一种用于多格式视频信号切换的矩阵切换系统及矩阵切换方法

摘要

本发明公开了一种用于多格式视频信号切换的矩阵切换系统及矩阵切换方法，所述系统包括用以识别多种格式的视频信号将其转换成统一的光信号送至光矩阵主机，并接收反向传输的光信号形式控制数据的光纤发射转换器；用以完成视频信号转换传输过程且在进行视频信号转换传输过程中同步将与视频信号对应的控制数据转换成光信号后反向传输至光纤发射转换器的光矩阵主机；以及用以将光矩阵主机输送的光信号转成与后级显示设备可识别的电信号形式的视频信号的光纤接收转换器。本发明具有各路输入输出信号之间相互独立，若其中一路信号发生故障则不会影响其他路的信号传输；同时反向数据在光纤中同步传输可有效解决控制信号需通过专用线缆传输的问题等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及视音频技术领域及安防技术领域，具体说是一种用于多格式视 频信号切换的矩阵切换系统及矩阵切换方法。

背景技术

在视音频系统及安防系统中，矩阵切换器是不可缺少的设备；特别是随着 前端信号源种类多样化的出现，多格式矩阵应运而生，大大方便了系统的集成 安装；但是信号采集端与设备控制室之间的距离往往存在很多的不确定性，近 的小于数米，远的大于数千公里，而即使采用最好的同轴线缆也只能把高清信 号传送到几百米的距离；若是采用以远距离传输著称的IP网络又存在信号的安 全性、实时性等方面的担忧。

同时对矩阵切换器的前级设备--信号采集端的控制也是比较重要的环节，鉴 于控制接口一般为通用RS485；所以一般的应用需另外的控制信号线专门用于 传输485控制信号；且往往存在传输距离短，布线繁琐等方面的问题。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种用于多格式视频信 号切换的矩阵切换系统，该矩阵切换系统基于故障点分散的设计点，将现有的 多格式矩阵存在将信号处理与信号切换等功能集中于一台主机，转变为由光矩 阵主机主要负责信号的切换，光信号发射转换器负责输入信号的处理，光信号 接收转换器负责输出信号的处理；使得其在工作时，各路输入输出信号之间相 互独立，若其中一路信号发生故障则不会影响其他路的信号传输；同时将信号 按照传输需求对应转变为光信号或者电信号，以满足信号长距离传输需求。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种用于多格式视频信号切换的矩阵切换系统，其特征在于：

至少包括

与前级信号采集端连接的光纤发射转换器，该光纤发射转换器用以识别信 号采集端送出的多种格式的视频信号，将所述视频信号由电信号转换成统一的 光信号后送至光矩阵主机，并接收反向传输的光信号形式的控制数据；

与所述光纤发射转换器连接的光矩阵主机，该光矩阵主机用以完成视频信 号转换传输过程且在进行视频信号转换传输过程中同步将与视频信号对应的控 制数据转换成光信号后反向传输至光纤发射转换器；所述视频信号转换传输过 程是指在光矩阵主机的输入端将光信号形式的视频信号转换成电信号形式，通 过该光矩阵主机内部的中央处理单元完成电信号形式的视频信号的通道切换， 最后由输出端将所述电信号形式的视频信号转换成能够被光纤接收转换器接收 的光信号后送至光纤接收转换器；

与所述光矩阵主机连接的光纤接收转换器，该光纤接收转换器用以将光矩 阵主机输送的光信号转成与后级显示设备可识别的电信号形式的视频信号。

进一步的，所述光纤发射转换器、光矩阵主机以及光纤接收转换器均通过 单模光纤进行信号传输。

所述光纤发射转换器用以识别信号采集端送出的多种格式的视频信号，将 所述视频信号进行并串转换后将串行数据形式的视频信号由电信号转换成统一 的光信号并送至光矩阵主机，同时接收反向传输的光信号形式的控制数据，对 所述光信号形式控制数据进行解析并输出对应的485串行通讯数据；该光纤发 射转换器包括多格式视频信号输入模块、反向控制信号解码模块以及光电转换 模块；所述多格式视频信号输入模块连接前级信号采集端，用以将识别信号采 集端送出的多种格式的视频信号，将所述视频信号进行并串转换，即将视频信 号转换成易于远距离传输的串行数字信号；所述光电转换模块连接所述多格式 视频信号输入模块，用以将所述串行数字信号转换成统一的光信号并送至光矩 阵主机；所述反向控制信号解码模块连接所述光电转换模块，用以通过所述光 电转换模块接收反向传输的光信号形式控制数据，对所述光信号形式控制数据 进行解析并输出对应的485串行通讯数据；所述多种信号格式包括但不限于 DVI、HDMI、HDSDI、VGA、YPbPr以及CVBS视频信号格式。所述485串行 通讯数据要求符合RS-485串行标准总线的串行异步通信协议。

