中心議題：
- 介紹兩類主要的視頻應(yīng)用
- 討論有源視頻濾波器設(shè)計中的實際問題
解決方案：
- 將模擬濾波器、數(shù)字濾波器以及過采樣ADC結(jié)合運用實現(xiàn)抗混疊濾波器
- 重建濾波器放置在DAC之后，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(xiàn)在，將放大器與RC濾波器結(jié)合起來，可以獲得尺寸更小、更高效的設(shè)計。此外，二十世紀(jì)60年代發(fā)展起來的靈敏度分析與預(yù)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上的專用軟件方便了寬帶有源濾波器的設(shè)計，但這并未解決任意特定應(yīng)用的問題。對視頻濾波器而言，特定的應(yīng)用與信號制式給每個電路設(shè)計都帶來了細(xì)微的差別。以下是兩類主要的視頻應(yīng)用：
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，即高于ADC采樣率一半的信號分量。這些濾波器頻率響應(yīng)的過渡帶通常都設(shè)計得盡可能陡，目的是盡可能將截止頻率以上的信號統(tǒng)統(tǒng)濾掉。對ITU-601以及其他應(yīng)用來說，這樣的性能是通過將模擬濾波器、數(shù)字濾波器以及過采樣ADC結(jié)合運用來實現(xiàn)的。而對PC圖像之類的應(yīng)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之后，用來消除由采樣帶來的疊影，并不是為了消除DAC時鐘串?dāng)_。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(yīng)帶來了損失。現(xiàn)有的視頻信號制式包括RGB、分量視頻、復(fù)合視頻和RGB PC圖像等。
所有應(yīng)用與制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）特性所要求的。所需的相位線性度取決于具體的應(yīng)用與視頻制式。例如，抗混疊濾波器與分量制式比重建應(yīng)用與復(fù)合視頻的要求更嚴(yán)格。各種應(yīng)用與制式的要求由NTSC、PAL/DVB、ITU、SMPTE和ESA規(guī)定。本文將對不同的濾波器作一比較，以便根據(jù)給定的應(yīng)用或制式確定最佳的設(shè)計。
濾波器及其特性
不論是用于抗混疊還是重建，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(shè)計者需要謹(jǐn)慎考慮AC耦合。低通濾波器可以根據(jù)其幅度特性或用于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帶寬后這些濾波器的特性。通常應(yīng)該選取具有最佳選擇性與最小極點數(shù)(降低成本)的濾波器，但是對相位線性度的額外要求限制了可選擇的范圍。
濾波器的相位線性度決定了包絡(luò)延時或群延時(GD)與頻率的關(guān)系。平坦的群延時表明所有頻率被延遲了相同的時間，在時域這有利于信號波形的保持。因此，群延時差異比絕對群延時更為重要。另一有項獨立的參數(shù)稱為通道間差異，用于衡量通道間的"時間符合度"，不應(yīng)將其與群延時混淆。對于視頻來講，多大程度的群延時差異是可以接受的，為什么？答案取決于具體的應(yīng)用與視頻制式。例如，ITU-470對復(fù)合視頻信號群延時的規(guī)定非常寬松。然而，ITU-601則要嚴(yán)格許多，以便確保視頻重放的穩(wěn)定性，既針對于MPEG-2壓縮，也是為了控制串行化之前的相位抖動。那么，為確保相位線性度，應(yīng)該考慮什么樣的濾波器特性呢？
圖1中的群延時曲線在截止頻率處出現(xiàn)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，在其帶寬范圍內(nèi)群延時差異大約為20ns-25ns。增加極點數(shù)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(shè)計
對于抗混疊濾波器，選擇性由ITU-601規(guī)定的模板來確定，就像圖2中所顯示的。帶寬規(guī)定為5.75MHz ( 0.1dB，插損在6.75MHz處為12dB，8MHz處為40dB，0.1dB帶寬范圍內(nèi)群延時差異為(3ns。這樣的性能要求對于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(diào)整為27MHz處12dB，32MHz處40dB。
