音視頻矩陣的作用及設(shè)計技術(shù)要點解析

1. 音視頻矩陣的作用

    在現(xiàn)代多媒體會議室，為了滿足不同演示場合的需求，通常會具備多種不同的音視頻信號源和顯示終端，雖然這些音視頻信號源和顯示終端也可能會同時具備復(fù)合視頻（Composite-Video）、超級視頻（S-Video）、分量視頻（Component-Video）甚至數(shù)字視頻（DVI、SDI）的接口，但目前在多媒體視像會議中被普遍使用的還是復(fù)合視頻矩陣，主要的原因在如下幾方面:

    · 復(fù)合視頻具備良好的穩(wěn)定性、兼容性和通用性，傳輸帶寬小，傳輸距離長。但色度和亮度共享4.2MHz（NTSC）或5.0~5.5MHz（PAL）的頻率帶寬，互相之間有比較大的串?dāng)_，對器材和傳輸線纜的要求標(biāo)準(zhǔn)不高，信號源豐富，預(yù)埋線纜投資較低。

    · 超級視頻（S-Video）雖然在減少亮度損耗、亮度/色度串?dāng)_方面明顯優(yōu)于復(fù)合視頻，但對于目前常見的液晶投影機、DLP投影機并達不到非常明顯的區(qū)別，而且預(yù)埋線纜投資是復(fù)合視頻的兩倍，所以在工程長距離傳輸沒有得到普遍的使用。

    · 分量視頻在信號格式的級別上已經(jīng)明顯高于復(fù)合視頻或超級視頻，但目前在會議室多數(shù)是為電腦顯示（VGA或RGBHV信號格式）服務(wù)，對器材和傳輸線纜的要求很高（取決于預(yù)期的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和投資預(yù)算），預(yù)埋線纜投資很高。

    · 類似Y,R-Y,B-Y、Y,Cr,Cb的分量視頻信號目前主要應(yīng)用在廣電行業(yè)，而且會逐漸向SDI或HD-SDI的數(shù)字信號格式過渡，由于信號源和資金預(yù)算的限制，會議室使用不多。DVI信號由于有效傳輸距離的限制（5米左右），目前沒有得到廣泛應(yīng)用。

    綜上所敘，習(xí)慣上音視頻矩陣沒有特別的注明都默認是復(fù)合視頻格式。以復(fù)合視頻格式輸出的主要設(shè)備有:攝像機、實物展臺、有線電視解調(diào)器、遠程視像會議、磁帶錄像機、DVD光碟機等，音視頻矩陣在系統(tǒng)中介于視頻源與顯示或復(fù)用終端之間，負責(zé)將不同的音視頻信號源按用戶的意愿進行集中調(diào)控。

    按照輸入、輸出通道的不同，常見的視頻矩陣一般有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。常規(guī)的理解是乘號前面的數(shù)字代表輸入通道的多少，乘號后面的數(shù)字代表輸出通道的多少。不論矩陣的輸入輸出通道多少，它們的控制方法都大致相同:前面板按鍵控制、分離式鍵盤控制、第三方控制（RS-232/422/485等），并且都能達到以下的功能:

    1) 可以根據(jù)使用的需要，在不同的顯示終端上同時顯示相同或不同的視頻源內(nèi)容

    2) 可以將攝像機、影碟機、錄像機、有線電視、電視會議等各種視頻信號進行方便快捷的處理和調(diào)用

    3) 管理員可以獨立監(jiān)視任意一路視頻信號，但不會影響其他終端顯示的內(nèi)容和效果

    4) 管理員可以對任意視頻信號進行錄像，但不會影響其他終端顯示的內(nèi)容和效果

    5) 管理員可以將任意一路視頻信號送往會議終端或其他分會場，但不會影響其他端口顯示內(nèi)容和效果

    與BGBHV矩陣一樣，設(shè)計一個視頻矩陣的基本原則也是根據(jù)信號源和顯示終端數(shù)量的多少以決定矩陣的通道數(shù)，由于矩陣規(guī)格的差異（通道數(shù)的多少）在價格上的體現(xiàn)非常明顯，在預(yù)算一定的情況下，使選擇一個矩陣的通道數(shù)也會變得比較敏感，對于以后的擴展也是一個考驗。除此之外，下面敘述的幾個問題也是作為器材選型需要考慮的因素。