优选的，所述多格式视频信号输入模块包括用于把多格式视频信号转换成 并行数据的解码芯片以及把并行数据转换成串行数据的并串转换芯片；所述反 向控制信号解码模块包含用于逻辑转换的CPLD芯片及低速信号并串转化芯片； 所述光电转换模块包括SFP光电转换模块。

进一步的，所述光纤接收转换器用以将光矩阵主机输送的光信号转成电信 号形式的视频信号，并将该视频信号由串行数据形式转换后级显示设备可识别 的并行数据形式的视频信号；所述光纤接收转换器包括光电转换模块及视频信 号处理模块；所述光电转换模块用以将光矩阵主机输送的光信号转成电信号形 式的视频信号；所述视频信号处理模块连接所述光电转换模块，用以将视频信 号由串行数据形式转换并行数据形式的视频信号并将所述并行数据形式的视 频信号转换成能够被显示设备识别的视频信号。

优选的，所述视频信号处理模块包括将视频信号由串行数据形式转换为并 行数据形式的视频信号的串并转换芯片(如GS2960/GS2970)以及将所述并行 数据形式的视频信号转换成能够被显示设备识别的视频信号的视频编码芯片 (如TDA9984)。

进一步的，所述光矩阵主机包括输入端、中央处理单元以及输出端；所述 输入端用以将光信号形式的视频信号转换成电信号形式且同步将与电信号形式 视频信号对应的控制数据转换成光信号后反向传输至光发转换器；所述输入端 包括用以将光信号形式的视频信号转换成电信号形式的光电转换模块以及同步 编辑与视频信号对应的符合485串行通讯协议的控制数据并通过光电转换模块 将编辑好的视频信号转换成光信号反向传输至光发转换器的反向控制信号编码 模块；所述中央处理单元用以在切换指令的控制下完成电信号形式的视频信号 的通道切换以及监控矩阵切换过程的运行状态；所述中央处理单元包括作为控 制中枢，用于监控矩阵切换器的运行状态以及实时控制切换模块在切换指令的 控制下完成切换运行的ARM处理器模块以及在切换指令的控制下完成电信号 形式的视频信号的输入输出信号的交叉切换的切换模块；所述输出端用以对所 述电信号形式的视频信号进行时钟恢复处理并转换成能够被光纤接收转换器接 收的光信号；所述输出端包括用以对所述电信号形式的视频信号进行时钟恢复 处理的时钟恢复电路以及光电转换模块。

优选的，所述反向控制信号编码模块包括用以将与视频信号对应的符合485 串行通讯协议的控制数据通过逻辑编程编码编辑成并行数据的CPLD芯片以及 用以将所述并行数据转换成串行数字信号的并串转换芯片。

所述的切换模块采用GX3290、GX3246或M211XX任意一种芯片作为切换 处理芯片。

本发明的目的还要提供一种基于上述矩阵切换系统的矩阵切换方法，其特 征在于：包括如下步骤

(1)、通过光纤发射转换器识别前级信号采集端送出的多种格式的视频信 号，将所述视频信号由电信号转换成统一的光信号并发送出去，同时利用所述 光纤发射转换器接收反向传输的光信号形式控制数据，对所述光信号形式控制 数据进行解析并输出对应的485串行通讯数据；

(2)、通过光矩阵主机接收光信号形式的视频信号并将其转换成电信号形 式的视频信号，在切换指令的控制下完成电信号形式的视频信号的输入输出信 号的交叉切换后，将所述电信号形式的视频信号转换成能够被光纤接收转换器 接收的光信号后发送出去；在光信号形式的视频信号被转换成电信号形式的视 频信号的同时将与电信号形式的视频信号对应的控制数据转换成光信号后反向 传输至光纤发射转换器；

(3)、将接收到的光信号转成与后级显示设备可识别的电信号形式的视频 信号。

所述光信号均通过单模光纤在光纤发射转换器、光矩阵主机以及光纤接收 转换器之间进行信号传输。

进一步的，所述步骤(1)具体为利用光纤发射转换器识别信号采集端送出 的多种格式的视频信号，将所述视频信号进行并串转换后将串行数据形式的视 频信号由电信号转换成统一的光信号并送至光矩阵主机，同时接收反向传输的 光信号形式控制数据，对所述光信号形式控制数据进行解析并输出对应的485 串行通讯数据；所述多种信号格式包括但不限于DVI、HDMI、HDSDI、VGA、 YPbPr以及CVBS视频信号格式。所述485串行通讯数据要求符合RS-485串行 标准总线的串行异步通信协议。

