集成滤波器怎么消除摩尔效应和图像失真？

由摄像机捕获的模拟视频信号，为了便于传输通常把视频信号数字化(图1)。数字视频有很多优势，它能够根据对图像质量的要求进行压缩，量化后的视频信号不会因为存储和传输而降低质量。但为了便于人眼观看，它还必须恢复成模拟视频信号或模拟光影信号。把数字视频转变成模拟视频的过程叫做重建。然而，由于从数字域到模拟域转换时的量化及其他问题，必须通过各种滤波技术消除摩尔效应和图像失真，从而得到高质量的视频。



图1. 电视信号从模拟信号转换成数字信号，最后又恢复为模拟信号。

考虑一个由混乱无序模块组成的七巧板，这些模块奇形怪状，看起来毫无规则，但在形状上有一定的关联。如果我们像儿童一样去了解一些基本原则，对拐角、边缘进行筛选，即可重构一幅图像。类似地，数字视频可能由无序传输的图片组成，这些图片包含了失真信号。可以按照一定的规则重新整合图片，使图像质量与原始的模拟输入信号保持一致。

数字重建过程的最后，需要对视频信号进行“模拟滤波”。七巧板中是通过人眼的视觉效应实现“滤波”的，对于视频图像则需通过模拟低通滤波器实现。

采样噪声和镜像衰减

由摄像机或其他设备捕获的模拟视频信号通过模/数转换器(ADC)进行数字化处理，它在每个时钟边沿即时记录数据(图2)。模拟信号连续变化，而转换成数字信号时则是定时采样。经过数字处理和传输后，数字信号通过数/模转换器(DAC)转变成模拟信号。DAC的输出如图2的右上角所示，箭头代表时钟信号。



图2. 模拟信号和数字信号之间的转换波形。

在每个时钟瞬间，将数字量转换成模拟电压，模拟信号将保持到下一个时钟沿。输出是一系列阶梯，而原始模拟信号却是平滑曲线。这称为“采样保持”或“矩形波”重建。需要模拟低通滤波器进行平滑处理，以接近原始的模拟视频信号。

从图2所示时域图可以看出，小的台阶会产生高频干扰，但这种高频干扰并不明显。图3提供了信号量化后的频域效果，标清(SD)、PAL(欧洲)和NTSC(北美)视频的带宽大概是5MHz，高清(HD) ATSC 720p和1080i(美国)视频的带宽是30MHz。标清信号的典型时钟频率是27MHz，高清信号时钟频率可以高达74.25MHz以上。


图3. 频谱混叠表示较差的视频滤波引起的干扰。

奈奎斯特频率为时钟频率的一半，这是一项关键指标，因为在对原始模拟信号量化之前，必须把高于奈奎斯特频率的视频和噪声禁止掉。如果存在高于奈奎斯特频率的信息，它将混入低频信号，产生混叠失真，从而破坏视频信号。产生混叠后将无法消除，我们在后续内容中将解释这一点对家庭视频系统的重要性。

在DAC输出端，存在视频和两个镜像频带(图3a)。尽管大多数DAC能够很好地均衡、抑制时钟频率，我们仍然标出了时钟信号，以便清楚地表达图像。这些边带是视频信号和时钟信号的和频与差频。右侧镜像边带与视频信号的特性一样，即视频信号的低频部分靠近并恰好高于时钟频率，高频部分延伸到时钟频率的右侧。

对于采用27MHz时钟的标清信号，镜像频率最大值为5 + 27 = 32MHz。左侧镜像边带与视频特性相反，视频信号的低频部分靠近并低于时钟频率，高频部分延伸到最左侧。因此，标清信号下镜像延伸到27-5 = 22MHz。了解系统频谱的下限位置非常重要，以便抑制并降低其视觉影响。对于采用74.25MHz时钟频率的高清信号，这个关键频率是：74.25 ?C 30 = 44.25MHz。

为了反映镜像边带没有衰减的效果，图3b和3c示意了奈奎斯特频率和时钟频率处的频谱重叠。这些叠加的镜像边带信号(图3d)与视频信号相比具有随机的相位差。图4表示我们需要避免的图像误差。“边缘摆动”是高频边缘干扰，它重叠在视频信号上，具有随机变化的相位。摩尔效应是时钟、视频信号频率之间相互作用的结果。



