通過集成濾波器實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量模擬視頻重建
2010/01/28
由攝像機(jī)捕獲的模擬視頻信號,為了便于傳輸通常把視頻信號數(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,量化后的視頻信號不會因?yàn)榇鎯蛡鬏敹档唾|(zhì)量。但為了便于人眼觀看,它還必須恢復(fù)成模擬視頻信號或模擬光影信號。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. 電視信號從模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,最后又恢復(fù)為模擬信號
考慮一個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?梢园凑找欢ǖ囊(guī)則重新整合圖片,使圖像質(zhì)量與原始的模擬輸入信號保持一致。
數(shù)字重建過程的最后,需要對視頻信號進(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通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行數(shù)字化處理,它在每個時鐘邊沿即時記錄數(shù)據(jù)(圖2)。模擬信號連續(xù)變化,而轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號時則是定時采樣。經(jīng)過數(shù)字處理和傳輸后,數(shù)字信號通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)變成模擬信號。DAC的輸出如圖2的右上角所示,箭頭代表時鐘信號。
圖2. 模擬信號和數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換波形
在每個時鐘瞬間,將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓,模擬信號將保持到下一個時鐘沿。輸出是一系列階梯,而原始模擬信號卻是平滑曲線。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。
從圖2所示時域圖可以看出,小的臺階會產(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)清信號的典型時鐘頻率是27MHz,高清信號時鐘頻率可以高達(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,產(chǎn)生混疊失真,從而破壞視頻信號。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,存在視頻和兩個鏡像頻帶(圖3a)。盡管大多數(shù)DAC能夠很好地均衡、抑制時鐘頻率,我們?nèi)匀粯?biāo)出了時鐘信號,以便清楚地表達(dá)圖像。這些邊帶是視頻信號和時鐘信號的和頻與差頻。右側(cè)鏡像邊帶與視頻信號的特性一樣,即視頻信號的低頻部分靠近并恰好高于時鐘頻率,高頻部分延伸到時鐘頻率的右側(cè)。
對于采用27MHz時鐘的標(biāo)清信號,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,視頻信號的低頻部分靠近并低于時鐘頻率,高頻部分延伸到最左側(cè)。因此,標(biāo)清信號下鏡像延伸到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時鐘頻率的高清信號,這個關(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鐘頻率處的頻譜重疊。這些疊加的鏡像邊帶信號(圖3d)與視頻信號相比具有隨機(jī)的相位差。圖4表示我們需要避免的圖像誤差。“邊緣擺動”是高頻邊緣干擾,它重疊在視頻信號上,具有隨機(jī)變化的相位。摩爾效應(yīng)是時鐘、視頻信號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DAC和一個ADC (圖6)。該系統(tǒng)的衰減為20dB (小于信號的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)動器,驅(qū)動信號在電纜上的傳輸。圖6右側(cè)用于信號接收,信號在經(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中,混疊到視頻信號中,從而降低視頻信號的圖像質(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,板上可能安裝錯誤的元件。量產(chǎn)時,可能會把原來要求270pF的電容錯誤地選擇成標(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)測試不會對每個參數(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時鐘具有大于38dB的衰減。
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