进一步的，步骤(2)具体为利用光矩阵主机的输入端将光信号形式的视频 信号转换成电信号形式且同步将与电信号形式视频信号对应的符合485串行通 讯协议的控制数据转换成光信号后反向传输至光发转换器；在切换指令的控制 下由中央处理单元完成电信号形式的视频信号的通道切换即完成电信号形式的 视频信号的输入输出信号的交叉切换以及监控矩阵切换过程的运行状态；随后 对所述电信号形式的视频信号进行时钟恢复处理并转换成能够被光纤接收转换 器接收的光信号。

进一步的，步骤(3)具体为将光矩阵主机输送的光信号转成电信号形式的 视频信号，并将该视频信号由串行数据形式转换后级显示设备可识别的并行数 据形式的视频信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明采用单模光纤作为信号传输媒介，把多格式信号的处理机制由本 地推送到最远可达几十公里的远端，极大的方便了多格式信号的远距离传输； 同时简化了系统中控制专用线的使用；

2.通常说来，现有的多格式矩阵存在将信号处理与信号切换等功能集中于一 台主机，一旦主机发生故障则整个体系就处于瘫痪状态的缺陷；而本发明分散 了故障点的存在，光矩阵主机主要负责信号的切换，光信号发射转换器负责输 入信号的处理，光信号接收转换器负责输出信号的处理；各路输入输出信号之 间相互独立，若其中一路信号发生故障则不会影响其他路的信号传输；

3.同时反向数据在光纤中同步传输可有效解决控制信号需通过专用线缆传 输的问题。

附图说明

图1为本发明用于多格式视频信号切换的矩阵系统结构示意图；

图2为本发明用于多格式视频信号切换的矩阵系统实例电路结构示意图；

图3为本发明所述光信号发射转换器中多格式视频信号输入模块电路图；

图4为本发明所述光信号发射转换器中光电转换模块电路图；

图5为本发明所述光信号发射转换器中反向控制信号解码模块电路图；

图6为本发明所述光矩阵主机中输入模块电路图；

图7为本发明所述光矩阵主机中切换模块电路图；

图8为本发明所述光矩阵主机中输出模块电路图；

图9为本发明所述光信号接收转换器中光电转换模块电路图；

图10为本发明所述光信号接收转换器中视频信号输出模块电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对 本发明进行进一步详细说明。

如图1—图10所示，本发明提出了一种用于多格式视频信号切换的光矩阵 系统，满足了音视频及安防行业对多格式视频信号远距离实时传输的需求。

当前通用的普通多格式矩阵大大方便了不同种类接口的信号采集端视音频 信号的切换处理，但是信号采集端与设备控制室之间的距离远近不一，常见的 金属线缆往往满足不了信号远距离传输的需求，而光信号的安全性、实时性等 恰好弥补了这方面的需要；所以为传输光信号而发明的光纤矩阵系统正是多格 式矩阵发展的方向。通常说来，现有的多格式矩阵存在将信号处理与信号切换 等功能集中于一台主机，一旦主机发生故障则整个体系就处于瘫痪状态的缺陷； 而本发明分散了故障点的存在，光矩阵主机主要负责信号的切换，光信号发射 转换器负责输入信号的处理，光信号接收转换器负责输出信号的处理；各路输 入输出信号之间相互独立，若其中一路信号发生故障则不会影响其他路的信号 传输；同时RS485控制信号的反向传输利用光纤传输，代替了用于传输RS485 信号的电缆线，有效简化了控制线的布线繁琐等问题。

基于上述问题及原理，如图1、图2所示，本发明设计了一种适用于多格式 视频信号切换的矩阵切换系统，其包括光纤发射转换器、光矩阵主机以及光纤 接收转换器均通过单模光纤进行信号传输三个独立子系统，三个子系统之间通 过单模光纤进行连接，其通过三个子系统的配合实现了多格式视频信号远距离 传输的需求，对应的工作流程如下：

子系统之一的光纤发射转换器用于连接前端的信号采集端设备，并识别多 种格式的视频信号，视频信号经过电信号到光信号的转换后，在光纤发射转换 器内的视频信号转成统一的光信号发出；单模光纤作为光信号的传输媒介把信 号输入到子系统之二的光矩阵主机；光矩阵主机作为矩阵切换系统的核心部件， 主要用于完成视频信号的输入输出切换以及反向控制数据的传输处理，同时为 了保证切换后的视频信号的远距离传输，所需要将视频信号又重新转换成光信 号；光信号再次经过单模光纤的传输进入子系统之三的光纤接收转换器，光纤 接收转换器主要用于完成光信号到电信号的转换，对信号进行恢复处理后把电 信号转成视频信号连接后级显示设备。