图4. 较差的视频滤波器引起的图像干扰。

重建滤波器

从图5可以看出重建滤波器的作用，利用参考书中提供的定理可以很容易理解频谱混叠。通常，在频域，频率和放大倍数都采用对数刻度，重建滤波器的频响特性表现为平滑曲线。然而，为了说明边带重叠的位置，我们用线性坐标表示频率和放大倍数。为了表示低通滤波器在同样刻度坐标下的衰减特性，从滤波器频响曲线可以看出：对于有用的视频信号衰减很少，对于镜像频率衰减较大。图5b和5c显示了混叠效应，但是应该注意到，与图3d相比，图5d中的镜像频率被显著衰减。



图5. 适当的重建滤波器通过对视频信号平滑滤波减小了频谱混叠。

消费类产品对于成本非常敏感，值得庆幸的是它们使用的模拟和数字转换器非常少。在典型的家庭视频通道中，如机顶盒+电视机构成的通道中只使用一个DAC和一个ADC (图6)。该系统的衰减为20dB (小于信号的10%)，这是可以接受的。机顶盒和LCD电视通常都有至少12dB的低频镜像边带衰减。两个具有12dB衰减的滤波器加起来可以产生24dB的镜像抑制。故与20dB衰减的要求相比提供了足够的设计余量。


图6. 用于家庭电视系统的视频重建滤波器和抗混叠滤波器。

图6左侧是机顶盒或DVD机的框图，片上系统(SOC)包含了DAC，输出经过低通滤波器（例如MAX7443）进行视频重建。滤波器芯片还包含75Ω同轴电缆驱动器，驱动信号在电缆上的传输。图6右侧用于信号接收，信号在经过抗混叠滤波器后送入电视机SOC的ADC。

通常消费者要面对多个系统设备，其中包括新设备。假如图像质量劣化，常常归咎于“新添加的设备”。然而，这种结论往往并不正确。例如，假如消费者更换了一台新的DVD设备。如果现有的LCD电视的输入滤波器较差(2dB的衰减)，旧的DVD播放器刚好具备非常好的输出滤波器(18dB衰减)，而新的DVD的滤波特性较差或没有滤波器(6dB甚至更低衰减)。由此可见，旧的DVD和LCD电视能够提供20dB的衰减，而新的组合只有8dB衰减。虽然LCD电视对视频误差负有更大的责任，但消费者还是决定退还新购置的DVD播放器。

请注意奈奎斯特定理非常关键，因为在LCD电视重新对DVD模拟信号数字化之前，必须把高于奈奎斯特频率的视频成分和噪声消除掉。假如高于奈奎斯特频率的信息仍然存在，它将混合到低频信号中，混叠到视频信号中，从而降低视频信号的图像质量。

解决方案

然而，机顶盒、DVD播放器和电视厂商如何避免他们的产品出现“售后缺陷”？

首先，需要提供设计要求的滤波特性。有些制造商可能使用分离的电感、电容组成滤波器。然而，这些滤波器参数受限于生产中的误差，板上可能安装错误的元件。量产时，可能会把原来要求270pF的电容错误地选择成标有“270”的卷带盘，这些电容的实际容值为27pF。从而导致滤波器通过不需要的高频成分，造成设备的图像失真。出于成本考虑，最终的生产测试不会对每个参数进行测试，多数情况下并不测试滤波器的带宽。

其次，使用衰减抑制至少10dB以上的滤波器。额外的衰减抑制会避免顾客退货，使顾客对厂商的产品感到满意。

Maxim的滤波器有助于改善上述两种“售后缺陷”，Maxim的集成滤波器在安装到厂商的PCB板之前，由Maxim自动测试设备(ATE)对带宽指标进行了完全测试。Maxim的滤波器提供比典型的行业要求更高的衰减。例如，针对标清电视设计的MAX7443能够提供了大于30dB的镜频衰减，对27MHz时钟具有40dB的衰减。针对高清电视设计的MAX9500能够提供了大于38dB的镜频衰减，对于74.25MHz时钟具有大于38dB的衰减。