模擬視頻詳解

1、模擬視頻信號(hào)已經(jīng)應(yīng)用了幾十年，至今仍在使用。最原始且最常見的通用視頻標(biāo)準(zhǔn)包括了NTSC（美國國家電視系統(tǒng)委員會(huì)）以及PAL（逐行倒相制式）。其它的現(xiàn)代消費(fèi)模擬視頻傳輸系統(tǒng)包括了S-Video、分量視頻(Component Video)、專業(yè)GBR視頻以及計(jì)算機(jī)RGB系統(tǒng)。本文將探討部分模擬視頻信號(hào)的需求，并討論它們之間有何相似點(diǎn)和差別以及如何簡化此類視頻系統(tǒng)的模擬輸入/輸出設(shè)計(jì)。 全部數(shù)字化尚未實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)代的視頻系統(tǒng)通常同時(shí)在前端及后端采用數(shù)字化處理。這是由于此類系統(tǒng)確實(shí)擁有較好的靈活性，并具有相應(yīng)的低成本及集成特性，因而數(shù)字化產(chǎn)品更吸引消費(fèi)者。既然如此，那么為什么不簡單的將所有相互連接的視頻都

2、放到數(shù)字域處理呢？ 數(shù)字視頻傳輸以串行數(shù)字視頻（SDV或SDI）的形式推廣了若干年，但由于成本問題，應(yīng)用主要局限于專業(yè)廣播系統(tǒng)。新近的數(shù)字傳輸系統(tǒng)包括了DVI以及HDMI。此類系統(tǒng)得到較好的普及，特別是針對(duì)于高端系統(tǒng)。 在2006年的國際消費(fèi)電子展上，“年代久遠(yuǎn)”的模擬視頻傳輸系統(tǒng)分量視頻仍被視為最主要的機(jī)頂盒與顯示器互連方式。同時(shí)，許多“低成本”的視頻系統(tǒng)雖然缺乏高端特性，但仍廣泛應(yīng)用于世界范圍。在某些地區(qū)，價(jià)格仍然是約束消費(fèi)者購買能力的最重要因素，大多數(shù)的居民無法承受HDTV的價(jià)格。因此傳統(tǒng)的CVBS及S-Video將繼續(xù)服役至若干年之后。 視頻的命名法及背景 視頻的色彩信息通過線性化的（

3、三原色）紅、綠及藍(lán)(RGB)分量獲取。由于CRT顯示技術(shù)的限制，此類基本的色彩信息需要采用非線性的形式（即所謂的伽瑪矯正gamma-corrected color）進(jìn)行處理。為了區(qū)分真RGB以及非線性的伽瑪修正RGB，人們采用了RGB。 由于全部三個(gè)信號(hào)需求較大帶寬，因此傳統(tǒng)的消費(fèi)視頻無法使用RGB。為了降低帶寬、成本，并解決延遲及現(xiàn)今的運(yùn)行功耗等問題，RGB信號(hào)在算法上進(jìn)行了處理，從而造就了不同形式的視頻信號(hào)。 最為重要的信號(hào)是亮度（brightness，或稱之為光亮度luminance）。國際照明委員會(huì)(CIE)所規(guī)定的真實(shí)亮度(Y)的解析度應(yīng)通過線性化的RGB得到。由于在RGB中加入了非

4、線性的成分(Gamma)，亮度將無法保持真實(shí)性。因此，針對(duì)所有的視頻系統(tǒng)，人們采用了光亮度（luma Y）并在技術(shù)上嚴(yán)格的定義。 類似的，由于采用了非線性化的RGB術(shù)語，色濃度(chroma，C)的稱謂也取代了原本的色度(chrominance)亦稱為色彩信息，由色調(diào)及飽和度組成。色彩所具有的不同信號(hào)PB、PR、R Y以及B Y同樣參照此方式表示非線性化的伽瑪修正信號(hào)。其它的術(shù)語包括了U、V、I以及Q，但一般不作標(biāo)刻記號(hào)，因?yàn)榇祟愋g(shù)語僅作為數(shù)學(xué)方程式的符號(hào)而沒有用于CIE色彩空間。盡管如此，仍然有觀點(diǎn)認(rèn)為這些術(shù)語也應(yīng)具有標(biāo)刻記號(hào)，因?yàn)樗鼈兺瑯踊诜蔷€性化的元素。圖1所示的簡化RGB信號(hào)流展示了

5、此類視頻術(shù)語創(chuàng)建的方式，但忽略了某些元素，例如同步信息。 圖1 消費(fèi)接口的通用RGB視頻信號(hào)流 模擬視頻傳輸CVBS及S-Video 最初的NTSC及PAL系統(tǒng)所采用的單線傳輸系統(tǒng)通常稱為合成視頻基帶信號(hào)，即CVBS。一般來說，此類系統(tǒng)的帶寬限制低于6MHz。但需要注意，SMPTE（運(yùn)動(dòng)圖像及電視工程師協(xié)會(huì)）的170M標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)上并沒有以任何方式對(duì)亮度通道的帶寬進(jìn)行限制，僅是針對(duì)色度或色彩不同的信號(hào)進(jìn)行了限制。盡管如此，由于射頻傳輸?shù)男枰?，絕大多數(shù)系統(tǒng)還是把帶寬限制在4.2MHz。 CVBS信號(hào)最為重要的電壓電平需求包括了-40 IRE（286mV用于NTSC以及300mV用于PAL）同步信號(hào)

