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1、FN: INTD, OPT, ACC COUNTRY: 美国 ORG: Synopsys, ADI, Intersil, Maxim, National Instruments, TI, National Semiconductor KW: 视频模拟前端, 复合视频, 分量视频, 同步, AFE, ADC, Designware Video AFE 高清晰高清晰度度视频模拟前端：远不止视频模拟前端：远不止ADCADC 作者：Joao Risques,新思公司产品营销经理 摘要摘要/ /概述概述 视频模拟前端电路(视频AFE，也称为视频ADC或视频解码器)是数字家庭和个人娱乐 系统的重要组件。尽
2、管新兴数字接口越来越普及，但模拟视频接口在多媒体应用中 仍扮演着重要的角色。由于与一些流行的数字视频接口相比，这些模拟接口具有高 图像质量特别是低功耗的特性，因此将模拟视频接口用作主要连接类型的消费类设 备市场仍然非常繁荣。另外，电脑显示器和家庭娱乐设备将继续支持已经非常普及 的机顶盒、 VCR、 DVD播放器、 数码相机和其它只提供模拟格式视频的设备。 虽然HDMI、 DisplayPort、 以太网和其它全数字信号接口对许多新型视频应用来说非常流行， 但 大多数现代视频设备要求后向兼容，因此在可预见的未来可确保模拟视频输入功能 在大多数消费电子设备中仍将是一种必备功能。 为了满足这种要求，
3、 系统级芯片(SoC) 设计师必须采用高性能的视频AFE， 这种模拟前端可以捕获和数字化来自xVGA电脑视 频源和众多模拟显示格式的视频，包括日益流行的1080p HD格式。 要想集成能够在各种视频格式下提供最高图像质量的视频AFE知识产权(IP)电路， 除 了选择具有合适采样率和分辨率的模数转换器(ADC)外还要考虑其它因素。 必须对信 号调节功能(钳位、增益与偏移控制、抗混叠滤波等)加以特别关注，因为它们在向 ADC提供准确的视频信息中发挥着重要的作用。同样，连接视频AFE的时钟提取和同 步处理电路可以与许多真实环境中常见的非完美信号一起工作，同时支持越来越重 要的功能，如内容保护、隐藏式
4、标题等等。最后，当在有噪声并且有时极具挑战性 的复杂SoC电子环境中工作时，IP必须能够提供干净和精确的视频信号。图1给出了 一个完整的视频AFE。从图中可以看出，ADC只是整个系统的一小部分。 高清晰度视频模拟前端：远不止高清晰度视频模拟前端：远不止ADC 2 图图1 1：完整的视频：完整的视频AFEAFE框图。除了框图。除了ADCADC外，还包括信号调节功能和同步处理功能外，还包括信号调节功能和同步处理功能 由于缺少专门的设计资源， 大多数SoC开发小组必须依靠从第三方供应商处购买的视 频AFE IP。虽然可以购买到分别用于ADC、信号调节和其它单元的必需IP， 但将它们完整地集成在一起所
5、遇到的挑战和风险几乎与从头设计一个视频AFE没什 么两样。基于这个原因，许多设计师选用完整集成的AFE解决方案，如IP供应商新思 等提供的方案，这些方案不仅可以提供高性能，高效地利用硅片面积，并且功耗低， 对设计周期的影响很小。 什么是视频什么是视频AFEAFE？ 视频模拟前端(视频AFE)作为各种高质量显示设备的主要输入信号端口以及家庭娱 乐、计算机图形和视频存储系统中传统信号源的桥而继续扮演着重要的角色。事实 上在目前制造的每台数字电视、投影仪和监视器中都能发现它们的身影，它们能让 用户方便地连接已经十分普及的DVD、 机顶盒和数码相机， 而这些设备一般提供复合 (NTSC/PAL)、S视
6、频(亮度/色度)或分量(YPbPr/RGB)视频输出。同样，大多数配置了 HDMI/DVI的电脑显示器也支持视频AFE，这些AFE能让它们可靠地连接目前运行的大 量计算机中仍能看到的xVGA输出。 另外， 大多数数字视频摄像机(DVR)的输入电路可高清晰度视频模拟前端：远不止高清晰度视频模拟前端：远不止ADC 3 以从全球有线电视运营商部署的大量模拟机顶盒接收信号。 在所有这些应用中，正确设计的视频AFE允许DTV或电脑显示器提供可与任何数字信 号源媲美的图像质量。 基本原理基本原理 最简单地说，视频AFE由一个或多个模数转换器(ADC)和一系列钳位、信号调节和滤 波电路组成。在HDTV和PC
7、图形等一些应用中，视频AFE还包含同步处理电路，用于提 取嵌入在模拟信号内部的时序和帧同步信息，如图2所示。 图图2 2：简化的视频：简化的视频AFEAFE框图框图 ADC的采样频率和分辨率随具体应用而改变，标清电视(SDTV)在27/54MS/s时要求10 至12位， 1080p高清电视(HDTV)信号在148.5MS/s时要求10位。 电脑显示器应用要求8 至10位分辨率，采样频率高达205MS/s，以便捕获WUXGA/60Hz或UXGA/75Hz分辨率显 示器的完整分辨率。与视频AFE信号链的模拟部分要求变化相比，ADC要求的变化相 对较小。 不管支持什么应用， 视频AFE的模拟信号链对
