模擬視頻詳解

1、模擬視頻信號已經(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準包括了NTSC（美國國家電視系統(tǒng)委員會）以及PAL（逐行倒相制式）。其它的現(xiàn)代消費模擬視頻傳輸系統(tǒng)包括了S-Video、分量視頻(Component Video)、專業(yè)GBR視頻以及計算機RGB系統(tǒng)。本文將探討部分模擬視頻信號的需求，并討論它們之間有何相似點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。 全部數(shù)字化尚未實現(xiàn) 現(xiàn)代的視頻系統(tǒng)通常同時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，特別是針對于高端系統(tǒng)。 在2006年的國際消費電子展上，“年代久遠”的模擬視頻傳輸系統(tǒng)分量視頻仍被視為最主要的機頂盒與顯示器互連方式。同時，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)，價格仍然是約束消費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(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。 由于全部三個信號需求較大帶寬，因此傳統(tǒng)的消費視頻無法使用RGB。為了降低帶寬、成本，并解決延遲及現(xiàn)今的運行功耗等問題，RGB信號在算法上進行了處理，從而造就了不同形式的視頻信號。 最為重要的信號是亮度（brightness，或稱之為光亮度luminance）。國際照明委員會(CIE)所規(guī)定的真實亮度(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性。因此，針對所有的視頻系統(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。其它的術(shù)語包括了U、V、I以及Q，但一般不作標刻記號，因為此類術(shù)語僅作為數(shù)學(xué)方程式的符號而沒有用于CIE色彩空間。盡管如此，仍然有觀點認為這些術(shù)語也應(yīng)具有標刻記號，因為它們同樣基于非線性化的元素。圖1所示的簡化RGB信號流展示了

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 消費接口的通用RGB視頻信號流 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，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（運動圖像及電視工程師協(xié)會）的170M標準在技術(shù)上并沒有以任何方式對亮度通道的帶寬進行限制，僅是針對色度或色彩不同的信號進行了限制。盡管如此，由于射頻傳輸?shù)男枰^大多數(shù)系統(tǒng)還是把帶寬限制在4.2MHz。 CVBS信號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

6、以及+100 IRE（714mV用于NTSC以及700mV用于PAL）視頻信號。此類電平可在標準間細微的變化，但其所示的值仍分別代表了此類信號的一般電壓。 事實上CVBS信號在這個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到100%的飽和度。從而使得CVBS信號有可能達到的值分別為NTSC：286mV + 935mV =1.221Vpp，PAL：300mV + 933.5mV = 1.2335Vpp。該電壓值高于其它標準的視頻信號，一旦忽略，將有可能導(dǎo)致潛在的視頻信號削波失真。 CVBS信號最大的問題之一在于亮度與色度信號的組合。由于此類信號可能占據(jù)相同的頻譜，

7、因此，很難將信號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)，在試圖分離兩個視頻信號時，人為處理的痕跡仍然有可能，或是確實存在。 消除此問題的最好辦法是在最開始就不將亮度信號與色度信號合并。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)上進行改良，分量視頻出現(xiàn)了，免除了對色度信號的調(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是藍色的色彩差異信號，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，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，視頻信息為700mV信號，在同步信號電平之上。色彩差異信號可支持700mVpp，其同步信息處于電壓范圍的中點，而非亮度的底端。 分量模擬視頻(YPBPR)包括了多個差分格式。此類格式包括了標準清晰度(SD)、增強型清晰度(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 標注指代了隔行(interlaced)視頻。此類視頻系統(tǒng)具有高達6.75MHz的亮度帶寬以及3.375MHz的PB 及 PR 信號帶寬。對于同步信息來說，除了色彩差異信號采用了中點電平之外，其余均與CVBS相同。 增強型清晰度(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 的亮度信號所具有的帶寬限制為30MHz，同時其色彩差異信號的帶寬限制為15MHz。1080p的亮度信號限制于60MHz，色彩差異信號限制于30MHz。SMPTE的274M及296M標準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，也確實在，隨著其各自的波形而改變，畢竟針對每一信號都有諸多的須考慮選項（720p多達8個，1080i/1080p多達11個）。 此類HD視頻信號的電壓需求與480i及480p的需求一致。亮度通道需求1Vpp，同時色彩差異通道需求

