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利用整合滤波器实现高质量模拟视讯重建

上网日期: 2008年01月12日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:整合滤波器? 模拟视讯重建? 重建滤波器? 抗混迭滤波器?

来源:美信公司

为了便于传输,由相机撷取的模拟视讯信号通常会将视讯信号数字化(图1)。数字视讯拥有很多优势,它能够根据对影像质量的要求进行压缩,量化后的视讯信号不会因为储存和传输而降低质量。但为了便于人眼观看,它还必须恢复成模拟视讯信号或模拟光影信号。把数字视讯转变成模拟视讯的过程叫做重建。然而,由于从数字域到模拟域转换时的量化及其它问题,必须透过各种滤波技术消除摩尔效应和影像失真,因而得到高质量视讯。

图1
图1. 电视信号从模拟信号转换成数字信号,最后又恢复为模拟信号。

考虑一个由混乱无序模块组成的七巧板,这些模块奇形怪状,看起来毫无规则,但在形状上有一定的关联。如果我们像儿童一样去了解一些基本原则,对截角、边缘进行筛选,即可重构一幅影像。类似地,数字视讯可能由无序传输的图片组成,这些图片包含了失真信号。可以按照一定的规则重新整合图片,使影像质量与原始的模拟输入信号保持一致。

数字重建过程的最后,需要对视讯信号进行‘模拟滤波’。七巧板中是透过人眼的视觉效应实现‘滤波’的,对于视讯影像则需透过模拟低通滤波器实现。

采样噪声和镜像衰减

由相机或其它设备撷取的模拟视讯信号透过模拟数字转换器(ADC)进行数字化处理,它在每个频率边沿实时记录数据(图2)。模拟信号连续变化,而转换成数字信号时则是定时采样。经过数字处理和传输后,数字讯号透过数字模拟转换器(DAC)转变成模拟信号。DAC的输出如图2的右上角所示,箭头代表频率信号。

图2
图2. 模拟信号和数字信号之间的转换波形。

在每个频率瞬间,将数字量转换成模拟电压,模拟信号将保持到下一个频率沿。输出是一系列阶梯,而原始模拟信号却是平滑曲线。这称为‘采样保持’或‘矩形波’重建。需要模拟低通滤波器进行平滑处理,以接近原始的模拟视讯信号。

从图2所示时域图可以看出,小的台阶会产生高频干扰,但这种高频干扰并不明显。图3提供了信号量化后的频域效果,标准分辨率(SD)、PAL(欧洲)和NTSC(北美)视讯的频宽大概是5MHz,高解析(HD) ATSC 720p和1080i(美国)视讯的频宽是30MHz。标准分辨率信号的典型频率频率是27MHz,高解析信号频率频率可以高达74.25MHz以上。

奈奎斯特频率为频率频率的一半,这是一项关键指标,因为在对原始模拟信号量化之前,必须把高于奈奎斯特频率的视讯和噪声禁止掉。如果存在高于奈奎斯特频率的信息,它将混入低频信号,产生混迭失真,因而破坏视讯信号。产生混迭后将无法消除,我们在后续内容中将解释这一点对家庭视讯系统的重要性。

图3
图3. 频谱混迭表示较差的视讯滤波引起的干扰。

在DAC输出端,存在视讯和两个镜像频带(图3a)。尽管大多数DAC能够很好地均衡、抑制频率频率,我们仍然标出了频率信号,以便清楚地表达影像。这些边带是视讯信号和频率信号的和频与差频。右侧镜像边带与视讯信号的特性一样,即视讯信号的低频部份靠近并恰好高于频率频率,高频部份延伸到频率频率的右侧。

对于采用27MHz频率的标准分辨率信号,镜像频率最大值为5+27=32MHz。左侧镜像边带与视讯特性相反,视讯信号的低频部份靠近并低于频率频率,高频部份延伸到最左侧。因此,标准分辨率信号下镜像延伸到27-5=22MHz。了解系统频谱的下限位置非常重要,以便抑制并降低其视觉影响。对于采用74.25MHz频率频率的高解析信号,这个关键频率是:74.25-30=44.25MHz。

为了反映镜像边带没有衰减的效果,图3b和3c示意了奈奎斯特频率和频率频率处的频谱重迭。这些迭加的镜像边带信号(图3d)与视讯信号相较具有随机的相位差。图4表示我们需要避免的影像误差。‘边缘摆动’是高频边缘干扰,它重迭在视讯信号上,具有随机变化的相位。摩尔效应是频率、视讯信号频率之间相互作用的结果。

图4
图4. 较差的视讯滤波器引起的影像干扰。


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