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          視頻濾波器設(shè)計

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          作者:魏智 時間:2008-01-12 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

            帶外雜散信號所引起的混疊現(xiàn)象是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)應(yīng)用中所面臨的關(guān)鍵問題,如果沒有適當(dāng)?shù)臑V波處理,這些信號會嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能指標(biāo)。
           
            因此,任何數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)都需要在ADC之前利用抗混疊濾波器保持低于奈奎斯特頻率的信號,消除混疊失真;當(dāng)然,利用DAC恢復(fù)信號時,還需要輸出重建濾波器消除采樣帶來的混疊失真和噪聲,并補(bǔ)償DAC產(chǎn)生的衰減。對于錄像機(jī)、等離子電視等需要對視頻信號進(jìn)行量化的視頻設(shè)備,同樣需要這兩種類型的濾波器。
            
            視頻濾波器通常為低通濾波器,都要求“線性相位”特性,相位線性度決定了包絡(luò)延時或群延時,平坦的群延時表明所有頻率通過濾波器后的延遲時間相同,有利于信號波形的恢復(fù)。除了對濾波器本身相頻特性的要求外,不同視頻通道的濾波器還要保持盡可能一致的相位延時。具體指標(biāo)取決于應(yīng)用和視頻制式(NTSC、PAL/DVB、ITU、SMPTE和VESA),例如,復(fù)合NTSC/PAL制式只有一路信號,ITU-470中給出了對群延時以及群延時變化的要求,這些規(guī)定比較寬松,而ITU-601抗混疊濾波器的模板要求要嚴(yán)格得多。
            
            抗混疊濾波器設(shè)計
            
            抗混疊濾波器放置在ADC或視頻
           

            解碼器之前,用于限制模擬視頻信號的帶寬,減少帶外噪聲。不同的視頻顯示分辨率對濾波器截止頻率的要求不同,從標(biāo)清電視到高清電視,0.1dB帶寬范圍大概在5MHz到30MHz。這類濾波器通常要求盡可能陡的過渡帶,以濾除截止頻率以外的所有頻譜成分??梢赃x擇運(yùn)算放大器構(gòu)建抗混疊濾波器,例如:具有卓越的瞬態(tài)響應(yīng)及大信號帶寬的MAX4450、MAX4390等。為了簡化設(shè)計,并保證視頻濾波器通道間的延時匹配度,Maxim還推出了MAX7469、MAX7472視頻抗混疊濾波器。
            
            圖1給出了MAX7472的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和典型連接,該芯片由三路輸入復(fù)用緩沖器、鉗位電路、可編程低通濾波器以及輸出緩沖器構(gòu)成,微控制器通過I2C接口設(shè)置電路性能和功能,其中包括:復(fù)用器配置、鉗位電壓、濾波器的截止頻率、同步源(內(nèi)部/外部)以及是否旁路濾波器。截止頻率的設(shè)置范圍在5MHz至34MHz,調(diào)節(jié)級數(shù)為256,適用于高清(HD)或標(biāo)清(SD)電視(TV)系統(tǒng),支持1080i、720p、720i、480p和480i掃描系統(tǒng)及計算機(jī)格式。
           
            輸出緩沖器能夠以2VP-P信號擺幅驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)的150W負(fù)載。輸入為交流耦合,輸出可以為直流或交流耦合。內(nèi)部視頻濾波器提供最佳響應(yīng)特性,具有陡峭的過渡帶,以獲得足夠?qū)挼耐l帶以及出色的阻帶抑制。另外,經(jīng)過優(yōu)化的濾波器可提供極低的過沖時域響應(yīng)。通過優(yōu)化頻率響應(yīng)可改善系統(tǒng)的整體性能,系統(tǒng)優(yōu)化需要考慮的因素很多,其中最重要的是系統(tǒng)中ADC或視頻解碼器的采樣速率。對于過采樣系統(tǒng),采樣速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通帶頻率響應(yīng)。
           
            處于通帶和采樣頻率之間的頻率成份包含噪聲,通過設(shè)置濾波器的截止頻率使其僅通過有用信號頻率,濾除噪聲,從而得到較高的系統(tǒng)信噪比。圖2所示電路為MAX7472所提供的頻率響應(yīng)和相位特性,通道之間可以保持一致的增益、相位匹配度。

           

          圖1  SDTV、HDTV抗混疊濾波器

           

          圖2  圖1所示電路的頻響特性
            
            視頻重建濾波器設(shè)計
            
            視頻重建濾波器放置在數(shù)/模轉(zhuǎn)換器之后,考慮到DAC保持功能的濾波作用,重建濾波器對選擇性的要求不是很高,但需提供進(jìn)一步的增益,補(bǔ)償DAC及后端負(fù)載的衰減。
            
            MAX7462是單通道、標(biāo)準(zhǔn)清晰度、集成視頻重建濾波器和緩沖器,能夠為視頻解碼DAC的模擬CVBS視頻輸出提供信號濾波和緩沖,適用于機(jī)頂盒、硬盤記錄儀、DVD播放器和數(shù)字VCR等應(yīng)用。內(nèi)部電路由低通濾波器和輸出視頻緩沖器組成(圖3),低通濾波器為四階巴特沃斯濾波器,提供5MHz平坦通帶,在27MHz頻點具有-43dB(典型值)衰減(圖4),優(yōu)化于NTSC、PAL和SDTV制式。
           
            輸出緩沖器能夠以2VP-P信號驅(qū)動兩路150Ω視頻負(fù)載,增益可通過GAIN引腳設(shè)置在+6dB或+9.5dB。輸出級可以驅(qū)動交流負(fù)載或直接驅(qū)動視頻負(fù)載,無需使用較大的輸出耦合電容。直流耦合情況下,輸出被箝位至適當(dāng)?shù)闹绷麟娖?,使其滿足數(shù)字電視接口的規(guī)范。輸出通常與75Ω背向匹配串聯(lián)電阻相連,電阻另一端接視頻電纜。由于這種配置對信號的2倍衰減,視頻電纜上的電壓總是小于1V,符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)視頻要求,如數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)(該標(biāo)準(zhǔn)允許視頻電纜上最高具有1V的直流電壓)和歐洲的SCART標(biāo)準(zhǔn)(該標(biāo)準(zhǔn)允許視頻電纜上最高具有2V的直流電壓)。視頻緩沖器也可以驅(qū)動一路交流耦合視頻負(fù)載,選用220μF的輸出電容可以獲得良好的視頻性能。
           
           

          圖3  集成視頻重建濾波器,用于SDTV

           

          圖4  圖3所示電路頻響特性
            
            電路板布局
            
            由于視頻濾波器處理的是高頻信號,對電路板布局要求較高。不良的電路板布局很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定與振蕩。使用大面積的地層有助于改善性能,靠近電源輸入引腳安裝0.1mF或更大的旁路電容。如果PCB布線能夠設(shè)計75W受控阻抗的傳輸線,端接電阻可以離器件稍遠(yuǎn)一些。要盡可能減小寄生電容,以避免降低濾波器的高頻性能。Maxim的許多視頻器件在封裝底部帶有裸焊盤,該焊盤通常在內(nèi)部電氣連接至地,布線時將其焊接至接地層,可以獲得較好的散熱能力。



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