6、以及+100 IRE（714mV用于NTSC以及700mV用于PAL）視頻信號(hào)。此類電平可在標(biāo)準(zhǔn)間細(xì)微的變化，但其所示的值仍分別代表了此類信號(hào)的一般電壓。 事實(shí)上CVBS信號(hào)在這個(gè)140 IRE的區(qū)間，具有75%的色彩飽和度。但是，許多人都忽略了色彩可達(dá)到100%的飽和度。從而使得CVBS信號(hào)有可能達(dá)到的值分別為NTSC：286mV + 935mV =1.221Vpp，PAL：300mV + 933.5mV = 1.2335Vpp。該電壓值高于其它標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)，一旦忽略，將有可能導(dǎo)致潛在的視頻信號(hào)削波失真。 CVBS信號(hào)最大的問題之一在于亮度與色度信號(hào)的組合。由于此類信號(hào)可能占據(jù)相同的頻譜，

7、因此，很難將信號(hào)彼此分離卻不顯露人為處理的痕跡。這就是存在眾多相異的視頻解碼（其專業(yè)術(shù)語諸如2D、3D、3D自適應(yīng)等）的梳狀濾波器。但即使是采取了諸如此類的技術(shù)，在試圖分離兩個(gè)視頻信號(hào)時(shí)，人為處理的痕跡仍然有可能，或是確實(shí)存在。 消除此問題的最好辦法是在最開始就不將亮度信號(hào)與色度信號(hào)合并。S-Video正是如此，且可生成比CVBS更優(yōu)良的圖像。S-Video的帶寬與CVBS極為相似，通常低于6MHz。使用S-Video的唯一缺點(diǎn)是必須采用兩條傳輸線。模擬視頻傳輸分量視頻 為了在S-Video的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，分量視頻出現(xiàn)了，免除了對(duì)色度信號(hào)的調(diào)制，從而最終減少了誤差。分量模擬視頻保持了重要的一

8、致亮度(Y)信息，但卻分別保存了色彩差異的信息。PB是藍(lán)色的色彩差異信號(hào)，而非原先用于數(shù)字域色彩差異的CB 。類似的，PR是紅色的色彩差異信號(hào)，而CR則是數(shù)字域中紅色的差異。 分量視頻亮度的1Vpp電壓幅度需求在本質(zhì)上于與CVBS亮度相同。亮度同步信息為 -300mV信號(hào)，視頻信息為700mV信號(hào)，在同步信號(hào)電平之上。色彩差異信號(hào)可支持700mVpp，其同步信息處于電壓范圍的中點(diǎn)，而非亮度的底端。 分量模擬視頻(YPBPR)包括了多個(gè)差分格式。此類格式包括了標(biāo)準(zhǔn)清晰度(SD)、增強(qiáng)型清晰度(ED)以及高清晰度(HD)視頻。SD視頻包括了基于NTSC的480i (aka 525i)以及基于PAL

9、的576i (aka 625i)，在此 i 標(biāo)注指代了隔行(interlaced)視頻。此類視頻系統(tǒng)具有高達(dá)6.75MHz的亮度帶寬以及3.375MHz的PB 及 PR 信號(hào)帶寬。對(duì)于同步信息來說，除了色彩差異信號(hào)采用了中點(diǎn)電平之外，其余均與CVBS相同。 增強(qiáng)型清晰度(ED)視頻包括了基于NTSC的480p (aka 525p)以及基于PAL的576p (aka 625p)。在此 p 標(biāo)注指代了逐行掃描，因此需求更大的帶寬。亮度信息限制在12MHz，同時(shí)色彩差異信息限制在6MHz。同步電平的需求與480i一致，但寬度較短(2.33us vs. 4.7us)，刷新率較高。 高清晰度(HD)視頻

10、包括了720p、1080i 以及 1080p。720p及1080i 的亮度信號(hào)所具有的帶寬限制為30MHz，同時(shí)其色彩差異信號(hào)的帶寬限制為15MHz。1080p的亮度信號(hào)限制于60MHz，色彩差異信號(hào)限制于30MHz。SMPTE的274M及296M標(biāo)準(zhǔn)允許改變幀速率及采樣速率，從而可改變此類模擬帶寬，但絕大多數(shù)系統(tǒng)還是采用了上述的數(shù)值。在此須注意到，帶寬及同步寬度可以，也確實(shí)在，隨著其各自的波形而改變，畢竟針對(duì)每一信號(hào)都有諸多的須考慮選項(xiàng)（720p多達(dá)8個(gè)，1080i/1080p多達(dá)11個(gè)）。 此類HD視頻信號(hào)的電壓需求與480i及480p的需求一致。亮度通道需求1Vpp，同時(shí)色彩差異通道需求

11、700mVpp。但HD信號(hào)的同步信息卻有所不同，采用了三電平(tri-level)同步。盡管如此，其底端電平仍將隨著CVBS、480i 及 480p所依循的傳統(tǒng)的300mV單同步(single-sync)脈沖而漂移。由于三電平同步及更快的信號(hào)率，720p的同步寬度縮短至0.54us，1080i短至0.59us，而1080p則可以縮短至0.296us。 模擬視頻傳輸計(jì)算機(jī)及專業(yè)接口 當(dāng)涉及到計(jì)算機(jī)的RGB視頻信號(hào)時(shí)，您將面對(duì)一個(gè)信號(hào)所需求超大矩陣，該矩陣基于像素分辨率及刷新率，兼容大部分的視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(VESA)標(biāo)準(zhǔn)。在此須注意，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，RGB盡管常用，但其本質(zhì)屬于非線性的伽瑪修正信號(hào)

