Коммутаторы аудио. Видео-аудио коммутаторы Аудио коммутатор купить

28.03.2024

Коммутатор - прибор для замыкания и прекращения действия электрического тока, а также для перемены его направления. Матрица - двухмерный массив однотипных элементов. Положение элемента в матрице определяется номером строки и номером столбца

Начнем с основных терминов.

Коммутатор — прибор для замыкания и прекращения действия электрического тока, а также для перемены его направления. Матрица - двухмерный массив однотипных элементов. Положение элемента в матрице определяется номером строки и номером столбца. Матричный коммутатор - это двухмерное устройство размерностью NхM, позволяющее направлять сигналы N входов на М выходов.

Коммутатор может быть пассивным или активным . В пассивном устройстве происходит только коммутация сигналов: замыкаются или размыкаются контакты. Сам процесс коммутации может быть механизирован и автоматизирован, а может быть и ручным, именно так был устроен сто лет назад телефонный коммутатор.

В активном коммутаторе предполагается возможность какого-то воздействия на сигнал, это может быть усиление, регенерация или синхронизация, индикация и другие функции.

Наконец, коммутатор может быть реальным прибором, а может быть виртуальным, когда потоки данных перенаправляются программными средствами.

Наука о контактах

Механический контакт

Исторически именно механический контакт был первым - в гнездо вставлялся штекер. Простота и наглядность - вот достоинства решения. Используются такие коммутаторы и поныне. Даже не разбирая патч-панель, легко предсказать ее недостатки - невелик ресурс работы: в процессе эксплуатации изнашиваются контактирующие поверхности разъемов, ухудшаются контакты. Атмосфера не очень положительно воздействует на открытые поверхности, не спасает даже покрытие благородными металлами.

Использование кнопок или тумблеров позволяет разделить разъемы, кабели и коммутацию. В итоге удается оптимизировать каждое звено комплекса к решаемой им задаче, - по крайней мере, потенциально. Но все равно, сто тысяч переключений - несбыточная мечта и для разъема, и для тумблера.

И разъемы, и тумблеры предназначены для работы с ручным управлением. Автоматизировать процесс или обеспечить дистанционное управление механическим коммутатором весьма непросто.

Тем не менее, и «штекерные», и «кнопочные» коммутаторы пользуются заслуженной популярностью: просто, понятно и дешево - вот основные свойства этой линейки оборудования.

Механический контакт с электрическим управлением

Электромеханическое реле вполне подходит для решения коммутационных задач. Электрическое управление снимает трудности автоматизации и дистанционного управления. Для защиты можно поместить контактирующие поверхности в инертную атмосферу, в этом случае ощутимо улучшаются эксплуатационные характеристики. Именно так устроены реле с контактами, помещенными в герметичную стеклянную колбу, то есть герконовые. Сто тысяч переключений - не предел для коммутаторов на основе реле.

Электронный ключ

Канал полевого транзистора проводит или не проводит ток в зависимости от приложенного к затвору напряжения. Теоретически матрица из полевых транзисторов представляет собой великолепный коммутатор: элементарно решается вопрос автоматизации, нет изнашивающихся контактов, срок службы увеличивается на несколько порядков. Отсутствует и дребезг контактов - вечная проблема механических коммутаторов.

Но достоинства электронных ключей оказались настолько значимыми, что они перевесили недостатки.

Основные свойства коммутаторов и переключателей

Анализ эквивалентной схемы показывает, что по мере роста частоты сигнала будет уменьшаться затухание разомкнутой цепи. Конкретные цифры зависят от множества причин, прежде всего - от входного сопротивления приемника сигнала: чем R ВХ выше, тем легче проникает сигнал через емкость разомкнутого контакта.

При неудачном стечении обстоятельств затухание на верхней границе звукового диапазона частот может понизиться до 60 дБ, что заметно на слух. Вероятность такой ситуации невелика, потому что большинство устройств профессионального назначения имеют входное сопротивление 600 Ом или 10 кОм. Устройства с высокоомным входом (так называемый инструментальный вход - 100 кОм и более) подключать к механическому матричному коммутатору нужно с осторожностью.

Омическое сопротивление изоляции (порядка 10 9 Ом) механического реле обычно ничем себя не проявляет, и им можно пренебречь.

Собственно контакт может дать о себе знать. Хотя его сопротивление невелико (порядка 0,1 Ом), но оно оказывается зависимым, в частности, от протекающего через контакт тока и от других дестабилизирующих факторов. В результате по мере износа контактирующих поверхностей и изменения усилия их сжатия появляются дополнительные шумы, в цепях аналогового звукового сигнала они могут быть заметны. Нельзя забывать и про нелинейные свойства контакта в режиме микротоков. (В последнее время усилился интерес еще и к режиму нанотоков - прим. ред). Выпускаются специализированные реле, предназначенные для коммутации именно малых токов. Тарированные механические параметры контактирующих поверхностей, их особая конструкция и применение специальных материалов обеспечивают стабильную работу и при малых токах. У таких реле производитель гарантирует параметры контакта в диапазоне токов, например, от 10 -6 до 0,01 А. Простые реле предназначены для коммутации токов в существенно более узком диапазоне, обычно от 10 -3 А.

Иногда приходится сталкиваться с помехами от цепей управления: при подаче напряжения на обмотку реле появляется щелчок в сигнальной цепи.

Электронный ключ обладает несколько худшими электрическими характеристиками - сопротивление открытого ключа достигает десятков ом. Через запертый ключ протекает ток (порядка 10 -8 А). Для уменьшения влияния этих параметров на качество коммутации применяют различные схемотехнические решения. Дополнительный ключ замыкает сигнальную цепь, ощутимо увеличивая затухание: выигрыш может достигать 30…40 дБ.

Скорость срабатывания электронных ключей высока, весь процесс переключения заканчивается за время, не превышающее 10 -6 секунд. Механические коммутаторы работают не так быстро: задержка срабатывания реле составляет единицы-десятки миллисекунд, ручной коммутатор работает еще медленнее, речь идет о секундах на сам процесс переключения. Сюда же надо добавить еще и время, которое требуется оператору для того, чтобы обдумать решение, подойти к коммутатору и найти на нем нужный разъем или кнопку.

