视频滤波器设计
摘要： 本文介绍用于视频产品的抗混叠滤波器和视频重建滤波器的设计。
关键词： 视频;滤波器;抗混叠;视频重建
带外杂散信号所引起的混叠现象是模/数转换器(ADC)应用中所面临的关键问题,如果没有适当的滤波处理,这些信号会严重影响数据转换系统的性能指标。因此,任何数据采样系统都需要在ADC之前利用抗混叠滤波器保持低于奈奎斯特频率的信号,消除混叠失真;当然,利用DAC恢复信号时,还需要输出重建滤波器消除采样带来的混叠失真和噪声,并补偿DAC产生的衰减。对于录像机、等离子电视等需要对视频信号进行量化的视频设备,同样需要这两种类型的滤波器。
视频滤波器通常为低通滤波器,都要求“线性相位”特性,相位线性度决定了包络延时或群延时,平坦的群延时表明所有频率通过滤波器后的延迟时间相同,有利于信号波形的恢复。除了对滤波器本身相频特性的要求外,不同视频通道的滤波器还要保持尽可能一致的相位延时。具体指标取决于应用和视频制式(NTSC、PAL/DVB、ITU、SMPTE和VESA),例如,复合NTSC/PAL制式只有一路信号,ITU-470中给出了对群延时以及群延时变化的要求,这些规定比较宽松,而ITU-601抗混叠滤波器的模板要求要严格得多。
抗混叠滤波器设计
抗混叠滤波器放置在ADC或视频解码器之前,用于限制模拟视频信号的带宽,减少带外噪声。不同的视频显示分辨率对滤波器截止频率的要求不同,从标清电视到高清电视,0.1dB带宽范围大概在5MHz到30MHz。这类滤波器通常要求尽可能陡的过渡带,以滤除截止频率以外的所有频谱成分。可以选择运算放大器构建抗混叠滤波器,例如：具有卓越的瞬态响应及大信号带宽的MAX4450、MAX4390等。为了简化设计,并保证视频滤波器通道间的延时匹配度,Maxim还推出了MAX7469、MAX7472视频抗混叠滤波器。
图1给出了MAX7472的内部结构和典型连接,该芯片由三路输入复用缓冲器、钳位电路、可编程低通滤波器以及输出缓冲器构成,微控制器通过I2C接口设置电路性能和功能,其中包括：复用器配置、钳位电压、滤波器的截止频率、同步源(内部/外部)以及是否旁路滤波器。截止频率的设置范围在5MHz至34MHz,调节级数为256,适用于高清(HD)或标清(SD)电视(TV)系统,支持1080i、720p、720i、480p和480i扫描系统及计算机格式。输出缓冲器能够以2VP-P信号摆幅驱动标准的150W负载。输入为交流耦合,输出可以为直流或交流耦合。内部视频滤波器提供最佳响应特性,具有陡峭的过渡带,以获得足够宽的通频带以及出色的阻带抑制。另外,经过优化的滤波器可提供极低的过冲时域响应。通过优化频率响应可改善系统的整体性能,系统优化需要考虑的因素很多,其中最重要的是系统中ADC或视频解码器的采样速率。对于过采样系统,采样速率远远高于通带频率响应。处于通带和采样频率之间的频率成份包含噪声,通过设置滤波器的截止频率使其仅通过有用信号频率,滤除噪声,从而得到较高的系统信噪比。图2所示电路为MAX7472所提供的频率响应和相位特性,通道之间可以保持一致的增益、相位匹配度。
图1 SDTV、HDTV抗混叠滤波器
图2 图1所示电路的频响特性
