模拟视频技术和应用（三）

作者：Randy Stephens，成员组技术骨干，德州仪器 模拟视频信号已经应用了几十年，至今仍在使用。最原始且最常见的通用视频标准包括了NTSC（美国国家电视系统委员会）以及PAL（逐行倒相制式）。其它的现代消费模拟视频传输系统包括了S-Video、分量视频(Component Video)、专业G'B'R'视频以及计算机R'G'B'系统。本文将探讨部分模拟视频信号的需求，并讨论它们之间有何相似点和差别以及如何简化此类视频系统的模拟输入/输出设计。 模拟滤波 为何滤波甚至可用于模拟视频呢？依照最初的情形，模拟视频信号通常转换为数字视频信号，反之亦然。对于诸如DVD录像机等显示及接收设备来说，转换意味着需采用模数转换器(ADC)来实现。对于机顶盒及DVD播放器来说，转换意味着需采用数模转换器(DAC)。但不管是ADC还是DAC都具有采样频率所确定的镜像。此类镜像可混叠(“fold”)至基带并导致图像质量的下降。 尽管DAC或ADC具有数字滤波的能力，转换器外部的模拟滤波器仍然是必须的。镜像在此类系统中将持续存在，除非进行滤波。其原因很简单：转换器仍在采样并因此而产生镜像。 为满足SMPTE滤波的需求，系统整体应满足一定标准，而不仅仅是其本身的滤波器。许多DAC都已经具备了数字滤波及插值滤波器。为转换器本身提供了极大的帮助。在此基础上再结合模拟滤波器，即可满足SMPTE的需求。 为了保持良好的成像质量，此类数据转换器的镜像必须被滤除（敬请参见图2）。此时，在信号通路上配置模拟滤波器就显得极为重要。在使用了DAC的系统上，很重要的一点是需采用滤波器消除DAC的镜像（又称为重建滤波器[reconstruction fliter]）。而在诸如显示器的输入设备上，也绝对的要求采用滤波器。 因为显示器实际上可能连接到任意信号源，而此类信号源很可能不具备滤波功能，或是滤波能力匮乏。此外，当接口存在强电磁干扰(EMI)时，ADC的抗锯齿滤波器将能使任意视效上的问题最小化。同时，作为附带的优势，抗锯齿滤波器还同时降低了信号的总体噪声电平（通过降低带宽）。 通过滤波抑制标准分辨率视频的DAC镜像 同时消除DAC及ADC的镜像将改善视效质量。但是，该采用何种滤波器？其众多极点又该如何选择呢？对于视频信号来说，什么样的转降频率(corner frequency)、平坦度以及群延迟(group delay)又是最合适的呢？如果向10个工程师提出上述问题，你有可能得到10个不同的答案。 在最初的情况下，针对于每一视频信号的转降频率可相对简单的确定。理想的状况是具有尽可能平坦的通带，并在接近数据转换器采样频率点后最大程度的衰减。如果仅有上述需求，您一定会想到椭圆型或切比雪夫型(Chebyshev)的滤波器。在仅关注幅度的平坦度及衰减时，此类滤波器是理想的——可支持任意系统以满足SMPTE滤波器特性需求。但群延迟是不能被忽略的，因为SMPTE标准同样包含了对群延迟的限定，系统应该同时满足上述因素，而不仅仅是某一方面。 群延迟定义为相位的改变量（弧度/秒）除以频率的改变量。群延迟越为平坦，相位随频率的变化就越为线性化。在时域，这对于脉冲响应是极为重要的。模拟信号传输系统首要考虑的就是基于时间的系统。假设某视频显示的每一像素都从纯黑变化至纯白，而后又从纯白回复到纯黑。这就意味着在某一像素帧，视频信号电压将从0mV尽可能快的提升至700mV，而后在下一像素帧又回复到0mV。如果在不同的频带具有不同的群延迟变化量，则将会发生过冲(overshooting)及振荡(ringing)。椭圆型及切比雪夫型滤波器由于群延迟变化过大，因而将会产生振荡响应。在显示时，此类振荡将产生叠影(ghosting)或边沿模糊——尽管拥有幅度衰减上的优势，但不足以掩盖此缺陷。 因此，必须很好的平衡幅度平坦度、转降频率、衰减及群延迟方能实现一个可满足要求的视频滤波器——这就是在该问题上存在诸多不同观点的原因。通常公认的做法是采用巴特沃斯(butterworth)滤波器作为可接受的折衷，以用于消费视频。此类型的滤波器具有极大的平坦幅度响应、合理的衰减速率以及可接受的群延迟。