: архив : архив журнала "625" : 1997 : #2

• Оглавление обзора • Введение • Dynatech Video Group • Extron Electronics • Лабораторные Электронные Системы • PESA Switching Systems • Vistek • Grass Valley Group • Sony • Miranda Technologies • Pro-Bel • Philips BTS • Системный Дом АПЦ • Leitch • Профитт • Snell & Wilcox • ПолиТекст • Sierra Video Systems

Матричные коммутаторы
Владимир Куземко
Константин Шебзухов

В телевизионной студии имеются устройства, работу которых мы обычно не замечаем, но если они вдруг выходят из строя, то такая поломка грозит надолго парализовать весь комплекс. Это коммутаторы. Еще наши дедушки кричали в телефонные трубки: "Барышня! Барышня! Соедините ..." Телефонные коммутаторы появились достаточно давно и представляли собой обычную распределительную панель - подобие современного коммутатора звуковых сигналов.

Слово "коммутатор" довольно широко распространено в технике, но мы рассмотрим применение этих устройств только в области радио и телевидения. Для начала нужно четко ограничить понятие "матричный коммутатор". Матричный коммутатор позволяет подключать любой из своих выходов к любому из входов. Это устройство, которое, в идеале, не должно производить никакой обработки проходящих через него сигналов, доставляя их от источника к потребителю с максимальной достоверностью.

Существуют более сложные устройства, состоящие из блока коммутации и блока преобразования сигналов. Назовем их "многовходовые микшеры". Мы расскажем о них в конце обзора, но следует отметить, что матричным коммутатором "в чистом виде" такие устройства назвать нельзя.

Почему использование коммутаторов является необходимостью в современной телевизионной студии? В студии, состоящей из двух видеомагнитофонов и одного передатчика, можно обойтись и без коммутационного оборудования. По мере роста студии увеличивается число источников и потребителей сигналов, связи между устройствами существенно усложняются. При необходимости замены, подключения нового элемента или в случае выхода из строя какого-либо оборудования приходится проделывать довольно большую работу по конфигурированию системы и возвращению ее в рабочее состояние, т.к. жесткие связи, закрепленные в ней, разрываются даже при незначительных топологических изменениях. Все это приводит к необходимости применения конфигурирующего элемента. Помимо того в современном видеопроизводстве и вещании зачастую используется большое число источников сигналов. Их коммутация должна происходить быстро, удобно и "невидимо" как в ручном, так и в автоматическом режиме.

В простейшей форме переключающим элементом может стать ручная коммутационная панель, система реле или переключателей. Такие ручные коммутационные (patch) панели часто применяются на входных и выходных линиях аппаратных. Более сложная коммутация, в частности, с разветвлением, требует применения активных электронных элементов. Появление в 90-е годы скоростных интегральных усилителей и широкополосных коммутационных матриц привело к разработке недорогих и компактных коммутаторов с высокими параметрами. Доступность и широкие открывающиеся возможности сделали матричный коммутатор столь же необходимым устройством, как микшер или монтажный контроллер. Применение коммутаторов также существенно снижает износ соединительных разъемов, который нередко становится причиной поломки оборудования. Помимо того, улучшается ситуация с помехами и наводками. Этот вопрос достаточно подробно был рассмотрен в предыдущем номере журнала.

Существует несколько вариантов включения коммутатора в зависимости от размеров студии и поставленных задач. Наиболее гибкий (но одновременно и наиболее дорогой) метод - это подключение всех устройств и внешних линий к коммутатору по схеме "звезда" (рис.1). При этом, за счет многократного прохода через матрицу, обеспечивается любая конфигурация, а для ее изменения требуется лишь несколько нажатий на кнопки управления.

В случае большого разветвленного комплекса оптимальной является иерархическая схема коммутации. Группы оборудования, объединенные небольшой матрицей, соединяются одной или несколькими сигнальными линиями с центральным коммутатором (рис.2).

К нему же подключаются все внешние линии. При этом для того, чтобы проложить маршрут сигнала между двумя удаленными друг от друга устройствами, необходимо иметь возможность управления всеми задействованными матрицами. Современное решение этой задачи заключается в применении единой системы управления. Такие технологии предлагаются многими производителями.

По техническому устройству коммутаторы можно разделить на механические (электромеханические) и электронные. У первых коммутация происходит путем замыкания электрической цепи, объединяющей соответствующие вход и выход при помощи переключателей или реле. Эти устройства имеют ряд существенных недостатков (низкая надежность, невозможность разветвления) и не отвечают современным требованиям. В случае электронной коммутации замыкание цепи происходит внутри электрической схемы, содержащей интегральные буферные усилители и коммутаторы.

