数字矩阵在全媒体制播技术中的应用

数字视频矩阵是为了能让视频信号更加符合用户需求进行输入输出切换而设计的一种广泛应用于各个领域的高性能智能设备。

1.矩阵的基本概念

矩阵的概念引用了高数中的线性代数的概念，一般指在多路输入的情况下有多路输出的选择，形成的矩阵结构，即每一路输出都可与不同的输入信号“短接”，每路输出只能接通某一路输入，但某一路输入都可（同时）接通不同的输出。

①定义

矩阵是专门用于多路输入与多路输出的开关控制设备，又被称为路由切换器。一般习惯中，将形成M×N的结构称为矩阵。

通常将M×1的结构称为切换器或选择器，其实不过N=1而已。

②功能

矩阵的功能是在多路信号输入的情况下，可独立地根据需要选择多路（包括1路）信号进行输出，完成信号的分配、选择、调度。

③用途

在广播电视总控室采用矩阵进行节目调度；在广播电视节目分配中心采用矩阵进行节目分配；在广播电视节目传输中心采用矩阵进行节目传输。

④分类

矩阵种类很多，根据接口类型可分为VGA矩阵、AV矩阵、混合矩阵等；根据接口数量来划分，则包括8进2出、128进32出、1024进64出等；还可根据处理的信号类型划分为模拟矩阵、数字矩阵、混合矩阵，混合型视频矩阵的概念比较广，既可以是模拟和数字混合，也可以是CVBS和RGB矩阵的混合等；根据档次分有广播级的同步切换矩阵和普通矩阵，广播级的矩阵主机切换图像的时候利用在视频信号的场消隐信号期间进行，切换过的图像没有闪烁非常平稳。

2.矩阵的控制原理

矩阵由主机和操作板组成，操作板发出控制命令，主机完成信号切换。

矩阵控制系统由CPU1、CPU2、SRAM、控制逻辑、切换逻辑、显示模块、接口板组成。控制系统的工作是对整个矩阵进行通信控制、切换控制、显示控制等，控制系统结构如图4-26所示。

图4-26　矩阵控制系统

CPU1和CPU2之间通过带掉电保护的静态RAM交换信息，CPU1产生视频、音频切换控制和显示控制信号，切换控制信号在切换逻辑电路中经过逻辑转换后去控制视音频矩阵，能使视音频矩阵切换同时进行；显示控制信号经过显示模块，使控制板上的数码管分别显示出输出母线上当前的开关状态，同时也能显示系统故障。CPU2管理系统的通信和传输通信信号。通信可靠性要很高，应采取错误校验、超时判断、出错保护等措施，避免切换错误。

3.矩阵系统组成

矩阵是构成矩阵系统的主要设备，一个矩阵系统的组成如图4-27所示，它包括矩阵主机（视频矩阵、音频矩阵）、各种操作板、系统控制、计算机和电源，所有的电路都装在矩阵主机箱里，而各操作板串接到矩阵主机的串口上。计算机用来对控制电路装载软件和调整路由连接。矩阵的控制系统应保证各个操作板灵活地并行或串行实时控制矩阵开关。

图4-27　矩阵系统的组成

矩阵主机是以单片机技术为基础的微处理系统，它通常是将系统控制单元与视音频矩阵切换器集成一体，其核心部件为微处理器（CPU），矩阵主机的主要任务是实现对多路视/音频信号的切换（输出到指定的监视器或录像机）。

视音频矩阵在受控制的情况下完成视音频输入、输出信号的切换与连接。对视音频矩阵的要求：应提供各种格式不同的输入、输出接口，如串行数字分量接口（SDI）、模拟分量接口、模拟复合接口和光纤接口；应能接收多种控制信号：操作板信号、计算机输出信号，包括从世界各地通过电话线或网络送给计算机的控制信号。

操作板发出控制信号，控制某个视频开关的通断。可串接到主机的串行口上；应保证对视音频通路无干扰；操作板上的按键可以带液晶显示，显示出信号来源和去向的名称。

控制系统分为软件控制系统与硬件控制系统，应保证各个操作板灵活地并行或串行实时控制矩阵开关。对矩阵的控制可在本机的操作板上或在几百米外的遥控板上用按键进行操作。

计算机装载控制系统软件；矩阵输入端每一个信号源的去向和每个输出端输出信号的来源，都可通过计算机装载和修改；发出控制信号，控制某个视频开关的通断，能接收从世界各地通过电话线或网络来的控制信号。

4.数字视频矩阵

随着电子技术的发展和计算机的普及应用，电子设备的多功能、高可靠性、小型化等性能为广播电视事业建设与发展带来了新的发展空间，在不同程度上满足了广播电视多套数、高质量、节目调度灵活、海量信息交换、存储便捷和实时播出的需要。电视节目数量迅速增多，无论在播出中心还是在演播室节目制作中心，都逐渐采用数字矩阵作为节目共享的重要设备。

（1）数字视频矩阵组成(www.xing528.com)

数字视频矩阵是指通过阵列切换的方法将M路视频信号任意输出至N路监看设备上的电子装置，一般情况下矩阵的输入大于输出即M＞N。有一些视频矩阵也带有音频切换功能，能将视频和音频信号进行同步切换，这种矩阵也叫作视音频矩阵。通常数字视频矩阵由视频信号输入端模块、中央处理模块、信号输出模块及其他模块几个部分组成。

