視頻有源濾波器的特性及設(shè)計(jì)分析

抗混疊濾波器：這一類器件被放置在ADC之前，用來(lái)衰減信號(hào)中Nyquist頻率以上的成分，即高于ADC采樣率一半的信號(hào)分量。這些濾波器頻率響應(yīng)的過(guò)渡帶通常都設(shè)計(jì)得盡可能陡，目的是盡可能將截止頻率以上的信號(hào)統(tǒng)統(tǒng)濾掉。對(duì)ITU-601以及其他應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這樣的性能是通過(guò)將模擬濾波器、數(shù)字濾波器以及過(guò)采樣ADC結(jié)合運(yùn)用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而對(duì)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(lái)消除由采樣帶來(lái)的疊影，并不是為了消除DAC時(shí)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?yàn)镈AC的保持功能也有濾波的作用--這種作用降低了對(duì)選擇性的要求，但給響應(yīng)帶來(lái)了損失?，F(xiàn)有的視頻信號(hào)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(dá)到"線性相位"，這是群延時(shí)（不同頻率的延時(shí)）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(duì)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(jì)。

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(guò)。因此，設(shè)計(jì)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(xiàng)式來(lái)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(diǎn)數(shù)(降低成本)的濾波器，但是對(duì)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(shí)或群延時(shí)(GD)與頻率的關(guān)系。平坦的群延時(shí)表明所有頻率被延遲了相同的時(shí)間，在時(shí)域這有利于信號(hào)波形的保持。因此，群延時(shí)差異比絕對(duì)群延時(shí)更為重要。另一有項(xiàng)獨(dú)立的參數(shù)稱為通道間差異，用于衡量通道間的"時(shí)間符合度"，不應(yīng)將其與群延時(shí)混淆。對(duì)于視頻來(lái)講，多大程度的群延時(shí)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(duì)復(fù)合視頻信號(hào)群延時(shí)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(duì)于MPEG-2壓縮，也是為了控制串行化之前的相位抖動(dòng)。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(shí)曲線在截止頻率處出現(xiàn)了一個(gè)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(gè)大致的概念，以一個(gè)3極點(diǎn)、6MHz Butterworth濾波器為例，在其帶寬范圍內(nèi)群延時(shí)差異大約為20ns-25ns。增加極點(diǎn)數(shù)或?yàn)V波器的選擇性會(huì)使該差異增加。其他一些用來(lái)減小群延時(shí)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(jì)

對(duì)于抗混疊濾波器，選擇性由ITU-601規(guī)定的模板來(lái)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(shí)差異為(3ns。這樣的性能要求對(duì)于單純的模擬濾波器來(lái)講太困難了，但是通過(guò)四倍過(guò)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(huì)發(fā)現(xiàn)-3dB帶寬為8.45MHz的5極點(diǎn)Butterworth濾波器就能滿足選擇性要求，但沒(méi)考慮群延時(shí)。對(duì)于后者，需要一個(gè)延時(shí)級(jí)，對(duì)于此電路，需要重點(diǎn)關(guān)注的運(yùn)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(jì)。圖3a與3b給出了一個(gè)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(shí)特性，此設(shè)計(jì)基于四倍過(guò)采樣系統(tǒng)。由于MAX4450/4451卓越的瞬態(tài)響應(yīng)與大信號(hào)帶寬(2VP-P時(shí)175MHz)，因此選擇它。

重建濾波器

DAC之后的重建濾波是沒(méi)有被很好理解的應(yīng)用之一。很多設(shè)計(jì)者認(rèn)為引入重建濾波器是為了濾掉采樣時(shí)鐘，但這遠(yuǎn)不是事實(shí)。當(dāng)信號(hào)被采樣時(shí)，采樣中包含了多個(gè)重復(fù)的信號(hào)映像，分別對(duì)準(zhǔn)采樣時(shí)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(hào)。如果抗混疊濾波器達(dá)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(lái)，它右邊的所有采樣都應(yīng)被濾掉。因此，對(duì)于重建的要求類似于抗混疊，但是，由于每個(gè)采樣只停留瞬間，DAC會(huì)將每個(gè)采樣保持一個(gè)時(shí)鐘周期，這樣一來(lái)，就產(chǎn)生了我們所熟悉的逼近于某斜線的臺(tái)階狀波形。保持功能相當(dāng)于一個(gè)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(gè)目的是補(bǔ)償這個(gè)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(gè)延時(shí)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(lái)設(shè)計(jì)。圖5b顯示了采用和未用幅度均衡器時(shí)的DAC頻率響應(yīng)。與延時(shí)級(jí)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(gè)對(duì)準(zhǔn)采樣時(shí)鐘的極點(diǎn)，可以完全消除時(shí)鐘。不過(guò)，大多數(shù)重建應(yīng)用還是將時(shí)鐘衰減作為其品質(zhì)因數(shù)?，F(xiàn)在了解了重建濾波器的功能，我們就可以著手設(shè)計(jì)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(diǎn)Butterworth濾波器。首先，其增益（+2）適合驅(qū)動(dòng)反向端接的電纜。其次，它的群延時(shí)差異可以調(diào)節(jié)，這樣，不需要延時(shí)均衡器我們就可以通過(guò)調(diào)節(jié)群延時(shí)獲得最優(yōu)的性能。

有源視頻濾波器設(shè)計(jì)中的實(shí)際問(wèn)題

無(wú)論是手工設(shè)計(jì)的，還是軟件輔助設(shè)計(jì)的，或是綜合這兩種方法得到的濾波器，實(shí)際的響應(yīng)曲線可能并不完全符合預(yù)期。原因之一是計(jì)算出的響應(yīng)與采用標(biāo)準(zhǔn)元件值得到的實(shí)際響應(yīng)之間存有偏差。通過(guò)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(shí)--可以購(gòu)得1%或2%容差的電容器，但容值精度僅為5%，而對(duì)電阻來(lái)說(shuō)，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(duì)地短接，看其是否繼續(xù)振蕩。如果振蕩停止，說(shuō)明阻抗太高，降低設(shè)計(jì)阻抗就可以消除振蕩。但如果仍繼續(xù)振蕩，則請(qǐng)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(yùn)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(jiǎn)單的原則。提供一個(gè)干凈的電源電壓和一個(gè)堅(jiān)實(shí)的接地很重要，這意味著用低ESR的電容器濾波，有時(shí)是一個(gè)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(duì)好的模擬設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，但是隨著帶寬的增加，它可能帶來(lái)寄生電容，使濾波器失調(diào)。為避免這樣的問(wèn)題，將受到影響的元件與走線下方的地平面去掉即可。