本白皮書從傳統的中央式視聽信號切換系統開始，介紹了全新的革命性的分布式視聽信號切換，并把它與基于IT的桌面共享和流媒體系統進行了比較。
信號的交換和分配是專業視聽信號系統的核心
任何視聽信號系統都是由三個關鍵部分組成：
1) 信號源設備，例如PC或MAC電腦、DVD播放器、攝像機、麥克風等等。
2) 顯示設備，例如投影機、監視器和揚聲器等等。
3) 切換和分配設備，例如切換器、分流器、矩陣交換器、變換器、混音器、功放以及它們的控制系統。
絕大多數的信號源和顯示設備都是由某幾個大型制造商生產的。同一臺PC機幾乎可以用在任何系統上，不管系統是大還是小。大量的產品和它們之間的相似性，導致了制造商、安裝商和分銷商所能獲得的利潤很小。
另一方面，對每一種應用來說，切換和分配設備通常是專有的；這為每個制造商和安裝商利用自己的專有技術來盈利留下了大量的空間。這就是以InfoComm展會為代表的專業視聽產業的核心。
本文將主要討論切換和分配設備。
傳統的中央式交換系統
近一個世紀以來，我們所知道的唯一的信號切換和分配的方法，是把所有源信號都送到中央切換設備(一個大機箱)中，然后通過它再把信號分配到所有的顯示器。在IT界，這種系統被稱為星型拓撲結構。下面是這種系統的典型示意圖：
這種類型的系統運行良好，尤其是在I/O(輸入和輸出)設備不多的小型系統中。因為沒有其它方法可選，我們就把它當成了事實上的標準，即便它面對著下面幾個挑戰：
1) 布線的挑戰：因為所有的信號源和顯示設備都要連接到中央設備上，這些輸入和輸出線纜可能會很長，在中央設備這里會有大量的線纜；看看下面這些熟悉的畫面：
這些線纜往往需要埋在墻壁、天花板或是地板里面。而在用戶這一端，要把線纜掩飾得整齊就更困難了。想象一張具有20個PC接口的會議桌，有20根粗的VGA線要從桌面拖到地板上，這對安裝來說是非常困難的。
2) 線纜長度的挑戰：同樣是因為星型拓撲結構，所有線纜往往都很長。想象一幢商業大廈，設備安裝在不同的樓層，線纜需要從大樓的一樓或一邊拉到其他樓層或另一邊，這會非常長，這對模擬系統來說已經是一個挑戰，許多昂貴的延長放大器被制造出來以解決這個問題。現在對于數字系統來說，這是一個更大的挑戰。因為數字信號的遠距離傳輸更加困難。以HDMI為例，最好的線纜只能傳輸20米(60英尺)；最近市場上有一種解決方案，通過一對Tx(發送器)和Rx(接收器)可以傳輸100米(300英尺)；但這一對設備需要花費1,000美元。隨著越來越多的輸入輸出線纜使用這些Tx和Rx設備，系統的成本就會迅速增長。
3) 不同信號格式的挑戰：新的數字信號格式層出不窮，例如HDMI、HD-SDI、DisplayPort等等；還有大量傳統的模擬信號格式，像VGA、分量視頻，甚至還有仍在廣泛使用的復合視頻。中央設備只能切換和分配一種給定的信號格式。因此，對于所有采用與中央設備不同的信號格式的信號源和顯示設備，要在每個鏈接上加上一個圖像轉換器來進行設備與系統之間信號格式的轉換。但成本極高，并且使HDCP管理更加困難。
4) 系統升級或擴展的挑戰：系統安裝好以后，幾乎不可能再添加新的輸入或輸出設備進行擴展，也不可能再增加支持新的信號格式的硬件進行升級。這對用戶和安裝商來說都是一個很大的難題，因為技術每隔幾年就會發生變化，而系統的升級或擴展是不可避免的。
5) 單品和庫存管理的挑戰：這對終端用戶來說并不是個太大的問題，但卻使制造商和經銷商非常頭疼。因為每個中央設備的I/O(輸入和輸出)的數量都是固定的；制造商需要生產2路輸入1路輸出(簡寫為2×1)、4×1、8×1、16×1等規格的切換器，1×2、1×4、1×8等規格的分路器，以及2×2、8×4、4×8、64×64等規格的矩陣切換器，以便盡可能地滿足使用需求。其結果就是需要有上百種產品(單品)。最重要的是，因為一個上述設備只能處理一種信號格式，所以你也需要有能夠處理VGA、HDMI、DisplayPort等等信號格式的所有上述I/O尺寸的設備。這使總的單品超過了1,000。讓我們看一下某制造商網站上產品選擇列表的一部分；下圖選擇的是I/O尺寸，右上圖選擇的是信號格式。數百個單品的開發和制造的成本是非常高的，通過預測用戶的需求來管理庫存使每種單品保持在適當的數量也是非常困難的(這幾乎是不可能的)。經銷商也面臨著同樣的庫存挑戰。
