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          利用集成濾波器實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量模擬視頻重建

          作者: 時(shí)間:2018-09-12 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          由攝像機(jī)捕獲的信號(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(shì),它能夠根據(jù)對(duì)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)成信號(hào)或模擬光影信號(hào)。把數(shù)字視頻轉(zhuǎn)變成的過(guò)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(wèn)題,必須通過(guò)各種濾波技術(shù)消除摩爾效應(yīng)和圖像失真,從而得到的視頻。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201809/388937.htm

          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(wú)序模塊組成的七巧板,這些模塊奇形怪狀,看起來(lái)毫無(wú)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(duì)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(wú)序傳輸?shù)膱D片組成,這些圖片包含了失真信號(hào)??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(hào)保持一致。

          數(shù)字重建過(guò)程的最后,需要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行“模擬濾波”。七巧板中是通過(guò)人眼的視覺效應(yīng)實(shí)現(xiàn)“濾波”的,對(duì)于視頻圖像則需通過(guò)模擬低通實(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(guò)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(guò)數(shù)字處理和傳輸后,數(shù)字信號(hào)通過(guò)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(guó))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?duì)原始模擬信號(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(wú)法消除,我們?cè)诤罄m(xù)內(nèi)容中將解釋這一點(diǎn)對(duì)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(duì)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(duì)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(méi)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?!斑吘墧[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(duì)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(shuō)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(duì)于有用的視頻信號(hào)衰減很少,對(duì)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(guò)對(duì)視頻信號(hào)平滑濾波減小了頻譜混疊。

          消費(fèi)類產(chǎn)品對(duì)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(lái)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(guò)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(guò)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(duì)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(méi)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(duì)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(gòu)置的DVD播放器。

          請(qǐng)注意奈奎斯特定理非常關(guān)鍵,因?yàn)樵贚CD電視重新對(duì)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(lái)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(guò)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(cè)試不會(huì)對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,多數(shù)情況下并不測(cè)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(duì)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的濾波器在安裝到廠商的PCB板之前,由Maxim自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)對(duì)帶寬指標(biāo)進(jìn)行了完全測(cè)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(duì)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(duì)27MHz時(shí)鐘具有40dB的衰減。針對(duì)高清電視設(shè)計(jì)的MAX9500能夠提供了大于38dB的鏡頻衰減,對(duì)于74.25MHz時(shí)鐘具有大于38dB的衰減。



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