Матричные коммутаторы
Константин Шебзухов, Владимир Куземко
В предыдущем обзоре матричных коммутаторов (625, 1997, №2) было
подробно рассказано о том, что такое коммутаторы и зачем они
нужны в видео и звуковых аппаратных. Тем не менее мы снова напомним
основные положения.
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.
В аппаратной, состоящей из двух видеомагнитофонов и одного передатчика,
можно обойтись и без коммутационного оборудования. По мере роста
комплекса увеличивается количество 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, так как жесткие связи, закрепленные в
ней, разрываются даже при незначительных топологических изменениях.
Все это приводит к необходимости применения конфигурирующего
элемента. Помимо этого, 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 режимах.
Рис.
1. Коммутационные панели фирмы Canare
В простейшей форме переключающими элементами могут стать ручная
коммутационная панель, система реле или переключателей. Такие
ручные коммутационные (patch) панели часто применяются на входных
и выходных линиях аппаратных (рис. 1). Более сложная коммутация,
в частности с разветвлением, требует применения активных электронных
элементов. Появление в девяностые 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 отказов оборудования.
Помимо того, улучшается ситуация с помехами и наводками.
Конструктивное исполнение
Современные коммутаторы выполняются в двух основных конструктивных
исполнениях: расширяемом и нерасширяемом. Нерасширяемые коммутаторы
обычно выполнены в моноблочных корпусах (рис. 2). Для увеличения
количества входов и выходов в системе приходится полностью заменять
такой коммутатор или объединять отдельные коммутаторы в общую
систему управления.
Рис. 2. (слева) Коммутатор видео и звуковых сигналов в моноблочном
корпусе производства фирмы Les
Рис. 3. (справа) Коммутатор аналоговых видеосигналов фирмы Philips
Расширяемые коммутаторы обычно выполнены в кассетных корпусах,
а для увеличения количества входов и выходов в такой системе
достаточно добавить новые коммутационные блоки в кассетный корпус
(рис. 3). Кроме того, зачастую туда, можно вставлять преобразователи
форматов, например, в смешанных аналого-цифровых коммутаторах.
Аналоговые коммутаторы
Аналоговые коммутаторы видео и звуковых сигналов имеют большое
количество модификаций: для работы с композитными и компонентными
(Y/C, YUV, RGB+Sync. и т.п.) видеосигналами, а также с симметричными
или несимметричными, стерео или моно звуковыми сигналами, начиная
от малых свитчеров 2~x~1 и заканчивая большими коммутационными
комплексами с сотнями входов и выходов. Помимо того, в аппаратных
часто требуется производить коммутацию сигналов управления (RS-422,
RS-232, GPI и т.п.), интеркома (внутристудийной связи) и других
сигналов, что делается при помощи специализированных коммутаторов.
У большинства производителей технические параметры (отношение
сигнал/шум, переходное затухание и т.п.) сходные, что определяется
элементной базой. По качеству коммутаторы условно можно разделить
на вещательные (отношение сигнал/шум не хуже 60 дБ), профессиональные
(56…60 дБ) и домашнее видео (хуже 56 дБ). Некоторые отличия имеются
в системах управления (возможность подключения дополнительных
панелей и пультов, управление от компьютера и через модем и т.п.).
Системы управления играют немаловажную роль в слаженной работе
коммутационного комплекса. Одним из показателей грамотного построения
коммутационного комплекса является отсутствие срывов синхронизации.
Основными причинами срывов синхронизации являются несинхронность
переключаемых сигналов или значительная разница постоянных составляющих.
Устраняется эта проблема синхронизацией всех источников от одного
опорного генератора или установкой синхронизаторов на входах
коммутатора (следует заметить, что эфирный микшер - это не что
иное, как коммутатор с синхронизатором по каждому входу и с эффектами
при переключении). Если проблема заключается в разных постоянных
составляющих сигналов (это может стать причиной "подрыва" и
при синхронных сигналах), то необходимо использовать приборы
для привязки уровня черного или коммутаторы с дифференциальными
входами, позволяющие не только устранить постоянную составляющую,
но и подавить фоновые помехи частотой до 1 МГц (наиболее эффективно
подавляется низкочастотный фон 50…100 Гц).
Коммутация звуковых аналоговых сигналов в аппаратных обычно
происходит вместе с видео, реже отдельно, поэтому часто коммутаторы
звука и видео выполнены или в одном корпусе с общей системой
управления или в разных корпусах, но связанные по управлению
между собой. В большинстве аппаратных имеются источники симметричных
и несимметричных звуковых сигналов. Корректное согласование уровней
при коммутации может осуществляться дополнительными преобразователями
или использованием коммутаторов со встроенным преобразованием
(KA-880NS, KA-1616NS производства фирмы ЛЭС).