Электронные коммутаторы аналоговых сигналов защищены от помех от цепей управления ощутимо хуже, чем обычные механические реле. Совместными усилиями разработчиков микросхем и коммутаторов удалось снизить эти помехи до вполне приемлемых значений, но этот результат мы видим не во всех устройствах - высокое качество дешевым не бывает.

Несколько слов о качестве

Коммутатор предназначен для обеспечения взаимодействия источников и приемников сигналов, в том числе - исключения взаимного несанкционированного влияния. Именно поэтому кроме собственно переключателей в состав матричного коммутатора аналоговых сигналов могут входить буферные усилители, устройства для гальванической развязки и другие сервисные «мелочи». В этом случае качество коммутации практически не зависит от параметров источника и приемника сигналов, а трансформаторная развязка радикально уменьшает взаимное влияние устройств в коммутируемом комплексе.

На основе копеечных тумблеров или разъемов можно сделать матричный коммутатор с впечатляющими параметрами, и измерения покажут отличную картину. Напряжение собственных шумов составляет буквально единицы микровольт. Потери в замкнутой цепи - тысячные доли децибела, затухание разомкнутой цепи - далеко за сотню децибел. Нелинейные искажения - на пределе разрешающей способности лучших приборов.

Простота конструкции и «короткий путь сигнала» выглядят заманчиво, но не всегда позволяют получить хороший или хотя бы приемлемый звук. Взаимные помехи цепей, «петли» и контактные явления могут свести на нет все преимущества этой простой и красивой конструкции. Не будем забывать и про эксплуатационные свойства: механический коммутатор останется механическим, и автоматизировать его затруднительно. Напомню, что удобство работы - одна из составляющих качества прибора.

Параметры реально хороших коммутаторов выглядят не так красиво. Буферные каскады вносят искажения, развязывающие трансформаторы - тем более. В результате в таблицах появляются почти неприличные для сегодняшнего уровня техники параметры «К г = 0,1%», «диапазон частот от 20 Гц до 20 кГц при неравномерности 0,5 дБ». Такие приборы покупают не для глаз, а для ушей.

Цифровая механика

«Механический» коммутатор с кнопками и разъемами XLR может быть использован не только для цепей с аналоговыми сигналами. Его можно употребить и для коммутации цифровых сигналов формата AES/EBU. Некоторое отличие волнового сопротивления от номинального значения не повлечет за собой фатальных последствий. Дело в том, что физическая длина кабелей в таком коммутаторе существенно меньше длин волны и дополнительные потери оказываются несущественными.

При такой механической коммутации нас поджидают неприятности совершенно иного свойства. Отключение одного источника цифрового сигнала AES/EBU и подключение другого приведет к срыву синхронизации. Звук прервется на некоторое время, достаточное для того, чтобы заметить сбой. Аналогичная картина имеет место в телевидении: при «механическом» переключении источников картинка срывается. Через небольшой промежуток времени восстанавливается кадровая синхронизация, и изображение стабилизируется. Аналогично получается и при коммутации сигнала AES/EBU - нарушается кадровая синхронизация со всеми вытекающими последствиями.

Для исключения коммутационных артефактов принимаются специальные меры по синхронизации потоков данных и задающих генераторов устройств комплекса.

Польза коммутации

Вариантов использования коммутаторов много. В частности, этот прибор полезен в студии радиостанции для организации резервирования. Сигналы основных источников заведены на матричный коммутатор, через него же выходной сигнал студии подается на линию доставки.

Возникает вопрос: зачем это может потребоваться, ведь конфигурация студии остается постоянной? Действительно, в целом студия неизменна, но есть еще и частности. Самый совершенный пульт не обеспечивает абсолютной надежности. Выходят из строя блоки питания, ломаются разъемы, рвутся провода, цифровые системы «зависают».

При наличии матричного коммутатора нажатием на одну кнопку сигнал с выхода эфирного компьютера направляется на вход канала, все остальное оборудование исключается из тракта. Такая конфигурация студии дает возможность мгновенно, без перерыва вещания, перейти на резервную схему работы и спокойно заняться, например, ремонтом вышедшего из строя пульта.

Есть и другие примеры использования матричного коммутатора в радиовещании - обеспечение взаимодействия нескольких студий. Повинуясь воле выпускающего редактора, студия живого эфира становится репетиционной, вторая студия переходит в режим живого эфира, а в третьей начинается пресс-конференция с трансляцией видео. Для полноценного использования нескольких студий потребуется матричный коммутатор большой размерности или каскадное включение нескольких «маленьких».

В сложном цифровом комплексе встает вопрос организации управления потоками данных, то есть маршрутизации, а не просто переключения звуковых сигналов. Эта задача тоже решена, и пользователь получает в свои руки полное решение, включающее в себя, в частности, и матричный коммутатор. Но реализован маршрутизатор может быть не только как аппаратное устройство, но и как прикладная программа управления компьютером.

Что ж, компьютер - наше будущее. Еще немного, и именно компьютер без всякого участия человека будет сам направлять сигналы, вынимая и вставляя разъемы - развитие идет по спирали.

ЗАЧЕМ ЭТО НУЖНО?

Коммутация сама по себе имеет характер сосредоточенного действия, поскольку осуществляется с помощью специальных устройств – коммутаторов. Поэтому она в меньшей степени несет потенциальную опасность деградации сигнала, нежели распределение.

Коммутация используется и в телестудиях, и в презентационных системах, и в домашних кинотеатрах. Хотя требования к этим системам и различны, общие принципы остаются неизменными.

КОММУТАТОР ПО СВОЕЙ СУТИ

Коммутация может осуществляться с помощью обычных (несколько входов на один выход) и матричных (N входов на M выходов) коммутаторов.

Рис. 1. Что есть коммутатор

Это специализированные устройства, использующие механический переключатель или реле либо (в большинстве случаев) электронный ключ. Имеются коммутаторы с ручным (кнопочным) управлением, а также с электронным, использующим логические схемы и микропроцессор. Наиболее совершенные и сложные модели матричных коммутаторов имеют также дистанционное управление с пульта, по информационной сети (через интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485, Ethernet). Такие модели могут управляться с компьютера, в котором установлено специальное программное обеспечение, либо со специализированного контроллера.