12、，實(shí)際上應(yīng)為RGB。消費(fèi)類視頻信號(hào)與RGB之間最大的不同點(diǎn)在于全部三個(gè)RGB信號(hào)均需求及其一致的信號(hào)帶寬。 RGB信號(hào)具有最高的頻率需求，可超過148.5MHz（1920 x 1440 于 75Hz 時(shí)），并且毫無疑問的還將更高。因此，處理能力需要充分的提升以滿足上述三個(gè)超大帶寬的信號(hào)。而諸如YPBPR的系統(tǒng)對(duì)處理能力的需求則較低（由于采用了4:2:2的處理），因此可用于較為廉價(jià)的系統(tǒng)。對(duì)全部三個(gè)信號(hào)的定時(shí)同步是極為重要的，否則將產(chǎn)生色彩偏移(color shifting)。為產(chǎn)生純凈的白色，所有三個(gè)信號(hào)都必須是100%的飽和，而同時(shí)僅有的亮度信號(hào)是作為消費(fèi)類信號(hào)的需求。一般來說，將亮度(br

13、ightness或Luma)從色調(diào)/飽和度、色濃度或色彩差異信息中分離處理可實(shí)現(xiàn)更輕松的校準(zhǔn)。對(duì)于消費(fèi)類視頻信號(hào)來說，定時(shí)同步也不再像對(duì)于RGB那么至關(guān)重要。 計(jì)算機(jī)RGB的電壓需求與700mVpp的亮度信號(hào)需求大致相同。唯一的差別是其同步信號(hào)可能但不一定包含在信號(hào)中。同步信息可獨(dú)立完成，在此情況下需求兩根獨(dú)立的信號(hào)線水平同步線及垂直同步線。某些時(shí)候，上述兩個(gè)同步信號(hào)也可合并至單個(gè)信號(hào)H+V同步信號(hào)。大量的時(shí)間及同步信息被包含在綠色信號(hào)中RGsB。其它的時(shí)間及同步信息被包含在全部三個(gè)信號(hào)中RsGsBs 或 sRGB。當(dāng)同步信號(hào)內(nèi)嵌至視頻信號(hào)時(shí)，其幅度為300mVpp，與傳統(tǒng)的亮度信號(hào)一致。很明

14、顯，同步持續(xù)時(shí)間取決于信號(hào)的分辨率及刷新率。此參數(shù)可變，可從3.8us（640 x 480 于 60 Hz時(shí)）縮短至0.74us (1920 x 1200 于 85Hz時(shí))，乃至更短，例如，降低消隱(reduced blanking)的1920 x 1200 分辨率于 60Hz時(shí)需要0.208s的刷新同步。 最后，在專業(yè)及廣播系統(tǒng)中，所采用的將是GBR。SMPTE 分量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了亮度信息將被置于第一通道，藍(lán)色色彩差異信息被置于第二通道，而紅色色彩差異信息被置于第三通道，該組成與YPBPR的命名法一致。由于亮度通道(Y) 攜帶了同步信息，而綠色通道(G)也攜帶了同步信息，在此層意義上G應(yīng)排在首位

15、。而由于藍(lán)色色彩差異通道(PB)居中，紅色色彩差異通道(PR)位于末尾，在此層意義上B信號(hào)應(yīng)居于第二通道而R應(yīng)居于第三通道。從而硬件可使用GBR實(shí)現(xiàn)更好的兼容性而非RGB。 對(duì)于以下的每一標(biāo)準(zhǔn)480i/525i、576i/625i、480p/525p、576p/625p、720p、1080i 以及 1080p來說，每個(gè)GBR信號(hào)的視頻及同步幅值都分別等同于Y的需求。在此須注意，由于眾多GBR系統(tǒng)的同步被內(nèi)嵌至全部三個(gè)通道，但不一定是所有的系統(tǒng)都如此。此類系統(tǒng)帶寬的需求實(shí)質(zhì)上等同于上述方法中SD、ED及HD標(biāo)準(zhǔn)所分別對(duì)應(yīng)的亮度帶寬需求。與計(jì)算機(jī)的RGB信號(hào)類似，對(duì)于視頻信號(hào)及其顯示的校準(zhǔn)來說，其

16、每一信號(hào)的定時(shí)也不是那么至關(guān)重要。 表1例舉了視頻信號(hào)的模擬需求。由于每一視頻系統(tǒng)都有許多其它的不確定性，下列數(shù)字僅代表了最優(yōu)的起始值。對(duì)于理想的最小化轉(zhuǎn)換速率值來說，通式SR = (2 Pi F 0.707 Vpeak * 2)采用了Vpeak表述1V (2Vpp)，并假定輸出緩沖處于最差狀態(tài)下，0.707作為-3dB在給定頻率點(diǎn)上的-3dB幅值，而2倍乘緩沖的因子僅作為保障。在實(shí)際系統(tǒng)中，視頻信號(hào)不需要從0V上升至1V（1Vpp or 0.5Vpeak），而更趨向于0V 至 700mV（350mV峰值）以實(shí)現(xiàn)從純黑至純白。對(duì)于輸入緩沖器來說，其幅度是輸出緩沖器所需求的一半。因此，表1中所采

17、用的信息僅可作為起始值。 * 通常采用限制(limit)表述，而非需求(required) 模擬濾波 為何濾波甚至可用于模擬視頻呢？依照最初的情形，模擬視頻信號(hào)通常轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)，反之亦然。對(duì)于諸如DVD錄像機(jī)等顯示及接收設(shè)備來說，轉(zhuǎn)換意味著需采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于機(jī)頂盒及DVD播放器來說，轉(zhuǎn)換意味著需采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。但不管是ADC還是DAC都具有采樣頻率所確定的鏡像。此類鏡像可混疊(“fold”)至基帶并導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降。 盡管DAC或ADC具有數(shù)字濾波的能力，轉(zhuǎn)換器外部的模擬濾波器仍然是必須的。鏡像在此類系統(tǒng)中將持續(xù)存在，除非進(jìn)行濾波。其原因很簡單：轉(zhuǎn)換器仍在