Размером коммутационной матрицы называют соотношение числа ее входов и выходов. При этом стоимость матрицы, прежде всего, определяется числом точек коммутации. Не стоит удивляться, что коммутатор 20x20 с линейной структурой оказывается дороже коммутатора 10x10 не в два, а примерно в четыре раза. Число точек коммутации также можно назвать показателем гибкости системы, т.к. определяет число возможных вариантов соединения оборудования. В простейшей "линейной" матрице число точек коммутации равно произведению числа входов и выходов. Для матриц большого размера (64x64 и более) оказывается возможным сократить число точек коммутации, а значит и цену, за счет применения многоуровневой топологии без потери полного доступа. По сравнению с линейной матрицей, такое построение требует более сложной системы управления. Примером такого решения является коммутатор центральной аппаратной ТТЦ "Останкино". Обычно коммутационный комплекс содержит коммутационную матрицу, устройства "обвязки" (блоки коррекции, дифференциальные приемники и т.п.) и системы управления.

В больших телевизионных центрах, использующих сигналы различных форматов и стандартов, коммутационный комплекс представляет собой многослойную многоформатную систему. Переходы между ее элементами осуществляются при помощи преобразователей сигналов. Такие преобразователи являются элементами коммутатора, либо отдельными устройствами.

Обычно матрицы небольшого размера выполнены в едином корпусе. Большие коммутационные системы чаще имеют блочную конструкцию. Основу конструкции составляет корпус (frame, tray) в котором размещены сменные платы или модули. Такая конструкция обеспечивает наибольшую гибкость и допускает наращивание системы.

В телевидении используется большое число типов сигналов, каждый из которых предъявляет специфические требования к коммутационной аппаратуре. Итак, начнем по порядку.

Коммутаторы аналоговых звуковых сигналов, используя различные критерии, можно разделить на несколько групп по числу слоев коммутации - моно, стерео, четырехслойные; и по виду входов и выходов - симметричные (balanced), несимметричные (unbalanced). Симметричные входы и выходы могут быть трансформаторными или электронными. Трансформаторные входы отличаются простотой конструкции и надежностью, но имеют высокую стоимость и создают дополнительные искажения при перегрузках или постоянном смещении. Их электронные аналоги в настоящее время применяются более широко, за счет большей технологичности и высоких характеристик.

Приведем некоторые оценочные характеристики коммутаторов аналогового звука с типичными значениями, которые обеспечиваются большинством современных моделей. На эти характеристики следует, прежде всего, обращать внимание:

• равномерность АЧХ в рабочем диапазоне частот, не более ±0,1…0,2 дБ;
• запас по перегрузке, не менее +12…+15 дБ;
• коэффициент нелинейных искажений, не более 0,1%;
• уровень собственных шумов, не хуже 80 дБ;
• переходное затухание между каналами, не хуже 76…80 дБ.

Коммутаторы цифрового звука. Существует несколько стандартов передачи цифрового звука. Стандартом де-факто постепенно становится AES/EBU - последовательный цифровой формат передачи по одной витой паре или коаксиальному кабелю. Коммутация таких сигналов может производиться асинхронно, синхронно с блочной синхронизацией, совместно с цифровыми видеосигналами (в стандарте SDI) или по мультиплексированной шине. Простейший и наиболее дешевый коммутатор цифрового AES/EBU звука по характеристикам почти аналогичен коммутаторам аналоговых видеосигналов. Отличия заключаются лишь в построении входных/выходных цепей и кабельной коррекции. Многие производители оснащают входы коммутаторов восстановителями несущей (reclocker), которые совместно с кабельной коррекцией улучшают помехозащищенность сигнала при передаче на большие расстояния за счет восстановления фронтов и уменьшения дрожания (jitter). Цифровая блочная структура сигнала AES/EBU нарушается при асинхронной коммутации, что приводит к щелчкам и треску в момент переключения. Этот эффект полностью устранен в синхронных коммутаторах с блочной синхронизацией. Буферизация данных на каждом из входов позволяет осуществить коммутацию на границе блока данных без нарушения его структуры. Такие системы заметно дороже по сравнению с асинхронными. Корректная синхронизация всего комплекса устраняет возникновение щелчков и треска при коммутации цифрового звука, встроенного (embedded) в последовательный цифровой видеосигнал формата SDI.

Особого внимания заслуживает способ коммутации сигналов последовательного цифрового звука по мультиплексированной высокоскоростной шине. Подобную систему (MADI router) предлагает, например, фирма Pro-Bel. Один коаксиальный кабель соединяет цепочкой всех потребителей и все источники сигнала. Абонентские устройства источников "встраивают" свои сигналы в общий высокоскоростной цифровой поток, доступный всем потребителям. Абонентские устройства потребителей выделяют необходимые блоки данных, буферизуют их и формируют непрерывный выходной поток. Таким образом до 56 устройств могут быть соединены между собой одним кабелем без применения центрального коммутирующего элемента. Коммутация мультиплексированных цифровых потоков позволяет наращивать такую систему до практически неограниченных размеров.

