類比視訊訊號切換功能是許多系統的核心，同時也在保全視訊、隨選視訊以及其它捕捉或分送多個類比視訊訊號的設備中扮演了相當重要的角色，要設計用來切換這些訊號的電路可以說是一項具有挑戰性的工作，原因是設計者必須要考慮到阻抗匹配、回返耗損、偏移效應、嵌位位準、差動增益與相位誤差、突波能量以及其它重要的相關問題。

在以上這些考慮範圍中任何一項錯誤的決定都可能影響視訊的品質，在設計能夠切換數百甚至數千個視訊訊號的超大型系統時，還必須考慮到串音干擾（crosstalk）、訊號劣化、插入耗損、電磁干擾（EMI）、實際尺寸以及所帶來的熱度效應等，傳統採用被動式開關與晶片運算放大器的設計方式對具有相當經驗的類比視訊工程師而言事實上更為困難。幸運的是，目前高度整合的視訊交叉點（crosspoint）晶片已經能夠幫助工程師以更少的努力更快地設計出更加可靠的系統，由於系統中絕大部份的複雜線路都透過晶片來處理，因此設計工程師將能夠開發出帶來更高效能與更大收益的更小型系統。

新款整合型視訊交叉點元件

新一代的整合型交叉點晶片將改變業界的標準，新系列中擁有完全緩衝（fully buffered）32×16交叉點陣列的產品可以提供比目前最大陣列產品大上兩倍的規模，作為第一個達到這樣高整合度的元件，新晶片在一個144-pin TQFP包裝內整合了一個32×16的陣列與其它相當有用的功能，僅訊號切換部份就相當於512個類比開關，切換陣列為100％全透通式（non-blocking），也就是說任何輸入都可以連結到任意輸出，而且也可以同時將任一輸入連結到多個甚至是全部的輸出。

完全緩衝

新晶片以及它所具備的緩衝輸入與輸出功能與被動式切換陣列比較是一個相當重大的改進，輸入緩衝放大器提供可以搭配簡單電阻─二極體輸入嵌位電路的高阻抗輸入，每個輸出都可推動搭配75Ω輸出入阻抗匹配（back-match）電阻的75Ω視訊電纜（共150Ω），額定的差動增益與相位誤差為0.1％。

這些元件適合中大型容量的保全視訊系統，這類系統通常擁有數百到數千個攝影鏡頭輸入以及數千個輸出，其它合適的應用還包括近似隨選視訊（near-video-on-demand）系統以及付費點播（pay-per-view）電影服務，這類典型設備都擁有數百到數千個目地點以及數十到數百個輸入訊號源，目標則是要能夠自動地將所選到的影片訊號來源傳送到要求者的手中。

架構大型的視訊切換系統

使用MAX4358可以建立大型的切換陣列，而實現一個切換陣列所需的晶片數則依輸入頻道、輸出頻道的數量以及陣列是否為全透通式或需要切換限制而定，其它主要的考慮因素為整合架構方塊的體積，採用32×16元件來取代16×16元件，可以以一半數目的晶片就能實現大型的陣列。

實現全透通式陣列最直接的方式是將這些架構方塊以格狀（grid）方式安排，將連結到每個垂直排列區元件的輸入平行安排，而每個垂直排列架構方塊的輸出則以wired-OR的方式連結，如(圖一)所示。

《圖一　顯示採用32×16交叉點元件架構的128個輸入、32個輸出的全透通陣列》

能夠使用wired-OR方式連結的主要原因是晶片的輸出緩衝器可以設定為能夠維持低輸出電容與最大阻抗相對頻率的關閉或高阻抗輸出狀態，這些特性可以協助將關閉狀態輸出的負載效應降到最低，將晶片以這樣的方式連結可以讓任何輸入連結到任一輸出，同時也可以透過拓展這樣的連結技術來架構更大的陣列。

推動電容性負載

從以上的例子中可以看出需要將許多輸出連結在一起，因此也讓每個輸出緩衝器不僅需要面對負載阻抗，同時也需處理所有其它連結到該端點的關閉後阻抗，此阻抗具有電阻性與電容性成份，其中電阻性成份會降低推動輸出的整體有效負載，但由於輸出緩衝器可以輕易地處理這些增加的負載，因此對效能的影響相當低。

wired-OR連線方式所帶來的最大潛在影響為電容性，由所有的關閉輸出被加在一起，因此所帶來的電容值就由陣列的大小所決定，較大的陣列擁有較長的電路板繞線，因此會帶來更多的電容性，而這些元件的輸出緩衝器部份在設計時是以維持較佳的交流響應（維持0.1dB平坦增益至20MHz），同時能夠推動超過30pF負載為考量，如果大型陣列中有夠多的輸出連結在一起的話，由輸出端所看到的電容值在某些情況下可能會超過這個數值，但是在面臨效能損失過大時，還是有幾種方法可以改善此情況。