18、采樣并因此而產(chǎn)生鏡像。 為滿足SMPTE濾波的需求，系統(tǒng)整體應(yīng)滿足一定標(biāo)準(zhǔn)，而不僅僅是其本身的濾波器。許多DAC都已經(jīng)具備了數(shù)字濾波及插值濾波器。為轉(zhuǎn)換器本身提供了極大的幫助。在此基礎(chǔ)上再結(jié)合模擬濾波器，即可滿足SMPTE的需求。 為了保持良好的成像質(zhì)量，此類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的鏡像必須被濾除（敬請(qǐng)參見圖2）。此時(shí)，在信號(hào)通路上配置模擬濾波器就顯得極為重要。在使用了DAC的系統(tǒng)上，很重要的一點(diǎn)是需采用濾波器消除DAC的鏡像（又稱為重建濾波器reconstruction fliter）。而在諸如顯示器的輸入設(shè)備上，也絕對(duì)的要求采用濾波器。 因?yàn)轱@示器實(shí)際上可能連接到任意信號(hào)源，而此類信號(hào)源很可能不具備濾

19、波功能，或是濾波能力匱乏。此外，當(dāng)接口存在強(qiáng)電磁干擾(EMI)時(shí)，ADC的抗鋸齒濾波器將能使任意視效上的問題最小化。同時(shí)，作為附帶的優(yōu)勢，抗鋸齒濾波器還同時(shí)降低了信號(hào)的總體噪聲電平（通過降低帶寬）。 通過濾波抑制標(biāo)準(zhǔn)分辨率視頻的DAC鏡像 同時(shí)消除DAC及ADC的鏡像將改善視效質(zhì)量。但是，該采用何種濾波器？其眾多極點(diǎn)又該如何選擇呢？對(duì)于視頻信號(hào)來說，什么樣的轉(zhuǎn)降頻率(corner frequency)、平坦度以及群延遲(group delay)又是最合適的呢？如果向10個(gè)工程師提出上述問題，你有可能得到10個(gè)不同的答案。 在最初的情況下，針對(duì)于每一視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)降頻率可相對(duì)簡單的確定。理想的狀況

20、是具有盡可能平坦的通帶，并在接近數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣頻率點(diǎn)后最大程度的衰減。如果僅有上述需求，您一定會(huì)想到橢圓型或切比雪夫型(Chebyshev)的濾波器。在僅關(guān)注幅度的平坦度及衰減時(shí)，此類濾波器是理想的可支持任意系統(tǒng)以滿足SMPTE濾波器特性需求。但群延遲是不能被忽略的，因?yàn)镾MPTE標(biāo)準(zhǔn)同樣包含了對(duì)群延遲的限定，系統(tǒng)應(yīng)該同時(shí)滿足上述因素，而不僅僅是某一方面。 群延遲定義為相位的改變量（弧度/秒）除以頻率的改變量。群延遲越為平坦，相位隨頻率的變化就越為線性化。在時(shí)域，這對(duì)于脈沖響應(yīng)是極為重要的。模擬信號(hào)傳輸系統(tǒng)首要考慮的就是基于時(shí)間的系統(tǒng)。假設(shè)某視頻顯示的每一像素都從純黑變化至純白，而后又從純白回

21、復(fù)到純黑。這就意味著在某一像素幀，視頻信號(hào)電壓將從0mV盡可能快的提升至700mV，而后在下一像素幀又回復(fù)到0mV。如果在不同的頻帶具有不同的群延遲變化量，則將會(huì)發(fā)生過沖(overshooting)及振蕩(ringing)。橢圓型及切比雪夫型濾波器由于群延遲變化過大，因而將會(huì)產(chǎn)生振蕩響應(yīng)。在顯示時(shí)，此類振蕩將產(chǎn)生疊影(ghosting)或邊沿模糊盡管擁有幅度衰減上的優(yōu)勢，但不足以掩蓋此缺陷。 因此，必須很好的平衡幅度平坦度、轉(zhuǎn)降頻率、衰減及群延遲方能實(shí)現(xiàn)一個(gè)可滿足要求的視頻濾波器這就是在該問題上存在諸多不同觀點(diǎn)的原因。通常公認(rèn)的做法是采用巴特沃斯(butterworth)濾波器作為可接受的折衷

22、，以用于消費(fèi)視頻。此類型的濾波器具有極大的平坦幅度響應(yīng)、合理的衰減速率以及可接受的群延遲。巴特沃斯濾波器不是絕對(duì)完美的，但大抵足以滿足上述系統(tǒng)。 濾波器示例 源自德州儀器的新型THS73x3系列集成濾波器/放大器采用了改進(jìn)的五階巴特沃茲濾波器。其改進(jìn)稍稍降低了Q值，或稱峰值因子(peaking factor)。并盡最大努力最小化了群延遲改變量。其缺點(diǎn)是通帶平坦度不及真正的巴特沃斯濾波器，但衰減特性近乎一致。 該系列器件采用了五個(gè)極點(diǎn)，而非四或六個(gè)極點(diǎn)，因?yàn)槠鏀?shù)階的濾波器具有真正實(shí)數(shù)極點(diǎn)，較之偶數(shù)階濾波器所實(shí)現(xiàn)的復(fù)數(shù)極點(diǎn)更具優(yōu)勢。盡管某些人認(rèn)為實(shí)數(shù)極點(diǎn)無關(guān)緊要，但真實(shí)世界體驗(yàn)證明了實(shí)數(shù)極點(diǎn)可使有

