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两种有源视频滤波器方案比较

2010-12-16 15:28
逆光飞舞
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  高性能运放和PC上的专用软件方便了宽带有源滤波器的设计,但这并未解决任意特定应用的问题。对视频滤波器而言,特定的应用与信号制式给每个电路设计都带来了细微的差别。以下是两类主要的视频应用。

  抗混叠滤波器:这一类器件被放置在模数转换器(ADC)之前,用来衰减信号中Nyquist频率以上的成分,即高于ADC采样率一半的信号分量。这些滤波器的响应通常都设计得尽可能陡,目的是尽可能将截止频率¹以上的信号统统滤掉。对ITU-601以及其他应用来说,这样的性能是通过将模拟滤波器、数字滤波器以及过采样ADC结合运用来实现的。而对PC图像之类的应用,少量的滤波就足够了。

  重建滤波器:也被称作(sinx)/x或零阶保持校正器,这类器件被放置在数模转换器(DAC)之后,用来消除由采样带来的多重映像,并不是为了消除DAC时钟串扰。重建滤波器很少有象抗混叠滤波器那样的选择性,因为DAC的保持功能也有滤波的作用—这种作用降低了对选择性的要求,但给响应带来了损失。现有的视频信号制式包括RGB、分量视频、复合视频和RGB PC图像等。

  所有应用与制式都希望视频滤波器能做到“相位线性”,这是群延时(不同频率的延时)特性所要求的。所需的相位线性度取决于具体的应用与视频制式。例如,抗混叠滤波器与分量制式比重建应用与复合视频的要求更严格。各种应用与制式的要求由NTSC、PAL/DVB、ITU、SMPTE和VESA规定。

  本文将对不同的滤波器作一比较,以便根据给定的应用或制式确定最佳的设计。比较了Rauch和Sallen-Key两种类型滤波器的GBW与截止频率之比率,在设计中采用预失真与参量灵敏度技术来获得高精度。被考察的滤波器包括:

  ITU-601抗混叠滤波器 20MHz抗混叠与重建滤波器 HDTV重建滤波器 滤波器及其特性

  不论是用于抗混叠还是重建,滤波器都必须具备低通特性,使视频的帧频能够通过。因此,设计者需要谨慎考虑AC耦合。低通滤波器可以根据其幅度特性或用于描述它的多项式来分类(Bessel、Butterworth、Chebyshev或Cauer)。图1所示为归一化为1-rad带宽后这些滤波器的特性。通常应该选取具有最佳选择性与最小极点数(降低成本)的滤波器,但是对相位线性度的额外要求限制了可选择的范围。

  图1. 归一化为1-rad带宽后,各种滤波器的幅值和群延时与频率之间的关系

  图1. 归一化为1-rad带宽后,各种滤波器的幅值和群延时与频率之间的关系

  相位线性度与群延时

  滤波器的相位线性度决定了包络延时或群延时(GD)与频率的关系。平坦的群延时表明所有频率被延迟了相同的时间,在时域这有利于信号波形的保持。因此,群延时差异比绝对群延时更为重要。另有一项独立的参数称为通道间差异,用于衡量通道间的“时间符合度”,不应将其与群延时混淆。

  对于视频来讲,多大程度的群延时差异是可以接受的,为什么?答案取决于具体的应用与视频制式。例如,ITU-470对复合视频信号群延时的规定非常宽松。然而,ITU-601则要严格许多,以便确保视频重放的稳定性,既针对于MPEG-2压缩,也是为了控制串行化之前的相位抖动。那么,为确保相位线性度,应该考虑什么样的滤波器特性呢?

  图1中的群延时曲线在截止频率(ω/ωc = 1)处出现了一个峰。这是由截止频率附近陡峭的相位变化造成的。为了有一个大致的概念,以一个3极点、6MHzButterworth滤波器为例,在其带宽范围内群延时差异大约为20ns至25ns。增加极点数或滤波器的选择性会使该差异增加。其他一些用来减小群延时差异的更特殊的滤波器²包括Bessel、相位逼近、Thompson-Butterworth,以及LeGendre等。尽管如此,在视频中最常使用的仍然是Butterworth特性的滤波器。

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