利用整合濾波器實現(xiàn)高質(zhì)量模擬視訊重建

為了便于傳輸，由相機擷取的模擬視訊訊號通常會將視訊訊號數(shù)字化(圖1)。數(shù)字視訊擁有很多優(yōu)勢，它能夠根據(jù)對影像質(zhì)量的要求進行壓縮，量化后的視訊訊號不會因為儲存和傳輸而降低質(zhì)量。但為了便于人眼觀看，它還必須恢復成模擬視訊訊號或模擬光影訊號。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)換時的量化及其它問題，必須透過各種濾波技術消除摩爾效應和影像失真，因而得到高質(zhì)量視訊。

圖1. 電視訊號從模擬訊號轉(zhuǎn)換成數(shù)字訊號，最后又恢復為模擬訊號。

考慮一個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聯(lián)。如果我們像兒童一樣去了解一些基本原則，對截角、邊緣進行篩選，即可重構一幅影像。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。可以按照一定的規(guī)則重新整合圖片，使影像質(zhì)量與原始的模擬輸入訊號保持一致。

數(shù)字重建過程的最后，需要對視訊訊號進行‘模擬濾波’。七巧板中是透過人眼的視覺效應實現(xiàn)‘濾波’的，對于視訊影像則需透過模擬低通濾波器實現(xiàn)。

采樣噪聲和鏡像衰減

由相機或其它設備擷取的模擬視訊訊號透過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)進行數(shù)字化處理，它在每個頻率邊沿實時記錄數(shù)據(jù)(圖2)。模擬訊號連續(xù)變化，而轉(zhuǎn)換成數(shù)字訊號時則是定時采樣。經(jīng)過數(shù)字處理和傳輸后，數(shù)字訊號透過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)變成模擬訊號。DAC的輸出如圖2的右上角所示，箭頭代表頻率訊號。

圖2. 模擬訊號和數(shù)字訊號之間的轉(zhuǎn)換波形。

在每個頻率瞬間，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓，模擬訊號將保持到下一個頻率沿。輸出是一系列階梯，而原始模擬訊號卻是平滑曲線。這稱為‘采樣保持’或‘矩形波’重建。需要模擬低通濾波器進行平滑處理，以接近原始的模擬視訊訊號。

從圖2所示時域圖可以看出，小的臺階會產(chǎn)生高頻干擾，但這種高頻干擾并不明顯。圖3提供了訊號量化后的頻域效果，標準分辨率(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。標準分辨率訊號的典型頻率頻率是27MHz，高解析訊號頻率頻率可以高達74.25MHz以上。

奈奎斯特頻率為頻率頻率的一半，這是一項關鍵指標，因為在對原始模擬訊號量化之前，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，產(chǎn)生混迭失真，因而破壞視訊訊號。產(chǎn)生混迭后將無法消除，我們在后續(xù)內(nèi)容中將解釋這一點對家庭視訊系統(tǒng)的重要性。