6) 可靠性的挑戰：因為中央設備做了所有的工作，所以這是一個單點故障，如果這個設備壞了，那么整個系統就都癱瘓了。想象一個運行在證券交易所里面的256×256矩陣，像納斯達克那樣把股票信息分配到所有顯示器上，如果這個矩陣壞了會發生什么事？墨菲定律告訴我們：“凡是可能會出問題的地方，就一定會出問題。”越大的矩陣就越復雜，自身會產生更多的熱量，更容易出故障，更糟的是，也更難維修。
分布式視聽信號交換，規則的改變者
中央視聽信號交換系統已經使用了將近一個世紀，但事實并不意味著它一定是“正確的”方法，也不是唯一的方法。
一家總部位于美國加利福尼亞的公司Luxi電子公司決定挑戰這個上世紀的中央式視聽信號交換技術，他們發明了一種“創新的”方法，稱為“分布式視聽信號交換”。這種系統的拓撲結構被稱為“菊花鏈”。“Presenter”是Luxi Electronics Corp為它專利的分布式視聽信號交換產品線所注冊的商標。
Luxi分布式視聽信號交換的基本概念是每個源設備都連接到一個Presenter發送器(簡寫為Tx)；每個顯示設備都連接到一個Presenter接收器(簡寫為Rx)。每個Tx和Rx上都有2個RJ45接口，一個是用于菊花鏈的輸入，而另一個則用于輸出。用一根Cat6線纜把每個Tx和Rx連接成菊花鏈結構，就組成了整個系統。系統的切換是通過控制哪一個Tx把本地的信號插入到鏈路中。系統的分配是通過控制哪一個Rx從鏈路中提取哪種信號，并送到本地的顯示器上。通過使用多塊相同的Tx和Rx，我們可以形成任何大小的系統，而不用中央設備箱。把這個菊花鏈系統想象成一條流經所有Tx和Rx設備的河流，每個Tx都是一個把信號裝到船上去的碼頭，而每個Rx則是把信號從船上卸下來的碼頭。
多重信號可以在菊花鏈路(河)中傳輸，以實現一個真正的矩陣切換。請看下面的系統圖：
·傳統的接口或發送-接收器系統圖
·Presenter Tx和Rx系統作為接口、發送-接收器 或圖像轉換器
·用于無限制遠距離傳輸的Presenter 菊花鏈的Tx和Rx
·傳統的切換器系統圖
·Presenter Tx和Rx菊花鏈作為切換器
·傳統的分路器或分配放大器系統圖
·Presenter Tx和Rx菊花鏈作為分配器
·傳統的矩陣切換系統圖
·Presenter Tx和Rx菊花鏈作為小型矩陣切換器
每個Tx里都內建有圖像轉換器，可以把任何分辨率或刷新率的VGA／音頻、分量視頻／音頻、HDMI和DisplayPort信號轉換成Luxi公司所選擇的公共數字格式，這樣就可以在菊花鏈中流動。每個Rx里也內建有圖像轉換器，用于把公共數字格式轉換成適合于本地顯示器分辨率和刷新率的VGA／音頻或HDMI格式。為了降低成本，我們也有不帶內建轉換器的簡化版Tx和Rx。產品的照片如下：
上面的2個小盒子是不帶有圖像轉換器的簡化版Tx和Rx；下面2個較大的盒子是有圖像轉換器的版本。醒目的黃色RJ45接口用于菊花鏈的輸入和輸出。[page]
通過菊花鏈的Presenter Tx和Rx，我們可以組成任意I/O大小的發送-接收器、切換器、分配器、矩陣切換器以及圖像轉換器。這種革命性的分布式視聽信號交換解決了傳統的中央式視聽信號交換所面對的所有挑戰：