首先，可以透過加入更多的交叉點元件來降低輸出連結的數量，如(圖三)所示。

這些位於第二區中的額外元件會對信號進行多工處理，因此可以降低連線的數目，另一解決方案則是透過在輸出連接到在電容性負載之前串連一個5Ω到30Ω的小型電阻來隔離負載，這個加入的電阻可以讓輸出推動幾乎無限的電容值，但其帶來的影響，也為一缺點，則是會和與地電位間的寄生電容形成一個低通濾波器，雖然單一的RC濾波電路並不會對視訊頻率響應造成影響，但大型系統可能包含一系列以串列形式連接的RC線路。

因此整體的效應可能會造成在頻率較高時增益響應些微的下滑，造成影像的些微模糊（softening），雖然此效應在典型的保全視訊應用中或許可以接受，但在更高效能的應用上還是需要幾種解決的辦法，其中之一是將電路板上的繞線與輸出搭配設計來形成部份電感，透過將電路板上繞線以S型的方式安排在繞線間形成可以提升整體電感值的交互電感，串列電感會讓放大響應在較高頻率時提升，因此可以補償寄生電容所帶來的下滑問題。另一種方式則是透過加入小型電感來達成相同的效果，不過最佳的安排通常是結合以上兩種方法。

《圖二　128×16全透通陣列擁有較低的電容性負載》

串音干擾與電路板繞線

大型視訊陣列中不適當的訊號繞線會引起許多效能問題，其中最為困擾的是串音干擾的消除。和大部份的晶片一樣，這些陣列元件擁有相當好的串音干擾處理效能，對此一系列的所有晶片來說，串音干擾的排拒能力最小為65dB，額定值通常大於70dB，不良的電路板佈局可能會造成這個效能20dB或更多的損失，因此必須相當注意電路板的佈局設計。要達到最佳的串音干擾處理效能必須遵守以下的考量：

除了串音干擾外另一個關鍵的問題為隔離效果，在此定義為輸出關閉時由輸入穿透到輸出的訊號量，晶片接腳在設計時已經針對最佳隔離做最佳安排，將輸入與輸出分別排列在兩端，因此隔離效果在6MHz下可以大於80dB，對使用者來說只需考慮外部的情況，也就是透過電路板繞線以及共用電源連線的耦合效應。透過電源的耦合由旁路電容的品質與位置安排決定，只要使用適當的低阻抗元件，並盡可能地接近晶片就可達到良好的效果，同時避免輸入繞線接近輸出，應該就可以確保良好的隔離。

大型系統中的功率消耗

在大部份中大型保全視訊架構中一個重大的考量是切換陣列因功率耗損所產生的熱，許多這類系統都在非理想的狀況下運作，例如安裝在小型或者是儲存櫃的空間內，在小空間中產生的大量熱能可能會造成對服務人員不舒適的環境溫度，因此，為了這個原因並節省耗電，Maxim的交叉點元件，在最低工作電壓運作時，可以小於三分之一，和其它在(5V下運作的競爭產品不同，其交叉點元件可以在(5V到(3V，或者是單一5V電源下運作。

用相同元件推動電纜或電路板互連

為了能夠處理不同的負載推動情況，Maxim交叉點元件的輸出緩衝功能可以透過簡單的串列介面控制選擇1V/V或2V/V的增益，其中1V/V主要用來推動電路板上＞3cm的短距離高阻抗繞線，在推動電纜或75Ω傳輸線路徑時，則應當將輸出緩衝器增益設成2V/V並在輸出上串聯一個75Ω電阻，此為視訊系統中最常見的輸出組態。當增益設定為2V/V時，串列電阻與75Ω負載阻抗就形成一個能夠將信號半分的電壓分割線路，因此在電纜線上達成標準1V視訊訊號的傳輸，其中串列的75Ω電阻（或稱為輸出入阻抗匹配、反向終端或串列終端）會形成一稱為反射訊號（reflection）的可能反向訊號75Ω匹配阻抗，這個匹配阻抗將能夠消除或大幅降低反射訊號。

