类比视讯讯号切换功能是许多系统的核心，同时也在保全视讯、随选视讯以及其它捕捉或分送多个类比视讯讯号的设备中扮演了相当重要的角色，要设计用来切换这些讯号的电路可以说是一项具有挑战性的工作，原因是设计者必须要考虑到阻抗匹配、回返耗损、偏移效应、嵌位位准、差动增益与相位误差、突波能量以及其它重要的相关问题。

在以上这些考虑范围中任何一项错误的决定都可能影响视讯的品质，在设计能够切换数百甚至数千个视讯讯号的超大型系统时，还必须考虑到串音干扰（crosstalk）、讯号劣化、插入耗损、电磁干扰（EMI）、实际尺寸以及所带来的热度效应等，传统采用被动式开关与晶片运算放大器的设计方式对具有相当经验的类比视讯工程师而言事实上更为困难。幸运的是，目前高度整合的视讯交叉点（crosspoint）晶片已经能够帮助工程师以更少的努力更快地设计出更加可靠的系统，由于系统中绝大部份的复杂线路都透过晶片来处理，因此设计工程师将能够开发出带来更高效能与更大收益的更小型系统。

新款整合型视讯交叉点元件

新一代的整合型交叉点晶片将改变业界的标准，新系列中拥有完全缓冲（fully buffered）32×16交叉点阵列的产品可以提供比目前最大阵列产品大上两倍的规模，作为第一个达到这样高整合度的元件，新晶片在一个144- pin TQFP包装内整合了一个32×16的阵列与其它相当有用的功能，仅讯号切换部份就相当于512个类比开关，切换阵列为100％全透通式（non-blocking），也就是说任何输入都可以连结到任意输出，而且也可以同时将任一输入连结到多个甚至是全部的输出。

完全缓冲

新晶片以及它所具备的缓冲输入与输出功能与被动式切换阵列比较是一个相当重大的改进，输入缓冲放大器提供可以搭配简单电阻─二极体输入嵌位电路的高阻抗输入，每个输出都可推动搭配75Ω输出入阻抗匹配（back-match）电阻的75Ω视讯电缆（共150Ω），额定的差动增益与相位误差为0.1％。

这些元件适合中大型容量的保全视讯系统，这类系统通常拥有数百到数千个摄影镜头输入以及数千个输出，其它合适的应用还包括近似随选视讯（near-video-on-demand）系统以及付费点播（pay-per-view）电影服务，这类典型设备都拥有数百到数千个目地点以及数十到数百个输入讯号源，目标则是要能够自动地将所选到的影片讯号来源传送到要求者的手中。

架构大型的视讯切换系统

使用MAX4358可以建立大型的切换阵列，而实现一个切换阵列所需的晶片数则依输入频道、输出频道的数量以及阵列是否为全透通式或需要切换限制而定，其它主要的考虑因素为整合架构方块的体积，采用32×16元件来取代16×16元件，可以以一半数目的晶片就能实现大型的阵列。

实现全透通式阵列最直接的方式是将这些架构方块以格状（grid）方式安排，将连结到每个垂直排列区元件的输入平行安排，而每个垂直排列架构方块的输出则以wired -OR的方式连结，如(图一)所示。

《图一 显示采用32×16交叉点组件架构的128个输入、32个输出的全透通数组》

能够使用wired-OR方式连结的主要原因是晶片的输出缓冲器可以设定为能够维持低输出电容与最大阻抗相对频率的关闭或高阻抗输出状态，这些特性可以协助将关闭状态输出的负载效应降到最低，将晶片以这样的方式连结可以让任何输入连结到任一输出，同时也可以透过拓展这样的连结技术来架构更大的阵列。

推动电容性负载

从以上的例子中可以看出需要将许多输出连结在一起，因此也让每个输出缓冲器不仅需要面对负载阻抗，同时也需处理所有其它连结到该端点的关闭后阻抗，此阻抗具有电阻性与电容性成份，其中电阻性成份会降低推动输出的整体有效负载，但由于输出缓冲器可以轻易地处理这些增加的负载，因此对效能的影响相当低。

wired-OR连线方式所带来的最大潜在影响为电容性，由所有的关闭输出被加在一起，因此所带来的电容值就由阵列的大小所决定，较大的阵列拥有较长的电路板绕线，因此会带来更多的电容性，而这些元件的输出缓冲器部份在设计时是以维持较佳的交流响应（维持0.1dB平坦增益至20MHz），同时能够推动超过30pF负载为考量，如果大型阵列中有够多的输出连结在一起的话，由输出端所看到的电容值在某些情况下可能会超过这个数值，但是在面临效能损失过大时，还是有几种方法可以改善此情况。