具体的：

一、光纤发射转换器包括多格式视频信号输入模块、反向控制信号解码模 块及光电转换模块。

该光纤发射转换器的第一个功能是用于用以识别信号采集端送出的多种格 式的视频信号，将所述视频信号进行并串转换后将串行数据形式的视频信号由 电信号转换成统一的光信号，所述多种信号格式包括DVI、HDMI、HDSDI、 VGA、YPbPr及CVBS视频信号格式。其中，所述多格式视频信号输入模块连 接前级信号采集端，用以实现多种格式的视频信号的数字化即识别信号采集端 送出的多种格式的视频信号，将并行数据形式的视频信号经过串化电路进行并 串转换，即将视频信号转换成易于远距离传输的串行数字信号，优选的所述多 格式视频信号输入模块包括用于把多格式视频信号转换成并行数据的解码芯 片(如ADV7441)以及把并行数据转换成串行数据的并串转换芯片(如GS2962/ GS2972)；所述光电转换模块连接所述多格式视频信号输入模块，用以将所述 串行数字信号转换成统一的光信号经单模光纤送至光矩阵主机；所述光电转换 模块包括SFP(SmallForm-factorPluggable)光电转换模块，主要型号包括 Gennum、OVLINK等厂家产品。例如如图3所示，多格式视频信号经所述多 格式视频信号输入模块内ADV7441芯片的处理，转换成并行的视频数字信号； 再如图4所示，对应的并行视频数据经过GS2972芯片的串化处理完成视频数 字信号从并行信号到串行信号的转换，该串行信号直接输入SFP光电转换模块 转成光信号输出。

所述光纤发射转换器完成的第二个功能是实现反向的控制光信号(所述反 向光控制信号是相对于从光发转换器输出的视频信号的传输方向定义的一类信 号，该信号从光矩阵主机发出经光纤传输进入光发转换器)解析即接收光矩阵 主机反向传输的光信号形式的控制数据，对所述光信号形式的控制数据进行解 析并输出对应的符合RS-485串行标准总线的串行异步通信协议的485串行通讯 数据；所述反向控制信号解码模块包含用于逻辑转换的CPLD芯片及低速信号 并串转化芯片(可选用MAXIM半导体公司所生产的MAX9205/MAX9207等芯 片)；如图4所示，低速率信号串并转换芯片MAX9206接收SFP光电转换模块 输出的串行信号并完成信号的并行转换处理获得并行信号数据；并行信号数据 在CPLD芯片内部通过逻辑编程输出符合串行通讯协议的RS485信号。二、光 矩阵主机所述光矩阵主机主要用于完成视频信号的切换以及反向控制数据编码 处理即同步将与视频信号对应的控制数据转换成光信号后反向传输至光纤发射 转换器；所述光矩阵主机包括输入端、中央处理单元以及输出端；

所述输入端用以将光信号形式的视频信号转换成电信号形式且同步将与视 频信号对应的控制数据转换成光信号后反向传输至光发转换器；所述中央处理 单元用以在切换指令的控制下完成电信号形式的视频信号的通道切换以及监控 矩阵切换过程的运行状态；所述输出端用以对所述电信号形式的视频信号进行 时钟恢复处理并转换成能够被光纤接收转换器接收的光信号。

所述输入端包括用以将光信号形式的视频信号转换成电信号形式的光电转 换模块以及同步编辑与视频信号对应的符合485串行通讯协议的控制数据并通 过光电转换模块将编辑好的视频信号转换成光信号反向传输至光发转换器的反 向控制信号编码模块；所述反向控制信号编码模块包括用以将与视频信号对应 的符合485串行通讯协议的控制数据通过逻辑编程编码编辑成并行数据的 CPLD芯片以及用以将所述并行数据转换成串行数字信号的并串转换芯片(可采 用MAXIM半导体公司所生产的MAX9206/MAX9208等芯片)。

