利用整合滤波器实现高质量模拟视讯重建

为了便于传输，由相机撷取的模拟视讯讯号通常会将视讯讯号数字化(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，量化后的视讯讯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讯号或模拟光影讯号。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. 电视讯号从模拟讯号转换成数字讯号，最后又恢复为模拟讯号。

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讯号。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讯号保持一致。

数字重建过程的最后，需要对视讯讯号进行‘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讯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)。模拟讯号连续变化，而转换成数字讯号时则是定时采样。经过数字处理和传输后，数字讯号透过数字模拟转换器(DAC)转变成模拟讯号。DAC的输出如图2的右上角所示，箭头代表频率讯号。

图2. 模拟讯号和数字讯号之间的转换波形。

在每个频率瞬间，将数字量转换成模拟电压，模拟讯号将保持到下一个频率沿。输出是一系列阶梯，而原始模拟讯号却是平滑曲线。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讯号。

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提供了讯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。标准分辨率讯号的典型频率频率是27MHz，高解析讯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，因为在对原始模拟讯号量化之前，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，它将混入低频讯号，产生混迭失真，因而破坏视讯讯号。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. 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讯号，以便清楚地表达影像。这些边带是视讯讯号和频率讯号的和频与差频。右侧镜像边带与视讯讯号的特性一样，即视讯讯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频率的标准分辨率讯号，镜像频率最大值为5+27=32MHz。左侧镜像边带与视讯特性相反，视讯讯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，标准分辨率讯号下镜像延伸到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频率频率的高解析讯号，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讯号(图3d)与视讯讯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，它重迭在视讯讯号上，具有随机变化的相位。摩尔效应是频率、视讯讯号频率之间相互作用的结果。

图4. 较差的视讯滤波器引起的影像干扰。

重建滤波器

从图5可以看出重建滤波器的作用，利用参考书中提供的定理可以很容易理解频谱混迭。通常，在频域，频率和放大倍数都采用对数刻度，重建滤波器的频响特性表现为平滑曲线。然而，为了说明边带重迭的位置，我们用线性坐标表示频率和放大倍数。为了表示低通滤波器在同样刻度坐标下的衰减特性，从滤波器频响曲线可以看出：对于有用的视讯讯号衰减很少，对于镜像频率衰减较大。图5b和5c显示了混迭效应，但是应该注意到，与图3d相较，图5d中的镜像频率被显著衰减。

图5. 适当的重建滤波器透过对视讯讯号平滑滤波减少了频谱混迭。
消费性产品对于成本非常敏感，庆幸的是它们使用的模拟和数字转换器非常少。在典型的家庭视讯信道中，如视讯转换盒+电视构成的信道中只使用一个DAC和一个ADC(图6)。该系统的衰减为20dB(小于讯号的10%)，这是可以接受的。视讯转换盒和LCD电视通常都有至少12dB的低频镜像边带衰减。两个具有12dB衰减的滤波器加起来可以产生24dB的镜像抑制。故与20dB衰减的要求相较提供了足够的设计余量。

图6. 用于家庭电视系统的视讯重建滤波器和抗混迭滤波器。