23、源濾波系統(tǒng)真正受益，特別是在采用Sallen-Key架構(gòu)時(shí)。Sallen-Key系統(tǒng)所具有的高頻信號(hào)通路貫穿整個(gè)系統(tǒng)，可相對(duì)輕松的實(shí)現(xiàn)高于放大器帶寬限制的高頻信號(hào)傳輸。系統(tǒng)中的實(shí)數(shù)極點(diǎn)將任意高于放大器帶寬限制的高頻信號(hào)分流至地，從而有助于確保濾波器在極高頻率下依然可濾波。 為了極力說明群延遲及幅度平坦性的效果，TI的網(wǎng)站提供了使用濾波器高級(jí)程序(Filter Pro Program)所仿真的其它濾波器。如所仿真的五極點(diǎn)、0.5dB切比雪夫型濾波器，轉(zhuǎn)降頻率（-0.5dB下降）為10MHz。此外還仿真了五階改進(jìn)型巴特沃斯濾波器，轉(zhuǎn)降頻率（-3dB下降）為8.5MHz。圖3展示了兩個(gè)濾波器的幅度響

24、應(yīng)。切比雪夫?yàn)V波器具有所預(yù)期的0.5紋波，但其“平坦區(qū)域”超過10MHz，極大地超過了巴特沃斯型的平坦度。此外，切比雪夫型的衰減速率也更高，在27MHz的臨界點(diǎn)處衰減超過了56dB。巴特沃斯型在27MHz處僅可達(dá)到46dB。但實(shí)際上，46dB的衰減通常已經(jīng)足以滿足視頻系統(tǒng)。 圖3：濾波器幅度響應(yīng) 圖4展示了濾波器的相位及群延遲響應(yīng)。切比雪夫型濾波器相對(duì)于巴特沃斯型濾波器具有更大的群延遲改變量，特別是在降頻率處。該特點(diǎn)在相位響應(yīng)上依然可見。需要記住的是，對(duì)于絕大多數(shù)的系統(tǒng)，群延遲的絕對(duì)值是本質(zhì)上相關(guān)的。因此群延遲的變化量更為重要。 圖4濾波器群延遲及相位響應(yīng) 圖5展示了采用不同濾波器系統(tǒng)的脈沖沖

25、擊響應(yīng)。脈沖轉(zhuǎn)換時(shí)間為37ns，為27MHz DAC理論上所能提供的階躍。改進(jìn)型的巴特沃斯濾波器具有較小的群延遲改變量，其響應(yīng)更為優(yōu)良。兩種濾波器的過沖近乎一致，但切比雪夫型濾波器所具有的振蕩響應(yīng)將持續(xù)可觀的總體時(shí)間。 圖5濾波器脈沖響應(yīng) 圖6展示了上述脈沖響應(yīng)的放大圖。許多視頻系統(tǒng)都試圖將變化量維持在小于1 IRE（或7mV左右）。圖中所示的最小等值線間距為10mV。由此可見，在施加了脈沖之后，切比雪夫所響應(yīng)的最短1 IRE轉(zhuǎn)變時(shí)間將高達(dá)480ns左右，相比較而言，改進(jìn)型巴特沃斯的“穩(wěn)定”(“settling”)時(shí)間約220ns。較長的響應(yīng)時(shí)間可能導(dǎo)致負(fù)面的效應(yīng)，諸如疊影及模糊。 圖6濾波器

26、頻率響應(yīng)放大圖 當(dāng)采用有源濾波器時(shí)，需要記住的是，濾波器的Q值越大，對(duì)放大器的帶寬需求也越高。在采用貝塞爾(bessel)或巴特沃斯濾波器，乃至更高階版本時(shí)，應(yīng)保持每一級(jí)的Q值相對(duì)的低。采用橢圓或切比雪夫設(shè)計(jì)的濾波器的響應(yīng)具有較高的Q值，從而需要更大帶寬的放大器方能實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠ヅ?。否則，放大器對(duì)濾波器的沖擊將改變所期望的響應(yīng)。假定大帶寬匹配可通過改變?cè)档脑O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，但放大器間(amplifier-to-amplifier)的改變量卻開始變得比以往更加重要。 無源vs.有源 無源濾波器因其極為廉價(jià)而常見于當(dāng)今的系統(tǒng)。然而，此類濾波器也具有PCB面積、額外的元件總量、更多的裝配時(shí)間、通帶信號(hào)丟失

27、、對(duì)電感的電磁干擾及容忍度方面的缺點(diǎn)。電感及電容通常具有+/-10%的誤差，特別是對(duì)于低成本的元件。因此，由于獨(dú)立元件之間(component-to-component)的改變量以及實(shí)際上所涉及的多個(gè)極點(diǎn)，此類容忍度將對(duì)濾波器的響應(yīng)產(chǎn)生很大的沖擊。 蒙特卡洛(Monte-Carlo)是很有用的分析工具，可察看對(duì)無源濾波器性能的影響。其仿真展示了當(dāng)采用+/-10%容忍度的元件時(shí)，轉(zhuǎn)降頻率、平坦度、衰減及峰值都將有可觀的改變。 采用有源濾波器可改善無源濾波器的不足。半導(dǎo)體處理工藝，諸如THS73x3器件所采用的BiCom-3工藝，其單元間(element-to-element)匹配非常緊密，通常所