首先，可以透过加入更多的交叉点元件来降低输出连结的数量，如(图三)所示。

这些位于第二区中的额外元件会对信号进行多工处理，因此可以降低连线的数目，另一解决方案则是透过在输出连接到在电容性负载之前串连一个5Ω到30Ω的小型电阻来隔离负载，这个加入的电阻可以让输出推动几乎无限的电容值，但其带来的影响，也为一缺点，则是会和与地电位间的寄生电容形成一个低通滤波器，虽然单一的RC滤波电路并不会对视讯频率响应造成影响，但大型系统可能包含一系列以串列形式连接的RC线路。

因此整体的效应可能会造成在频率较高时增益响应些微的下滑，造成影像的些微模糊（softening），虽然此效应在典型的保全视讯应用中或许可以接受，但在更高效能的应用上还是需要几种解决的办法，其中之一是将电路板上的绕线与输出搭配设计来形成部份电感，透过将电路板上绕线以S型的方式安排在绕线间形成可以提升整体电感值的交互电感，串列电感会让放大响应在较高频率时提升，因此可以补偿寄生电容所带来的下滑问题。另一种方式则是透过加入小型电感来达成相同的效果，不过最佳的安排通常是结合以上两种方法。

《图二 128×16全透通数组拥有较低的电容性负载》

串音干扰与电路板绕线

大型视讯阵列中不适当的讯号绕线会引起许多效能问题，其中最为困扰的是串音干扰的消除。和大部份的晶片一样，这些阵列元件拥有相当好的串音干扰处理效能，对此一系列的所有晶片来说，串音干扰的排拒能力最小为65dB，额定值通常大于70dB，不良的电路板布局可能会造成这个效能20dB或更多的损失，因此必须相当注意电路板的布局设计。要达到最佳的串音干扰处理效能必须遵守以下的考量：

除了串音干扰外另一个关键的问题为隔离效果，在此定义为输出关闭时由输入穿透到输出的讯号量，晶片接脚在设计时已经针对最佳隔离做最佳安排，将输入与输出分别排列在两端，因此隔离效果在6MHz下可以大于80dB，对使用者来说只需考虑外部的情况，也就是透过电路板绕线以及共用电源连线的耦合效应。透过电源的耦合由旁路电容的品质与位置安排决定，只要使用适当的低阻抗元件，并尽可能地接近晶片就可达到良好的效果，同时避免输入绕线接近输出，应该就可以确保良好的隔离。

大型系统中的功率消耗

在大部份中大型保全视讯架构中一个重大的考量是切换阵列因功率耗损所产生的热，许多这类系统都在非理想的状况下运作，例如安装在小型或者是储存柜的空间内，在小空间中产生的大量热能可能会造成对服务人员不舒适的环境温度，因此，为了这个原因并节省耗电，Maxim的交叉点元件，在最低工作电压运作时，可以小于三分之一，和其它在(5V下运作的竞争产品不同，其交叉点元件可以在(5V到(3V，或者是单一5V电源下运作。

用相同元件推动电缆或电路板互连

为了能够处理不同的负载推动情况，Maxim交叉点元件的输出缓冲功能可以透过简单的串列介面控制选择1V/V或2V/V的增益，其中1V/V主要用来推动电路板上＞3cm的短距离高阻抗绕线，在推动电缆或75Ω传输线路径时，则应当将输出缓冲器增益设成2V/V并在输出上串联一个75Ω电阻，此为视讯系统中最常见的输出组态。当增益设定为2V/V时，串列电阻与75Ω负载阻抗就形成一个能够将信号半分的电压分割线路，因此在电缆线上达成标准1V视讯讯号的传输，其中串列的75Ω电阻（或称为输出入阻抗匹配、反向终端或串列终端）会​​形成一称为反射讯号（reflection）的可能反向讯号75Ω匹配阻抗，这个匹配阻抗将能够消除或大幅降低反射讯号。