①视频信号输入端模块

这个模块的功能就是接收输入信号源，并且做一些简单的处理，比如对信号的缓冲和放大，为内部处理信号做准备。通常和视频源信号的输出端相连，一般矩阵设备上面会用“in”字样进行标注。

②中央处理模块

此模块是整个数字视频矩阵的核心，也是最为复杂的地方，通常包括处理器、存储设备、各种芯片等。作用就是接收指令然后计算处理，最后发出指令到输出端进行输出。这里面任何一个部件损坏，都会导致整个设备功能损坏。

③信号输出模块

信号到了这个模块的时候，还要进行一些处理，主要是让信号在显示设备上面能够更好地显示，比如进行信号的幅度放大、字符叠加等处理，然后和显示设备的输入端，或者信号延长和信号放大设备相连。一般输出接口在设备的面板上会有“out”字样标注。

④其他模块

除了上面三个主要的模块外，数字视频矩阵内部还有很多的组成部分，比如电源、各种信号切换按钮装置、信号输入输出信号灯装置、内部报警装置等。

数字视频矩阵的核心是对数字视频的处理，需要在视频输入端增加A/D转换，将模拟信号变为数字信号，在视频输出端增加D/A转换，将数字信号转换为模拟信号输出。

（2）数字视频矩阵应用

数字视频矩阵在电视系统的应用主要有：转播车、演播室、播控中心、有线电视前端。

在数字演播室系统中使用数字视频矩阵的主要目的在于：扩展切换台有限输入通道，为整个系统进一步扩展提供选择；提供紧急备路输出通道；摄像机返送源的选择；记录设备输入源的选择；提供技术监测输出通道。视频矩阵的作用是非常重要的，在直播或准直播系统中它是必不可少的设备。

数字视频矩阵在电视中心系统的应用如图4-28所示。

图4-28　矩阵在电视中心系统的应用

图4-28中，节目调度中心汇聚了全台的节目，通过大型矩阵将节目分配到台内各部门，如播控中心、演播室，演播室收到所有外来的节目和内部节目，通过矩阵输出到切换台、播控中心及其他所需之处，切换台可输出到播控中心和录像机等，也可返回至演播室中心矩阵，各部分通过电缆接到矩阵的一个输出端即可用遥控操作板选取演播室的所有信号。播出中心收到的各路信号都可经过矩阵进行分配，各频道的播出切换器可从矩阵的输出端得到所需的全部信号。

5.数字音频矩阵

随着广播电台数字化、网络化，中心音频矩阵系统作为广播电台中重要的数据交换、传输系统，得到了广泛的应用，成为广播电台日常工作的重要组成部分。而作为中心音频矩阵系统的关键设备——音频矩阵是广播中心实现节目资源共享和交换的主要设备。

数字音频矩阵技术有采用TDM技术的同步模式和异步模式。

①数字音频同步矩阵工作原理

时分复用（TDM）技术，在电信电话网中是基本的应用技术，矩阵切换就是类似于电话交换的应用。事实上，数字音频（AES）也是一种时分复用技术，如图4-29所示，在这种矩阵中，n条输入线路被顺序扫描，经过格式转换和时隙分配以建立有n个时隙的一个输入帧。每个时隙有K比特（不同厂商时隙数、比特数不同）。

图4-29　数字音频同步矩阵

TDM矩阵的核心是时隙交换单元，它接收输入帧并产生输出帧，输出帧中的时隙根据切换命令重新排序。时隙交换单元工作原理如下：当有输入帧要处理时，每个时隙（即输入帧中的每个字节）都被顺序地写入时隙交换单元的RAM缓存中。当输入帧中的时隙都被存到RAM缓存中以后，这些字被根据切换命令重新读出来以组建输出帧，但时序顺序已发生了变化。有一个计数器从0到n-1计数，用于控制在缓存中存储n个时隙，然后将它们读出来。这一切必须在一帧的周期内完成。在第m步时，映射表中字m的内容被读出来，用于寻址RAM表。如果映射表的字0中包含时隙10，RAM缓存中的字10首先被读出来，故而输出帧中的第一个时隙将是输入帧的第10时隙，然后是时隙3……最后输出帧被解复用，经过输出格式转换，输出时隙0（对应输入时隙10）到输出线路0，依次类推。这样映射表中的内容决定输入帧到输出帧的交换，即哪条输入线路到哪条输出线路，虽然没有实质的物理连接，但也实现了线路的交换。

②数字音频异步矩阵工作原理

数字音频异步矩阵如图4-30所示，大都采用变压器耦合平衡输入输出接口，根据具体的工作性质矩阵可以编组工作。在一个n×n的数字异步矩阵中，n条输入线路和n条输出线路形成n2个交叉点，在交叉点处，输入和输出线路通常使用一个电子开关或继电器连接，这样n×n个电子开关形成一个开关阵列。矩阵就是通过控制电子开关或继电器的通断实现了输入/输出线路的连接切换。图4-30中，输入线路1的信号可以送到输出线路2上，输入线路3的信号可以送到输出线路4和n上。这些连接的实现可以通过矩阵控制工作站实现，也可以通过手动控制单元控制完成。

图4-30　数字音频异步矩阵