為了便于傳輸，由相機(jī)擷取的模擬視訊訊號(hào)通常會(huì)將視訊訊號(hào)數(shù)字化(圖1)。數(shù)字視訊擁有很多優(yōu)勢，它能夠根據(jù)對(duì)影像質(zhì)量的要求進(jìn)行壓縮，量化后的視訊訊號(hào)不會(huì)因?yàn)閮?chǔ)存和傳輸而降低質(zhì)量。但為了便于人眼觀看，它還必須恢復(fù)成模擬視訊訊號(hào)或模擬光影訊號(hào)。把數(shù)字視訊轉(zhuǎn)變成模擬視訊的過程叫做重建。然而，由于從數(shù)字域到模擬域轉(zhuǎn)換時(shí)的量化及其它問題，必須透過各種濾波技術(shù)消除摩爾效應(yīng)和影像失真，因而得到高質(zhì)量視訊。
圖1. 電視訊號(hào)從模擬訊號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字訊號(hào)，最后又恢復(fù)為模擬訊號(hào)。
考慮一個(gè)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(duì)截角、邊緣進(jìn)行篩選，即可重構(gòu)一幅影像。類似地，數(shù)字視訊可能由無序傳輸?shù)膱D片組成，這些圖片包含了失真訊號(hào)?？梢园凑找欢ǖ囊?guī)則重新整合圖片，使影像質(zhì)量與原始的模擬輸入訊號(hào)保持一致。
數(shù)字重建過程的最后，需要對(duì)視訊訊號(hào)進(jìn)行‘模擬濾波’。七巧板中是透過人眼的視覺效應(yīng)實(shí)現(xiàn)‘濾波’的，對(duì)于視訊影像則需透過模擬低通濾波器實(shí)現(xiàn)。
采樣噪聲和鏡像衰減
由相機(jī)或其它設(shè)備擷取的模擬視訊訊號(hào)透過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行數(shù)字化處理，它在每個(gè)頻率邊沿實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)(圖2)。模擬訊號(hào)連續(xù)變化，而轉(zhuǎn)換成數(shù)字訊號(hào)時(shí)則是定時(shí)采樣。經(jīng)過數(shù)字處理和傳輸后，數(shù)字訊號(hào)透過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)變成模擬訊號(hào)。DAC的輸出如圖2的右上角所示，箭頭代表頻率訊號(hào)。
圖2. 模擬訊號(hào)和數(shù)字訊號(hào)之間的轉(zhuǎn)換波形。
在每個(gè)頻率瞬間，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓，模擬訊號(hào)將保持到下一個(gè)頻率沿。輸出是一系列階梯，而原始模擬訊號(hào)卻是平滑曲線。這稱為‘采樣保持’或‘矩形波’重建。需要模擬低通濾波器進(jìn)行平滑處理，以接近原始的模擬視訊訊號(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提供了訊號(hào)量化后的頻域效果，標(biāo)準(zhǔn)分辨率(SD)、PAL(歐洲)和NTSC(北美)視訊的頻寬大概是5MHz，高解析(HD) ATSC 720p和1080i(美國)視訊的頻寬是30MHz。標(biāo)準(zhǔn)分辨率訊號(hào)的典型頻率頻率是27MHz，高解析訊號(hào)頻率頻率可以高達(dá)74.25MHz以上。
奈奎斯特頻率為頻率頻率的一半，這是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，因?yàn)樵趯?duì)原始模擬訊號(hào)量化之前，必須把高于奈奎斯特頻率的視訊和噪聲禁止掉。如果存在高于奈奎斯特頻率的信息，它將混入低頻訊號(hào)，產(chǎn)生混迭失真，因而破壞視訊訊號(hào)。產(chǎn)生混迭后將無法消除，我們在后續(xù)內(nèi)容中將解釋這一點(diǎn)對(duì)家庭視訊系統(tǒng)的重要性。
圖3. 頻譜混迭表示較差的視訊濾波引起的干擾。
在DAC輸出端，存在視訊和兩個(gè)鏡像頻帶(圖3a)。盡管大多數(shù)DAC能夠很好地均衡、抑制頻率頻率，我們?nèi)匀粯?biāo)出了頻率訊號(hào)，以便清楚地表達(dá)影像。這些邊帶是視訊訊號(hào)和頻率訊號(hào)的和頻與差頻。右側(cè)鏡像邊帶與視訊訊號(hào)的特性一樣，即視訊訊號(hào)的低頻部份靠近并恰好高于頻率頻率，高頻部份延伸到頻率頻率的右側(cè)。