Вся техника, имеющая несколько входов, оборудована и коммутатором для них

В презентационных или домашних системах коммутаторы зачастую встроены в другие приборы: AV-ресиверы, масштабаторы и т.д. Вся техника, имеющая несколько входов, оборудована и коммутатором для них (входы в телевизоре, усилителе, магнитофоне и проч.).

ТИПЫ КОММУТАТОРОВ

Механические коммутаторы против электронных

Механические коммутаторы – самые простые, дешевые и надежные. Переключение в них производится вручную, простым нажатием кнопки или поворотом ручки. Цепи от нужного входа перемыкаются с цепями выхода с помощью электрических контактов.

Достоинства механических коммутаторов:

Сигнал может передаваться не только от входа на выход, но и в обратном направлении
Практически отсутствуют внутренние шумы и искажения, очень большая полоса пропускания и почти неограниченная амплитуда сигнала
Не требуется питания, отсутствие питания никак не мешает передаче сигнала (это может быть не так в электронных коммутаторах)

Недостатки:

Подрывов избежать невозможно, т.к. в таком коммутаторе для этого недостаточно «интеллекта»
Сигнал никак не усиливается и не буферизируется, это накладывает ограничения на источники, приемники сигнала и длину соединительных кабелей
В матричном коммутаторе (который и вообще-то непросто сделать механическим) нельзя с одного входа раздать сигнал на несколько выходов (только с одного – на один)
Нет дистанционного управления, а возможности наращивания сильно ограничены

Электронные коммутаторы принципиально сложнее и дороже механических (а, значит, их надежность, в принципе, ниже). Раньше такие коммутаторы выполнялись на электронных реле, современные практически всегда используют электронные ключи, которые гораздо надежнее.

Достоинства электронных коммутаторов:

Электронная начинка позволяет принимать любые, сколь угодно изощренные меры для исключения подрывов (подробнее о проблеме подрывов см. ниже)
Можно реализовать дистанционное управление (по интерфейсам RS‑232/422/485, по ИК-лучам, через Ethernet, включать в различные большие системы управления)
Сигнал может быть усилен, перетактирован (для цифровых интерфейсов), буферизирован, можно выполнить его частотную и амплитудную коррекцию
Электронные матричные коммутаторы могут раздать сигнал от одного входа на любое количество выходов
Коммутаторы легко расширяются, запараллеливаются, каскадируются и т.д. (про это – ниже)

Недостатки:

Требуется электропитание, при отсутствии питания большинство коммутаторов вообще не передают какой-либо сигнал на выход, что может оказаться критичным для вещательных центров
Активные электронные цепи коммутаторов вносят кое-какие (пусть малые) искажения и шумы в проходящий сигнал. Они же ограничивают как полосу пропускания, так и максимальную величину входных сигналов.

Одноканальные коммутаторы против матричных

Многие простые системы не требуют более одного выходного канала коммутации. Для них широко используются одноканальные коммутаторы, которые идеологически построены проще матричных, и поэтому значительно дешевле.

По сути, однако, матричный коммутатор можно представить как несколько одноканальных коммутаторов, работающих вместе, причем входы их оснащены дополнительными усилителями-распределителями, как показано ниже 1 .

Рис. 2. Матрица 2х2 (2 входа, 2 выхода), собранная из пары усилителей-распределителей (УР) и пары одноканальных коммутаторов

По сути матричный коммутатор можно представить как несколько одноканальных коммутаторов, работающих вместе

Такую схему вполне можно собрать и использовать в реальной жизни, однако уже даже при размере матрицы 2х2 (показанной на рисунке) цена матричного коммутатора окажется не выше совокупной заменяющей схемы, а при любых больших размерностях матрицы она окажется заведомо дешевле такой схемы (не говоря уже об удобстве установки, управления и об экономии места в стойке). Впрочем, если используемые одноканальные коммутаторы оснащены проходными входами или отключаемыми терминаторами, и такие схемы могут оказаться весьма эффективными (подробнее об этом ниже).

Совмещенные коммутаторы

Очень часто приходится одновременно коммутировать несколько видов «разномастных» сигналов – например, видео и звук, сигналы управления и др. В этом случае удобно использовать приборы, совмещающие в себе несколько коммутаторов в одном корпусе. Этим достигается впечатляющая экономия и места, и денег, т.к. в таком приборе все коммутаторы по сути имеют общий корпус, блок питания, органы управления.

В совмещенном коммутаторе (например, для видео и аудио) почти всегда имеется режим как совместной коммутации этих сигналов (режим audio-follow-video), так и раздельной, независимой коммутации (режим breakaway), что дает нужную гибкость управления.

Некоторые матричные коммутаторы имеют режим разделения входов и/или выходов на логически независимые секции (режим matrix mapping), и использовать, например, часть входов/выходов под композитное видео, а другую часть – под компонентное видео. Разумеется, коммутатор не может преобразовать формат одного сигнала в формат другого, поэтому он просто работает в режиме двух коммутаторов в одном корпусе.

ПОЧЕМУ ТРУДНО КОММУТИРОВАТЬ

Вот основные трудности, с которыми сталкиваются инженеры при разработке коммутаторов:

обеспечить нужную полосу пропускания и запас по амплитуде для сигнала, при этом не внести в сигнал шумов и искажений
исключить проникновение сигнала с неиспользуемых в данный момент входов на выход («перекрестные помехи»)
исключить щелчки, помехи, подрывы изображения в момент коммутации (это особенно важно в ТВ-студиях)
для цифровых сигналов – обеспечить восстановление и перетактирование («реклокинг») входного сигнала, а иногда и «умное» взаимодействие с источниками и приемниками

Первые две трудности решаются тщательным подбором элементной базы и компонентов устройства, проработкой конструкции и разводки печатных плат и, конечно, опытом и талантом разработчика 2 . Подробнее мы рассмотрим способы решения остальных проблем.

