數(shù)字梳狀濾波器

1、數(shù)字梳狀濾波器梳狀濾波對于畫面質(zhì)量是非常重要的一個(gè)技術(shù)，因此我們有必要對其進(jìn)行詳細(xì)刨析。那么具體什么是梳狀濾波器呢？這就要從源頭（信號(hào)源）開始講起了，一開始，接收視頻的Video端子是Composite端子（比如RF射頻接口和AV接口），它所能接收的信號(hào)叫Composite Video Signal，即混合視頻信號(hào)（也稱復(fù)合信號(hào)），什么意思呢？因?yàn)檫@個(gè)Composite（混合）信號(hào)包括了亮度（Luminance，用字母Y表示）和色度/彩度（Chrominace）兩方面的信號(hào)，視頻電路要做的工作就是Y/C進(jìn)行分離處理，目前的梳狀濾波器是在保證圖像細(xì)節(jié)的情況下解決視頻信號(hào)亮色互竄的唯一方法，其內(nèi)部

2、有許多按一定頻率間隔相同排列的通帶和阻帶，只讓某些特定頻率范圍的信號(hào)通過，因?yàn)槠涮匦郧€象梳子一樣，故人們稱之為梳狀濾波器（Comb Filtering）。梳狀濾波器一般由延時(shí)、加法器、減法器、帶通濾波器組成。對于靜止圖像，梳狀濾波在幀間進(jìn)行，即三維梳狀濾波。對活動(dòng)圖像，梳狀濾波在幀內(nèi)進(jìn)行，即二維梳狀濾波。高檔數(shù)字電視機(jī)采用行延遲的梳狀濾波器與帶通濾波器級聯(lián)，構(gòu)成Y/C分離方案就可獲得滿意的圖像質(zhì)量。使用梳狀濾波器能使圖像質(zhì)量明顯提高。解決了色串亮及亮串色造成的干擾光點(diǎn)、干擾花紋；消除了色度正交分量U、V色差信號(hào)混迭造成的彩色邊緣蠕動(dòng)；消除了亮、色鑲邊，消除了高頻信號(hào)的色彩錯(cuò)誤和灰度值表示錯(cuò)誤

3、。有一段時(shí)期國內(nèi)很多工廠（為了節(jié)省成本）使用模擬的方式實(shí)現(xiàn)梳狀濾波器，實(shí)際上效果很不好，原因有兩個(gè)，一是延遲器件的帶寬很難保證，二是解決行相關(guān)性差問題的自適應(yīng)電路很復(fù)雜。而在數(shù)字電路里，只要有足夠的存儲(chǔ)器，就可以保證足夠的延遲時(shí)間與信號(hào)帶寬，且復(fù)雜的自適應(yīng)電路很容易集成在芯片中硬件固化。梳狀濾波器原理及發(fā)展歷史：梳狀濾波器采用頻譜間置技術(shù)，理論上可以保證亮度和色度的無失真分離。如果我們好好回顧一下梳狀濾波器的發(fā)展歷程，將對其有個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)。第一階段：采用頻率分離法將Y/C信號(hào)分開。這種方法是利用色度信號(hào)以副載波方式傳輸這一特點(diǎn)（PAL制副載波為4.43MHz，NTSC制副載波為3.58MHz）

4、，用選頻電路將Y/C信號(hào)分開。內(nèi)部由LC帶通濾波器和陷波器組成，將視頻信號(hào)通過一個(gè)中心頻率（fsc）為色度信號(hào)窄帶（比如PAL制式4.43MHz頻率副載波）帶通濾波器，取出色度信號(hào)。再將亮度信號(hào)經(jīng)過一個(gè)中心頻率為色度信號(hào)副載波4.43MHZ的色度陷波器，吸收色度信號(hào)，從而得到亮度信號(hào)。這種方法簡單易行，采用元器件少且成本低，所以在早期彩電中應(yīng)用得比較廣泛。但是，頻率分離方法存在著一些嚴(yán)重的問題：在亮度通道中，色度陷波器在吸收色度信號(hào)的同時(shí)也將該頻率范圍內(nèi)亮度信號(hào)的部分頻率分量抑制掉了，這叫亮度信號(hào)的高頻分量丟失，從而影響了亮度信號(hào)的清晰度大家想想看，一段音樂哪怕再動(dòng)聽高音丟了那還能聽嗎？同時(shí)，

