大规模音频矩阵内部切换新技术

2006-05-05 美国NVISION公司 Randy Hall 依马狮网

    【摘要】本文详尽闸述了大规模数字音频内部切换工作原理，并分析了NVISION结合TDM和SMA等技术应用在大规模音频矩阵上的独到方案，并通过对相关应用产品的解剖指出了该新技术在矩阵规模扩展等诸方面的优势。
    【关键词】 大规模矩阵 TDM SMA 数字音频
　　
    一. 引言
    在传统大规模视音频矩阵中的交叉点切换模块电路是整个矩阵系统的核心部分，但它实质上是一类电子开关，由系统控制将特定输入通道与特定输出通道联接或释放，如图1，输入2被联接到输出1，输入5同时被联接到输出2、4、5等等。

图1

尽管现代电子集成电路技术水平的高度发展，但交叉点切换技术仍然一直是矩阵设计制造中最核心的技术，由于其技术含量高，所以在整个矩阵系统中占的成本也很高。尤其是当矩阵的规模增大时，其交叉点的数量呈极快速的增长态势，不仅大大增加了设计和制造高可靠性高性能的大规模交叉点电路的成本和难度，而且交叉点的使用率却随着交叉点规模的增加而呈现急速下降的趋势。下表是NVISION公司所做的一个矩阵规模、交叉点数量和交叉点使用率的统计。

从上表可见，规模大的矩阵其所需的交叉点数量非常之大，而其使用率却越来越低，造成投入的很大浪费。介于此，人们把眼光投向时分复用技术（TDM）。

二. 时分复用技术在大规模音频矩阵中的应用
时分复用技术，在电信电话网中是基本的应用技术。矩阵切换就是很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2。

图2

1个AES帧（Frame）包含2个子帧（Subframe），在传送AES信号时，从时间线上看，每一个AES帧中的子帧1先传，接着传子帧2。
图3是TDM技术应用于矩阵切换的简单示例。

图3

我们知道传统的矩阵包括输入模块、交叉点切换模块和输出模块。在这里不需要交叉点切换模块。在这个采用TDM切换技术的架构中，有一条公共的数据总线，每一路输入在数据总线上指配固定且唯一的时隙，当需要把某一路输入联接到某一输出时，使信号能接通门电路，将输入信号至特定输出上，其数据总线的带宽要求大于输入信号的比特率与输入信号路数的乘积。下面以1比特的输入信号为例具体说明其工作原理。如图4，所有输入信号分配固定时隙且在某一时刻是唯一的，即让写驱动（Input Write Enables）能在按一定的时间关系打开门电路，让输入信号通过；相应读驱动使能（Input Read Enables）信号打开相应的输出端门电路，实现指定的输入与输出的通路联接。输入2被送到输出1，输出5被送到输出2。

图4

可见，采用TDM替代大规模矩阵的交叉点电子切换电路十分简洁，成本低。但这种方式也有两点不足：（1）正如前面提到的TDM其数据总线的带宽要求大于输入信号的比特率与输入信号路数的乘积。由于数字视频信号的码率已非常高了，显然这种技术无法用于视频矩阵中。所以一般用于音频、时间码等码率比较低的矩阵中，但用于大规模音频矩阵中时，如应用到256×256数字音频矩阵中时，其要求的数据带宽也约接近1Gb/s（数据计算见下文），因此采用TDM技术代替电子开关式的交叉点电路虽然成本和电路都简单了许多，但对制造特大规模的数据音频矩阵的技术要求一点也不低；（2）这种技术也有让人担忧之处，由于共用数据总线，当总线上的驱动器损坏或短路时，会不会导致整个系统的瘫痪？

三. NVISION的解决方案
NVISION创新地提出了一种融合TDM优点和IT技术的大规模音频矩阵的内部信号切换解决方案。其关键技术是共享存储架构（SMA）。

图5

如图5，将每一个输入的AES音频数据都写入共享存储器中，而输出时，根据指配的路由分配从存储器的特定单元将输入数据读出，如输出1读出的是输入1的数据，这就实现了从输入1到输出1的路由切换。这种方式的优点还很多，（1）可以实现单声道的自由切换，如输出3读的是输入1的1通道数据和输入2的1通道数据；（2）实现某一通道的重复输出，如输出2连续读出的数据是输入2的通道1；（3）实现两个声道的交换输出，如输出4读出的是输入4的通道2和输入4的通道1。而这些功能是用以往的电子开关式交叉点切换电路所无法实现的。同时NVISION还利用TDM技术实现多个矩阵机箱联接实现矩阵规模的扩展。