由攝像機捕獲的模擬視頻信號，為了便于傳輸通常把視頻信號數(shù)字化(圖1)。數(shù)字視頻有很多優(yōu)勢，它能夠根據(jù)對圖像質量的要求進行壓縮，量化后的視頻信號不會因為存儲和傳輸而降低質量。但為了便于人眼觀看，它還必須恢復成模擬視頻信號或模擬光影信號。把數(shù)字視頻轉變成模擬視頻的過程叫做重建。然而，由于從數(shù)字域到模擬域轉換時的量化及其他問題，必須通過各種濾波技術消除摩爾效應和圖像失真，從而得到高質量的視頻。

圖1. 電視信號從模擬信號轉換成數(shù)字信號，最后又恢復為模擬信號。

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，對拐角、邊緣進行篩選，即可重構一幅圖像。類似地，數(shù)字視頻可能由無序傳輸?shù)膱D片組成，這些圖片包含了失真信號。可以按照一定的規(guī)則重新整合圖片，使圖像質量與原始的模擬輸入信號保持一致。

數(shù)字重建過程的最后，需要對視頻信號進行“模擬濾波”。七巧板中是通過人眼的視覺效應實現(xiàn)“濾波”的，對于視頻圖像則需通過模擬低通濾波器實現(xiàn)。

采樣噪聲和鏡像衰減

由攝像機或其他設備捕獲的模擬視頻信號通過模/數(shù)轉換器(ADC)進行數(shù)字化處理，它在每個時鐘邊沿即時記錄數(shù)據(jù)(圖2)。模擬信號連續(xù)變化，而轉換成數(shù)字信號時則是定時采樣。經過數(shù)字處理和傳輸后，數(shù)字信號通過數(shù)/模轉換器(DAC)轉變成模擬信號。DAC的輸出如圖2的右上角所示，箭頭代表時鐘信號。

圖2. 模擬信號和數(shù)字信號之間的轉換波形。

在每個時鐘瞬間，將數(shù)字量轉換成模擬電壓，模擬信號將保持到下一個時鐘沿。輸出是一系列階梯，而原始模擬信號卻是平滑曲線。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頻信號。

從圖2所示時域圖可以看出，小的臺階會產生高頻干擾，但這種高頻干擾并不明顯。圖3提供了信號量化后的頻域效果，標清(SD)、PAL(歐洲)和 NTSC(北美)視頻的帶寬大概是5MHz，高清(HD) ATSC 720p和1080i(美國)視頻的帶寬是30MHz。標清信號的典型時鐘頻率是27MHz，高清信號時鐘頻率可以高達74.25MHz以上。

圖3. 頻譜混疊表示較差的視頻濾波引起的干擾。

奈奎斯特頻率為時鐘頻率的一半，這是一項關鍵指標，因為在對原始模擬信號量化之前，必須把高于奈奎斯特頻率的視頻和噪聲禁止掉。如果存在高于奈奎斯特頻率的信息，它將混入低頻信號，產生混疊失真，從而破壞視頻信號。產生混疊后將無法消除，我們在后續(xù)內容中將解釋這一點對家庭視頻系統(tǒng)的重要性。

在DAC輸出端，存在視頻和兩個鏡像頻帶(圖3a)。盡管大多數(shù)DAC能夠很好地均衡、抑制時鐘頻率，我們仍然標出了時鐘信號，以便清楚地表達圖像。這些邊帶是視頻信號和時鐘信號的和頻與差頻。右側鏡像邊帶與視頻信號的特性一樣，即視頻信號的低頻部分靠近并恰好高于時鐘頻率，高頻部分延伸到時鐘頻率的右側。
對于采用27MHz時鐘的標清信號，鏡像頻率最大值為5 + 27 = 32MHz。左側鏡像邊帶與視頻特性相反，視頻信號的低頻部分靠近并低于時鐘頻率，高頻部分延伸到最左側。因此，標清信號下鏡像延伸到27-5 = 22MHz。了解系統(tǒng)頻譜的下限位置非常重要，以便抑制并降低其視覺影響。對于采用74.25MHz時鐘頻率的高清信號，這個關鍵頻率是：74.25 ?C 30 = 44.25MHz。

為了反映鏡像邊帶沒有衰減的效果，圖3b和3c示意了奈奎斯特頻率和時鐘頻率處的頻譜重疊。這些疊加的鏡像邊帶信號(圖3d)與視頻信號相比具有隨機的相位差。圖4表示我們需要避免的圖像誤差?！斑吘墧[動”是高頻邊緣干擾，它重疊在視頻信號上，具有隨機變化的相位。摩爾效應是時鐘、視頻信號頻率之間相互作用的結果。