1) 線纜安裝的優勢：在菊花鏈的任何一點都只有一條Cat6線；因為不需要連接到中央設備的所有線纜，安裝商可以簡單地用菊花鏈方式把一個設備連接到下一個靠近的設備，線纜的安裝變得更為簡單。以前面提到的20個PC接口的會議室為例，現在你可以把20個Tx小盒安裝在桌面底下，并以菊花鏈的方式用Cat6短跳線把這20個小盒連接起來，然后用一根長的Cat6線從會議桌連接到顯示器旁邊的Rx上。
2) 線纜長度的優勢：因為不需要從每個房間都拉線到中央設備，所以每根線纜都變短了。此外，每個Presenter Tx或Rx還可以作為中繼器(刷新數字信號)，信號可以不斷從一個Presenter小盒傳輸到下一個小盒，信號的傳輸距離幾乎可以實現無限遠。例如，在一個機場信息系統中，每個到達和出發的信息顯示屏都需要連接到中央矩陣，線纜的長度可能達到幾公里(英里)。通過分配系統，信號可以用Presenter Tx或Rx中繼，從一個顯示屏群傳輸到下一個通常并不會離的太遠的顯示屏群。
3) 混合信號格式的優勢：每一個(全功能)Presenter Tx和Rx都內建有圖像轉換器。所有不同格式和不同分辨率的源信號通過連接的Tx轉換成統一的數字系統格式，再流動到菊花鏈中，每個Rx再把通用信號格式轉換成適合本地顯示屏格式和分辨率的數字信號。這種方法大大簡化了對信號格式的處理，信號切換也非常快，因為對每個Rx來說所有信號都是在本地隨時可用的；所有Rx需要做的事情只是選擇把哪一路解碼到本地顯示屏上；而不需要再與源顯示器重新進行信號交換。HDCP也能在每個Tx小盒本地進行處理，并再次在每個Rx小盒中進行，這樣整個系統就實現了完全的HDCP。
4) 系統升級或擴展的優勢：Presenter菊花鏈系統是十分有彈性的。你只需要簡單地增加或去除Tx或Rx小盒，就可以擴大或縮小系統的I/O大小。因為所有信號都在每個Tx處轉換成通用格式，在需要使用不同的或新的輸入格式時你只要簡單地替換掉Tx就可以了，現有系統也可以兼容所有其他的Tx和Rx。
5) 單品和庫存管理的優勢：Presenter只用2個單品(1個Tx和1個Rx)就非常簡潔地解決了傳統中央式視聽信號交換這個最令人頭疼的問題。這樣，經銷商只需要保持2個單品的庫存；安裝商也只需要培訓這2個單品，顧客只需要保持2個單品作為備件。
6) 可靠性優勢：相對于中央交換設備，每個Presenter小盒都更加簡單，自身的發熱量也更小，因此它們的故障率也更低。在Presenter系統中，當一個小盒或一根線壞了的時候，軟件可以立刻發出報警，并定位故障位置(比如，在Tx8和Tx9之間)。與中央式系統不同，就算發生故障，分布式系統也可以使用部分功能。例如，如果Tx8和Tx9之間的線纜斷了，那么所有從Tx9上游來的信號都不能通過鏈路，但從Tx8來的以及其他下游的Tx和Rx小盒仍然能夠工作。更重要的是，只需要幾分鐘就可以更換一個小盒解決問題，因為只有3根線連在上面；而更換小盒顧客自己就可以完成，因為只有2個單品。
7)系統控制的優勢：每個Presenter Tx或Rx小盒都有一個RS-232端口，系統中所有的RS-232端口連接起來用于雙向通信。這意味著用戶可以在系統的任何地方把他的控制設備插入任何Presenter小盒的RS-232端口，并控制每一個Presenter小盒以及所有連接到Presenter RS-232端口上的源或顯示設備。這是一個非常通用和強大的功能。
當前分布式視聽信號交換系統的限制：
沒有什么是完美無缺的。以下是當前分布式解決方案的一些限制：
1) 帶寬的限制：與中央式系統一根線傳輸一路信號不同，分布式系統中每根線都傳輸了所有的信號。由于銅制Cat6線纜的帶寬限制，我們最多只能在一根Cat6線上傳輸6個不同的信號(我們稱之為6路)。這對發送-接收器、切換器、分配器或圖像轉換器系統來說不是個問題，因為顧名思義這些系統每次只選擇一個信號。例如，在一個100×1的切換器系統中，盡管有100個源設備，但一次只選擇其中的一個。所以在發送-接收器、切換器、分配器或圖像轉換器系統中，單路Presenter系統就能完全滿足要求。這一限制只會影響到矩陣系統：對于一個6路的矩陣系統，源設備和顯示屏的數量仍然是無限的，但在任何時候只有6種不同的源信號可以被選擇，也就是說在所有顯示屏上只能有6種不同的內容。
