視頻濾波器設計

摘要： 本文介紹用于視頻產(chǎn)品的抗混疊濾波器和視頻重建濾波器的設計。

關鍵詞： 視頻；濾波器；抗混疊；視頻重建

帶外雜散信號所引起的混疊現(xiàn)象是模/數(shù)轉換器(ADC)應用中所面臨的關鍵問題，如果沒有適當?shù)臑V波處理，這些信號會嚴重影響數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)的性能指標。因此，任何數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)都需要在ADC之前利用抗混疊濾波器保持低于奈奎斯特頻率的信號，消除混疊失真；當然，利用DAC恢復信號時，還需要輸出重建濾波器消除采樣帶來的混疊失真和噪聲，并補償DAC產(chǎn)生的衰減。對于錄像機、等離子電視等需要對視頻信號進行量化的視頻設備，同樣需要這兩種類型的濾波器。
視頻濾波器通常為低通濾波器，都要求“線性相位”特性，相位線性度決定了包絡延時或群延時，平坦的群延時表明所有頻率通過濾波器后的延遲時間相同，有利于信號波形的恢復。除了對濾波器本身相頻特性的要求外，不同視頻通道的濾波器還要保持盡可能一致的相位延時。具體指標取決于應用和視頻制式(NTSC、PAL/DVB、ITU、SMPTE和VESA)，例如，復合NTSC/PAL制式只有一路信號，ITU-470中給出了對群延時以及群延時變化的要求，這些規(guī)定比較寬松，而ITU-601抗混疊濾波器的模板要求要嚴格得多。

抗混疊濾波器設計

抗混疊濾波器放置在ADC或視頻解碼器之前，用于限制模擬視頻信號的帶寬，減少帶外噪聲。不同的視頻顯示分辨率對濾波器截止頻率的要求不同，從標清電視到高清電視，0.1dB帶寬范圍大概在5MHz到30MHz。這類濾波器通常要求盡可能陡的過渡帶，以濾除截止頻率以外的所有頻譜成分?？梢赃x擇運算放大器構建抗混疊濾波器，例如：具有卓越的瞬態(tài)響應及大信號帶寬的MAX4450、MAX4390等。為了簡化設計，并保證視頻濾波器通道間的延時匹配度，Maxim還推出了MAX7469、MAX7472視頻抗混疊濾波器。

圖1給出了MAX7472的內(nèi)部結構和典型連接，該芯片由三路輸入復用緩沖器、鉗位電路、可編程低通濾波器以及輸出緩沖器構成，微控制器通過I2C接口設置電路性能和功能，其中包括：復用器配置、鉗位電壓、濾波器的截止頻率、同步源(內(nèi)部/外部)以及是否旁路濾波器。截止頻率的設置范圍在5MHz至34MHz，調(diào)節(jié)級數(shù)為256，適用于高清(HD)或標清(SD)電視(TV)系統(tǒng)，支持1080i、720p、720i、480p和480i掃描系統(tǒng)及計算機格式。輸出緩沖器能夠以2VP-P信號擺幅驅動標準的150W負載。輸入為交流耦合，輸出可以為直流或交流耦合。內(nèi)部視頻濾波器提供最佳響應特性，具有陡峭的過渡帶，以獲得足夠寬的通頻帶以及出色的阻帶抑制。另外，經(jīng)過優(yōu)化的濾波器可提供極低的過沖時域響應。通過優(yōu)化頻率響應可改善系統(tǒng)的整體性能，系統(tǒng)優(yōu)化需要考慮的因素很多，其中最重要的是系統(tǒng)中ADC或視頻解碼器的采樣速率。對于過采樣系統(tǒng)，采樣速率遠遠高于通帶頻率響應。處于通帶和采樣頻率之間的頻率成份包含噪聲，通過設置濾波器的截止頻率使其僅通過有用信號頻率，濾除噪聲，從而得到較高的系統(tǒng)信噪比。圖2所示電路為MAX7472所提供的頻率響應和相位特性，通道之間可以保持一致的增益、相位匹配度。

圖1  SDTV、HDTV抗混疊濾波器

圖2  圖1所示電路的頻響特性

視頻重建濾波器設計

視頻重建濾波器放置在數(shù)/模轉換器之后，考慮到DAC保持功能的濾波作用，重建濾波器對選擇性的要求不是很高，但需提供進一步的增益，補償DAC及后端負載的衰減。

MAX7462是單通道、標準清晰度、集成視頻重建濾波器和緩沖器，能夠為視頻解碼DAC的模擬CVBS視頻輸出提供信號濾波和緩沖，適用于機頂盒、硬盤記錄儀、DVD播放器和數(shù)字VCR等應用。內(nèi)部電路由低通濾波器和輸出視頻緩沖器組成(圖3)，低通濾波器為四階巴特沃斯濾波器，提供5MHz平坦通帶，在27MHz頻點具有-43dB(典型值)衰減(圖4)，優(yōu)化于NTSC、PAL和SDTV制式。輸出緩沖器能夠以2VP-P信號驅動兩路150Ω視頻負載，增益可通過GAIN引腳設置在+6dB或+9.5dB。輸出級可以驅動交流負載或直接驅動視頻負載，無需使用較大的輸出耦合電容。直流耦合情況下，輸出被箝位至適當?shù)闹绷麟娖?，使其滿足數(shù)字電視接口的規(guī)范。輸出通常與75Ω背向匹配串聯(lián)電阻相連，電阻另一端接視頻電纜。由于這種配置對信號的2倍衰減，視頻電纜上的電壓總是小于1V，符合工業(yè)標準視頻要求，如數(shù)字電視標準(該標準允許視頻電纜上最高具有1V的直流電壓)和歐洲的SCART標準(該標準允許視頻電纜上最高具有2V的直流電壓)。視頻緩沖器也可以驅動一路交流耦合視頻負載，選用220μF的輸出電容可以獲得良好的視頻性能。

圖3  集成視頻重建濾波器，用于SDTV

圖4  圖3所示電路頻響特性

電路板布局

由于視頻濾波器處理的是高頻信號，對電路板布局要求較高。不良的電路板布局很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定與振蕩。使用大面積的地層有助于改善性能，靠近電源輸入引腳安裝0.1mF或更大的旁路電容。如果PCB布線能夠設計75W受控阻抗的傳輸線，端接電阻可以離器件稍遠一些。要盡可能減小寄生電容，以避免降低濾波器的高頻性能。Maxim的許多視頻器件在封裝底部帶有裸焊盤，該焊盤通常在內(nèi)部電氣連接至地，布線時將其焊接至接地層，可以獲得較好的散熱能力。

參考文獻：
1.  MAX7472數(shù)據(jù)手冊, Maxim公司
2.  MAX7462數(shù)據(jù)手冊, Maxim公司