中心議題：

• 介紹兩類主要的視頻應用
• 討論有源視頻濾波器設計中的實際問題

解決方案：

• 將模擬濾波器
  、數字濾波器以及過采樣ADC結合運用實現抗混疊濾波器
• 重建濾波器放置在DAC之後，消除由采樣帶來的疊影
• 濾波器都須具備低通特性，使視頻的幀頻能夠通過

最初，視頻濾波器是一個無源的LC電路
，現在
，將放大器與RC濾波器結合起來
，可以獲得尺寸更小

、更高效的設計。此外，二十世紀60年代發展起來的靈敏度分析與預失真方法也克服了早期濾波器性能較差的弱點。高性能運放和PC上(shang)的(de)專(zhuan)用(yong)軟(ruan)件(jian)方(fang)便(bian)了(le)寬(kuan)帶(dai)有(you)源(yuan)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)設(she)計(ji)，但(dan)這(zhe)並(bing)未(wei)解(jie)決(jue)任(ren)意(yi)特(te)定(ding)應(ying)用(yong)的(de)問(wen)題(ti)。對(dui)視(shi)頻(pin)濾(lv)波(bo)器(qi)而(er)言(yan)，特(te)定(ding)的(de)應(ying)用(yong)與(yu)信(xin)號(hao)製(zhi)式(shi)給(gei)每(mei)個(ge)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)都(dou)帶(dai)來(lai)了(le)細(xi)微(wei)的(de)差(cha)別(bie)。以(yi)下(xia)是(shi)兩(liang)類(lei)主(zhu)要(yao)的(de)視(shi)頻(pin)應(ying)用(yong)：

抗混疊濾波器：這一類器件被放置在ADC之前，用來衰減信號中Nyquist頻率以上的成分
，即高於ADC采樣率一半的信號分量。這些濾波器頻率響應的過渡帶通常都設計得盡可能陡，目的是盡可能將截止頻率以上的信號統統濾掉。對ITU-601以及其他應用來說
，這樣的性能是通過將模擬濾波器、數字濾波器以及過采樣ADC結合運用來實現的。而對PC圖像之類的應用
，少量的濾波就足夠了。
　　
重建濾波器：也被稱作(sin x)/x或零階保持校正器
，這類器件被放置在DAC之後，用來消除由采樣帶來的疊影，並不是為了消除DAC時鍾串擾。重建濾波 器很少有象抗混疊濾波器那樣的選擇性，因為DAC的保持功能也有濾波的作用--這種作用降低了對選擇性的要求，但給響應帶來了損失。現有的視頻信號製式包括RGB、分量視頻
、複合視頻和RGB PC圖像等。
　　
所有應用與製式都希望視頻濾波器能達到"線性相位"，這是群延時（不同頻率的延時）特(te)性(xing)所(suo)要(yao)求(qiu)的(de)。所(suo)需(xu)的(de)相(xiang)位(wei)線(xian)性(xing)度(du)取(qu)決(jue)於(yu)具(ju)體(ti)的(de)應(ying)用(yong)與(yu)視(shi)頻(pin)製(zhi)式(shi)。例(li)如(ru)
，抗(kang)混(hun)疊(die)濾(lv)波(bo)器(qi)與(yu)分(fen)量(liang)製(zhi)式(shi)比(bi)重(zhong)建(jian)應(ying)用(yong)與(yu)複(fu)合(he)視(shi)頻(pin)的(de)要(yao)求(qiu)更(geng)嚴(yan)格(ge)。各(ge)種(zhong)應(ying)用(yong)與(yu)製(zhi)式(shi)的(de)要(yao)求(qiu)由(you)NTSC
、PAL/DVB


、ITU、SMPTE和ESA規定。本文將對不同的濾波器作一比較，以便根據給定的應用或製式確定最佳的設計。
　　
濾波器及其特性
不論是用於抗混疊還是重建，濾波器都必須具備低通特性，使視頻的幀頻能夠通過。因此

，設計者需要謹慎考慮AC耦合。低通濾波器可以根據其幅度特性或用於描述它的多項式來分類(Bessel、Butterworth、Chebyshev或Cauer)。圖1所示為歸一化為1-rad帶寬後這些濾波器的特性。通常應該選取具有最佳選擇性與最小極點數(降低成本)的濾波器，但是對相位線性度的額外要求限製了可選擇的範圍。
　　
濾波器的相位線性度決定了包絡延時或群延時(GD)yupinlvdeguanxi。pingtandequnyanshibiaomingsuoyoupinlvbeiyanchilexiangtongdeshijian
，zaishiyuzheyouliyuxinhaoboxingdebaochi。yinci，qunyanshichayibijueduiqunyanshigengweizhongyao。lingyiyouxiangdulidecanshuchengweitongdaojianchayi，yongyuhengliangtongdaojiande"時間符合度"，不應將其與群延時混淆。對於視頻來講，多大程度的群延時差異是可以接受的，為什麼
？答案取決於具體的應用與視頻製式。例如，ITU-470對複合視頻信號群延時的規定非常寬鬆。然而，ITU-601則要嚴格許多