11、700mVpp。但HD信號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。 模擬視頻傳輸計算機及專業(yè)接口 當涉及到計算機的RGB視頻信號時，您將面對一個信號所需求超大矩陣，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準協(xié)會(VESA)標準。在此須注意，在計算機領(lǐng)域，RGB盡管常用，但其本質(zhì)屬于非線性的伽瑪修正信號

12、，實際上應(yīng)為RGB。消費類視頻信號與RGB之間最大的不同點在于全部三個RGB信號均需求及其一致的信號帶寬。 RGB信號具有最高的頻率需求，可超過148.5MHz（1920 x 1440 于 75Hz 時），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超大帶寬的信號。而諸如YPBPR的系統(tǒng)對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的系統(tǒng)。對全部三個信號的定時同步是極為重要的，否則將產(chǎn)生色彩偏移(color shifting)。為產(chǎn)生純凈的白色，所有三個信號都必須是100%的飽和，而同時僅有的亮度信號是作為消費類信號的需求。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現(xiàn)更輕松的校準。對于消費類視頻信號來說，定時同步也不再像對于RGB那么至關(guān)重要。 計算機RGB的電壓需求與700mVpp的亮度信號需求大致相同。唯一的差別是其同步信號可能但不一定包含在信號中。同步信息可獨立完成，在此情況下需求兩根獨立的信號線水平同步線及垂直同步線。某些時候，上述兩個同步信號也可合并至單個信號H+V同步信號。大量的時間及同步信息被包含在綠色信號中RGsB。其它的時間及同步信息被包含在全部三個信號中RsGsBs 或 sRGB。當同步信號內(nèi)嵌至視頻信號時，其幅度為300mVpp，與傳統(tǒng)的亮度信號一致。很明

14、顯，同步持續(xù)時間取決于信號的分辨率及刷新率。此參數(shù)可變，可從3.8us（640 x 480 于 60 Hz時）縮短至0.74us (1920 x 1200 于 85Hz時)，乃至更短，例如，降低消隱(reduced blanking)的1920 x 1200 分辨率于 60Hz時需要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 分量標準規(guī)定了亮度信息將被置于第一通道，藍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實現(xiàn)更好的兼容性而非RGB。 對于以下的每一標準480i/525i、576i/625i、480p/525p、576p/625p、720p、1080i 以及 1080p來說，每個GBR信號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)帶寬的需求實質(zhì)上等同于上述方法中SD、ED及HD標準所分別對應(yīng)的亮度帶寬需求。與計算機的RGB信號類似，對于視頻信號及其顯示的校準來說，其

16、每一信號的定時也不是那么至關(guān)重要。 表1例舉了視頻信號的模擬需求。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在給定頻率點上的-3dB幅值，而2倍乘緩沖的因子僅作為保障。在實際系統(tǒng)中，視頻信號不需要從0V上升至1V（1Vpp or 0.5Vpeak），而更趨向于0V 至 700mV（350mV峰值）以實現(xiàn)從純黑至純白。對于輸入緩沖器來說，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，模擬視頻信號通常轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號，反之亦然。對于諸如DVD錄像機等顯示及接收設(shè)備來說，轉(zhuǎn)換意味著需采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來實現(xiàn)。對于機頂盒及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)滿足一定標準，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（敬請參見圖2）。此時，在信號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，也絕對的要求采用濾波器。 因為顯示器實際上可能連接到任意信號源，而此類信號源很可能不具備濾

19、波功能，或是濾波能力匱乏。此外，當接口存在強電磁干擾(EMI)時，ADC的抗鋸齒濾波器將能使任意視效上的問題最小化。同時，作為附帶的優(yōu)勢，抗鋸齒濾波器還同時降低了信號的總體噪聲電平（通過降低帶寬）。 通過濾波抑制標準分辨率視頻的DAC鏡像 同時消除DAC及ADC的鏡像將改善視效質(zhì)量。但是，該采用何種濾波器？其眾多極點又該如何選擇呢？對于視頻信號來說，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個工程師提出上述問題，你有可能得到10個不同的答案。 在最初的情況下，針對于每一視頻信號的轉(zhuǎn)降頻率可相對簡單的確定。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)換器采樣頻率點后最大程度的衰減。如果僅有上述需求，您一定會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，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，因為SMPTE標準同樣包含了對群延遲的限定，系統(tǒng)應(yīng)該同時滿足上述因素，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。在時域，這對于脈沖響應(yīng)是極為重要的。模擬信號傳輸系統(tǒng)首要考慮的就是基于時間的系統(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，因而將會產(chǎn)生振蕩響應(yīng)。在顯示時，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現(xiàn)一個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的原因。通常公認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/放大器采用了改進的五階巴特沃茲濾波器。其改進稍稍降低了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極點，而非四或六個極點，因為奇數(shù)階的濾波器具有真正實數(shù)極點，較之偶數(shù)階濾波器所實現(xiàn)的復(fù)數(shù)極點更具優(yōu)勢。盡管某些人認為實數(shù)極點無關(guān)緊要，但真實世界體驗證明了實數(shù)極點可使有