ПОДРЫВЫ, КРУГОМ ПОДРЫВЫ

Подрывы в телестудиях

Если переключить сигналы с двух несинхронизированных источников в произвольный момент времени, на экране телевизора будет заметен подрыв изображения и кратковременный срыв
инхронизации

Особое значение в области коммутации телевизионного видео (особенно при организации, например, прямого эфира) имеет возможность выбора оптимального момента срабатывания ключей. Если переключить сигналы с двух несинхронизированных источников в произвольный момент времени, на экране телевизора будет заметен подрыв изображения (помеха, дерганье) и кратковременный срыв синхронизации. Подрывы можно условно разбить на 2 категории:

подрыв синхронизации, когда сигналы синхронизации от источников не совпадают по времени. Синхроимпульсы на выходе коммутатора «дергаются», и приемнику сигнала (скажем, телевизионному монитору) нужно некоторое время (иногда секунды), чтобы заново «отловить» синхронизацию и подстроиться к ней. Пока он этого не сделал, на экране будет прыгающая, хаотическая картинка (а то и вовсе никакой). Такой подрыв считается максимально тяжелым и абсолютно недопустим в ТВ-студиях.
подрыв изображения, когда очередной кадр (точнее, поле) картинки оказывается как бы разрезанным пополам – верхняя половинка еще поступила от первого источника сигнала, а нижняя – от второго (после коммутации). Кроме того, эти две половинки могут оказаться разделенными, например, черной или шумовой горизонтальной полосой. Хотя такой кадр «проскакивает» очень быстро, глаз успевает его отметить, поэтому такой подрыв также считается браком в работе студии.

Рис. 3. Откуда берется подрыв

Для борьбы с подрывами, согласно действующим стандартам, все оборудование телестудии жестко синхронизируется от общего («ведущего») генератора (genlock), поэтому все источники студии ДОЛЖНЫ работать синхронно по времени 3 . Это значит, что:

кадровый синхроимпульс от всех источников совпадает
порядок следования четных/нечетных полей одинаков
строчные синхроимпульсы совпадают
положение и фаза цветовой вспышки в синхроимпульсах строго одинаковы

При выполнении этих условий подрывы первого типа (синхронизации) невозможны. Чтобы исключить и подрывы изображения, коммутатор в ТВ-студии должен производить переключение источников в строго определенный момент времени – а именно в момент кадрового гасящего импульса, когда изображение зритель не видит.

Рис. 4. Коммутатор, работающий без подрывов

Разумеется, такой коммутатор также должен получать сигнал синхронизации от опорного генератора (или использовать сигнал с одного из своих входов) – иначе он не будет «знать» когда делать переключение.

Внешняя синхронизация источников видеосигнала со специального генератора – универсальный и относительно недорогой метод обеспечения качественной коммутации. При оснащении новых студий этот момент обязательно должен учитываться как один из приоритетных.

Рис. 5. Если источники (Видео1 и Видео2) несинхронны, подрывов не избежать

Внешняя синхронизация источников видеосигнала со специального генератора – универсальный и относительно недорогой метод обеспечения качественной коммутации

Решить проблему пост-фактум также можно, но ценой ощутимо возросших затрат, включив в аппаратурный комплекс блоки кадровых синхронизаторов 4 TBC (Time Base Correction). Это сложные устройства, позволяющие задержать видеосигнал на заданное время в пределах одного периода частоты кадровой развертки. Входной сигнал в кадровом синхронизаторе оцифровывается и «пережидает» нужное для точного совмещения с другим сигналом время в буфере, затем он подвергается обратному цифро-аналоговому преобразованию и подается на выход.

Применение TBC является обязательным, если при прямом эфире используются фрагменты с портативных носителей, из «чужого» эфира, от любительских камкодеров или бытовых DVD-проигрывателей

В отдельных случаях применение TBC, однако, является не вынужденным, а обязательным, если при прямом эфире используются фрагменты с портативных носителей, из «чужого» эфира, от любительских камкодеров или бытовых DVD-проигрывателей, которые невозможно включить в сеть синхронизации. В остальных же случаях обычно оказывается дешевле (и идеологически правильней) сразу устанавливать в студии профессиональное оборудование (видеокамеры, магнитофоны и т.д.), имеющее вход genlock.

Рис. 6. Введение в синхросетку студии несинхронного источника

Таким образом, реально переключение происходит не в момент произвольного нажатия кнопки или появления соответствующей команды в сети управления, а несколько позже (для видео - в пределах одного периода частоты кадровой развертки).

Подрывы в презентационных системах и домашнем видеооборудовании

В таких системах переключение входов производится обычно гораздо реже, чем в ТВ-студиях, а зритель готов мириться с некоторой нестабильностью картинки в момент коммутации. Обычно специальных мер по предотвращению подрывов и не принимается.

В то же время в более дорогих устройствах коммутации, ради дополнительного зрительного комфорта, и в ответственных презентационных системах, рассчитанных на работу с важной аудиторией, такие меры предусмотрены.

В системах данного вида источники сигналов (проигрыватели, компьютеры, эфирное ТВ, видеомагнитофоны и т.д.) практически всегда несинхронны, и искусственно их засинхронизировать (как было описано выше для ТВ-студий) оказывается крайне дорого. Кроме того, сигналы от таких источников зачастую представлены в разных форматах (например композитное видео, YUV, VGA или, например, аналоговый либо цифровой звук), и их сначала, до коммутации, надо как-то привести к единому виду.

Блок коммутации обеспечивает визуально гладкую смену одного изображения другим, применяя метод «перехода через затемнение»

В коммутаторах-масштабаторах , например, все эти проблемы решаются одновременно. Блок масштабирования приводит любой выбранный со входа сигнал к единому формату (обычно VGA или DVI/HDMI). Блок коммутации обеспечивает визуально гладкую смену одного изображения другим, применяя метод «перехода через затемнение». При таком переходе первое изображение плавно уводится в «черное», а затем из черного плавно появляется изображение от другого источника. Зрительно такой эффект воспринимается комфортно, а скорость переходов обычно можно регулировать. Подробнее о масштабаторах см. брошюру «Преобразование сигналов. Масштабаторы».