28、見的電阻間(resistor-to-resistor)以及電容間(capacitor-to-capacitor)的改變量小于1%。在此需注意，外部元件值的絕對(duì)量將會(huì)有較大的變化，通?？蛇_(dá)10%乃至更高，取決于元件及元件類型。其元件變化量將影響濾波器的轉(zhuǎn)降頻率及衰減特性。 然而，在集成有源濾波器設(shè)計(jì)中，例如THS73x3所采用的單位增益Sallen-Key濾波器設(shè)計(jì)，其平坦值及峰值可非常嚴(yán)格的控制。對(duì)單位增益Sallen-Key濾波器的敏感性分析（在此由于篇幅約束而無法詳敘 ）說明了只要電阻間和電容間，以及其單位增益一起緊密地匹配，實(shí)質(zhì)上的改變量僅為轉(zhuǎn)降頻率而不影響Q值。Q值的改變將引入嚴(yán)重的群

29、延遲，這是不期望的。隨著高質(zhì)量電阻及電容的使用，且假定放大器固有帶寬較之濾波器轉(zhuǎn)降帶寬高很多，有緣濾波器可實(shí)現(xiàn)比無源濾波器更優(yōu)的控制特性。此外有源濾波器典型的占用更少的PCB面積，僅采用1個(gè)元件即可實(shí)現(xiàn)，極大的降低了總元件數(shù)量。 多極點(diǎn)無源濾波器所存在的另一嚴(yán)重問題是其轉(zhuǎn)降頻率無法輕松改變，除非更換元件以使其更為昂貴或更為廉價(jià)。而具有可選擇性濾波器的有源濾波器設(shè)計(jì)可輕松的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)降頻率的改變。這對(duì)于無須改變?yōu)V波頻率CVBS及S-Video系統(tǒng)也許不是太有吸引力的特性，然而，對(duì)于分量視頻系統(tǒng)來說，可改變的濾波頻率卻具有很大優(yōu)勢，因?yàn)閷?shí)際的分量視頻可能為SD、ED、HD(720p/1080i)或10

30、80p HD。 可改變的濾波頻率對(duì)于接收分量YPBPR或GBR信號(hào)的接收機(jī)系統(tǒng)尤其重要。例如，固定35MHz的無源濾波器被用于允許分量信號(hào)輸送至顯示器。然而，當(dāng)480i或576i SD分量信號(hào)施加于輸入端時(shí)，將會(huì)有什么現(xiàn)象呢？對(duì)于此類信號(hào)，通用的DAC采樣頻率是27MHz。如果DAC不具有重構(gòu)濾波器，鏡像將出現(xiàn)在27MHz基波的兩端，并將直接通過顯示器的35MHz無源濾波器。其結(jié)果是鏡像無衰減，而顯示則很可能非常糟糕。 上述狀況還可見于ED 480p/576p信號(hào)。此類信號(hào)通常具有54MHz的采樣頻率，視頻帶寬為12MHz。因此，二次奈奎斯特(Nyquist)區(qū)域鏡像將開始出現(xiàn)在42MHz。如

31、果無源濾波器轉(zhuǎn)降于35MHz或更高，對(duì)此鏡像的衰減將非常小，從而再次導(dǎo)致糟糕的成像質(zhì)量。 在此可選擇性的濾波器變得極為重要，因?yàn)橐瑫r(shí)在DAC側(cè)(THS7303)及ADC側(cè)(THS7353)采用濾波器。此類集成的濾波器/放大器結(jié)合了可選擇性的五階改進(jìn)型巴特沃斯濾波器，可設(shè)定為9MHz以用于SD信號(hào)，16MHz以用于ED信號(hào)，35MHz以用于HD 720p/1080i信號(hào)，或是設(shè)定為150MHz的旁通(bypass)模式以用于非常高速的信號(hào)，諸如1080p。圖7圖示說明了上述論點(diǎn)。 圖7：固定濾波器vs可選擇性濾波器在處理YPBPR信號(hào)上的優(yōu)勢 THS73x3的每一通道都可以獨(dú)立的控制，提供了額

32、外的靈活性。由于具有了該特性，某些可選擇35MHz以作為亮度(Luma)通道，或選擇16MHz以作為色差通道，適應(yīng)于基于模擬信號(hào)帶寬的需求。但該系列器件同時(shí)也存在著一個(gè)缺點(diǎn)：不同濾波器所對(duì)應(yīng)的延遲將隨同一頻率標(biāo)度處會(huì)發(fā)生改變。如果不通過數(shù)字信號(hào)處理，則可能導(dǎo)致時(shí)域上的問題。 高端系統(tǒng)也同樣得益于可選擇性的濾波器，因?yàn)槠湎辔磺袚Q及群延遲是非常重要的參數(shù)。在此16MHz濾波器可用于SD信號(hào)，確保了在涵蓋SD的頻譜上都擁有非常平滑且平坦的響應(yīng)，且實(shí)質(zhì)上時(shí)域的脈沖響應(yīng)無過沖。該受益同樣可應(yīng)用于35MHz濾波器以支持ED信號(hào)，或是旁通模式以支持HD信號(hào)。 最后，無源濾波器的阻抗將會(huì)隨頻率發(fā)生極大的改變。

33、從而會(huì)同時(shí)導(dǎo)致DAC及ADC的互感(interaction)問題。此外，如果源阻抗或終接阻抗超過75ohm的需求，還可能導(dǎo)致振蕩問題。THS73x3系列有源濾波器/放大器弱化了此類問題。在10MHz時(shí)，其輸入阻抗可大于1Mohm，同時(shí)其輸出阻抗小于1ohm。從而可消除ADC 反沖(kick-back)的現(xiàn)象或解碼器輸入箝位的問題。電源電壓及功耗 決大多數(shù)的視頻系統(tǒng)采用獨(dú)立供電的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（3.3V供電）。如果該電源能同時(shí)用于視頻濾波器/放大器，則系統(tǒng)將有可能減少一至兩個(gè)電源，從而使得系統(tǒng)更簡潔，并可降低了成本。THS73x3系列器件是該領(lǐng)域的探路者，可運(yùn)行于2.7V5V的單電源。該系列器件采用

