音视频矩阵的作用及设计技术要点解析

2009年01月07日 13:44 july

在现代多媒体会议室，为了满足不同演示场合的需求，通常会具备多种不同的音视频信号源和显示终端，虽然这些音视频信号源和显示终端也可能会同时具备复合视频（Composite-Video）、超级视频（S-Video）、分量视频（Component-Video）甚至数字视频（DVI、SDI）的接口，但目前在多媒体视像会议中被普遍使用的还是复合视频矩阵，主要的原因在如下几方面:

· 复合视频具备良好的稳定性、兼容性和通用性，传输带宽小，传输距离长。但色度和亮度共享4.2MHz（NTSC）或5.0~5.5MHz（PAL）的频率带宽，互相之间有比较大的串扰，对器材和传输线缆的要求标准不高，信号源丰富，预埋线缆投资较低。

· 超级视频（S-Video）虽然在减少亮度损耗、亮度/色度串扰方面明显优于复合视频，但对于目前常见的液晶投影机、DLP投影机并达不到非常明显的区别，而且预埋线缆投资是复合视频的两倍，所以在工程长距离传输没有得到普遍的使用。

· 分量视频在信号格式的级别上已经明显高于复合视频或超级视频，但目前在会议室多数是为电脑显示（VGA或RGBHV信号格式）服务，对器材和传输线缆的要求很高（取决于预期的设计标准和投资预算），预埋线缆投资很高。

· 类似Y,R-Y,B-Y、Y,Cr,Cb的分量视频信号目前主要应用在广电行业，而且会逐渐向SDI或HD-SDI的数字信号格式过渡，由于信号源和资金预算的限制，会议室使用不多。DVI信号由于有效传输距离的限制（5米左右），目前没有得到广泛应用。

综上所叙，习惯上音视频矩阵没有特别的注明都默认是复合视频格式。以复合视频格式输出的主要设备有:摄像机、实物展台、有线电视解调器、远程视像会议、磁带录像机、DVD光碟机等，音视频矩阵在系统中介于视频源与显示或复用终端之间，负责将不同的音视频信号源按用户的意愿进行集中调控。

按照输入、输出通道的不同，常见的视频矩阵一般有8×2、8×4、8×8、16×4、16×8、16×16、32×8、32×16、32×32、64×16、64×32、64×64、128×128等。常规的理解是乘号前面的数字代表输入通道的多少，乘号后面的数字代表输出通道的多少。不论矩阵的输入输出通道多少，它们的控制方法都大致相同:前面板按键控制、分离式键盘控制、第三方控制（RS-232/422/485等），并且都能达到以下的功能:

1) 可以根据使用的需要，在不同的显示终端上同时显示相同或不同的视频源内容

2) 可以将摄像机、影碟机、录像机、有线电视、电视会议等各种视频信号进行方便快捷的处理和调用

3) 管理员可以独立监视任意一路视频信号，但不会影响其他终端显示的内容和效果

4) 管理员可以对任意视频信号进行录像，但不会影响其他终端显示的内容和效果

5) 管理员可以将任意一路视频信号送往会议终端或其他分会场，但不会影响其他端口显示内容和效果

与BGBHV矩阵一样，设计一个视频矩阵的基本原则也是根据信号源和显示终端数量的多少以决定矩阵的通道数，由于矩阵规格的差异（通道数的多少）在价格上的体现非常明显，在预算一定的情况下，使选择一个矩阵的通道数也会变得比较敏感，对于以后的扩展也是一个考验。除此之外，下面叙述的几个问题也是作为器材选型需要考虑的因素。

2. 视频信号的带宽 复合视频信号根据制式的不同，信号的带宽也有一定的差异，见下表。由于复合视频的传输带宽相对比较窄，目前在系统设计中并不是一个主要的考虑因素。

	PAL B/G/H	PAL I	PAL D	PAL N	PAL M	NTSC	SECAM
每帧线数	625线	625线	625线	625线	525线	525线	625线
行频范围KHz	15.625	15.625	15.625	15.625	15.75	15.734	15.625
场频范围Hz	50	50	50	50	60	60	50
彩色副载波MHz	4.43	4.43	4.43	3.58	3.58	3.58	4.4
信号带宽MHz	5.5	6	6.5	4.5	4.5	4.5	6.5

3. -3dB衰减点 视频信号在理想效果内的传输带宽范围或传输距离称为-3dB点，也称为1/2功率衰减点。在-3dB点范围内，信号不会在处理或传输的过程中产生严重损失，任何有信号输入输出的器材都会存在带宽的限制，视频信号平坦的频率响应在-3dB点之前，同时还要注意所选择的器材带宽是否在“满负载（Fully Loaded）”的状态测试。因为有很多品牌的标称参数是在“点对点”的状态下测试，当系统在满负载下运行时，传输带宽会大打折扣，这种标称的参数就显得没有任何意义。

