利用集成濾波器實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量模擬視頻重建

由攝像機(jī)捕獲的模擬視頻信號(hào)，為了便于傳輸通常把視頻信號(hào)數(shù)字化(圖1)。數(shù)字視頻有很多優(yōu)勢，它能夠根據(jù)對圖像質(zhì)量的要求進(jìn)行壓縮，量化后的視頻信號(hào)不會(huì)因?yàn)榇鎯?chǔ)和傳輸而降低質(zhì)量。但為了便于人眼觀看，它還必須恢復(fù)成模擬視頻信號(hào)或模擬光影信號(hào)。把數(shù)字視頻轉(zhuǎn)變成模擬視頻的過程叫做重建。然而，由于從數(shù)字域到模擬域轉(zhuǎn)換時(shí)的量化及其他問題，必須通過各種濾波技術(shù)消除摩爾效應(yīng)和圖像失真，從而得到高質(zhì)量的視頻。

圖1. 電視信號(hào)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后又恢復(fù)為模擬信號(hào)。

考慮一個(gè)由混亂無序模塊組成的七巧板，這些模塊奇形怪狀，看起來毫無規(guī)則，但在形狀上有一定的關(guān)聯(lián)。如果我們像兒童一樣去了解一些基本原則，對拐角、邊緣進(jìn)行篩選，即可重構(gòu)一幅圖像。類似地，數(shù)字視頻可能由無序傳輸?shù)膱D片組成，這些圖片包含了失真信號(hào)。可以按照一定的規(guī)則重新整合圖片，使圖像質(zhì)量與原始的模擬輸入信號(hào)保持一致。

數(shù)字重建過程的最后，需要對視頻信號(hào)進(jìn)行“模擬濾波”。七巧板中是通過人眼的視覺效應(yīng)實(shí)現(xiàn)“濾波”的，對于視頻圖像則需通過模擬低通濾波器實(shí)現(xiàn)。

采樣噪聲和鏡像衰減

由攝像機(jī)或其他設(shè)備捕獲的模擬視頻信號(hào)通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行數(shù)字化處理，它在每個(gè)時(shí)鐘邊沿即時(shí)記錄數(shù)據(jù)(圖2)。模擬信號(hào)連續(xù)變化，而轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)時(shí)則是定時(shí)采樣。經(jīng)過數(shù)字處理和傳輸后，數(shù)字信號(hào)通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)。DAC的輸出如圖2的右上角所示，箭頭代表時(shí)鐘信號(hào)。

圖2. 模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換波形。

在每個(gè)時(shí)鐘瞬間，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓，模擬信號(hào)將保持到下一個(gè)時(shí)鐘沿。輸出是一系列階梯，而原始模擬信號(hào)卻是平滑曲線。這稱為“采樣保持”或“矩形波”重建。需要模擬低通濾波器進(jìn)行平滑處理，以接近原始的模擬視頻信號(hào)。

從圖2所示時(shí)域圖可以看出，小的臺(tái)階會(huì)產(chǎn)生高頻干擾，但這種高頻干擾并不明顯。圖3提供了信號(hào)量化后的頻域效果，標(biāo)清(SD)、PAL(歐洲)和 NTSC(北美)視頻的帶寬大概是5MHz，高清(HD) ATSC 720p和1080i(美國)視頻的帶寬是30MHz。標(biāo)清信號(hào)的典型時(shí)鐘頻率是27MHz，高清信號(hào)時(shí)鐘頻率可以高達(dá)74.25MHz以上。

圖3. 頻譜混疊表示較差的視頻濾波引起的干擾。

奈奎斯特頻率為時(shí)鐘頻率的一半，這是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，因?yàn)樵趯υ寄M信號(hào)量化之前，必須把高于奈奎斯特頻率的視頻和噪聲禁止掉。如果存在高于奈奎斯特頻率的信息，它將混入低頻信號(hào)，產(chǎn)生混疊失真，從而破壞視頻信號(hào)。產(chǎn)生混疊后將無法消除，我們在后續(xù)內(nèi)容中將解釋這一點(diǎn)對家庭視頻系統(tǒng)的重要性。

在DAC輸出端，存在視頻和兩個(gè)鏡像頻帶(圖3a)。盡管大多數(shù)DAC能夠很好地均衡、抑制時(shí)鐘頻率，我們?nèi)匀粯?biāo)出了時(shí)鐘信號(hào)，以便清楚地表達(dá)圖像。這些邊帶是視頻信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的和頻與差頻。右側(cè)鏡像邊帶與視頻信號(hào)的特性一樣，即視頻信號(hào)的低頻部分靠近并恰好高于時(shí)鐘頻率，高頻部分延伸到時(shí)鐘頻率的右側(cè)。
對于采用27MHz時(shí)鐘的標(biāo)清信號(hào)，鏡像頻率最大值為5 + 27 = 32MHz。左側(cè)鏡像邊帶與視頻特性相反，視頻信號(hào)的低頻部分靠近并低于時(shí)鐘頻率，高頻部分延伸到最左側(cè)。因此，標(biāo)清信號(hào)下鏡像延伸到27-5 = 22MHz。了解系統(tǒng)頻譜的下限位置非常重要，以便抑制并降低其視覺影響。對于采用74.25MHz時(shí)鐘頻率的高清信號(hào)，這個(gè)關(guān)鍵頻率是：74.25 ?C 30 = 44.25MHz。