в некоторых презентационных коммутаторах используется метод «задержки сигнала»

При переключении между несинхронными источниками (например, сигналов VGA от нескольких компьютеров) в некоторых презентационных коммутаторах используется метод «задержки сигнала». При этом сигналы синхронизации (H и V) от одного источника переключаются сразу на второй, а вот каналы собственно изображения (R, G, B) на некоторое время уводятся в «черное». Монитор (проектор, плазма), использующийся в презентационной системе, некоторое время подстраивается под новые параметры синхронизации, при этом на его экране ничего нет (черная картинка). Когда подстройка закончена, коммутатор включает каналы RGB, и на экране сразу появляется устойчивая картинка от второго источника. И вновь, такой переход визуально комфортнее «прыгающей» картинки, которая получилась бы без использования задержки сигнала.

Помехи при коммутации звука

Аналоговые аудиосигналы коммутировать проще, поскольку в них отсутствует само понятие синхронизации. В то же время и здесь есть подводные камни - если не принимать особых мер, при коммутации могут прослушиваться щелчки.

Для корректной коммутации аудиосигналов используется специальная схема, с помощью которой переключение происходит в момент, когда мгновенные значения сигналов переключаемых источников равны нулю (схема просто ждет, когда такой момент наступит; аудиосигналы меняются очень быстро, и задержка коммутации оказывается практически незаметной).

Рис. 7. Щелчки при переключении аудиосигналов

Рис. 8. Способ избежать щелчков

Другой способ «мягкой» коммутации аудиосигналов - использование аудиомикшера или соответствующих цепей внутри коммутатора, когда первый сигнал плавно «уводится», а другой - «вводится» вместо него (при этом, конечно, неизбежна небольшая слышимая задержка коммутации).

Рис. 9. Мягкая коммутация с помощью микшера

КОММУТАЦИЯ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ

Работа с цифровыми сигналами (SDI, DVI/HDMI, Firewire/DV, AES/EBU, S/PDIF) имеет свои особенности, которые должны учитываться при построении коммутаторов и при работе с ними.

Перетактирование

Обычно все цифровые сигналы (как видео, так и аудио, равно как и большинство сигналов скоростных компьютерных интерфейсов) передаются в строгом соответствии с синхросеткой, т.е. «под руководством» специальных синхросигналов («тактовых» сигналов). Такие синхросигналы в явном или неявном виде обязательно передаются вместе с основным сигналом. Приемник на основе такой синхросетки может выделить полезный сигнал.

Пока все цифровые сигналы передаются ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО по аналоговым линиям связи (т.к. других пока не изобрели), и поэтому подвержены всевозможным искажениям и воздействию случайных факторов

Если бы в процессе передачи сигнал не «разъезжался» относительно синхросетки, проблем бы не возникало. Однако пока все цифровые сигналы передаются ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО по аналоговым линиям связи (т.к. других пока не изобрели), и поэтому подвержены всевозможным искажениям и воздействию случайных факторов. Поэтому реально принятый на конце длинной линии связи цифровой сигнал оказывается чаще всего сдвинутым по времени относительно «идеального». Самым грозным видом такого сдвига для распространенных видео и аудио сигналов является т.н. «джиттер», или фазовое дрожание. Принятые цифровые импульсы оказываются чуть уже или чуть шире исходных 5 . Если не принимать специальных мер, такие сдвижки могут привести к самым неприятным последствиям, вплоть до срыва или зашумления видеокартинки или «скрежета» в аудиоканале.

Для борьбы с этим явлением применяется т.н. перетактирование (или пересинхронизация, reclocking), т.е. искусственное восстановление правильной фазы («тактов») сигнала, с привязкой его к «идеальной» синхросетке.

Рис. 10. Джиттер и как его подавляют

Схема подавления джиттера точно «знает», в какой момент времени ДОЛЖЕН встретиться очередной фронт или импульс сигнала, и, если реально пришедший фронт или импульс отличается от ожидаемого не слишком сильно (т.е. джиттер еще не превысил критического значения), схема искусственно «подвигает» его на законное место. Чтобы схема могла работать, ей приходится «помнить» внутри себя идеальное положение тактов и синхросигналов (ведь их тоже надо как-то восстановить после длинной линии связи), что достигается с помощью изощренных инженерных решений (чаще всего используется кольцо ФАПЧ с инерционным звеном).

После перетактирования НИКАКОГО джиттера не остается

После перетактирования НИКАКОГО джиттера не остается (если он, конечно, изначально не превышал критического значения, после которого с ним уже не справиться). Обычно линии связи обеспечивают уровень джиттера, который легко парируется входными схемами приборов. Именно это позволяет говорить о том, что цифровые сигналы можно передавать ВООБЩЕ без потерь (в отличие от аналоговых, которые невозможно восстановить по какому-либо критерию на приемном конце).

Позволяет говорить о том, что цифровые сигналы можно передавать ВООБЩЕ без потерь

Перетактирование также позволяет многократно каскадировать цифровые приборы, т.е. включать последовательно, один за другим, много коммутаторов, распределителей и т.д. Если каждый прибор производит перетактирование, никаких потерь в системе не будет 6 .

Коммутатор цифровых видео или аудиосигналов, если он рассчитан на работу со сколько-нибудь длинными линиями связи (десятки метров и выше), должен быть оснащен схемами перетактирования по каждому входу.

«Умное» взаимодействие

Многие цифровые интерфейсы требуют, чтобы источник и приемник сигнала взаимодействовали друг с другом, например, обменивались некоторой технической информацией. При этом разработчики интерфейса обычно и не предполагали, что между этими двумя может оказаться включенным еще и какой-то коммутатор.

Именно такая история произошла с интерфейсами VGA (по спецификации VESA), DVI (и, чуть позже, с HDMI). Для этих интерфейсов требуется, чтобы дисплей обменивался с компьютером (или иным источником видео, скажем, с DVD-проигрывателем) служебной информацией по интерфейсу DDC. Без такого обмена некоторые компьютеры вообще могут не выдавать картинку на выход, а через интерфейс HDMI, например, не пройдет видео с кодированием HDCP.

В принципе, коммутатору ничего не стоит, кроме собственно цепей для видео, скоммутировать и цепи для обмена через DDC. На рис. 11 видно, что сигналами DDC будут обмениваться дисплей и компьютер 1.