，以便確保視頻重放的穩定性，既針對於MPEG-2壓縮
，也是為了控製串行化之前的相位抖動。那麼，為確保相位線性度，應該考慮什麼樣的濾波器特性呢？
　　
圖1中的群延時曲線在截止頻率處出現了一個峰。這是由截止頻率附近陡峭的相位變化造成的。為了有一個大致的概念
，以一個3極點
、6MHz Butterworth濾波器為例，在其帶寬範圍內群延時差異大約為20ns-25ns。增加極點數或濾波器的選擇性會使該差異增加。其他一些用來減小群延時差異的更特殊的濾波器包括Bessel、相位逼近
、Thompson-Butterworth，以及LeGendre等。盡管如此，在視頻中最常使用的仍然是Butterworth特性的濾波器。
  
　　

抗混疊濾波器的設計
對於抗混疊濾波器，選擇性由ITU-601規定的模板來確定，就像圖2中所顯示的。帶寬規定為5.75MHz ( 0.1dB，插損在6.75MHz處為12dB，8MHz處為40dB
，0.1dB帶寬範圍內群延時差異為(3ns。這樣的性能要求對於單純的模擬濾波器來講太困難了，但是通過四倍過采樣可以將該要求調整為27MHz處12dB，32MHz處40dB。
　　
使用軟件或歸一化曲線，我們會發現-3dB帶寬為8.45MHz的5極點Butterworth濾波器就能滿足選擇性要求，但沒考慮群延時。對於後者
，需要一個延時級，對於此電路
，需要重點關注的運放參數為0.1dB，2VP-P帶寬。將該數值應用於式1和2可獲得精確的設計。圖3a與3b給出了一個適合此類應用的原理圖
，並用曲線顯示了它的增益和群延時特性，此設計基於四倍過采樣係統。由於MAX4450/4451卓越的瞬態響應與大信號帶寬(2VP-P時175MHz)，因此選擇它。
　  　
  

 
重建濾波器
DAC之(zhi)後(hou)的(de)重(zhong)建(jian)濾(lv)波(bo)是(shi)沒(mei)有(you)被(bei)很(hen)好(hao)理(li)解(jie)的(de)應(ying)用(yong)之(zhi)一(yi)。很(hen)多(duo)設(she)計(ji)者(zhe)認(ren)為(wei)引(yin)入(ru)重(zhong)建(jian)濾(lv)波(bo)器(qi)是(shi)為(wei)了(le)濾(lv)掉(diao)采(cai)樣(yang)時(shi)鍾(zhong)

，但(dan)這(zhe)遠(yuan)不(bu)是(shi)事(shi)實(shi)。當(dang)信(xin)號(hao)被(bei)采(cai)樣(yang)時(shi)，采(cai)樣(yang)中(zhong)包(bao)含(han)了(le)多(duo)個(ge)重(zhong)複(fu)的(de)信(xin)號(hao)映(ying)像(xiang)
，分(fen)別(bie)對(dui)準(zhun)采(cai)樣(yang)時(shi)鍾(zhong)的(de)各(ge)次(ci)諧(xie)波(bo)。重(zhong)建(jian)濾(lv)波(bo)器(qi)將(jiang)濾(lv)掉(diao)除(chu)基(ji)帶(dai)采(cai)樣(yang)外(wai)的(de)所(suo)有(you)其(qi)他(ta)信(xin)號(hao)。如(ru)果(guo)抗(kang)混(hun)疊(die)濾(lv)波(bo)器(qi)達(da)到(dao)了(le)其(qi)目(mu)的(de)，那(na)麼(me)DAC輸出看上去就像圖4中的映像A，接下來，它右邊的所有采樣都應被濾掉。因此
，對於重建的要求類似於抗混疊，但是，由於每個采樣隻停留瞬間，DAC會(hui)將(jiang)每(mei)個(ge)采(cai)樣(yang)保(bao)持(chi)一(yi)個(ge)時(shi)鍾(zhong)周(zhou)期(qi)
，這(zhe)樣(yang)一(yi)來(lai)
，就(jiu)產(chan)生(sheng)了(le)我(wo)們(men)所(suo)熟(shu)悉(xi)的(de)逼(bi)近(jin)於(yu)某(mou)斜(xie)線(xian)的(de)台(tai)階(jie)狀(zhuang)波(bo)形(xing)。保(bao)持(chi)功(gong)能(neng)相(xiang)當(dang)於(yu)一(yi)個(ge)數(shu)字(zi)濾(lv)波(bo)器(qi)，它(ta)的(de)特(te)性(xing)類(lei)似(si)於(yu)Butterworth或Bessel濾波器，在半采樣頻率處響應被降低了4dB。重建濾波器的第二個目的是補償這個損失，這就需要如圖5a電路那樣的幅度均衡器。該均衡器在一個延時電路的基礎上構成
，具有類似於Bessel濾波器的響應。它可按照DAC采樣率(FS)來設計。圖5b顯示了采用和未用幅度均衡器時的DAC頻率響應。與延時級類似，它可以被包含在任何重建濾波器中。
　  
 