23、源濾波系統(tǒng)真正受益，特別是在采用Sallen-Key架構(gòu)時。Sallen-Key系統(tǒng)所具有的高頻信號通路貫穿整個系統(tǒng)，可相對輕松的實現(xiàn)高于放大器帶寬限制的高頻信號傳輸。系統(tǒng)中的實數(shù)極點將任意高于放大器帶寬限制的高頻信號分流至地，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程序(Filter Pro Program)所仿真的其它濾波器。如所仿真的五極點、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展示了兩個濾波器的幅度響

24、應(yīng)。切比雪夫濾波器具有所預(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的臨界點處衰減超過了56dB。巴特沃斯型在27MHz處僅可達到46dB。但實際上，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。該特點在相位響應(yīng)上依然可見。需要記住的是，對于絕大多數(shù)的系統(tǒng)，群延遲的絕對值是本質(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)換時間為37ns，為27MHz DAC理論上所能提供的階躍。改進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)變時間將高達480ns左右，相比較而言，改進型巴特沃斯的“穩(wěn)定”(“settling”)時間約220ns。較長的響應(yīng)時間可能導(dǎo)致負面的效應(yīng)，諸如疊影及模糊。 圖6濾波器

26、頻率響應(yīng)放大圖 當采用有源濾波器時，需要記住的是，濾波器的Q值越大，對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，應(yīng)保持每一級的Q值相對的低。采用橢圓或切比雪夫設(shè)計的濾波器的響應(yīng)具有較高的Q值，從而需要更大帶寬的放大器方能實現(xiàn)適當?shù)钠ヅ?。否則，放大器對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元件值的設(shè)計實現(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而常見于當今的系統(tǒng)。然而，此類濾波器也具有PCB面積、額外的元件總量、更多的裝配時間、通帶信號丟失

27、、對電感的電磁干擾及容忍度方面的缺點。電感及電容通常具有+/-10%的誤差，特別是對于低成本的元件。因此，由于獨立元件之間(component-to-component)的改變量以及實際上所涉及的多個極點，此類容忍度將對濾波器的響應(yīng)產(chǎn)生很大的沖擊。 蒙特卡洛(Monte-Carlo)是很有用的分析工具，可察看對無源濾波器性能的影響。其仿真展示了當采用+/-10%容忍度的元件時，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，外部元件值的絕對量將會有較大的變化，通常可達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)計中，例如THS73x3所采用的單位增益Sallen-Key濾波器設(shè)計，其平坦值及峰值可非常嚴格的控制。對單位增益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個元件即可實現(xiàn)，極大的降低了總元件數(shù)量。 多極點無源濾波器所存在的另一嚴重問題是其轉(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。而具有可選擇性濾波器的有源濾波器設(shè)計可輕松的實現(xiàn)轉(zhuǎn)降頻率的改變。這對于無須改變?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，因為實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于接收分量YPBPR或GBR信號的接收機系統(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輸送至顯示器。然而，當480i或576i SD分量信號施加于輸入端時，將會有什么現(xiàn)象呢？對于此類信號，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。此類信號通常具有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，因為要同時在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型巴特沃斯濾波器，可設(shè)定為9MHz以用于SD信號，16MHz以用于ED信號，35MHz以用于HD 720p/1080i信號，或是設(shè)定為150MHz的旁通(bypass)模式以用于非常高速的信號，諸如1080p。圖7圖示說明了上述論點。 圖7：固定濾波器vs可選擇性濾波器在處理YPBPR信號上的優(yōu)勢 THS73x3的每一通道都可以獨立的控制，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)于基于模擬信號帶寬的需求。但該系列器件同時也存在著一個缺點：不同濾波器所對應(yīng)的延遲將隨同一頻率標度處會發(fā)生改變。如果不通過數(shù)字信號處理，則可能導(dǎo)致時域上的問題。 高端系統(tǒng)也同樣得益于可選擇性的濾波器，因為其相位切換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，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)，且實質(zhì)上時域的脈沖響應(yīng)無過沖。該受益同樣可應(yīng)用于35MHz濾波器以支持ED信號，或是旁通模式以支持HD信號。 最后，無源濾波器的阻抗將會隨頻率發(fā)生極大的改變。

