利用整合濾波器實(shí)現高質(zhì)量模擬視訊重建

為了便于傳輸，由相機擷取的模擬視訊訊號通常會(huì )將視訊訊號數字化(圖1)。數字視訊擁有很多優(yōu)勢，它能夠根據對影像質(zhì)量的要求進(jìn)行壓縮，量化后的視訊訊號不會(huì )因為儲存和傳輸而降低質(zhì)量。但為了便于人眼觀(guān)看，它還必須恢復成模擬視訊訊號或模擬光影訊號。把數字視訊轉變成模擬視訊的過(guò)程叫做重建。然而，由于從數字域到模擬域轉換時(shí)的量化及其它問(wèn)題，必須透過(guò)各種濾波技術(shù)消除摩爾效應和影像失真，因而得到高質(zhì)量視訊。

圖1. 電視訊號從模擬訊號轉換成數字訊號，最后又恢復為模擬訊號。

考慮一個(gè)由混亂無(wú)序模塊組成的七巧板，這些模塊奇形怪狀，看起來(lái)毫無(wú)規則，但在形狀上有一定的關(guān)聯(lián)。如果我們像兒童一樣去了解一些基本原則，對截角、邊緣進(jìn)行篩選，即可重構一幅影像。類(lèi)似地，數字視訊可能由無(wú)序傳輸的圖片組成，這些圖片包含了失真訊號?？梢园凑找欢ǖ囊巹t重新整合圖片，使影像質(zhì)量與原始的模擬輸入訊號保持一致。

數字重建過(guò)程的最后，需要對視訊訊號進(jìn)行‘模擬濾波’。七巧板中是透過(guò)人眼的視覺(jué)效應實(shí)現‘濾波’的，對于視訊影像則需透過(guò)模擬低通濾波器實(shí)現。

采樣噪聲和鏡像衰減

由相機或其它設備擷取的模擬視訊訊號透過(guò)模擬數字轉換器(ADC)進(jìn)行數字化處理，它在每個(gè)頻率邊沿實(shí)時(shí)記錄數據(圖2)。模擬訊號連續變化，而轉換成數字訊號時(shí)則是定時(shí)采樣。經(jīng)過(guò)數字處理和傳輸后，數字訊號透過(guò)數字模擬轉換器(DAC)轉變成模擬訊號。DAC的輸出如圖2的右上角所示，箭頭代表頻率訊號。

圖2. 模擬訊號和數字訊號之間的轉換波形。

在每個(gè)頻率瞬間，將數字量轉換成模擬電壓，模擬訊號將保持到下一個(gè)頻率沿。輸出是一系列階梯，而原始模擬訊號卻是平滑曲線(xiàn)。這稱(chēng)為‘采樣保持’或‘矩形波’重建。需要模擬低通濾波器進(jìn)行平滑處理，以接近原始的模擬視訊訊號。

從圖2所示時(shí)域圖可以看出，小的臺階會(huì )產(chǎn)生高頻干擾，但這種高頻干擾并不明顯。圖3提供了訊號量化后的頻域效果，標準分辨率(SD)、PAL(歐洲)和NTSC(北美)視訊的頻寬大概是5MHz，高解析(HD) ATSC 720p和1080i(美國)視訊的頻寬是30MHz。標準分辨率訊號的典型頻率頻率是27MHz，高解析訊號頻率頻率可以高達74.25MHz以上。

奈奎斯特頻率為頻率頻率的一半，這是一項關(guān)鍵指標，因為在對原始模擬訊號量化之前，必須把高于奈奎斯特頻率的視訊和噪聲禁止掉。如果存在高于奈奎斯特頻率的信息，它將混入低頻訊號，產(chǎn)生混迭失真，因而破壞視訊訊號。產(chǎn)生混迭后將無(wú)法消除，我們在后續內容中將解釋這一點(diǎn)對家庭視訊系統的重要性。