎn)生輻射。使用95Ω電阻則不會(huì)產(chǎn)生任何不良影響，電路可以實(shí)現(xiàn)良好端接。圖2的開關(guān)是一個(gè)帶視頻緩沖器的2:1視頻開關(guān)的完整電路。該設(shè)計(jì)采用了±V雙極性電源設(shè)計(jì)。


圖2. 簡單的2:1 CVBS視頻開關(guān)

更高性能的模擬視頻

CVBS在某些應(yīng)用場合表現(xiàn)良好，但DVD及其他設(shè)備可提供的、具有較高帶寬的錄像引發(fā)了對更高帶寬連接的需求。

S端子，主要出現(xiàn)在一些Hi-8攝像放映機(jī)和DVD機(jī)上，通過傳送兩種(亮度和色度)信號(hào)來產(chǎn)生更高帶寬的圖像。每種信號(hào)均通過專門的DIN接頭傳送。亮度信號(hào)是復(fù)合信號(hào)的寬帶版本，但不含有色彩信息。則色度信號(hào)則是編碼后的R-Y和B-Y信號(hào)。由于現(xiàn)在亮度信號(hào)的帶寬更高，并且不需要使用專門的濾波器來分離兩種信號(hào)，故可以傳送更佳的視頻信號(hào)。亮度和色度信號(hào)均可使用標(biāo)準(zhǔn)的視頻技術(shù)進(jìn)行傳送，亮度信號(hào)的帶寬可提高至10MHz左右。圖2中的電路類型可用于雙通道的S端子視頻切換(兩套開關(guān)和緩沖器)。

分量端子是最新的消費(fèi)類視頻接口。和VGA信號(hào)不同的是，分量視頻由Y信號(hào)和兩個(gè)色差信號(hào)組成(而不是RGB信號(hào))。分量視頻信號(hào)比RGB信號(hào)的存儲(chǔ)效率更高，是從DVD格式中獲得的原始信號(hào)。Y信號(hào)為全帶寬，并包含同步信息。模擬信號(hào)Y Pr Pb需要從信號(hào)源傳送至監(jiān)視器。以下應(yīng)用即為使用新型開關(guān)MAX4887、帶有兩個(gè)輸入端和一路緩沖輸出端的監(jiān)視器。

應(yīng)用2：帶緩沖輸出的高帶寬分量視頻

分量視頻由三路模擬信號(hào)組成：Y、Pr和Pb，其中Y信號(hào)為全帶寬。在該應(yīng)用中所選用的新型三路視頻開關(guān)MAX4887具備極寬的帶寬和極低的插入損耗。類似于前一個(gè)應(yīng)用，這里使用5V單電源以及緩沖輸出，但開關(guān)和視頻運(yùn)算放大器之間采用電容耦合。MAX4887不僅帶寬超過設(shè)計(jì)要求，而且在等效負(fù)載為250Ω時(shí)，開關(guān)損耗幾乎為零。為了通過低頻同步信號(hào)，必須使用一個(gè)100μf的電容，再并聯(lián)一個(gè)0.01μf陶瓷電容以改善高頻率響應(yīng)。圖3的電路只顯示了一個(gè)通道。MAX4887帶有三路高頻開關(guān)，故可利用另外兩路開關(guān)完成其他兩路輸入/輸出電路，以組成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)方案。使用MAX4887時(shí)亦可不帶緩沖。


圖3. 高帶寬分量視頻設(shè)計(jì)方案(僅列出一個(gè)通道)

MAX4887的串聯(lián)R_ON僅為5Ω。輸入端的1kΩ電阻可確保輸入不會(huì)懸空，并提供少許回波損耗匹配。開關(guān)和匹配電阻的總損耗為0.6dB。如此微小的損耗通常無需考慮。和上圖的情況一樣，圖4只顯示了一路開關(guān)。無論是分量視頻或RGB視頻均使用三路相同的電路，它們均包含在MAX4887中。


圖4. 使用MAX4887的VGA RGB視頻設(shè)計(jì)方案

圖4的電路適用于VGA RGB視頻。如果視頻信號(hào)具有明顯的負(fù)極性峰值，則不宜選用MAX4887，除非輸入ESD保護(hù)電路能防止信號(hào)傳導(dǎo)。否則負(fù)極性信號(hào)低于-0.3V時(shí)必將出現(xiàn)這種情況。如果可提供負(fù)電源，則可以在+3.3V至-1.5V之間對開關(guān)進(jìn)行操作。由于開關(guān)幾乎不需要任何電流，其負(fù)電源軌(通常為GND)可偏置為-1.5V，此時(shí)開關(guān)仍可以正常工作(選擇引腳除外)。將一個(gè)PNP晶體管反相器的發(fā)射極連接至+3.3V、集電極用電阻連接至-1.5V即可解決控制電平問題。

總結(jié)

由于視頻信號(hào)的多樣性，帶來了處理多種不同視頻源的需求。由于視頻信號(hào)的這種特點(diǎn)，采用雙極性電源或電容耦合的設(shè)計(jì)都有必要。Maxim提供了大量的模擬開關(guān)和視頻運(yùn)算放大器來簡單經(jīng)濟(jì)地配合這兩種解決方案。

注：
1嚴(yán)格來說，RGB應(yīng)有比例因數(shù)(也就是說，白色 = (.30 x R) + (.59 x G + (.11 x B))
2在大多數(shù)情況下，CVBS信號(hào)被接收后即進(jìn)行緩沖輸出(如，TV或VCR上的視頻輸入/視頻輸出)。