圖4. 較差的視頻濾波器引起的圖像干擾。

重建濾波器

從圖5可以看出重建濾波器的作用，利用參考書中提供的定理可以很容易理解頻譜混疊。通常，在頻域，頻率和放大倍數(shù)都采用對數(shù)刻度，重建濾波器的頻響特性表現(xiàn)為平滑曲線。然而，為了說明邊帶重疊的位置，我們用線性坐標表示頻率和放大倍數(shù)。為了表示低通濾波器在同樣刻度坐標下的衰減特性，從濾波器頻響曲線可以看出：對于有用的視頻信號衰減很少，對于鏡像頻率衰減較大。圖5b和5c顯示了混疊效應，但是應該注意到，與圖3d相比，圖5d中的鏡像頻率被顯著衰減。

圖5. 適當?shù)闹亟V波器通過對視頻信號平滑濾波減小了頻譜混疊。

消費類產品對于成本非常敏感，值得慶幸的是它們使用的模擬和數(shù)字轉換器非常少。在典型的家庭視頻通道中，如機頂盒+ 電視機構成的通道中只使用一個DAC和一個ADC (圖6)。該系統(tǒng)的衰減為20dB (小于信號的10%)，這是可以接受的。機頂盒和LCD電視通常都有至少12dB的低頻鏡像邊帶衰減。兩個具有12dB衰減的濾波器加起來可以產生 24dB的鏡像抑制。故與20dB衰減的要求相比提供了足夠的設計余量。

圖6. 用于家庭電視系統(tǒng)的視頻重建濾波器和抗混疊濾波器。

圖6左側是機頂盒或DVD機的框圖，片上系統(tǒng)(SOC)包含了DAC，輸出經過低通濾波器（例如MAX7443）進行視頻重建。濾波器芯片還包含75Ω同軸電纜驅動器，驅動信號在電纜上的傳輸。圖6右側用于信號接收，信號在經過抗混疊濾波器后送入電視機SOC的ADC。

通常消費者要面對多個系統(tǒng)設備，其中包括新設備。假如圖像質量劣化，常常歸咎于“新添加的設備”。然而，這種結論往往并不正確。例如，假如消費者更換了一臺新的DVD設備。如果現(xiàn)有的LCD電視的輸入濾波器較差(2dB的衰減)，舊的DVD播放器剛好具備非常好的輸出濾波器(18dB衰減)，而新的 DVD的濾波特性較差或沒有濾波器(6dB甚至更低衰減)。由此可見，舊的DVD和LCD電視能夠提供20dB的衰減，而新的組合只有8dB衰減。雖然 LCD電視對視頻誤差負有更大的責任，但消費者還是決定退還新購置的DVD播放器。

請注意奈奎斯特定理非常關鍵，因為在LCD電視重新對DVD模擬信號數(shù)字化之前，必須把高于奈奎斯特頻率的視頻成分和噪聲消除掉。假如高于奈奎斯特頻率的信息仍然存在，它將混合到低頻信號中，混疊到視頻信號中，從而降低視頻信號的圖像質量。

解決方案

然而，機頂盒、DVD播放器和電視廠商如何避免他們的產品出現(xiàn)“售后缺陷”？

首先，需要提供設計要求的濾波特性。有些制造商可能使用分離的電感、電容組成濾波器。然而，這些濾波器參數(shù)受限于生產中的誤差，板上可能安裝錯誤的元件。量產時，可能會把原來要求270pF的電容錯誤地選擇成標有“270”的卷帶盤，這些電容的實際容值為27pF。從而導致濾波器通過不需要的高頻成分，造成設備的圖像失真。出于成本考慮，最終的生產測試不會對每個參數(shù)進行測試，多數(shù)情況下并不測試濾波器的帶寬。

其次，使用衰減抑制至少10dB以上的濾波器。額外的衰減抑制會避免顧客退貨，使顧客對廠商的產品感到滿意。

Maxim的濾波器有助于改善上述兩種“售后缺陷”，Maxim的集成濾波器在安裝到廠商的PCB板之前，由Maxim自動測試設備(ATE)對帶寬指標進行了完全測試。Maxim的濾波器提供比典型的行業(yè)要求更高的衰減。例如，針對標清電視設計的MAX7443能夠提供了大于30dB的鏡頻衰減，對27MHz時鐘具有40dB的衰減。針對高清電視設計的MAX9500能夠提供了大于38dB的鏡頻衰減，對于74.25MHz時鐘具有大于38dB的衰減。