保bao持chi響xiang應ying也ye有you一yi個ge對dui準zhun采cai樣yang時shi鍾zhong的de極ji點dian，可ke以yi完wan全quan消xiao除chu時shi鍾zhong。不bu過guo，大da多duo數shu重zhong建jian應ying用yong還hai是shi將jiang時shi鍾zhong衰shuai減jian作zuo為wei其qi品pin質zhi因yin數shu。現xian在zai了le解jie了le重zhong建jian濾lv波bo器qi的de功gong能neng，我wo們men就jiu可ke以yi著zhe手shou設she計ji了le。
　　
NTSC/PAL視頻重建最普通的要求是在13.5MHz處衰減>20dB，在27MHz處>40dB
，截止頻率取決於所采納的視頻標準。出於兩方麵的原因
，我們選擇了Sallen-Key結構的3極點Butterworth濾波器。首先，其增益（+2）適合驅動反向端接的電纜。其次，它的群延時差異可以調節

，這樣，不需要延時均衡器我們就可以通過調節群延時獲得最優的性能。
　　
有源視頻濾波器設計中的實際問題
wulunshishougongshejide，haishiruanjianfuzhushejide
，huoshizonghezheliangzhongfangfadedaodelvboqi
，shijidexiangyingquxiankenengbingbuwanquanfuheyuqi。yuanyinzhiyishijisuanchudexiangyingyucaiyongbiaozhunyuanjianzhidedaodeshijixiangyingzhijiancunyoupiancha。tongguoxuanzebiaozhun(5%)容值的電容器而導出電阻值可以使誤差降至最小。原因很現實--可以購得1%或2%容差的電容器，但容值精度僅為5%，而對電阻來說，1%容差和1%精度的電阻很容易得到。這樣選擇的元件可以提供最佳的一致性和最精確的幅度響應。
　　
濾(lv)波(bo)器(qi)構(gou)成(cheng)之(zhi)後(hou)，可(ke)能(neng)出(chu)現(xian)不(bu)穩(wen)定(ding)與(yu)振(zhen)蕩(dang)的(de)情(qing)況(kuang)。如(ru)果(guo)出(chu)現(xian)這(zhe)樣(yang)的(de)情(qing)況(kuang)，將(jiang)輸(shu)入(ru)對(dui)地(di)短(duan)接(jie)
，看(kan)其(qi)是(shi)否(fou)繼(ji)續(xu)振(zhen)蕩(dang)。如(ru)果(guo)振(zhen)蕩(dang)停(ting)止(zhi)，說(shuo)明(ming)阻(zu)抗(kang)太(tai)高(gao)
，降(jiang)低(di)設(she)計(ji)阻(zu)抗(kang)就(jiu)可(ke)以(yi)消(xiao)除(chu)振(zhen)蕩(dang)。但(dan)如(ru)果(guo)仍(reng)繼(ji)續(xu)振(zhen)蕩(dang)
，則(ze)請(qing)注(zhu)意(yi)振(zhen)蕩(dang)頻(pin)率(lv)是(shi)否(fou)接(jie)近(jin)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)截(jie)止(zhi)頻(pin)率(lv)或(huo)在(zai)截(jie)止(zhi)頻(pin)率(lv)以(yi)下(xia)。如(ru)果(guo)是(shi)這(zhe)樣(yang)
，振(zhen)蕩(dang)可(ke)能(neng)是(shi)由(you)元(yuan)件(jian)或(huo)寄(ji)生(sheng)參(can)數(shu)引(yin)起(qi)的(de)。若(ruo)振(zhen)蕩(dang)頻(pin)率(lv)高(gao)於(yu)截(jie)止(zhi)頻(pin)率(lv)，那(na)麼(me)可(ke)能(neng)是(shi)運(yun)放(fang)或(huo)電(dian)路(lu)板(ban)布(bu)局(ju)引(yin)起(qi)的(de)。
　　
好的布局就象是一件藝術作品，但它隻是基於一些簡單的原則。提供一個幹淨的電源電壓和一個堅實的接地很重要，這意味著用低ESRdedianrongqilvbo，youshishiyigetiaojieqi。pangludianronglianjieerchengdehuilubixujinliangxiao，fouzejishengdianganjiangyudianrongxiezhen。lianghaodejiedipingmianduihaodemonishejihenguanjian
，danshisuizhedaikuandezengjia，takenengdailaijishengdianrong，shilvboqishitiao。weibimianzheyangdewenti，jiangshoudaoyingxiangdeyuanjianyuzouxianxiafangdedipingmianqudiaojike。