    2. 視頻信號的帶寬

    復(fù)合視頻信號根據(jù)制式的不同，信號的帶寬也有一定的差異，見下表。由于復(fù)合視頻的傳輸帶寬相對比較窄，目前在系統(tǒng)設(shè)計中并不是一個主要的考慮因素。

    3. -3dB衰減點

    視頻信號在理想效果內(nèi)的傳輸帶寬范圍或傳輸距離稱為-3dB點，也稱為1/2功率衰減點。在-3dB點范圍內(nèi)，信號不會在處理或傳輸?shù)倪^程中產(chǎn)生嚴重損失，任何有信號輸入輸出的器材都會存在帶寬的限制，視頻信號平坦的頻率響應(yīng)在-3dB點之前，同時還要注意所選擇的器材帶寬是否在“滿負載（Fully Loaded）”的狀態(tài)測試。因為有很多品牌的標(biāo)稱參數(shù)是在“點對點”的狀態(tài)下測試，當(dāng)系統(tǒng)在滿負載下運行時，傳輸帶寬會大打折扣，這種標(biāo)稱的參數(shù)就顯得沒有任何意義。

    4. 視頻信號的線性失真 

    由于系統(tǒng)特性而產(chǎn)生的失真，與信號本身幅度無關(guān)，輸出信號與輸入信號之間保持線性關(guān)系，公式U2=KU1 ，其中U2代表輸出信號，K代表傳輸函數(shù)（頻率或時間函數(shù)），U1代表輸入信號。系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性不均勻，是由于電路中存在電抗性元件及各種分布參量引起。

    5. 視頻信號的非線性失真

    信號在傳輸中引起的失真與被傳輸信號本身的幅度有關(guān)時，這種失真稱非線性失真，輸出輸入信號之間已經(jīng)不是簡單的線性關(guān)系。公式:U2=K（U1）U1，傳輸函數(shù)K（U1）不僅是頻率或時間的函數(shù)，而且是輸入信號的函數(shù)。

    非線性失真由非線性元器件引起，它們的參數(shù)隨作用于它們的信號電平而變化（受信號電平大小影響）。傳輸系統(tǒng)的非線性與信號動態(tài)范圍有關(guān)，失真的范圍很廣，從信號成分大致分為如下內(nèi)容:

    · 亮度信號的非線性失真

    · 色度增益的非線性失真

    · 色度相位的非線性失真

    · 色度、亮度的交調(diào)失真

    · 微分增益失真

    · 微分相位失真

    · 同步信號靜態(tài)非線性失真

    · 同步信號動態(tài)非線性失真

    6. 行時間波形失真

    反映行頻至500KHz的中頻失真，代表圖像中較大尺寸內(nèi)容在水平方向的亮度變化，中頻失真會造成圖像沿水平方向界限不清，嚴重時造成水平方向拖尾，有點類似RGBHV信號的“低頻響應(yīng)不良”故障。

    7. 色度/亮度增益差

    輸出信號亮度分量和色度分量幅度比與輸入信號幅度比的改變稱為色度/亮度增益差，由于通道對色度分量和亮度分量的放大不一致造成。色飽和度失真，類似色飽和度調(diào)節(jié)不當(dāng)，增益差為負時，圖像色彩變淡、人物神色不佳；增益差為負時，顏色過濃、輪廓不分明，類似濃重的填色畫，缺乏真實感。