34、的BiCom-3處理工藝，設(shè)計(jì)工作于此類電壓，且在其整個(gè)電壓范圍內(nèi)都沒有性能上的降低。實(shí)際上，某些規(guī)格參數(shù)，例如差分增益及相位，都因更低的電源電壓而得到改善。 圖8展示了THS7303作為DAC的放大器緩沖器的典型配置，可接收外部輸入，采用了3.3V電源供電，并在輸出端采用了中沉校準(zhǔn)(SAG correction)。 該圖可作為本文其他部分的參考。 圖8：典型系統(tǒng)配置，THS7303采用了3.3V電源電壓，并采用DC+偏移量(DC+shift)、AC-STC以及AC偏置模式耦合DAC輸入，中沉校準(zhǔn)(SAG corrected)線路驅(qū)動(dòng)輸出。 另一個(gè)考慮因素是功耗。與THS73x3系列類似的5V

35、單電源供電部件并不是很少見，但很多器件的功耗都超過50mW，甚至高達(dá)1.2W，從而可能導(dǎo)致很高的芯片溫度并容易影響設(shè)備的長期可靠性。但THS73x3系列器件的功耗僅為55mW， 采用3.3V供電運(yùn)轉(zhuǎn)。該特性卓有成效地降低了所關(guān)注的熱耗，并確保了可靠性。 該系列器件的每一通道都可獨(dú)立的關(guān)斷(shutdown)，以降低功耗。當(dāng)所有的通道都處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，總的電流損耗小于1uA。因此，此類器件可應(yīng)用于諸如便攜式或USB供電系統(tǒng)等功耗敏感性的系統(tǒng)。 信號(hào)耦合 對(duì)于單電源供電低至2.7V的設(shè)計(jì)來說，其中的關(guān)注點(diǎn)之一是視頻信號(hào)是否會(huì)產(chǎn)生削波失真。在此，適當(dāng)?shù)闹绷髌脤?duì)于設(shè)計(jì)來說是十分重要的。對(duì)于不同類別的

36、視頻系統(tǒng)及設(shè)計(jì)，關(guān)鍵點(diǎn)之一是提供足夠的靈活性以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)THS73x3的偏置。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中若采用了THS7303或THS7313作為6dB增益放大器，并由接地參考的DAC或編碼器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，則直流(DC)輸入模式是理想的。問題在于DAC所產(chǎn)生的電壓將低至何種程度。如果同步信號(hào)（在視頻信號(hào)中典型的處于最低電壓）低于50mV，則6dB放大器的輸出需要產(chǎn)生低于100mV的電壓。然而由于晶體管的飽和狀態(tài)限制（CMOS及雙極型都存在此類情況），使得放大器極難產(chǎn)生此類低電壓。 為了消除此類限制，所有的THS73x3產(chǎn)品都采用了DC+偏移模式，以為視頻輸入信號(hào)提供內(nèi)置的直流電壓偏置。由于該偏置僅為內(nèi)置，因而

37、將不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響。該偏置還確保了THS73x3在輸入不適宜（甚至低至0V）的情況下輸出端也不會(huì)因?yàn)轱柡投鴮?dǎo)致削波。 如果DAC輸出電壓最低值僅為100mV，則直流輸入模式是最優(yōu)的。該模式對(duì)系統(tǒng)所施加的偏置電壓沒有要求。但需要注意的是任意放大器都具有偏置，THS73x3也不例外。盡管偏置電壓典型的很小，但部件間(part-to-part)的差異確實(shí)存在。 如果DAC采用了諸如3.3V、1.8V的電源或外部的輸入作為參考，則采用AC耦合是最優(yōu)的模式。AC耦合允許THS73x3忽略源極的直流偏置點(diǎn)，并將重新確立其自身的直流偏置點(diǎn)。AC耦合選項(xiàng)包括了AC偏置(AC-bias)以及AC同步端鉗位(s

38、ync tip clamp)。 AC偏置模式非常簡單。THS73x3通過兩個(gè)電阻設(shè)定電源與地電平之間的電壓劃分。AC偏置模式的輸入阻抗約為20k。因此，所使用的電容應(yīng)該足夠大以確保任意傾斜(tilt)或下降(droop)問題的最小化。一般來說，4.7uF 10uF的電容即可合乎要求。該模式最為適用于色度(Chroma)或色差信號(hào)，同時(shí)也可用于亮度(Luma)信號(hào)、GBR 信號(hào)或計(jì)算機(jī)RGB 信號(hào)。由于信號(hào)是AC耦合，且DC偏置點(diǎn)也隨平均信號(hào)電平而變化，因此，對(duì)于攜帶同步信息的信號(hào)，最好采用AC偏置模式，并通過5V電源供電，以確保不產(chǎn)生削波失真。 正在申請(qǐng)專利的AC同步端鉗位(STC)模式（圖9