Luxi電子公司正致力于兩種方案來解決帶寬的限制。一是利用光纖作為鏈路中的連接線，光纖巨大的帶寬可以一次傳輸更多的內容。現在的瓶頸是半導體的帶寬限制(ICs)。
另一個解決方案是增加一個叫做節點(Node簡寫為Nd)的設備。每個Nd有4個輸入接口，每個輸入接口連接一個完整的菊花鏈。每個Nd有4個輸出接口；每個輸出接口連接一個完整的菊花鏈。只需這3個單品，即一個Tx、一個Rx、一個Nd，我們就可以把系統擴展到無限(在任何菊花鏈上增加Nd，從而可以再增加菊花鏈，依次重復)。請看下圖，你可以說我們同時利用了菊花鏈和星型拓撲結構組成一個非常靈活的系統。例如，在不同的房間里有很多設備，你可以把一個房間內的所有設備組成一個菊花鏈，然后用一個Presenter Nd把所有房間的菊花鏈連接起來。這個方法可以讓信號在任意兩個房間之間傳輸，同時每個房間仍然是一個便于安裝的單獨的菊花鏈。
2) 小系統的成本相對較高：對于非常小的系統，像2×1切換器或1×3分配器，傳統的中央設備解決方案比分布式系統的成本更低，因為在分布式系統中用到的小盒更多。對于所有比這些更大的或是要使用非常長的線纜(這時中央式系統也需要用到Tx和Rx小盒)的系統來說，采用分布式系統的成本在絕大多數時候都具有優勢。
3) 不太適用于所有源和顯示設備在同一機架上的系統：在這些系統中，中央式機箱仍然是更加簡潔的方法。
為什么分布式視聽信號交換到現在才發明，而不是更早
如上所述，分布式系統中的信號流是從一個Tx或Rx流向另一個小盒，再到另一個小盒，依次類推。這種菊花鏈拓撲結構只能用于數字信號。在一個模擬的菊花鏈系統中，每經過一個小盒的信號質量退化都會積累起來；所以在經過3到4個小盒后，信號質量就會影響到使用了。在一個Presenter數字菊花鏈中，每個Presenter小盒對信號重新編碼，消除上一個小盒的任何抖動或錯誤，所以信號經過每個小盒后都跟原始的一樣，而且菊花鏈這種不積累信號退化的能力是無限的。分布式視聽信號切換只有在視聽信號行業轉換到HDMI和其他數字技術后才能實現。
基于IT的視聽信號流系統
不管是中央式還是分布式視聽信號交換系統都是基于視聽信號的系統。
近年來，基于IT的解決方案在視聽信號行業得到越來越多的應用。許多公司的視聽部門現在是IT部門下的一個單位。
你不能說一個具有RJ45接口的產品就是IT產品。以上詳細討論的Presenter產品不是IT產品，盡管它們使用了Cat6線纜組成了一個IT行業稱為環鏈的菊花鏈。
視聽系統和IT系統的關鍵區別：
1) 在源和顯示設備之間，視聽系統使用專門的物理連接，而IT系統使用虛擬連 接。
2) 在發送連續數據時，視聽系統沒有延時；而IT系統因為數據封包所以有延時。
3) 視聽系統不使用壓縮；而IT系統使用壓縮。
基于IT系統的解決方案的優勢是非常明顯的：
1) 標準化的、廣泛適用的并且通常更便宜的網絡硬件。
2) 靈活的信號格式。你可以在網絡上發送音頻、視頻、文件、PowerPoint等基本上任何一種數字格式。
3) 極遠的傳輸距離。通信公司已經在互聯網、手機網、衛星、Wi－Fi等網絡上投資了數十億美元，它們涵蓋了世界的每一個角落。
在IT網絡上傳輸視聽信號有以下幾個挑戰：
1) 帶寬的挑戰：一個未壓縮的1080p 60Hz的信號數據率大約是4Gbps。現在還沒有公共網絡可以處理這么高的傳輸速率。典型的互聯網連接的數據速率只有6-50Mbps；使用最廣泛的以太網也只有100Mbps。千兆以太網還處于初級階段。所以任何視聽信號必須壓縮后才能在IT網絡上傳輸。而視聽信號的壓縮損耗意味著復制的信號沒有原始的好。