Цифровые коммутаторы
С появлением цифровых видео и звуковых сигналов возникла необходимость
их коммутировать - так появились цифровые коммутаторы. Стандартом
звуковых цифровых сигналов де-факто стал AES/EBU последовательный
цифровой формат передачи по одной витой паре (110 Ом) или коаксиальному
кабелю (75 Ом). Важное отличие цифровых сигналов заключается
в возможности качественно передать по одному кабелю большое число
каналов звука (до 24 бит с частотой дискретизации от 32 до 96
кГц) даже без применения компрессии. Коммутация таких сигналов
может производиться по-разному 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. При корректной синхронизации
всего комплекса коммутация цифрового звука, встроенного (embedded)
в последовательный цифровой видеосигнал формата SDI, проблема
щелчков и треска не возникает.
Отдельно следует упомянуть Multichannel Audio Digital Interface
(MADI). В этих системах один коаксиальный кабель соединяет цепочкой
все потребители и 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.
В ходе развития цифрового видео появились несколько стандартов
передачи сигналов. Среди них, например, параллельная передача
цифровых сигналов с отдельной линией битовой синхронизации, которая
не получила большого распространения. 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 (error detection and handling) - EDH. Поддержка
EDH аппаратными и программными средствами коммутатора или коммутационной
аппаратной позволяет автоматически диагностировать источники
искажений потока цифровых данных и быстро локализовать неисправности.
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
количества ошибок. Использование EDH позволяет предотвратить
такую ситуацию. Остается только сожалеть о том, что в нашей стране
лишь в некоторых цифровых аппаратных используется эта полезная
особенность, зачастую пользователь даже не знает о ее наличии.
В настоящее время производятся коммутационные элементы, работающие
с потоками данных до 5 Гбит/с, в перспективе планируется увеличить
эту скорость до 10 Гбит/с. Для видеоприменений такие скорости
пока являются избыточными. Протокол SMPTE 292 оговаривает скорость
передачи данных 1,485 Гбит/с для телевидения высокого разрешения
(HDTV), в дальнейшем для передачи сигналов HDTV (1920~x~1080/60)
потребуется скорость до 2,97 Гбит/с и выше.
Необходимо также рассказать о новых интерфейсах SMPTE, которые
оговаривают использование видеосигналов MPEG и других форматов
цифрового сжатого видео. Некоторые MPEG-кодеры формируют выходные
сигналы в стандартах DVB ASI и SMPTE 310, при этом не все цифровые
коммутаторы, распределители и т.п. будут работать с этими сигналами
корректно. Дело в том, что сигналы ASI аналогичны SDI (SMPTE
259M) по скорости и уровням, но используют принцип кодирования
NRZ, а не NRZI как в SMPTE 259M. Из-за этого некоторые коммутаторы
и распределители SMPTE 259 пропускают сигналы ASI, но если выходы
инверcные, сигнал не проходит (некоторые производители указывают
возможность работы с сигналами ASI). Кроме того, многие цифровые
устройства вставляют в ASI сигналы TRS (последовательности строчной
синхронизации, присутствующие в сигналах SMPTE 259M), что делает
поток сжатых цифровых данных непригодным для использования. Протокол
SMPTE 310 описывает сигналы, которые используются на входе модулятора
8VSB американского вещательного стандарта ATSC. По электрическим
параметрам он похож на SMPTE 259, но имеет другую скорость передачи.
Новая версия SMPTE 310 приближена к требованиям SMPTE 259.
Еще один протокол SMPTE 305M (Serial Data Transport Interface)
является, пожалуй, наиболее перспективным для передачи сжатого
видео и других данных через стандартное оборудование SMPTE 259.
Протокол SMPTE 305M появился в результате разработок ведущих
производителей, таких как Sony, Panasonic и других. Ведутся работы
по согласованию аналогичных протоколов для передачи сжатых сигналов
через оборудование SMPTE 292 (HDTV). Отличительной особенностью
протокола 305M является возможность без дополнительных финансовых
вложений одновременной передачи нескольких сигналов MPEG по одной
соединительной линии в комплексе стандартного оборудования SDI.
Сейчас цифровые системы получают все большее распространение,
хотя аналоговые коммутаторы составляют пока подавляющее большинство,
и даже у крупных системных интеграторов телевизионной техники
в нашей стране на одну поставляемую цифровую систему приходится
более десяти аналоговых.
Гибридные коммутаторы
В больших телевизионных центрах, использующих сигналы различных
форматов и стандартов, коммутационный комплекс представляет собой
многослойную многоформатную систему. Большинство мировых производителей
настойчиво продвигает на рынке системы, которые позволяют осуществлять
плавный переход от аналогового оборудования к цифровому. Это
позволяет пользователю, постепенно вкладывая средства, повышать
уровень вещания. Переходы между элементами таких систем осуществляются
при помощи преобразователей сигналов (АЦП, ЦАП, транскодеры,
преобразователи звуковых форматов и т.п.). Такие преобразователи
могут быть включены непосредственно в состав коммутатора, либо
могут являться отдельными устройствами. О некоторых из них уже
было рассказано на страницах журнала, но более подробное описание
новинок требует отдельного обзора.
[дальше]
«625»
«Звукорежиссер»
«ТТК»