5、殘余的色度信號(hào)也可能進(jìn)入亮度通道而引起串色干擾，通常在屏幕出現(xiàn)彩色測試卡是最后兩條頻帶染色現(xiàn)象。在色度通道中，L.C色度帶通濾波器品質(zhì)不高，取出色度信號(hào)，抑制亮度信號(hào)的同時(shí)，也把該頻率范圍內(nèi)的亮度信號(hào)選出來了，高頻亮度信號(hào)經(jīng)色度解調(diào)器被解調(diào)出來（屬于多余信號(hào)），使得一些細(xì)格子或條狀區(qū)域出現(xiàn)閃爍的彩色干擾?？梢娎脗鹘y(tǒng)的頻率分離方法根本不能將Y、C信號(hào)作出徹底分離，必然存在著：亮串色、色串亮”的干擾，使圖像質(zhì)量難以令人滿意。事實(shí)上這種方法在彩電中的應(yīng)用，會(huì)出現(xiàn)圖所示的影響。  左圖為普通電視畫面，右邊為內(nèi)置梳狀濾波電路電視畫面第二階段：采用梳狀濾波器和頻譜分離法進(jìn)行亮色分離。它是根據(jù)視

6、頻信號(hào)頻譜交叉的原理及梳狀濾波器的梳齒濾波頻率傳輸特性,以頻譜分離的方式分離出亮度和色度信號(hào)，這種新的分離方法使Y/C信號(hào)分離比較干凈徹底，從而大幅提高圖像清晰度。通常梳狀濾波器是由兩行延遲線、加法器、減法器等部分組成。事實(shí)上在大屏幕彩電中，又分為NTSC制Y/C分離和PAL制Y/C分離。例如對于NTSCM制式，我們假設(shè)相鄰兩行的視頻信號(hào)保持相關(guān)性以及延遲線無損耗，Y信號(hào)頻譜與C信號(hào)頻譜以fH/2間隔交替出現(xiàn)（fH表示行頻），副載波頻率fsc為227.5fH，如果設(shè)計(jì)一個(gè)梳狀濾波器電路，使V信號(hào)延時(shí)一行，再分別與未延時(shí)的信號(hào)進(jìn)行加減。延時(shí)前后Y信號(hào)相位不變，而C信號(hào)相位相反。延時(shí)信號(hào)與直通信號(hào)

7、在加法器中相加后得到Y(jié)信號(hào)，即（YC）（YC）2Y，在減法器中相減則得到C信號(hào)，即（YC）（YC）2C。從梳狀濾波器幅頻特性曲線分析，Y頻譜落在加法器特性曲線峰點(diǎn)及減法器特性曲線谷點(diǎn)，所以比較徹底地使亮度信號(hào)與色度信號(hào)相互分離開來。    PAL梳狀濾波器Y/C分離，常稱之為二行分離法（也叫二元分離法）。它使用一個(gè)NTSC制信號(hào)或兩個(gè)PAL制信號(hào)行存儲(chǔ)器與帶通濾波器結(jié)合使用，組成垂直、水平二元帶通濾波器，基本結(jié)構(gòu)原理如上圖所示，只是將1H延時(shí)線改為2H延時(shí)線。（這是因?yàn)镹TSC制亮度信號(hào)、色度信號(hào)采用fH/2間置，而PAL制則采用fH/4間置（即副載頻fsc283

8、.75fH25Hz283.75fH），因此PAL梳狀濾波器Y/C分離電路要用2H延時(shí)線。）由亮度信號(hào)Y和色度信號(hào)C組成的復(fù)合全電視信號(hào)，一方面直接加到加法器與減法器的輸入端，稱為直通信號(hào)，同時(shí)經(jīng)兩行延遲時(shí)間（2TH）使色度信號(hào)反相后得到的延遲信號(hào)（YC）也加到加法器和減法器的另一輸入端。在加法器中直通信號(hào)（YC）與延時(shí)信號(hào)（YC）相加得到亮度信號(hào)2Y；在減法器中直通信號(hào)（YC）與延時(shí)信號(hào)（YC）相減即得到色度信號(hào)C，達(dá)到亮色分離的目的。梳狀濾波器Y/C分離法的特點(diǎn)可歸納為：由于加法器輸出特性可選出亮度信號(hào)的高頻分量，不會(huì)造成高頻分量的丟失，并可將視頻帶寬全部加以利用，從而使圖像清晰度大大提高，