對(duì)于采用27MHz頻率的標(biāo)準(zhǔn)分辨率訊號(hào)，鏡像頻率最大值為5+27=32MHz。左側(cè)鏡像邊帶與視訊特性相反，視訊訊號(hào)的低頻部份靠近并低于頻率頻率，高頻部份延伸到最左側(cè)。因此，標(biāo)準(zhǔn)分辨率訊號(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頻率頻率的高解析訊號(hào)，這個(gè)關(guān)鍵頻率是：74.25-30=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頻率頻率處的頻譜重迭。這些迭加的鏡像邊帶訊號(hào)(圖3d)與視訊訊號(hào)相較具有隨機(jī)的相位差。圖4表示我們需要避免的影像誤差。‘邊緣擺動(dòng)’是高頻邊緣干擾，它重迭在視訊訊號(hào)上，具有隨機(jī)變化的相位。摩爾效應(yīng)是頻率、視訊訊號(hào)頻率之間相互作用的結(jié)果。
圖4. 較差的視訊濾波器引起的影像干擾。
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迭。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，為了說明邊帶重迭的位置，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)于有用的視訊訊號(hào)衰減很少，對(duì)于鏡像頻率衰減較大。圖5b和5c顯示了混迭效應(yīng)，但是應(yīng)該注意到，與圖3d相較，圖5d中的鏡像頻率被顯著衰減。
圖5. 適當(dāng)?shù)闹亟V波器透過對(duì)視訊訊號(hào)平滑濾波減少了頻譜混迭。
消費(fèi)性產(chǎn)品對(duì)于成本非常敏感，慶幸的是它們使用的模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換器非常少。在典型的家庭視訊信道中，如視訊轉(zhuǎn)換盒+電視構(gòu)成的信道中只使用一個(gè)DAC和一個(gè)ADC(圖6)。該系統(tǒng)的衰減為20dB(小于訊號(hào)的10%)，這是可以接受的。視訊轉(zhuǎn)換盒和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可以產(chǎn)生24dB的鏡像抑制。故與20dB衰減的要求相較提供了足夠的設(shè)計(jì)余量。
圖6. 用于家庭電視系統(tǒng)的視訊重建濾波器和抗混迭濾波器。
圖6左側(cè)是視訊轉(zhuǎn)換盒或DVD的架構(gòu)圖，芯片上系統(tǒng)(SOC)包含了DAC，輸出經(jīng)過低通濾波器(例如MAX7443)進(jìn)行視訊重建。濾波器芯片還包含75Ω同軸電纜驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)訊號(hào)在電纜上的傳輸。圖6右側(cè)用于訊號(hào)接收，訊號(hào)在經(jīng)過抗混迭濾波器后送入電視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。假如影像質(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)視訊誤差負(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(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模擬訊號(hào)數(shù)字化之前，必須把高于奈奎斯特頻率的視訊成分和噪聲消除掉。假如高于奈奎斯特頻率的信息仍然存在，它將混合到低頻訊號(hào)中，混迭到視訊訊號(hào)中，因而降低視訊訊號(hào)的影像質(zhì)量。
解決方案
然而，視訊轉(zhuǎn)換盒、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)誤的組件。量產(chǎn)時(shí)，可能會(huì)把原來要求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。因而導(dǎo)致濾波器透過不需要的高頻成分，造成設(shè)備的影像失真。出于成本考慮，最終的生產(chǎn)測試不會(huì)對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行測試，多數(shù)情況下并不測試濾波器的頻寬。
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的整合濾波器在安裝到廠商的PCB板之前，由Maxim自動(dòng)測試設(shè)備(ATE)對(duì)頻寬指標(biāo)進(jìn)行了完全測試。Maxim的濾波器提供比典型的產(chǎn)業(yè)要求更高的衰減。例如，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分辨率電視設(shè)計(jì)MAX7443能夠提供了大于30dB的鏡頻衰減，對(duì)27MHz頻率具有40dB的衰減。針對(duì)高解析電視設(shè)計(jì)MAX9500能夠提供了大于38dB的鏡頻衰減，對(duì)于74.25MHz頻率具有大于38dB的衰減。