2) 延時的挑戰：IP網絡的封包傳輸會帶來不可避免的而且難以預測的延時。另外，解碼器和編碼器在處理信號時也會帶來自身的延時。只要有壓縮，就會有延時。視頻壓縮具有非常高的壓縮率，必須使用幀間壓縮。對于幀間壓縮，編碼器或解碼器必須把幾幀的數字信號存儲到緩沖區(內存)，然后在這些幀之間執行復雜的運算。這將會導致2-14幀，也就是60-500ms的延時。如果內容是像電影那樣的連續媒體，這還不算糟。但是對于關鍵的任務，比如外科手術設備的控制，甚至簡單的視頻游戲，這種延時都是不能接受的。
3) 服務質量的挑戰：能夠使用通用網絡是基于IT的解決方案的最大優勢，這同時也是它最大的潛在問題。互聯網這樣的共享網絡會有數據堵塞。在你上YouTube時，就算是在非常快的互聯網上看碼率很低的視頻也常常會看到旋轉的鼠標箭頭。
4) 安全性挑戰：這是通用網絡的另一個副產品。視聽系統的安全防御措施是在受保護的建筑內用專用線纜進行物理安裝，這樣盜竊者就沒有辦法接觸信號的物理路徑。而IT系統的安全防御措施是在網絡上的每個人，包括盜竊者都能得到物理信號；但授權用戶可以對物理信號進行解密，而(希望)就算盜竊者拿到了信號也無法解密。大家都知道這能有多可靠。
5) 成本的挑戰：有些人可能會感到吃驚。低成本的硬件可能是基于IT系統的優勢，但是那指的是網絡硬件。而實時高質量的視頻編碼器(壓縮設備)是非常昂貴的。過去，它們是如此昂貴以至于只有電視臺、DVD出品商和政府才買得起。這個價格已經降下來很多，現在開始進入專業視聽行業。但上次我們查看的時候價格還在好幾萬美元的范圍。另一個成本是每個月基于傳輸數據量的網絡費用。傳輸的數據越多，費用就越貴。
有兩種主要的基于IT系統的類型應用于專業視聽信號行業：一種是桌面共享，另一種是流媒體。
請參考桌面共享系統圖：
通過USB線把每臺電腦和小盒連接起來。軟件存儲了PC桌面的快照，并通過Wi－Fi發送到接收機。每個小盒上都有一個按鈕。如果按下某個小盒的按鈕，它所連接的電腦的桌面就會發送到接收機并顯示在投影機上。如果不止按下一個按鈕，那么所有相關聯的電腦的桌面快照就會在投影機上通過多窗口進行顯示。
下面是桌面共享系統和以Presenter為代表的分布式視聽信號交換系統的一個簡要的比較：
優點：
1) 無線，易于安裝。
2) 多窗口比較從幾臺電腦來的信息。
3) 對多平臺的支持，PC、Mac等等。
缺點：
1) 刷新率低；根據使用樣機的體驗估計它只有4fps；鼠標在屏幕上跳動，而視頻片斷看起來不平順。
2) 不能播放任何HDCP保護的視頻；黑屏。
3) 最多只能4臺計算機。
4) 無線安全問題。
5) 無線可用性問題。
6) 4只鼠標組合要6,000美元；比Presenter貴多了。
7) 僅限于會議室應用。
視聽行業另一個基于IT系統的是流媒體。請看流媒體系統圖：
這是一個非常典型的流媒體系統。有些產品會提高壓縮質量、延時和安全性。但前邊討論的所有基于IT的視聽解決方案的優缺點，也使用這些流媒體系統。
結論：
在本白皮書中，我們討論了專業視聽行業中4種主要的視聽信號交換方法：基于視聽的中央式和分布式交換以及基于IT的桌面共享和流媒體。所有這4種都有各自的優缺點，請參考文章最后的比較表。對于許多小型視聽信號系統，或是源和顯示設備在同一個機架上的系統，中央式視聽信號交換系統是最佳的選擇；對于小型會議室協作，桌面共享是一種簡便的解決方案；對于省級之間的內容交換，流媒體是唯一解決方案；對于其他的應用，分布式交換解決方案是一個游戲規則的改變者。
電子科技在遵循著摩爾定律不斷發展。視聽信號分配的產業景觀在今后5年中也可能發生變化。但只有一件事情是從來不會改變：不斷創新、適應改變的公司將成為領導者。