9、同時(shí)在亮度通道中將色度信號(hào)抑制得比較徹底，不致于產(chǎn)生殘留色度信號(hào)干擾。而減法器輸出中較好地抑制掉亮度信號(hào)，以最大傳輸系數(shù)選出色度信號(hào)C，并用帶通濾波器對殘留亮度信號(hào)作進(jìn)一步衰減，解決了亮度信號(hào)對色度通道的串?dāng)_問題，從而提高了圖像質(zhì)量。左右圖分別是標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)測試有無梳狀濾波的拍攝畫面，看看亮色互竄畫面是多么“繽紛多彩”。 上述分析結(jié)果是基于信號(hào)相關(guān)性的假設(shè),可將色度信號(hào)與亮度信號(hào)較徹底分離而獲得較為理想的圖象質(zhì)量。但實(shí)際的視頻信號(hào)并不是這樣理想的，即會(huì)出現(xiàn)非相關(guān)情況，如垂直方向有色度跳變，那么在此處直通信號(hào)與延遲信號(hào)中的Y、C分量不再相同，加法器與減法器便不能將C或Y分量完全對消，造

10、成Y與C分離不徹底。如果不愿意看長篇大論的朋友直接看下面的表格：表四：N制/PAL制梳狀濾波器的異同NTSC制式梳狀濾波器PAL制式梳狀濾波器延時(shí)1H2H直通信號(hào)YC延時(shí)后反相信號(hào)YC（注明：亮度信號(hào)Y不變，僅色度信號(hào)C反相）進(jìn)入加法器（YC）（YC）2Y，解析出亮度信號(hào)進(jìn)入減法器（YC）（YC）2C，解析出色度信號(hào)優(yōu)點(diǎn)能夠解決部分亮、色干擾問題，提高圖像質(zhì)量缺點(diǎn)要求前后兩行信號(hào)要比較相似，即要求行相關(guān)性好。例如藍(lán)色的天空、黑沉的夜晚等靜止畫面圖像信號(hào)，其亮度信號(hào)和色度信號(hào)可在這種Y/C分離電路中徹底分離開來；但如果出現(xiàn)垂直方向有色度信號(hào)突變的不相關(guān)情況（即前一行信號(hào)與后一行信號(hào)不同，尤其是動(dòng)

11、態(tài)畫面），它會(huì)將其當(dāng)成相交信號(hào)來處理，于是在加法器中不能完全抵消色度信號(hào)，造成Y/C分離不徹底，仍出現(xiàn)色點(diǎn)干擾。我們看到，PAL制梳狀濾波器比N制梳狀濾波器要略微復(fù)雜一些，不過不管怎么說，既然還有不足之處，那仍然需要做改進(jìn)，所以梳狀濾波器技術(shù)繼續(xù)發(fā)展。第三階段：（模擬式）動(dòng)態(tài)梳狀濾波器模擬動(dòng)態(tài)梳狀濾波器結(jié)構(gòu)如圖所示。它由兩個(gè)延時(shí)線（PAL為2H延時(shí)線，NTSC為1H延時(shí)線）、三個(gè)帶通濾波器、垂直相關(guān)性檢測電路、加法器、減法器等組成。就PAL制彩色信號(hào)而言，要對在動(dòng)態(tài)梳狀濾波器中直通信號(hào)（YC）、延遲兩行時(shí)間信號(hào)（YC）、延遲四行時(shí)間信號(hào)（YC）這三行信號(hào)進(jìn)行垂直方向上的圖像相關(guān)性檢測，產(chǎn)生一個(gè)

12、所需的彩色信號(hào)。所謂相關(guān)性檢測，實(shí)際上是檢測場與場之間相關(guān)性的強(qiáng)弱，一般采用的是場差法或低通場差法，即對兩場中各對應(yīng)像素逐點(diǎn)相減并求和，以該值大小作為圖像動(dòng)態(tài)情況的描述。模擬動(dòng)態(tài)梳狀濾波器克服了普通梳狀濾波器的缺點(diǎn)，改善了活動(dòng)圖像信號(hào)Y/C分離效果，從而進(jìn)一步提高了圖像質(zhì)量。區(qū)別普通梳狀濾波器動(dòng)態(tài)梳狀濾波器相關(guān)性檢測無有水平方向梳狀濾波有有，效果更好垂直方向梳狀濾波無有動(dòng)態(tài)畫面Y/C分離無有成本一般設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本較高這是90年底初的技術(shù)，當(dāng)時(shí)的大屏幕進(jìn)口彩電，如29寸的東芝、松下中均采用了此種梳狀濾波器。第四階段：動(dòng)態(tài)數(shù)字式梳狀濾波器。上述的模擬動(dòng)態(tài)梳狀濾波器Y/C分離電路，雖然能有效解決活動(dòng)