Рис. 11. Проблема обмена служебными данными

Некоторые компьютеры вообще не будут загружаться, если к их видеокарте не подключен какой-нибудь дисплей

С этой парой все в порядке, а что же компьютеры 2 и 3? Они оказываются «брошенными», без подключенных к ним дисплеев. Возможно, выходы их видеокарт отключатся или перейдут в ждущий режим. Когда коммутатор переключится, например, на компьютер 2, последнему понадобится время, чтобы обменяться с дисплеем данными и ввести свою видеокарту в рабочий режим (а иногда в этом процессе бывают и сбои). Некоторые компьютеры вообще не будут загружаться, если к их видеокарте не подключен какой-нибудь дисплей.

Решение проблемы состоит в том, что коммутатор САМ считывает из подключенного к его выходу дисплея всю информацию DDC, которая может понадобиться в будущем. Впоследствии коммутатор САМ выдает эти данные по запросу в любой компьютер, который подключен к его входу. В результате компьютеры «думают», что к каждому из них подключен собственный дисплей, и охотно выдают картинку на выход.

По аналогичному принципу работают и многие чисто компьютерные коммутаторы (монитор + клавиатура + мышь), которые вынуждены имитировать мышь и клавиатуру для каждого из подключенных к нему компьютеров, хотя реальная мышь и клавиатура всегда подключена лишь к одному из них. В противном случае некоторые компьютеры вообще отказываются работать.

Коммутатор для интерфейса IEEE 1394 (Firewire), например, также вынужден «вести» себя, как концентратор в общей структуре шины, т.е. обладать «интеллектом», позволяющем ему участвовать в сложных процедурах обмена по этому интерфейсу (подробнее см. брошюру «Интерфейсы. IEEE 1394 (Firewire)»).

НАРАЩИВАНИЕ КОММУТАТОРОВ

Несмотря на наличие на рынке моделей коммутаторов с очень большим числом входов и выходов, нередки случаи, когда приходится наращивать возможности коммутационных устройств с помощью их каскадирования или параллельного включения по выходу. Например, такая ситуация возможна, если большой коммутатор не вписывается по габаритам и стоимости.

В зависимости от заложенных в коммутатор свойств, его наращивание может быть простым или сложным

Другой пример – необходимость «роста» системы по мере «роста» ее владельца. Приобретенный изначально коммутатор оказывается тесен, и становится важным, не теряя средств, уже вложенных в оборудование (т.е. не демонтируя старое), расширить его возможности.

В зависимости от заложенных в коммутатор свойств, его наращивание может быть простым или сложным. Рассмотрим несколько способов решения данной задачи.

Увеличение числа входов

Каскадирование коммутаторов осуществляется путем подключения выхода одного блока к одному из входов другого. Это возможно для коммутаторов любых типов, но не слишком удобно: добавляет лишнюю ступень коммутации, усложняет управление и выводит из оборота один из входов второго коммутатора.

Рис. 12. Каскадное включение

Гораздо выигрышнее параллельное включение по выходам : выходы нескольких устройств соединяются вместе («монтажное «или»). Правда, для реализации этого решения каждый коммутатор должен иметь функцию отключения выхода, а также логически (программно) поддерживать подобное включение, что есть не во всех моделях.

Рис. 13. Запараллеливание выходов

Увеличение числа выходов

Если имеющееся число выходов недостаточно, параллельно первому коммутатору можно поставить дополнительные, а их входы объединить. Для этого помимо самих коммутаторов используются усилители-распределители, имеющие несколько выходов (как было показано ранее на рис. 2).

Однако потребность в дополнительных устройствах – усилителях – исчезает, если обратиться к моделям матричных коммутаторов с проходными входами и выходами (сквозной канал). Каждый такой вход одного коммутатора соединяется с соответствующим выходом другого, а встроенный терминатор (резистор нагрузки линии) включается только в последнем 7 .

Рис. 14. Коммутаторы, объединенные по одному из своих входов через проходные выходы

В некоторых компактных коммутаторах для экономии места разъемы для проходных выходов не предусмотрены, хотя возможность отключения терминаторов имеется. В этом случае можно использовать недорогие T-коннекторы («тройники») для получения того же результата 8 . Их надевают на входы прибора (обычно разъемы BNC), а к двум оставшимся гнездам тройника подключают входной кабель и кабель к следующему коммутатору.

Объединение нескольких матричных коммутаторов как по входам, так и по выходам позволяет наращивать размерность коммутационной системы

Объединение нескольких матричных коммутаторов как по входам, так и по выходам позволяет наращивать размерность коммутационной системы: например, с помощью четырех блоков 16 х 16 можно получить матрицу 32 х 32. Иногда такие решения оказываются функционально более гибким и предпочтительным по бюджету: можно начать с системы на дешевом маленьком коммутаторе, и в дальнейшем наращивать ее, докупая дополнительные приборы.

Рис. 15. Увеличение числа входов или выходов одновременно
(Нажмите на фото для увеличения)

На рис. 15 приведен пример такого расширения коммутатора (видео+аудио); можно убедиться, что при увеличении вдвое числа входов и выходов приходится вчетверо увеличивать число матриц. Если понадобится еще двукратное увеличение (до 64 х 64), матриц понадобится уже 16 комплектов. При столь резком расширении наращивание системы отдельными матрицами становится невыгодным.

Если предполагается значительное расширение системы (более чем вдвое), лучше сразу приобретать коммутатор максимальной размерности, но укомплектованный лишь тем количеством блоков входов/выходов, которое необходимо вначале. Модульная конструкция многих приборов большой емкости позволяет реализовать такой подход. В дальнейшем, по мере роста системы, останется лишь докупить и установить недостающие модули, не связываясь с путаницей кабелей и сложным программированием систем, подобным показанной на рис. 15.

Наращивание функциональности

Кроме роста коммутаторов «вширь», возможен и рост их «вглубь», т.е. по типу поддерживаемых сигналов. В частности, видеосигналы форматов CV (композитный), YC (s-Video), YUV (компонентный) отличаются лишь числом видеоканалов (1, 2 или 3), которые надо коммутировать одновременно. В результате, построив систему с базовым качеством видео (CV), можно в дальнейшем улучшить ее до качества YC, а затем и до качества YUV.