4. 视频信号的线性失真 由于系统特性而产生的失真，与信号本身幅度无关，输出信号与输入信号之间保持线性关系，公式U2=KU1 ，其中U2代表输出信号，K代表传输函数（频率或时间函数），U1代表输入信号。系统幅频特性和相频特性不均匀，是由于电路中存在电抗性元件及各种分布参量引起。

5. 视频信号的非线性失真 信号在传输中引起的失真与被传输信号本身的幅度有关时，这种失真称非线性失真，输出输入信号之间已经不是简单的线性关系。公式:U2=K（U1）U1，传输函数K（U1）不仅是频率或时间的函数，而且是输入信号的函数。

非线性失真由非线性元器件引起，它们的参数随作用于它们的信号电平而变化（受信号电平大小影响）。传输系统的非线性与信号动态范围有关，失真的范围很广，从信号成分大致分为如下内容:

· 亮度信号的非线性失真

· 色度增益的非线性失真

· 色度相位的非线性失真

· 色度、亮度的交调失真

· 微分增益失真

· 微分相位失真

· 同步信号静态非线性失真

· 同步信号动态非线性失真

6. 行时间波形失真 反映行频至500KHz的中频失真，代表图像中较大尺寸内容在水平方向的亮度变化，中频失真会造成图像沿水平方向界限不清，严重时造成水平方向拖尾，有点类似RGBHV信号的“低频响应不良”故障。

7. 色度/亮度增益差 输出信号亮度分量和色度分量幅度比与输入信号幅度比的改变称为色度/亮度增益差，由于通道对色度分量和亮度分量的放大不一致造成。色饱和度失真，类似色饱和度调节不当，增益差为负时，图像色彩变淡、人物神色不佳；增益差为负时，颜色过浓、轮廓不分明，类似浓重的填色画，缺乏真实感。

8. 亮度非线性 当平均图像电平为某一定值时，将起始电平从消隐电平逐步增加到白电平的小幅度阶跃，信号加至通道输入端、输出端相应各阶跃幅度比值间的最大差值。

亮度非线性会造成图像失去灰度、层次减少、分辨率降低（由于色度信号是迭加在亮度信号上），产生色饱和度失真。亮度非线性由元器件的非线性造成:工作点不对，输入幅度过大。

9. 微分增益失真 由于图像亮度信号幅度变化引起色度信号幅度的失真称为微分增益失真，不同亮度背景下的色饱和度失真，影响彩色效果（如穿鲜红衣服从暗处走向亮处，鲜红衣服变浓或变淡）。

GY/T107-92（电视播控系统视频运行指标）甲级标准规定微分增益失真±0.2°，目前具备良好性能的视频矩阵都会控制在±0.1°。

10. 微分相位失真 由于图像亮度信号幅度变化引起色度信号相位的失真称为微分相位失真，不同亮度背景下色调产生失真，会造成某种颜色变成其他颜色（如穿鲜红衣服从暗处走到亮处，鲜红衣服会偏黄或偏紫）。

在NTSC系统中，彩色信号矢量角的变化代表了色调的变化，所以微分相位对信号的影响是很严重的。而PAL系统因为采用了逐行倒相技术，所以自身补偿作用使得用色饱和度的变化代替了色调的变化。总的来说，微分相位是用来描述亮度信号的幅度变化对彩色色调影响的一个参数。

GY/T107-92（电视播控系统视频运行指标）甲级标准规定微分相位失真±0.2%，目前具备良好性能的视频矩阵都会控制在±0.1%。

11. 微分失真的原因 色度信号4.43MHz±1.3M处在视频高端，容易受通道中分布参量影响:工作点的不正确对结电容影响大，从而影响传输通道的阻抗参量。

控制微分相位失真和微分增益失真，需要保证传输通道中视频放大器和视频处理单元，要有足够大的动态范围，改善传输通道的幅频特性和相频特性，严格控制元器件分布参量的影响。

12. 色度/亮度交调失真 把规定幅度的色度信号迭加在恒定幅度的亮度信号上并加至通道的输入端，而平均图像电平保持在某一特定值时，输出端由于迭加的色度信号而引起亮度信号幅度的变化称为色度/亮度交调失真。

在彩色信号中，色度信号是迭加在亮度信号上的，由于系统非线性存在，会使色度信号的正负半周失去对称性，相当于产生了一个直流分量（轴移），它使亮度信号出现非线性幅度失真，失真大小随副载波幅度变化，是微分相位增益的逆过程。

图像出现彩色字幕时，失真较明显，彩色字幕相对应的背景亮度上的对比度产生失真。

13. 随机信噪比

随机信噪比指整个频谱上的杂波，但是高频的杂波干扰在图像上表现的是细小的微粒，人眼不易察觉，因此加上一加权网络，使干扰的情况符合人眼观看的实际状况，称为随机信噪比的加权。

14. 周期信噪比 周期信噪比来自电源干扰:1KHz以内交流声及其谐波的干扰，原因是稳压电源纹波系数大、空间交流电磁场感应、接地不良或地线布置不合理（接地点地电位不同引起的共模干扰）、箝位电路不良造成。周期噪音会造成静止或滚动黑条、黑带，严重时垂直方向图像扭动，破坏同步。