13、圖像信號(hào)的Y/C分離問題，但對單制式信號(hào)Y/C分離要用6個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)，若要適應(yīng)PAL、NTSC制Y/C信號(hào)分離，則需12個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)，這樣就存在調(diào)整繁雜的問題，如此多的調(diào)節(jié)點(diǎn)在生產(chǎn)中難以保證質(zhì)量，況且批量生產(chǎn)會(huì)成為難題。于是，人們研制出更為先進(jìn)的、精密的數(shù)字式動(dòng)態(tài)梳狀濾波器。數(shù)字式動(dòng)態(tài)梳狀濾波器Y/C分離電路如下圖所示。它主要由五塊IC封裝一起組成厚膜電路，即由A/D變換器CXD1176Q、延遲線CXK1202×2、數(shù)字式動(dòng)態(tài)梳狀濾波器CXD2011Q及D/A變換器CXD1177Q組成，與時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器配合完成Y/C分離。新型三行數(shù)字化梳狀濾波器結(jié)構(gòu)圖它是利用三行彩色信號(hào)來完成垂直方向的相關(guān)

14、檢測，僅提取所需要的彩色信號(hào)，從而克服了模擬梳狀濾波器的缺點(diǎn)，使圖象的水平清晰度從350線一舉提高到450線以上！首先，全電視信號(hào)進(jìn)來后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成8bit的數(shù)字式信號(hào)，我們看上圖中下半部分是典型的鎖相環(huán)路，用于產(chǎn)生四倍于色副載波振蕩取樣頻率，作為數(shù)字Y/C分離電路的時(shí)鐘（這部分是一典型的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器），對PAL制為17.73MHZ，對NTSC制為14.32MHZ。數(shù)字化后的視頻信號(hào)送入動(dòng)態(tài)梳狀濾波器，在動(dòng)態(tài)梳狀濾波器中進(jìn)行數(shù)字式動(dòng)態(tài)梳狀濾波Y/C分離，原理與前述大同小異，只是前、中、后三行視頻信號(hào)經(jīng)過色帶通濾波處理后再進(jìn)入邏輯運(yùn)算電路。此電路中，每相鄰的兩行信號(hào)相減后都可

15、取出色度信號(hào)C，而將此C信號(hào)再與中間一行視頻信號(hào)（YC）相加，則抵消了C信號(hào)而分離出Y信號(hào)。8bit數(shù)字亮度信號(hào)Y和數(shù)字色度信號(hào)C分別送入數(shù)模變換器（DAC），經(jīng)其轉(zhuǎn)換后輸出模擬Y信號(hào)和C信號(hào)，分離效果極徹底且無需作任何調(diào)整，所以是效果較好，廣泛應(yīng)用的Y/C分離電路。筆者手頭有一份長虹經(jīng)典2919PK的電路圖，里面對梳狀電路的原理講解（信號(hào)流程）非常透徹，將來有機(jī)會(huì)再與各位同好共同探討。值得注意的是，在邏輯運(yùn)算器中，仍然有一個(gè)垂直相關(guān)電路，用來比較判別三行信號(hào)的差別，當(dāng)三行信號(hào)差別較大時(shí)，說明圖像內(nèi)容在垂直方向發(fā)生了變化，電路即進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算過程是：先前兩行信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算取最小值，再對后兩行信

16、號(hào)進(jìn)行運(yùn)算并取最小值，然后把兩個(gè)最小值進(jìn)行比較取出大者；用同樣方法取出此三行信號(hào)中相鄰兩行信號(hào)中的最大值，然后把兩個(gè)最大值再作比較并取小者。最后把上述最小值中的大者和最大值中的小者平均后輸出，此平均值應(yīng)能代表相鄰三行信號(hào)中的變化趨勢，使輸出接近于未來的狀態(tài)。這就是數(shù)字式動(dòng)態(tài)梳狀濾波器的工作特點(diǎn)，多次比較和平均的結(jié)果，使數(shù)據(jù)非常精確，從而保證了分離效果，所以認(rèn)為它是一種先進(jìn)的Y/C信號(hào)分離電路。說到這兒，我們不僅想起顯卡的AA全屏抗鋸齒技術(shù)，不和梳狀濾波有異曲同工之妙？技術(shù)的發(fā)展是能智能判斷以求最少的代價(jià)得到最準(zhǔn)確的結(jié)果。小知識(shí)：為什么很多電視機(jī)宣傳單里號(hào)稱有梳狀濾波器（N制），而沒有PAL制？