使用軟件或歸一化曲線，我們會發(fā)現(xiàn)-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。對于后者，需要一個延時級，對于此電路，需要重點關(guān)注的運放參數(shù)為0.1dB，2VP-P帶寬。將該數(shù)值應(yīng)用于式1和2可獲得精確的設(shè)計。圖3a與3b給出了一個適合此類應(yīng)用的原理圖，并用曲線顯示了它的增益和群延時特性，此設(shè)計基于四倍過采樣系統(tǒng)。由于MAX4450/4451卓越的瞬態(tài)響應(yīng)與大信號帶寬(2VP-P時175MHz)，因此選擇它。
重建濾波器
DAC之后的重建濾波是沒有被很好理解的應(yīng)用之一。很多設(shè)計者認(rèn)為引入重建濾波器是為了濾掉采樣時鐘，但這遠不是事實。當(dāng)信號被采樣時，采樣中包含了多個重復(fù)的信號映像，分別對準(zhǔn)采樣時鐘的各次諧波。重建濾波器將濾掉除基帶采樣外的所有其他信號。如果抗混疊濾波器達到了其目的，那么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(yīng)被濾掉。因此，對于重建的要求類似于抗混疊，但是，由于每個采樣只停留瞬間，DAC會將每個采樣保持一個時鐘周期，這樣一來，就產(chǎn)生了我們所熟悉的逼近于某斜線的臺階狀波形。保持功能相當(dāng)于一個數(shù)字濾波器，它的特性類似于Butterworth或Bessel濾波器，在半采樣頻率處響應(yīng)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(chǔ)上構(gòu)成，具有類似于Bessel濾波器的響應(yīng)。它可按照DAC采樣率(FS)來設(shè)計。圖5b顯示了采用和未用幅度均衡器時的DAC頻率響應(yīng)。與延時級類似，它可以被包含在任何重建濾波器中。
保持響應(yīng)也有一個對準(zhǔn)采樣時鐘的極點，可以完全消除時鐘。不過，大多數(shù)重建應(yīng)用還是將時鐘衰減作為其品質(zhì)因數(shù)。現(xiàn)在了解了重建濾波器的功能，我們就可以著手設(shè)計了。
NTSC/PAL視頻重建最普通的要求是在13.5MHz處衰減>20dB，在27MHz處>40dB，截止頻率取決于所采納的視頻標(biāo)準(zhǔn)。出于兩方面的原因，我們選擇了Sallen-Key結(jié)構(gòu)的3極點Butterworth濾波器。首先，其增益（+2）適合驅(qū)動反向端接的電纜。其次，它的群延時差異可以調(diào)節(jié)，這樣，不需要延時均衡器我們就可以通過調(diào)節(jié)群延時獲得最優(yōu)的性能。
有源視頻濾波器設(shè)計中的實際問題
無論是手工設(shè)計的，還是軟件輔助設(shè)計的，或是綜合這兩種方法得到的濾波器，實際的響應(yīng)曲線可能并不完全符合預(yù)期。原因之一是計算出的響應(yīng)與采用標(biāo)準(zhǔn)元件值得到的實際響應(yīng)之間存有偏差。通過選擇標(biāo)準(zhǔn)(5%)容值的電容器而導(dǎo)出電阻值可以使誤差降至最小。原因很現(xiàn)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(yīng)。
濾波器構(gòu)成之后，可能出現(xiàn)不穩(wěn)定與振蕩的情況。如果出現(xiàn)這樣的情況，將輸入對地短接，看其是否繼續(xù)振蕩。如果振蕩停止，說明阻抗太高，降低設(shè)計阻抗就可以消除振蕩。但如果仍繼續(xù)振蕩，則請注意振蕩頻率是否接近濾波器的截止頻率或在截止頻率以下。如果是這樣，振蕩可能是由元件或寄生參數(shù)引起的。若振蕩頻率高于截止頻率，那么可能是運放或電路板布局引起的。
好的布局就象是一件藝術(shù)作品，但它只是基于一些簡單的原則。提供一個干凈的電源電壓和一個堅實的接地很重要，這意味著用低ESR的電容器濾波，有時是一個調(diào)節(jié)器。旁路電容連接而成的回路必須盡量小，否則寄生電感將與電容諧振。良好的接地平面對好的模擬設(shè)計很關(guān)鍵，但是隨著帶寬的增加，它可能帶來寄生電容，使濾波器失調(diào)。為避免這樣的問題，將受到影響的元件與走線下方的地平面去掉即可。