39、）最為適用于處于視頻信號(hào)最低電平的同步信號(hào)。這就意味著亮度(Y)信號(hào)、帶同步的GBR信號(hào)或是帶同步的計(jì)算機(jī)RGB信號(hào)都很適宜采用AC-STC模式。THS73x3的同步端鉗位系統(tǒng)具有內(nèi)置的電流吸收(current-sink)以釋放耦合電容，單個(gè)濾波器以消除有可能出現(xiàn)的高頻信號(hào)相互干擾，單個(gè)放大器用以監(jiān)測輸入端電壓與參考電壓之間的差值，并具有一個(gè)晶體管以用于在信號(hào)低于參考電平時(shí)對(duì)電容充載。因此，該同步鉗位系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，在任意情況下都不依賴于定時(shí)校準(zhǔn)。此類系統(tǒng)還通常被稱為直流重構(gòu)(DC-restore)系統(tǒng)，優(yōu)于二極管鉗位系統(tǒng)。后者的問題在于易受任意高頻信號(hào)或過沖(overshoot)的影響，從

40、而將導(dǎo)致不期望的DC偏置點(diǎn)過度偏移以及信號(hào)的削波失真。 圖9：AC-STC基本系統(tǒng) THS73x3系列的靈活性允許用戶調(diào)節(jié)某些AC-STC功能，包括了500 kHz、2.5MHz 及 5MHz之間的STC濾波器。這點(diǎn)非常重要，因?yàn)樗鶓?yīng)用的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)（敬請(qǐng)參見表1）具有不同的水平同步寬度(horizontal sync width)。如將500kHz濾波器應(yīng)用于720p亮度信號(hào)，STC電路將無法銜接操作，而系統(tǒng)也將懸起。但如果是應(yīng)用于充滿噪聲或強(qiáng)烈振蕩的CVBS信號(hào)，500kHz濾波器將很好的抑制THS73x3內(nèi)部的直流偏置點(diǎn)漂移 AC-STC模式允許選擇放電電流(discharge curren

41、t)。如果出現(xiàn)于THS73x3輸入端的電壓下跌至低于參考電壓，系統(tǒng)將以最高2mA的電流充電以增加電壓。而如果電壓一定程度的高于參考電壓，情況又如何呢？放電電流將降低電容上的電壓，放電速率等于I/C = dV/dT。該電流可選擇為2uA、6uA以及8uA。具有高的放電電流使得系統(tǒng)可更快的捕捉信號(hào)并更好的抑制嗡鳴(hum)噪聲（當(dāng)50Hz或60Hz的線路信號(hào)耦合至系統(tǒng)時(shí)）。其它時(shí)候系統(tǒng)則需求較低的放電速率以改善線路上的傾斜或下降，特別是當(dāng)視頻信號(hào)在整條線路上保持不變(hold constant)的時(shí)候。由于AC耦合及放電電流的影響，DC信號(hào)將會(huì)向下傾斜，通?？山邮艿娜€路傾斜小于1 IRE。此類可

42、選擇性的允許系統(tǒng)實(shí)質(zhì)性的連接至任意外部源，而無需手動(dòng)改變輸入電容值。 圖8還展示了2:1輸入多路復(fù)用器(MUX)的特性。此多路復(fù)用器，并結(jié)合用戶可配置的輸入耦合方式（不同通道間完全獨(dú)立），可允許THS73x3應(yīng)用于眾多不同的系統(tǒng)。 輸出能力線路驅(qū)動(dòng)放大器最通常采用的輸出配置是交流耦合。交流耦合通過消除所有可能的直流偏置電流實(shí)現(xiàn)，并使得系統(tǒng)更為通用。在放大器的輸出端，通?？刹捎?20uF 1000uF的電容來降低線路的傾斜(tilt)。 在某些系統(tǒng)中，直流偏置電流并不被看重，相比較之下，成本及PCB尺寸更有可能被看重的。THS73x3具有軌至軌輸出放大器級(jí)，因而可允許順暢的直流耦合，其輸出擺幅范

43、圍為低于電源電壓100mV至地電平之間，可驅(qū)動(dòng)高達(dá)80mA的電流。 另一些系統(tǒng)或許需求交流耦合，但PCB尺寸仍然重要。THS7303及THS7313具有足夠的靈活性，可通過SAG（中沉校準(zhǔn)）的方式實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。SAG校準(zhǔn)需要兩個(gè)電容，但電容更小通常情況下，47uF及33uF的電容可實(shí)現(xiàn)與330uF電容等同的抗傾斜性能。電容值分別增加至68uF及47uF可使得其性能與470uF電容相當(dāng)。 SAG功能通過某頻段上的增益隨頻率增加而減少實(shí)現(xiàn)上述等效效果。放大器的增益抵消了47uF的電容降低，使得可實(shí)現(xiàn)的通帶得以擴(kuò)展。33uF電容的選取旨在獲取低峰值，或稱品質(zhì)因數(shù)(Q-enhancement)。此類“

44、等效”使得視頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了更低的線路傾斜或下降特性，特別是對(duì)于場方波信號(hào)。 圖10采用THS7303及THS7313展示了實(shí)現(xiàn)SAG（中沉校準(zhǔn)）的基本配置。盡管其它廠商也可采用SAG，但其系統(tǒng)通常需要更大的電容或更大功率的電源以解決系統(tǒng)中存在的大直流增益問題。 要了解SAG功能的原理并不困難。在直流情況下，放大器增益因內(nèi)部的675電阻與878反饋電阻的串聯(lián)而有所增加。在高頻情況下，輸出電容與SAG反饋電容被短路，675電阻與150電阻相當(dāng)于并聯(lián)，并定位于6dB的系統(tǒng)增益。直流增益的增加與適當(dāng)?shù)碾娙荼仁沟肧AG所實(shí)現(xiàn)的功能更為近似于使用更大電容。 圖10：THS7303系統(tǒng)級(jí)框圖，展示了SAG特性 圖11展示了在圖10