17、 很簡單：因?yàn)閱我恢剖釥顬V波器成本低啊，PAL制梳狀濾波雖然不復(fù)雜，但是卻不能與N制濾波電路共用，因此勢必增加成本。我們收看的電視節(jié)目一般是PAL制，所以沒有PAL制的電視機(jī)就像MX440SE用64bitDDR顯存一樣，屬于低成本的產(chǎn)品，不推薦購買。還有我不理解的是為什么有的廠家吝惜得連這種對畫質(zhì)起至關(guān)重要作用的電路都要省掉，要知道一個(gè)普通的梳狀濾波器僅僅價(jià)值3.5美元??！ 存儲(chǔ)三個(gè)層面，比較并進(jìn)行分割，東芝飛視采用的技術(shù)目前專用的梳狀濾波器已經(jīng)越來越少了，因?yàn)楠?dú)立數(shù)字梳狀濾波器成本不菲，而且只能匹配模擬的彩色解碼電路，我們知道一個(gè)好的電路，從頭到腳不能存在瓶頸，否則效果會(huì)大打折扣這就是單獨(dú)做

18、萬金油般全能梳狀濾波器不劃算的地方，所以最新的數(shù)字電路解決方案是將數(shù)字化彩色解碼芯片和數(shù)字梳狀濾波器集成，至于做成單芯片還是多芯片具體要看廠商的設(shè)計(jì)功力了。常見的梳狀濾波器有2D和3D之分，2D之中又有兩行、三行、五行之分，它們具備不同的自適應(yīng)效果，成本和價(jià)格差距很大。最后我們總結(jié)成如下幾點(diǎn)，以方便大家觀看：1、目前最先進(jìn)的梳狀濾波器是3D數(shù)字式梳狀濾波器，它能夠從空間（2D）、時(shí)間（第三維方向）將每組畫面的亮度及色度信號(hào)精確地分離，有效消除影響信號(hào)中的雜波、斑點(diǎn)、色彩重疊現(xiàn)象，使畫面更加清晰。2、較好的梳狀濾波器必須是雙制式梳狀濾波器尤其是對國內(nèi)消費(fèi)者來說；3、數(shù)字梳狀濾波器有不同的自適應(yīng)算

19、法，因此各家效果也不同。但視頻存貯能力（相當(dāng)于顯卡的顯示緩存）越大，視頻處理芯片越精密，算法越復(fù)雜其Y/C分離效果越好。梳狀濾波器等級普通兩行梳狀濾波器動(dòng)態(tài)模擬梳狀濾波器三行動(dòng)態(tài)數(shù)字梳狀濾波器（N制）五行動(dòng)態(tài)數(shù)字梳狀濾波器（P制） N制智能梳狀數(shù)字濾波器3D數(shù)字梳狀濾波器清晰度350線400線450線480線500520線直觀看圖辨優(yōu)劣：好，理論歸理論，實(shí)際歸實(shí)際，那么梳狀濾波器對哪些畫面更敏感呢？我們來看看下面的電視信號(hào)測試圖：豎直線條疏密相間，還有各種同心圓最能看出畫面清晰度和亮色串?dāng)_問題，不過這種電視標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生碟片可真不好弄。筆者手頭只有一張低清晰度版本的，只能說明部分問題。左右分別為

20、無Y/C分離和3D梳狀濾波畫面，是不是大不一樣？DPTV-DX的實(shí)際效果圖，梳狀濾波還是很干凈的。這張圖是Trident官方提供的資料，梳狀濾波效果很明顯。其實(shí)呢大商場里比比皆是的實(shí)際演示碟很容易說明問題，關(guān)鍵是很多人不了解應(yīng)該在哪些場景下進(jìn)行判斷：我們注意上圖色塊交界處合，垂直線條處的細(xì)節(jié)是最容易出現(xiàn)問題的地方。大面積色塊交界處，所有有細(xì)小豎直或者橫向條紋的畫面細(xì)節(jié)、畫面上的文本處，都是梳狀濾波器大顯身手的地方。梳狀濾波器將亮色分離得更徹底，使畫面更清晰、純凈和細(xì)膩完美。看這種縱橫交錯(cuò)的高樓大廈最能看出電視畫面的好壞，比較差的（比如普通隔行無三行梳狀濾波）電視機(jī)在這種地方原形畢露，模糊且閃爍得厲害。再舉一個(gè)例子當(dāng)更能說明問題，看小包中間的豎直條紋是否清晰，好的梳狀濾波器能有效去除亮度、色度串?dāng)_及色彩斑點(diǎn)。還有一個(gè)地方很說明問題，就是有大片郁郁蔥蔥的綠色植物時(shí)的電視畫面我不會(huì)騙你的，在這個(gè)地方是考驗(yàn)電視機(jī)真功夫的地方。上面是舉例說明梳狀濾波器對哪些畫面有影響，下面是相同畫面的對比。例一： 通過籃子的篾條可以很明顯地看出，普通