所述中央处理单元包括ARM处理器模块以及切换模块；所述ARM处理器 模块作为控制中枢，用于监控矩阵切换器的运行状态以及实时控制切换模块在 切换指令的控制下完成切换运行，其主要任务包括信号源端所有可控设备地址 的编码、外部通讯指令的处理等；所述切换模块用于在切换指令的控制下完成 电信号形式的视频信号的输入输出信号的交叉切换即实现m×n任意路输入输出 信号的交叉切换。所述m路输入信号对应在输入端的m路电信号性形式的输入 信号；所述n路输出信号对应输出端的n路电信号性形式的输出信号；所述的 切换模块采用GX3290、GX3246或M211XX作为切换处理芯片任意一种芯片。

所述输出端包括时钟恢复电路及光电转换模块；时钟恢复电路用于对电信 号形式的视频信号进行时钟恢复处理，以有效的提高电信号的质量，弥补信号 传输切换过程中的损耗、干扰等；所述光电转换模块用于完成电信号到可远距 离传输的光信号转换；同样可采用SFP光电转换模块。

为便于描述，此处仅以光矩阵主机的第一路输入和第一路输出举例说明。

如图6所示为第一路光输入模块处理过程，光信号经光纤传输后进入SFP 光电转换模块完成视频信号从光信号向电信号IN_P1/IN_N1的转换；所述电信 号IN_P1/IN_N1为差分信号可作为切换模块的输入信号用于切换；同时符合485 串行通讯协议的控制信号在CPLD芯片内部通过逻辑编程编码成并行数据，所 述并行数据由低速率信号并串转换芯片MAX9205转换成串行数字信号 DATA_TX+/DATA_TX-，所述串行数字信号经SFP光电转换模块转换成电信号 在光纤中反向传输。

如图7所示为光矩阵主机中的切换过程，根据光矩阵规模的需要选用不同 规格的切换芯片实现m路输入信号与n路输出信号间的任意路切换，如图6中 M21151芯片最大可实现144路输入信号与144路输出信号的交叉切换。在切 换模块中，其切换芯片(Crosspoint)可使用GENNUM公司生产的GX3290、 GX3246系列芯片，或者Mindspeed公司生产的M211XX系列芯片。

如图8所示为第一路光输出过程，在所述图7中切换模块的输出信号 OUT_P1/N1输入到时钟恢复芯片M08045进行时钟恢复，可有效提高信号的质 量，减小信号在一系列转换及切换处理后存在的信号损耗；经过时钟恢复后的 电信号输入SFP光电转换模块转成光信号输出。

三、光纤接收转换器

所述述光纤接收转换器用以将经过远距离传输后，由光矩阵主机输送的光 信号转成电信号形式的视频信号，并将该视频信号由串行数据形式转换后级显 示设备可识别的并行数据形式的视频信号；所述光纤接收转换器包括光电转换 模块及视频信号处理模块；所述光电转换模块用以将光矩阵主机输送的光信号 转成电信号形式的视频信号；所述视频信号处理模块连接所述光电转换模块， 用以视频信号由串行数据形式转换并行数据形式的视频信号并将所述并行数 据形式的视频信号转换成能够被显示设备识别的视频信号。

优选的，所述视频信号处理模块包括将视频信号由串行数据形式转换为并 行数据形式的视频信号的串并转换芯片GS2960/GS2970以及将所述并行数据 形式的视频信号转换成能够被显示设备识别的视频信号的视频编码芯片 TDA9984。

如图9所示经光纤传输的光信号输入到SFP光电转换模块转成电信号 Input_P1/Input_N1差分输出，所述串行差分信号经过GS2970芯片的处理完成 数字信号从串行信号到并行信号的转换，所述并行信号输入如图10所示的接口 芯片TDA9984转换成DVI/HDMI信号连接后级显示设备。

本发明还给出一种基于上述矩阵切换系统的切换方法，其包括如下步骤

(1)、通过光纤发射转换器识别前级信号采集端送出的多种格式的视频信 号，将所述视频信号由电信号转换成统一的光信号并发送出去，同时利用所述 光纤发射转换器接收反向传输的光信号形式控制数据，对所述光信号形式控制 数据进行解析并输出对应的485串行通讯数据；

(2)、通过光矩阵主机接收光信号形式的视频信号并将其转换成电信号形 式的视频信号，在切换指令的控制下完成电信号形式的视频信号的输入输出信 号的交叉切换后，将所述电信号形式的视频信号转换成能够被光纤接收转换器 接收的光信号后发送出去；在光信号形式的视频信号被转换成电信号形式的视 频信号的同时将与电信号形式的视频信号对应的控制数据转换成光信号后反向 传输至光纤发射转换器；

(3)、将接收到的光信号转成与后级显示设备可识别的电信号形式的视频 信号。

所述光信号均通过单模光纤在光纤发射转换器、光矩阵主机以及光纤接收 转换器之间进行信号传输。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。