《圖三　在現有的OSD顯示設計中，OSD元件與切換陣列的輸出串聯》

幕前顯示（OSD）信號插入

在視訊切換系統中，在每一個頻道上插入關於視訊訊號來源的部份資訊以便最後可以由顯示器看出基本上是相當有用甚至是必要的，此功能稱為幕前顯示或OSD，通常會包含例如攝影機所在位置以及時間、日期等資訊，Maxim新交叉點產品中有二個元件，包含插入這些幕前圖形與字元顯示所需的線路，這項能力可以透過16個輸出中都具備的快速2：1類比多工器來達成，如(圖四)所示。

《圖四　描述MAX4358 32×16視訊交叉點陣列的內部功能》

這些多工器通常以30ns的速度切換，遠低於信號像素的頻寬，可以透過稱為OSD Fill的專用類比輸入以及稱為OSD Key的16個專用控制線來控制這些快速開關。

這些代表插入圖像或字元的類比視訊訊號被加到需要加入OSD顯示輸出的相對OSD Fill輸入上，接著再提供給OSD Key輸入適當的時序信號。在OSD Key接腳上的邏輯低位準信號會將OSD Fill輸入上的訊號連接到輸出端，而邏輯高位準信號則將正常的視訊訊號送到輸出，此切換動作會在每個掃瞄線上的每個像素重覆，因此可以在螢幕插入任何的圖形或同步視訊訊號，這項插入OSD顯示資訊的技術與傳統的作法有著相當大的不同，如(圖五)所示。

《圖五　實現OSD功能的新改善作法──將OSD元件安排在切換陣列之前》

透過此方式，OSD資訊可以在切換陣列前插入，因此可以得到節省OSD元件之後輸出緩衝器複雜設計與成本的新架構，先前需要緩衝器的主要原因是OSD元件無法直接推動電纜線。這項新作法因為交叉點元件可以直接推動電纜，因此不再需要輸出緩衝器。目前的系統上視訊訊號必須先通過OSD元件然後再經過輸出緩衝器，但由於現有的OSD元件的視訊訊號穿透效能不佳，因此這些新晶片產品所帶來的第二個好處就是可以改善信號的品質。

獨特的控制介面

Maxim交叉點元件可以透過標準的串列SPI介面以二種不同的方式與主控端處理器溝通。第一種方式是以獨立位址模式與主機溝通，在這個模式下，位址由四個外部接腳決定，主機藉由送出包含4個晶片位址位元、11個資料位元以及1個用來讓指令成為兩個位元組的填充位元形成16-bit指令，其中11-bit的資料包含選擇輸出的4個位元、5個選擇連結到該輸出的輸入位元、1個設定輸出緩衝器增益的位元以及1個控制輸出是否為關閉模式的位元，此方法可以一次控制一個陣列輸出直到陣列系統中每個交叉點元件的所有16個輸出都設定完成。

第二種方式則利用這個介面的另一個模式以序列方式同時定址多個交叉點元件，其中每個資料輸出埠都連接到下一個元件的資料輸入連接埠，此時多個元件可以由一個較長的控制指令來設定，在這個長控制指令中，第1個位元為串列鏈上最遠端元件的LSB，最後位元則為最近元件的MSB，此方式稱為菊鍵連接（daisy chaining），長資料指令的長度則為112 bits乘上所串聯的交叉點元件數。

此種控制方式最常使用在切換陣列的起始控制上，初始化控制碼可以由系統記憶體中讀出並以連續指令的方式送到介面上，簡化初始化的程式，也可以在處理器必須在系統初始化過程中處理多項工作時降低設備啟動過程中處理器的負擔。

此兩種工作模式可以透過控制一個輸入接腳電位的高低來加以選擇，由於兩種模式能夠在相同的實體電路板上運作，因此可以在系統啟動的過程中使用菊鍵法送出一個較長的資料指令來控制設定，然後再針對陣列中單獨的位置進行立即的定址與更新，達成在不需要改變電路板佈局的情況下、不浪費額外接腳的情況下實現兩種不同的串列定址方式。

結語

此新系列的交叉點元件可以簡化視訊陣列切換系統的設計，同時提供更高的效能與更多的功能，得到比現有系統更小的體積，同時也更加省電。（作者任職於Maxim）