利用模擬開關切換視頻

然數字視頻漸呈流行之勢，但模擬視頻仍在眾多的應用中使用。本文討論了標準的模擬視頻格式以及在模擬視頻源之間進行切換的方法。

引言

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


圖1. 黑白圖像信號的直流電平

視頻有效部分的白電平至黑電平之間為100個IRE單位，因此白電平至同步頭為140個IRE單位。如果信號被衰減，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；不論信號是否被衰減或放大，白色電平與同步頭信號的比值總是140個IRE單位。

現今的復合視頻基帶信號(CVBS)是RS-170的衍生，其白電平至同步頭已被設置為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，因為所有的IRE值均保持不變。國家電視系統委員會(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質上相同的基帶信號中。由于黑白視頻信號已經在過去用于廣播，(為了和早期的設備兼容)，黑白信號仍然是任何彩色電視信號制式的一個組成部分。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信號已被用于廣播，所以我們需要R-Y和B-Y信號來產生RGB信號。只需借助如下的簡單代數操作，即可將RGB從分量信號中提取出來：

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算來實現。對于NTSC和PAL，R-Y (U)和B-Y (V)信息經過調制，從而可以輕松的從基帶信號中恢復出來。例如，當觀察DVD播放機輸出的彩色NTSC基帶信號時，該信號看起來非常像RS-170信號。但是，我們可以看到，在同步頭后沿帶有許多類似“循環振鈴”的色同步信號，頻率大約為3.58MHz/4.43MHz。 PAL信號看起來也非常相似，只是H和V同步和色同步信號頻率有些許的不同。白電平至同步頭的標稱值是1.0V。

通常，視頻電纜的額定阻抗是75Ω。RG-59/RG-6是用于連接視頻設備的標準電纜，通常配有RCA復合視頻接頭。在歐洲，CVBS均使用SCART接頭，該接頭整合了CVBS和音頻信號。

切換CVBS

所有制式的CVBS信號帶寬均低于6.5MHz。由于輸入阻抗低且帶寬有限，現今的大部分模擬CMOS開關均可輕松勝任此任務。該信號包含負電平部分，設計師可以使用電容耦合，然后將信號箝位在黑電平。如果不夠謹慎，則同步頭可能會和色同步信號一同丟失。通常1.0V信號的變化范圍在±6dB左右，因此該信號可高達2.0V_P-P，此時同步頭電壓約為-600mV。設計師可以選擇一個±5.0V電源的放大器對開關進行偏置，以防止出現問題。如果該信號會被再次傳送到另一個CVBS輸入端，則設計師必須使用雙極性電源供電的方式2。如果信號停留在同一塊電路板上，并用于內部顯示，則可以考慮更廉價的偏置方案。

應用1：帶有緩沖輸出的CVBS

假設可提供+5和-5V電源，則幾乎總是需要視頻運算放大器進行緩沖。CVBS信號被施加至放大器同相輸入端上。運算放大器通常設置為+6dB的增益，以使信號按2:1進行放大。然后串入一個75Ω的電阻，以使阻抗匹配。在大部分情況下，輸出均是通過一個電容進行AC耦合的。當輸出端采用合理的低阻抗終端電阻時，CMOS模擬開關的性能最佳。任何與開關并聯的電容均由輸入電阻旁路至地。由于CVBS信號必須使用75Ω終端電阻，故可以按照稍高于75Ω的阻抗對電路進行端接。如果使用一個300Ω的電阻作為同相運算放大器的接地端，則使用一個95Ω的電阻可以使輸入阻抗理想的匹配至75Ω。如果模擬開關的R_ON值為35Ω，則大約會有1.0dB的輕微損耗。該損耗可通過稍微調節運算放大器的增益來補償。如果開關的R_ON值較高或較低，則可對增益進行相應調節。由于視頻運算放大器的輸出幾乎為零阻抗，其輸出亦可同時驅動其它電路。不宜取消該電阻或使用非常高的阻值，此舉會使視頻失去終端匹配，從而產生輻射。使用95Ω電阻則不會產生任何不良影響，電路可以實現良好端接。圖2的開關是一個帶視頻緩沖器的2:1視頻開關的完整電路。該設計采用了±V雙極性電源設計。


圖2. 簡單的2:1 CVBS視頻開關

更高性能的模擬視頻

CVBS在某些應用場合表現良好，但DVD及其他設備可提供的、具有較高帶寬的錄像引發了對更高帶寬連接的需求。

S端子，主要出現在一些Hi-8攝像放映機和DVD機上，通過傳送兩種(亮度和色度)信號來產生更高帶寬的圖像。每種信號均通過專門的DIN接頭傳送。亮度信號是復合信號的寬帶版本，但不含有色彩信息。則色度信號則是編碼后的R-Y和B-Y信號。由于現在亮度信號的帶寬更高，并且不需要使用專門的濾波器來分離兩種信號，故可以傳送更佳的視頻信號。亮度和色度信號均可使用標準的視頻技術進行傳送，亮度信號的帶寬可提高至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(兩套開關和緩沖器)。

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

應用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組成：Y、Pr和Pb，其中Y信號為全帶寬。在該應用中所選用的新型三路視頻開關MAX4887具備極寬的帶寬和極低的插入損耗。類似于前一個應用，這里使用5V單電源以及緩沖輸出，但開關和視頻運算放大器之間采用電容耦合。MAX4887不僅帶寬超過設計要求，而且在等效負載為250Ω時，開關損耗幾乎為零。為了通過低頻同步信號，必須使用一個100μf的電容，再并聯一個0.01μf陶瓷電容以改善高頻率響應。圖3的電路只顯示了一個通道。MAX4887帶有三路高頻開關，故可利用另外兩路開關完成其他兩路輸入/輸出電路，以組成一個完整的設計方案。使用MAX4887時亦可不帶緩沖。


圖3. 高帶寬分量視頻設計方案(僅列出一個通道)

MAX4887的串聯R_ON僅為5Ω。輸入端的1kΩ電阻可確保輸入不會懸空，并提供少許回波損耗匹配。開關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。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視頻設計方案

圖4的電路適用于VGA RGB視頻。如果視頻信號具有明顯的負極性峰值，則不宜選用MAX4887，除非輸入ESD保護電路能防止信號傳導。否則負極性信號低于-0.3V時必將出現這種情況。如果可提供負電源，則可以在+3.3V至-1.5V之間對開關進行操作。由于開關幾乎不需要任何電流，其負電源軌(通常為GND)可偏置為-1.5V，此時開關仍可以正常工作(選擇引腳除外)。將一個PNP晶體管反相器的發射極連接至+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

由于視頻信號的多樣性，帶來了處理多種不同視頻源的需求。由于視頻信號的這種特點，采用雙極性電源或電容耦合的設計都有必要。Maxim提供了大量的模擬開關和視頻運算放大器來簡單經濟地配合這兩種解決方案。

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