При анализе технических требований к системам коммутации цифрового звука следует обратить внимание на:

• необходимость и способ синхронизации коммутатора, источников и потребителей;
• возможность использования сигналов с различными частотами дискретизации 32; 44,1 и 48 кГц;
• возможность приема сигналов после прохождения длинных кабельных линий;
• тип применяемых кабелей, разъемов и способы согласования (XLR и витая пара согласованная на 110 Ом или BNC и коаксиальный кабель согласованный на 75 Ом).

Коммутаторы аналоговых видеосигналов можно разделить на группы по числу слоев коммутации - композитные, двухкомпонентные (Y/C), трех и четырехкомпонентные; виду тракта - открытый (точно предает постоянную составляющую, обычно применяется для передачи трехкомпонентных сигналов на небольшие расстояния); закрытый (не передает постоянную составляющую, обычно используется для передачи композитных и двухкомпонентных сигналов) и закрытый с восстановлением постоянной составляющей; по виду входов - дифференциальные и с общей землей.

Приведем некоторые технические характеристики с типичными значениями, которые могут служить оценочными критериями аналогового видеокоммутатора на настоящий момент:

• ширина полосы пропускания зависит от поставленных задач 10…100 МГц;
• неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне частот, не более 0,1…0,2 дБ;
• переходное затухание между каналами на частоте 4,43 МГц, не хуже 58…60 дБ
(cуществует два способа определения этого параметра: самый тяжелый случай при коммутации "все против одного" или наиболее легкий случай "один против одного". Первое значение обычно на 3…10 дБ хуже второго);
• отношение сигнал/шум, не хуже 66…70 дБ;
• для коммутаторов сигналов стандарта PAL существенны значения дифференциальной фазы обычно не более 0,50 и дифференциального усиления обычно не более 1%.

Коммутаторы цифровых видеосигналов. В ходе развития цифрового видео родились и умерли без мучений несколько стандартов передачи сигналов. Среди них, например, параллельная передача цифровых сигналов с отдельной линией битовой синхронизации. Стандартом де-факто сейчас становится последовательная передача компонентных видеосигналов со встроенными сигналами звукового сопровождения и служебными данными, описываемая протоколом SMPTE 259M и стандартом CCIR 601. Коммутаторы таких сигналов предлагают многие производители телевизионного оборудования. Высокая скорость передачи (до 360 Мбит/с) накладывает особые требования на параметры тракта коммутационного оборудования. Обязательным является наличие автоматического кабельного корректора (иногда с индикацией текущего уровня коррекции) и восстановление несущей с возможностью работы на разных скоростях. Особо следует отметить возможности автоматической диагностики ошибок и сбоев EDH (error detection and handling). Поддержка EDH аппаратными и программными средствами коммутатора или коммутационной аппаратной позволяет автоматически диагностировать источники искажений потока цифровых данных и быстро локализовать неисправность. Это особенно важно для разветвленных протяженных и сложных систем с несколькими группами оборудования. Существенной особенностью высокоскоростной цифровой передачи является катастрофическое ухудшение качества изображения при превышении определенного порога числа ошибок. Использование EDH позволяет предотвратить такую ситуацию.

Эксплуатационные требования, приведенные ниже, относятся к любым коммутаторам звука и видео:

• временная стабильность параметров для коммутаторов аналоговых сигналов "уход" не более 0,1…0,2 дБ;
• надежность или средняя наработка на отказ параметр редко указывается, но все спрашивают;
• устойчивость входов и выходов к перегрузкам и помехам;
• удобство обслуживания, регулировки, ремонта;
• возможность замены модулей "на ходу" (для модульной конструкции);
• возможность резервирования;
• устойчивость к сбоям электропитания;
• требования по заземлению, температуре и уровню влажности.

Необходимо отметить, что какими высокими не были бы характеристики коммутатора, одним из главных факторов является удобство системы управления. Большинство производителей предлагают централизованную систему управления с возможностью подключения дополнительных пультов и панелей управления, компьютерный интерфейс, наглядное отображение состояния матрицы и множество других возможностей. Полезными дополнительными возможностями являются:

• поддержка различных видов пультов управления;
• программируемые текстовые названия источников и потребителей;
• автоматическая работа по расписанию (play list), подключение подмониторных дисплеев;
• программное объединение нескольких коммутационных матриц для формирования единой "виртуальной" матрицы;
• память на стандартные конфигурации.

Обычно предлагаемые функции пультов управления:

• работа прямым нажатием (одна кнопка - один источник);
• работа с преднабором (пакетное переключение);
• X-Y управление (задание номера выхода, номера входа, коммутация);
• классификация источников - линейная нумерация или тип источника и его номер;
• отмена последней команды;
• сравнение двух источников (chop).

Несомненно очень важным моментом при выборе такого ответственного оборудования является качество сервиса, предоставляемого производителем или продавцом, возможность замены старого оборудование на новое (upgrade), сроки и соблюдение гарантии. В этом вопросе лучше довериться мнению как можно большего числа пользователей, которые уже испытали различные варианты, как говорится, на себе. Не стесняйтесь спрашивать "рекомендательные письма". Итак, выбор за Вами.