巴特沃斯滤波器不是绝对完美的，但大抵足以满足上述系统。 滤波器示例 源自德州仪器的新型THS73x3系列集成滤波器/放大器采用了改进的五阶巴特沃兹滤波器。其改进稍稍降低了Q值，或称峰值因子(peaking factor)。并尽最大努力最小化了群延迟改变量。其缺点是通带平坦度不及真正的巴特沃斯滤波器，但衰减特性近乎一致。 该系列器件采用了五个极点，而非四或六个极点，因为奇数阶的滤波器具有真正实数极点，较之偶数阶滤波器所实现的复数极点更具优势。尽管某些人认为实数极点无关紧要，但真实世界体验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 了实数极点可使有源滤波系统真正受益，特别是在采用Sallen-Key架构时。Sallen-Key系统所具有的高频信号通路贯穿整个系统，可相对轻松的实现高于放大器带宽限制的高频信号传输。系统中的实数极点将任意高于放大器带宽限制的高频信号分流至地，从而有助于确保滤波器在极高频率下依然可滤波。 为了极力说明群延迟及幅度平坦性的效果，TI的网站提供了使用滤波器高级程序(Filter Pro Program)所仿真的其它滤波器。如所仿真的五极点、0.5dB切比雪夫型滤波器，转降频率（-0.5dB下降）为10MHz。此外还仿真了五阶改进型巴特沃斯滤波器，转降频率（-3dB下降）为8.5MHz。图3展示了两个滤波器的幅度响应。切比雪夫滤波器具有所预期的0.5纹波，但其“平坦区域”超过10MHz，极大地超过了巴特沃斯型的平坦度。此外，切比雪夫型的衰减速率也更高，在27MHz的临界点处衰减超过了56dB。巴特沃斯型在27MHz处仅可达到46dB。但实际上，46dB的衰减通常已经足以满足视频系统。 图3：滤波器幅度响应 图4展示了滤波器的相位及群延迟响应。切比雪夫型滤波器相对于巴特沃斯型滤波器具有更大的群延迟改变量，特别是在降频率处。该特点在相位响应上依然可见。需要记住的是，对于绝大多数的系统，群延迟的绝对值是本质上相关的。因此群延迟的变化量更为重要。 图4——滤波器群延迟及相位响应 图5展示了采用不同滤波器系统的脉冲冲击响应。脉冲转换时间为37ns，为27MHz DAC理论上所能提供的阶跃。改进型的巴特沃斯滤波器具有较小的群延迟改变量，其响应更为优良。两种滤波器的过冲近乎一致，但切比雪夫型滤波器所具有的振荡响应将持续可观的总体时间。 图5——滤波器脉冲响应 图6展示了上述脉冲响应的放大图。许多视频系统都试图将变化量维持在小于1 IRE（或7mV左右）。图中所示的最小等值线间距为10mV。由此可见，在施加了脉冲之后，切比雪夫所响应的最短1 IRE转变时间将高达480ns左右，相比较而言，改进型巴特沃斯的“稳定”(“settling”)时间约220ns。较长的响应时间可能导致负面的效应，诸如叠影及模糊。 图6——滤波器频率响应放大图 当采用有源滤波器时，需要记住的是，滤波器的Q值越大，对放大器的带宽需求也越高。在采用贝塞尔(bessel)或巴特沃斯滤波器，乃至更高阶版本时，应保持每一级的Q值相对的低。采用椭圆或切比雪夫设计的滤波器的响应具有较高的Q值，从而需要更大带宽的放大器方能实现适当的匹配。否则，放大器对滤波器的冲击将改变所期望的响应。假定大带宽匹配可通过改变元件值的设计实现，但放大器间(amplifier-to-amplifier)的改变量却开始变得比以往更加重要。 无源vs.有源 无源滤波器因其极为廉价而常见于当今的系统。然而，此类滤波器也具有PCB面积、额外的元件总量、更多的装配时间、通带信号丢失、对电感的电磁干扰及容忍度方面的缺点。电感及电容通常具有+/-10%的误差，特别是对于低成本的元件。因此，由于独立元件之间(component-to-component)的改变量以及实际上所涉及的多个极点，此类容忍度将对滤波器的响应产生很大的冲击。 蒙特卡洛(Monte-Carlo)是很有用的分析工具，可察看对无源滤波器性能的影响。其仿真展示了当采用+/-10%容忍度的元件时，转降频率、平坦度、衰减及峰值都将有可观的改变。 采用有源滤波器可改善无源滤波器的不足。