《图三 在现有的OSD显示设计中，OSD组件与切换数组的输出串联》

幕前显示（OSD）信号插入

在视讯切换系统中，在每一个频道上插入关于视讯讯号来源的部份资讯以便最后可以由显示器看出基本上是相当有用甚至是必要的，此功能称为幕前显示或OSD，通常会包含例如摄影机所在位置以及时间、日期等资讯，Maxim新交叉点产品中有二个元件，包含插入这些幕前图形与字元显示所需的线路，这项能力可以透过16个输出中都具备的快速2：1类比多工器来达成，如(图四)所示。

《图四 描述MAX4358 32×16视讯交叉点数组的内部功能》

这些多工器通常以30ns的速度切换，远低于信号像素的频宽，可以透过称为OSD Fill的专用类比输入以及称为OSD Key的16个专用控制线来控制这些快速开关。

这些代表插入图像或字元的类比视讯讯号被加到需要加入OSD显示输出的相对OSD Fill输入上，接着再提供给OSD Key输入适当的时序信号。在OSD Key接脚上的逻辑低位准信号会将OSD Fill输入上的讯号连接到输出端，而逻辑高位准信号则将正常的视讯讯号送到输出，此切换动作会在每个扫瞄线上的每个像素重覆，因此可以在萤幕插入任何的图形或同步视讯讯号，这项插入OSD显示资讯的技术与传统的作法有着相当大的不同，如(图五)所示。

《图五 实现OSD功能的新改善作法──将OSD组件安排在切换数组之前》

透过此方式，OSD资讯可以在切换阵列前插入，因此可以得到节省OSD元件之后输出缓冲器复杂设计与成本的新架构，先前需要缓冲器的主要原因是OSD元件无法直接推动电缆线。这项新作法因为交叉点元件可以直接推动电缆，因此不再需要输出缓冲器。目前的系统上视讯讯号必须先通过OSD元件然后再经过输出缓冲器，但由于现有的OSD元件的视讯讯号穿透效能不佳，因此这些新晶片产品所带来的第二个好处就是可以改善信号的品质。

独特的控制介面

Maxim交叉点元件可以透过标准的串列SPI介面以二种不同的方式与主控端处理器沟通。第一种方式是以独立位址模式与主机沟通，在这个模式下，位址由四个外部接脚决定，主机藉由送出包含4个晶片位址位元、11个资料位元以及1个用来让指令成为两个位元组的填充位元形成16-bit指令，其中11-bit的资料包含选择输出的4个位元、5个选择连结到该输出的输入位元、1个设定输出缓冲器增益的位元以及1个控制输出是否为关闭模式的位元，此方法可以一次控制一个阵列输出直到阵列系统中每个交叉点元件的所有16个输出都设定完成。

第二种方式则利用这个介面的另一个模式以序列方式同时定址多个交叉点元件，其中每个资料输出埠都连接到下一个元件的资料输入连接埠，此时多个元件可以由一个较长的控制指令来设定，在这个长控制指令中，第1个位元为串列链上最远端元件的LSB，最后位元则为最近元件的MSB，此方式称为菊键连接（daisy chaining），长资料指令的长​​度则为112 bits乘上所串联的交叉点元件数。

此种控制方式最常使用在切换阵列的起始控制上，初始化控制码可以由系统记忆体中读出并以连续指令的方式送到介面上，简化初始化的程式，也可以在处理器必须在系统初始化过程中处理多项工作时降低设备启动过程中处理器的负担。

此两种工作模式可以透过控制一个输入接脚电位的高低来加以选择，由于两种模式能够在相同的实体电路板上运作，因此可以在系统启动的过程中使用菊键法送出一个较长的资料指令来控制设定，然后再针对阵列中单独的位置进行立即的定址与更新，达成在不需要改变电路板布局的情况下、不浪费额外接脚的情况下实现两种不同的串列定址方式。

结语

此新系列的交叉点元件可以简化视讯阵列切换系统的设计，同时提供更高的效能与更多的功能，得到比现有系统更小的体积，同时也更加省电。 （作者任职于Maxim）