    8. 亮度非線性 

    當(dāng)平均圖像電平為某一定值時，將起始電平從消隱電平逐步增加到白電平的小幅度階躍，信號加至通道輸入端、輸出端相應(yīng)各階躍幅度比值間的最大差值。

    亮度非線性會造成圖像失去灰度、層次減少、分辨率降低（由于色度信號是迭加在亮度信號上），產(chǎn)生色飽和度失真。亮度非線性由元器件的非線性造成:工作點不對，輸入幅度過大。

    9. 微分增益失真

    由于圖像亮度信號幅度變化引起色度信號幅度的失真稱為微分增益失真，不同亮度背景下的色飽和度失真，影響彩色效果（如穿鮮紅衣服從暗處走向亮處，鮮紅衣服變濃或變淡）。

    GY/T107-92（電視播控系統(tǒng)視頻運行指標(biāo)）甲級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定微分增益失真±0.2°，目前具備良好性能的視頻矩陣都會控制在±0.1°。

    10. 微分相位失真

    由于圖像亮度信號幅度變化引起色度信號相位的失真稱為微分相位失真，不同亮度背景下色調(diào)產(chǎn)生失真，會造成某種顏色變成其他顏色（如穿鮮紅衣服從暗處走到亮處，鮮紅衣服會偏黃或偏紫）。

    在NTSC系統(tǒng)中，彩色信號矢量角的變化代表了色調(diào)的變化，所以微分相位對信號的影響是很嚴重的。而PAL系統(tǒng)因為采用了逐行倒相技術(shù)，所以自身補償作用使得用色飽和度的變化代替了色調(diào)的變化�？偟膩碚f，微分相位是用來描述亮度信號的幅度變化對彩色色調(diào)影響的一個參數(shù)。

    GY/T107-92（電視播控系統(tǒng)視頻運行指標(biāo)）甲級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定微分相位失真±0.2%，目前具備良好性能的視頻矩陣都會控制在±0.1%。

    11. 微分失真的原因 

    色度信號4.43MHz±1.3M處在視頻高端，容易受通道中分布參量影響:工作點的不正確對結(jié)電容影響大，從而影響傳輸通道的阻抗參量。

    控制微分相位失真和微分增益失真，需要保證傳輸通道中視頻放大器和視頻處理單元，要有足夠大的動態(tài)范圍，改善傳輸通道的幅頻特性和相頻特性，嚴格控制元器件分布參量的影響。

    12. 色度/亮度交調(diào)失真

    把規(guī)定幅度的色度信號迭加在恒定幅度的亮度信號上并加至通道的輸入端，而平均圖像電平保持在某一特定值時，輸出端由于迭加的色度信號而引起亮度信號幅度的變化稱為色度/亮度交調(diào)失真。

    在彩色信號中，色度信號是迭加在亮度信號上的，由于系統(tǒng)非線性存在，會使色度信號的正負半周失去對稱性，相當(dāng)于產(chǎn)生了一個直流分量（軸移），它使亮度信號出現(xiàn)非線性幅度失真，失真大小隨副載波幅度變化，是微分相位增益的逆過程。

    圖像出現(xiàn)彩色字幕時，失真較明顯，彩色字幕相對應(yīng)的背景亮度上的對比度產(chǎn)生失真。

    13. 隨機信噪比

    隨機信噪比指整個頻譜上的雜波，但是高頻的雜波干擾在圖像上表現(xiàn)的是細小的微粒，人眼不易察覺，因此加上一加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，使干擾的情況符合人眼觀看的實際狀況，稱為隨機信噪比的加權(quán)。

    周期信噪比來自電源干擾:1KHz以內(nèi)交流聲及其諧波的干擾，原因是穩(wěn)壓電源紋波系數(shù)大、空間交流電磁場感應(yīng)、接地不良或地線布置不合理（接地點地電位不同引起的共模干擾）、箝位電路不良造成。周期噪音會造成 靜止或滾動黑條、黑帶，嚴重時垂直方向圖像扭動，破壞同步。