Рис. 16. Наращивание матрицы «вглубь», по качеству сигнала

Для такого роста матричные коммутаторы должны «уметь» работать сообща (по нескольку штук впараллель), одновременно исполняя команды на коммутацию. Эта возможность должна быть оговорена в их характеристиках, однако и при ее отсутствии такую работу матриц может сымитировать правильно запрограммированная внешняя система управления.

Отметим, что, если полоса пропускания матриц изначально выбрана с определенным запасом, компонентный вариант позволит также перейти к работе с телевидением высокой четкости (для варианта 1080i необходима полоса пропускания более 70 МГц), а при добавлении матриц для каналов H и V – и с сигналами класса VGA. Подробнее о компонентных сигналах см. статью «Интерфейсы. Сигналы VGA и компонентный».

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ КОММУТАТОРОВ

Для удобства управления матричными коммутаторами, с помощью которых часто реализуют очень сложные коммутационные комбинации с множеством входов и выходов, предусмотрена функция отложенного срабатывания ключей (переключение с подтверждением). Необходимая комбинация входов и выходов набирается заранее, а в нужный момент эта комбинация активируется одним нажатием на кнопку Take. Та же процедура возможна и через интерфейсы дистанционного управления.

Несколько комбинаций входов/выходов могут сохраняться в памяти матричного коммутатора (например, кнопкой STO) и перебираться оператором произвольно (например, кнопкой RCL), что явно облегчает ему жизнь.

Преимуществом таких методов управления является и то, что все внутренние перекоммутации осуществляются одновременно и сразу (а не по одной).

Дополнительной полезной функцией матричного аудиокоммутатора (для аналогового звука) является возможность регулировки уровня сигнала по входу и/или по выходу. В этом случае входная регулировка позволяет выровнять все источники звука по уровню (с тем, чтобы при переключении не было резких скачков громкости). Регулировка уровня выхода может использоваться в качестве регулятора громкости. Например, в многокомнатных (многозонных) системах, где каждый выход матрицы работает на свою зону, слушатель в своей зоне будет регулировать уровень для своего выхода матрицы (о таком его использовании должна позаботиться централизованная система управления аппаратурой).

УПРАВЛЕНИЕ КОММУТАТОРАМИ

Большинство коммутаторов оборудовано собственными органами управления (кнопками, ручками, дисплеями), которые позволяют оперировать с ними в ручном режиме 9 .

Однако во многих случаях коммутатор, установленный в закрытой стойке где-то в аппаратной, оказывается труднодоступен. В этом случае на помощь приходят панели дистанционного управления, которые производители обычно выпускают для своих коммутаторов.

Обычно к одному коммутатору можно подключить сразу несколько панелей управления, установленных в разных местах

Пограммируемые панели позволяют, например, управлять только назначенными для них выходами матрицы, либо производить какие-то сложные, заранее запрограммированные действия нажатием одной кнопки. Обычно к одному коммутатору можно подключить сразу несколько панелей управления, установленных в разных местах.

Другой распространенный подход – использование управляющей системы на основе компьютера или специализированного контроллера. В этом случае возможна реализация сколь угодно изощренных алгоритмов управления (например, по расписанию, по плей-листу, в сочетании с системой «умный дом») и интерфейсов для пользователя. Большинство производителей снабжают свои коммутаторы бесплатным или продаваемым отдельно программным обеспечением для управления ими от компьютера.

Важно, чтобы производитель оборудования предоставлял описание своего протокола управления

Знание коммуникационного протокола, по которому осуществляется управление коммутатором, позволяет программисту настроить контроллеры или систему управления. Важно, чтобы производитель оборудования предоставлял описание своего протокола управления, в противном случае возможности построения произвольных систем будут ограничены только решениями данного производителя.

Обычно приборы имеют стандартные последовательные интерфейсы управления RS-232C, RS-422, RS-485. Эти традиционные интерфейсы имеют ряд ограничений, однако широко распространены и просты в использовании. В современных коммутаторах также широко используются компьютерные интерфейсы: Ethernet, USB, беспроводные: ИК-лучи, Bluetooth, Wi-Fi. В следующей таблице приведены краткие данные о популярных проводных интерфейсах.

Интерфейс	Скорость обмена 10	Разъем, кабель	Макс. длина	Особенности
RS-232С	75-115200 бит/с (чаще всего 9600 или 19200 бит/с)	DB-9 или DB-25, минимум 3 провода	15 м (стандарт), до 30-50 м (экранированный кабель, скорость до 9600 бит/с)	Встроен в компьютеры (РС, но не MAC). Легко «выгорает» при подключении «с искрой»
RS-422	до 1,5 Мбит/с	DB-9 или клеммы (стандарта нет), 2 витых пары + земля		Стандарт для управления Batacam/DVCam
RS-485	до 1,5 Мбит/с	DB-9 или клеммы (стандарта нет), 1 витая пара + земля	до 1,5 км (скорость 9600 бит/с)	Поддерживает много устройств на одной шине. Не защищен от коллизий, может работать неустойчиво
Ethernet	10 или 100 или 1000 Мбит/с	RJ-45, 2 витые пары	до 100 м	Может маршрутизироваться неограниченно, в т.ч. через Интернет. Задержки при управлении непредсказуемы и не гарантированы (зависят от загрузки сети в целом)
USB	11 или 400 Мбит/с	4-контактный, 4 провода	до 3-5 м	С помощью концентраторов (хабов) может быть удлинен до десятков метров
Firewire	100, 200, 400, 800 Мбит/с	4-контактный, 4 провода	до 5 м	Концентраторы или специальные удлинители-преобразователи позволяют продлить до десятков-сотен метров