為了反映鏡像邊帶沒有衰減的效果，圖3b和3c示意了奈奎斯特頻率和時(shí)鐘頻率處的頻譜重疊。這些疊加的鏡像邊帶信號(hào)(圖3d)與視頻信號(hào)相比具有隨機(jī)的相位差。圖4表示我們需要避免的圖像誤差。“邊緣擺動(dòng)”是高頻邊緣干擾，它重疊在視頻信號(hào)上，具有隨機(jī)變化的相位。摩爾效應(yīng)是時(shí)鐘、視頻信號(hào)頻率之間相互作用的結(jié)果。

圖4. 較差的視頻濾波器引起的圖像干擾。

重建濾波器

從圖5可以看出重建濾波器的作用，利用參考書中提供的定理可以很容易理解頻譜混疊。通常，在頻域，頻率和放大倍數(shù)都采用對數(shù)刻度，重建濾波器的頻響特性表現(xiàn)為平滑曲線。然而，為了說明邊帶重疊的位置，我們用線性坐標(biāo)表示頻率和放大倍數(shù)。為了表示低通濾波器在同樣刻度坐標(biāo)下的衰減特性，從濾波器頻響曲線可以看出：對于有用的視頻信號(hào)衰減很少，對于鏡像頻率衰減較大。圖5b和5c顯示了混疊效應(yīng)，但是應(yīng)該注意到，與圖3d相比，圖5d中的鏡像頻率被顯著衰減。

圖5. 適當(dāng)?shù)闹亟V波器通過對視頻信號(hào)平滑濾波減小了頻譜混疊。

消費(fèi)類產(chǎn)品對于成本非常敏感，值得慶幸的是它們使用的模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換器非常少。在典型的家庭視頻通道中，如機(jī)頂盒+ 電視機(jī)構(gòu)成的通道中只使用一個(gè)DAC和一個(gè)ADC (圖6)。該系統(tǒng)的衰減為20dB (小于信號(hào)的10%)，這是可以接受的。機(jī)頂盒和LCD電視通常都有至少12dB的低頻鏡像邊帶衰減。兩個(gè)具有12dB衰減的濾波器加起來可以產(chǎn)生 24dB的鏡像抑制。故與20dB衰減的要求相比提供了足夠的設(shè)計(jì)余量。

圖6. 用于家庭電視系統(tǒng)的視頻重建濾波器和抗混疊濾波器。

圖6左側(cè)是機(jī)頂盒或DVD機(jī)的框圖，片上系統(tǒng)(SOC)包含了DAC，輸出經(jīng)過低通濾波器（例如MAX7443）進(jìn)行視頻重建。濾波器芯片還包含75Ω同軸電纜驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)信號(hào)在電纜上的傳輸。圖6右側(cè)用于信號(hào)接收，信號(hào)在經(jīng)過抗混疊濾波器后送入電視機(jī)SOC的ADC。

通常消費(fèi)者要面對多個(gè)系統(tǒng)設(shè)備，其中包括新設(shè)備。假如圖像質(zhì)量劣化，常常歸咎于“新添加的設(shè)備”。然而，這種結(jié)論往往并不正確。例如，假如消費(fèi)者更換了一臺(tái)新的DVD設(shè)備。如果現(xiàn)有的LCD電視的輸入濾波器較差(2dB的衰減)，舊的DVD播放器剛好具備非常好的輸出濾波器(18dB衰減)，而新的 DVD的濾波特性較差或沒有濾波器(6dB甚至更低衰減)。由此可見，舊的DVD和LCD電視能夠提供20dB的衰減，而新的組合只有8dB衰減。雖然 LCD電視對視頻誤差負(fù)有更大的責(zé)任，但消費(fèi)者還是決定退還新購置的DVD播放器。

請注意奈奎斯特定理非常關(guān)鍵，因?yàn)樵贚CD電視重新對DVD模擬信號(hào)數(shù)字化之前，必須把高于奈奎斯特頻率的視頻成分和噪聲消除掉。假如高于奈奎斯特頻率的信息仍然存在，它將混合到低頻信號(hào)中，混疊到視頻信號(hào)中，從而降低視頻信號(hào)的圖像質(zhì)量。

解決方案

然而，機(jī)頂盒、DVD播放器和電視廠商如何避免他們的產(chǎn)品出現(xiàn)“售后缺陷”？

首先，需要提供設(shè)計(jì)要求的濾波特性。有些制造商可能使用分離的電感、電容組成濾波器。然而，這些濾波器參數(shù)受限于生產(chǎn)中的誤差，板上可能安裝錯(cuò)誤的元件。量產(chǎn)時(shí)，可能會(huì)把原來要求270pF的電容錯(cuò)誤地選擇成標(biāo)有“270”的卷帶盤，這些電容的實(shí)際容值為27pF。從而導(dǎo)致濾波器通過不需要的高頻成分，造成設(shè)備的圖像失真。出于成本考慮，最終的生產(chǎn)測試不會(huì)對每個(gè)參數(shù)進(jìn)行測試，多數(shù)情況下并不測試濾波器的帶寬。

其次，使用衰減抑制至少10dB以上的濾波器。額外的衰減抑制會(huì)避免顧客退貨，使顧客對廠商的產(chǎn)品感到滿意。

Maxim的濾波器有助于改善上述兩種“售后缺陷”，Maxim的集成濾波器在安裝到廠商的PCB板之前，由Maxim自動(dòng)測試設(shè)備(ATE)對帶寬指標(biāo)進(jìn)行了完全測試。Maxim的濾波器提供比典型的行業(yè)要求更高的衰減。例如，針對標(biāo)清電視設(shè)計(jì)的MAX7443能夠提供了大于30dB的鏡頻衰減，對27MHz時(shí)鐘具有40dB的衰減。針對高清電視設(shè)計(jì)的MAX9500能夠提供了大于38dB的鏡頻衰減，對于74.25MHz時(shí)鐘具有大于38dB的衰減。