33、從而會同時導(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，其輸入阻抗可大于1Mohm，同時其輸出阻抗小于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)采用獨立供電的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（3.3V供電）。如果該電源能同時用于視頻濾波器/放大器，則系統(tǒng)將有可能減少一至兩個電源，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)計工作于此類電壓，且在其整個電壓范圍內(nèi)都沒有性能上的降低。實際上，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(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(SAG corrected)線路驅(qū)動輸出。 另一個考慮因素是功耗。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立的關(guān)斷(shutdown)，以降低功耗。當所有的通道都處于關(guān)斷狀態(tài)時，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)。 信號耦合 對于單電源供電低至2.7V的設(shè)計來說，其中的關(guān)注點之一是視頻信號是否會產(chǎn)生削波失真。在此，適當?shù)闹绷髌脤τ谠O(shè)計來說是十分重要的。對于不同類別的

36、視頻系統(tǒng)及設(shè)計，關(guān)鍵點之一是提供足夠的靈活性以適當?shù)恼{(diào)節(jié)THS73x3的偏置。 在系統(tǒng)設(shè)計中若采用了THS7303或THS7313作為6dB增益放大器，并由接地參考的DAC或編碼器進行驅(qū)動，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（在視頻信號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、將不會對信號產(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因為飽和而導(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，并將重新確立其自身的直流偏置點。AC耦合選項包括了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，同時也可用于亮度(Luma)信號、GBR 信號或計算機RGB 信號。由于信號是AC耦合，且DC偏置點也隨平均信號電平而變化，因此，對于攜帶同步信息的信號，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最低電平的同步信號。這就意味著亮度(Y)信號、帶同步的GBR信號或是帶同步的計算機RGB信號都很適宜采用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，單個濾波器以消除有可能出現(xiàn)的高頻信號相互干擾，單個放大器用以監(jiān)測輸入端電壓與參考電壓之間的差值，并具有一個晶體管以用于在信號低于參考電平時對電容充載。因此，該同步鉗位系統(tǒng)是動態(tài)的系統(tǒng)，在任意情況下都不依賴于定時校準。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或過沖(overshoot)的影響，從

40、而將導(dǎo)致不期望的DC偏置點過度偏移以及信號的削波失真。 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。這點非常重要，因為所應(yīng)用的信號標準（敬請參見表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，STC電路將無法銜接操作，而系統(tǒng)也將懸起。但如果是應(yīng)用于充滿噪聲或強烈振蕩的CVBS信號，500kHz濾波器將很好的抑制THS73x3內(nèi)部的直流偏置點漂移 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)可更快的捕捉信號并更好的抑制嗡鳴(hum)噪聲（當50Hz或60Hz的線路信號耦合至系統(tǒng)時）。其它時候系統(tǒng)則需求較低的放電速率以改善線路上的傾斜或下降，特別是當視頻信號在整條線路上保持不變(hold constant)的時候。由于AC耦合及放電電流的影響，DC信號將會向下傾斜，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)實質(zhì)性的連接至任意外部源，而無需手動改變輸入電容值。 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，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)動高達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）的方式實現(xiàn)上述目標。SAG校準需要兩個電容，但電容更小通常情況下，47uF及33uF的電容可實現(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。 SAG功能通過某頻段上的增益隨頻率增加而減少實現(xiàn)上述等效效果。放大器的增益抵消了47uF的電容降低，使得可實現(xiàn)的通帶得以擴展。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)實現(xiàn)了更低的線路傾斜或下降特性，特別是對于場方波信號。 圖10采用THS7303及THS7313展示了實現(xiàn)SAG（中沉校準）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?shù)碾娙荼仁沟肧AG所實現(xiàn)的功能更為近似于使用更大電容。 圖10：THS7303系統(tǒng)級框圖，展示了SAG特性 圖11展示了在圖10