1 Разумеется, при использовании УР с большим числом выходов и увеличении числа коммутаторов можно получить матрицы каких угодно размеров.
2 А также использованием дорогостоящих комплектующих и тяжелого и дорогого «железа». При построении коммутаторов, как и другого оборудования, постоянно приходится соблюдать баланс между ценой и качеством и искать оптимальные компромиссы.
3 В малых бюджетных студиях в качестве такого генератора иногда используют один из источников сигнала, отличающийся хорошим качеством и никогда не выключающийся. Все оборудование «привязывается» именно к нему. Это дает небольшую экономию бюджета, но может создать непредвиденные трудности, когда этот источник сигнала по ошибке все-таки выключат.
4 TBC также иногда называют по-русски «корректором временных искажений». Он же входит в состав «камерных каналов». Многие TBC «умеют» заодно и транскодировать системы ТВ (NTSC/PAL/SECAM), и обрабатывать видеосигнал в качестве видеопроцессоров.
5 Сужение или расширение носят случайный, шумообразный характер, и их обычно трудно как-то предугадать и скомпенсировать введением какой-то постоянной добавки (задержки).
6 Для аналоговых сигналов при каскадировании неизбежно накапливаются шумы, помехи и искажения, добавляемые в каждом каскаде системы. Это фундаментальное свойство; по этой причине следует избегать излишнего каскадирования в аналоговых системах.
7 Терминатор – согласованная нагрузка (обычно – резистор 75 Ом), нужен для согласования волнового сопротивления кабеля со входом прибора.
8 Удобны специальные тройники, у которых оба гнезда направлены в сторону, противоположную вилке (а не под 90° от нее) – Y-коннекторы; к ним гораздо удобнее подключать кабели в «гуще» проводов.
9 Некоторые большие коммутаторы могут и не иметь собственных панелей управления, т.к. в «ручном» режиме их практически никогда не используют. Они рассчитаны на работу только с внешними системами управления.
10 Отметим, что в большинстве приложений даже скорость 9600 бит/с для управления коммутатором оказывается избыточной.

К преимуществам матричного коммутатора аудио стоит отнести:

гибкая модульная архитектура, позволяющая «как из кубиков» собирать устройство под нужную задачу и доступный бюджет;
наличие множества функций и возможностей обработки звука, в том числе 15 различных фильтров, эквалайзеры, эхо и шумоподавители, лимиттры, АРУ, задержку т.д.;
комплектацию устройствами и интерфейсами дистанционного управления;
большое количество входов/выходов для подключения различного оборудования;
дополнение аппаратными и программными средствами подавления шумов, эха и т. д.

Среди интерфейсов в таких устройствах присутствуют микрофонные и линейные входы и выходы, телефонные разъемы, порты Ethernet и USB, выходы для усилителей. Кроме этого, данное оборудование имеет широкие возможности коммутации и микширования этих интерфейсов между собой, а также дополнения в виде ручных и автоматических микшеров.

Где применяется матричный коммутатор аудио?

Ситуация для которой разрабатывался этот коммутатор была следующей: есть некое помещение, где установлена звуковоспроизводящая система, которая непрерывно воспроизводит музыку с компьютера (ПК), однако имеется также ещё один источник сигнала - телевизор (ТВ), и соответственно при появлении звукового сигнала на его выходе, система должна переключиться на воспроизведение звукового сопровождения ТВ.

Как видно из схемы , управляющим для коммутатора является сигнал правого канала (R), поступающий с ТВ, он подаётся на усилитель, выполненный на основе ОУ - U1A. Необходимый для чёткого срабатывания устройства коэффициент усиления, этого каскада, можно настроить при помощи подстроечного резистора RV1. Далее усиленный сигнал подаётся на схему выпрямителя напряжения, выполненного на элементах C2, D1, D2, C3.

Выпрямленное напряжение используется для управления транзистором Q1, в базовой цепи которого имеется подстроечный резистор RV2, включенный параллельно электролитическому конденсатору C3, этим резистором можно настроить время «обратного» переключения, т.е. время через которое переключатель вернётся в режим ПК, после пропадания управляющего сигнала. Необходимо выбрать оптимальное время «обратного» переключения, чтобы оно не было слишком большим - например, звук с ТВ уже не поступает, а музыки с ПК всё ещё нет, и не было слишком маленьким - в этом случае коммутатор может переключаться в режим ПК даже на паузах в звуковом сопровождении ТВ.

С коллектора Q1 сигнал управления, для приведения к «цифровому» виду, поступает на вход инвертора с триггером Шмитта - элемента U3E. Переключатель SW1 позволяет выбрать режим работы устройства - автоматический, или ручное включение режима ТВ. Основой коммутатора является микросхема U2 4053 (CD4053, КР1561КП5), представляющая собой три двунаправленных аналоговых переключателя (используются только два из них - X и Z). Управление осуществляется по объединённым вместе входам A (11) и C (9), вход разрешения работы переключателей микросхемы Inh (6) подключён к общему проводу. При работе с аналоговыми сигналами, для микросхемы 4053, необходимо использовать источник отрицательного напряжения - вывод VEE (7).

Питание коммутатора осуществляется от простейшего двуполярного источника, выполненного по следующей схеме: сетевой трансформатор 6-0-6V / 500mA, четыре диода FR103, два электролитических конденсатора 2200uF/16V, интегральные стабилизаторы типа L78L05 и L79L05.

Операционный усилитель U1A - LM358M, в корпусе SO8 (используется только один усилитель из двух имеющихся в корпусе); микросхема U3 - типа 74HC14, в корпусе SO14 (входы 1, 3, 5, 9 неиспользуемых элементов этой микросхемы, необходимо подключить к её выводу 16 - «+» напряжения питания); в качестве подстроечных резисторов RV1, RV2 использованы миниатюрные типа 3329H; все постоянные резисторы - SMD (0805); электролитические конденсаторы C2, C3 - любые, подходящих габаритов; конденсаторы C1, C4, C5 - керамические SMD (1206).

Схемы коммутатора и его источника питания, смонтированы навесным монтажом на отрезках макетной платы, размещённых в пластиковом корпусе типа Gxxx, разъёмы для входных и выходных сигналов - типа «тюльпан», размещены на задней панели корпуса. На переднюю панель выведены переключатель SW1 и светодиод индикатора включения питания.

Данная схема разрабатывалась в сравнительно сжатые сроки, с использованием комплектующих которые, что называется «были под рукой», поэтому в ней есть некоторые «некрасивости» и неоптимальности, но тем не менее, устройство было сделано, и вполне успешно используется.

На сайте "Электрон55.ру" работает