半导体处理工艺，诸如THS73x3器件所采用的BiCom-3工艺，其单元间(element-to-element)匹配非常紧密，通常所见的电阻间(resistor-to-resistor)以及电容间(capacitor-to-capacitor)的改变量小于1%。在此需注意，外部元件值的绝对量将会有较大的变化，通常可达10%乃至更高，取决于元件及元件类型。其元件变化量将影响滤波器的转降频率及衰减特性。 然而，在集成有源滤波器设计中，例如THS73x3所采用的单位增益Sallen-Key滤波器设计，其平坦值及峰值可非常严格的控制。对单位增益Sallen-Key滤波器的敏感性分析（在此由于篇幅约束而无法详叙 ）说明了只要电阻间和电容间，以及其单位增益一起紧密地匹配，实质上的改变量仅为转降频率而不影响Q值。Q值的改变将引入严重的群延迟，这是不期望的。随着高质量电阻及电容的使用，且假定放大器固有带宽较之滤波器转降带宽高很多，有缘滤波器可实现比无源滤波器更优的控制特性。此外有源滤波器典型的占用更少的PCB面积，仅采用1个元件即可实现，极大的降低了总元件数量。 多极点无源滤波器所存在的另一严重问题是其转降频率无法轻松改变，除非更换元件以使其更为昂贵或更为廉价。而具有可选择性滤波器的有源滤波器设计可轻松的实现转降频率的改变。这对于无须改变滤波频率CVBS及S-Video系统也许不是太有吸引力的特性，然而，对于分量视频系统来说，可改变的滤波频率却具有很大优势，因为实际的分量视频可能为SD、ED、HD(720p/1080i)或1080p HD。 可改变的滤波频率对于接收分量Y'P'BP'R或G'B'R'信号的接收机系统尤其重要。例如，固定35MHz的无源滤波器被用于允许分量信号输送至显示器。然而，当480i或576i SD分量信号施加于输入端时，将会有什么现象呢？对于此类信号，通用的DAC采样频率是27MHz。如果DAC不具有重构滤波器，镜像将出现在27MHz基波的两端，并将直接通过显示器的35MHz无源滤波器。其结果是镜像无衰减，而显示则很可能非常糟糕。 上述状况还可见于ED 480p/576p信号。此类信号通常具有54MHz的采样频率，视频带宽为12MHz。因此，二次奈奎斯特(Nyquist)区域镜像将开始出现在42MHz。如果无源滤波器转降于35MHz或更高，对此镜像的衰减将非常小，从而再次导致糟糕的成像质量。 在此可选择性的滤波器变得极为重要，因为要同时在DAC侧(THS7303)及ADC侧(THS7353)采用滤波器。此类集成的滤波器/放大器结合了可选择性的五阶改进型巴特沃斯滤波器，可设定为9MHz以用于SD信号，16MHz以用于ED信号，35MHz以用于HD 720p/1080i信号，或是设定为>150MHz的旁通(bypass)模式以用于非常高速的信号，诸如1080p。图7图示说明了上述论点。 图7：固定滤波器vs可选择性滤波器在处理Y'P'BP'R信号上的优势 THS73x3的每一通道都可以独立的控制，提供了额外的灵活性。由于具有了该特性，某些可选择35MHz以作为亮度(Luma)通道，或选择16MHz以作为色差通道，适应于基于模拟信号带宽的需求。但该系列器件同时也存在着一个缺点：不同滤波器所对应的延迟将随同一频率标度处会发生改变。如果不通过数字信号处理，则可能导致时域上的问题。 高端系统也同样得益于可选择性的滤波器，因为其相位切换及群延迟是非常重要的参数。在此16MHz滤波器可用于SD信号，确保了在涵盖SD的频谱上都拥有非常平滑且平坦的响应，且实质上时域的脉冲响应无过冲。该受益同样可应用于35MHz滤波器以支持ED信号，或是旁通模式以支持HD信号。 最后，无源滤波器的阻抗将会随频率发生极大的改变。从而会同时导致DAC及ADC的互感(interaction)问题。此外，如果源阻抗或终接阻抗超过75ohm的需求，还可能导致振荡问题。THS73x3系列有源滤波器/放大器弱化了此类问题。在10MHz时，其输入阻抗可大于1Mohm，同时其输出阻抗小于1ohm。从而可消除ADC 反冲(kick-back)的现象或解码器输入箝位的问题。