8、总体性能来说都很重要， 而且在大多数 情况下，是整个设计中要求比ADC还严格的部分。为了理解个中原因，让我们先看看 原始视频信号被ADC数字化前还要做哪些工作： 钳位：钳位：视频信号通常有一个直流分量，这个分量必须被滤除，或转换为一个能被 ADC输入接口接受的标称电平。在SDTV应用中，可以采用电荷泵进行处理，而电脑显 示器和HDTV要求更复杂的技术(如底部或中部钳位)。 增益与偏移控制：增益与偏移控制：可编程增益放大器(PGA)用于调整输入信号的摆幅，以匹配ADC 输入范围， 并控制每个色彩分量的饱和度(在分量视频系统中)， 或图像亮度/对比度 (复合视频系统)。 时钟恢复与同步产生：时钟恢
9、复与同步产生：这些电路用于提取嵌入在模拟视频信号中的同步信号，并 提供带有产生正确成帧图像所需定时信息的数字数据流。同步电路从微弱或有噪声 信号中恢复定时信息的能力在视频AFE的总体性能和实际设备运行中具有很重要的 作用。 滤波：滤波：可编程滤波器和去毛刺电路用于平滑将要送往视频AFE同步和时钟恢复电路 的同步信号。另外，HDTV应用要求对视频流使用非常陡峭(三阶)低通抗混叠滤波电高清晰度视频模拟前端：远不止高清晰度视频模拟前端：远不止ADC 4 路，通过大幅衰减带外噪声抑制有害的采样误差，提高噪声性能，而这些带外噪声 不去除的话会在模数转换期间折回到基带信号中。 视频信号视频信号复合与分量复
10、合与分量 视频信号可以分成两种基本类型复合和分量。 复合视频技术可以追溯到电视的起源，它用单个信号编码视频流的色彩、视频、消 隐和同步信息，如图3所示。这也正是复合视频也被缩写为CVBS的原因。虽然较低的 带宽和分辨率允许视频AFE的ADC运行在相对较低的采样率，但其较复杂的复合波形 要求高达12位的分辨率，并对视频AFE的模拟信号链有特殊的要求。 图图3 3：复合视频信号：复合视频信号 分量视频是指视频信号被分成了两个或两个以上分量。在一般使用中，这个术语指 的是发送或存储为三个独立信号的模拟视频类型。分量视频接口可以提供最高的性 能，因为它们可以做到最大的分量隔离度，因而具有较少的可见“点
11、蠕动”效应(在 明亮色彩变化边界处出现的交叉颜色干扰，看上去像重叠在边界上的阴影图案，见 图4)。 高清晰度视频模拟前端：远不止高清晰度视频模拟前端：远不止ADC 5 图图4 4：点蠕动效应。请注意红色条到蓝色条过渡带中的阴影图案：点蠕动效应。请注意红色条到蓝色条过渡带中的阴影图案 实际上所有分量视频信号使用三个线对，每个线对承载三个信号分量中的一个。对 电脑显示器和图像捕获设备(如数码相机)来说，分开的红、绿、蓝(RGB)格式是最流 行的分量视频格式(用于颜色分离的典型Bayer滤波器应用十分广泛)，如图5(a)所 示。 另外一种流行的分量视频格式是YPbPr，其中一个通道(Y)承载luma
12、(亮度)信息，其 它两个通道(Pr和Pb)承载色差信号，如图(5b)所示。发送绿色信号将是多余的，因 为可以使用蓝色、红色和亮度信息得到绿色。YPbPr是通过数学方法从RGB演变而来 的，因此严格地讲，转换是无损的。然而在实际应用中，为了降低存储和传送要求， YPbPr格式对色彩分量施加了频带限制措施。由于人眼对颜色的敏感度要小于亮度， 因此这个过程不会导致可感知的质量下降，这样做也就非常合理。 图图5(a)5(a)：RGBRGB分量视频格式分量视频格式 高清晰度视频模拟前端：远不止高清晰度视频模拟前端：远不止ADC 6 图图5(b)5(b)：YPbPrYPbPr分量视频格式分量视频格式 电脑
13、应用几乎全是使用RGB复合视频格式， 而色差格式通常用于标清电视和高清电视 应用中。 S视频是另一种流行的视频格式， 主要用于DVD和模拟视频摄像机。 S视频来源于YPbPr 格式，它保持Y(亮度)通道不变，而将色彩信号整合成一个(色度)信号。Pb和Pr颜色 信号在视频频带内的某个频率点进行正交调制。 S视频可以提供几乎与分量视频格式 相同的图像质量(因为亮度和色度分量仍然是分开的)，但可以使用单根廉价的双股 线进行连接。 不同的视频格式代表了图像质量和功耗之间的不同折衷方案，因为更多的分量要求 更多的转换通道。图6给出了信号质量和视频格式之间的关系。 高清晰度视频模拟前端：远不止高清晰度视频
14、模拟前端：远不止ADC 7 图图6 6：视频格式和图像质量：视频格式和图像质量 视频信号视频信号同步信息同步信息 根据采用的具体格式，复合信号的帧同步可以使用分开的水平和垂直同步信号、单 个独立的复合同步信号或混合了颜色分量信号之一的复合同步信号。大多数电脑显 示器使用xVGA(UXGA、 WUXGA等)接口， 这种接口要求分开的水平同步(H-sync)和垂直 同步(V-sync)信号。在一些PC图形应用(如Sun Mycrosystems产品)中，制造商取消 了外部同步信号， 改用在某种颜色信号中嵌入的复合同步信号(几乎总是绿色通道 也就是sync-on-green，或SOG)。类似的，在电
15、视显示器应用中也可取消外部同步 信号，改在亮度(luma或Y)通道中嵌入复合同步信号(sync-on-luminace 或SOL),不 过这种用法的普及性比SOG要低。图7给出了模拟视频接口中使用的各种同步方案。 图图7 7：复合和分量视频同步方案：复合和分量视频同步方案 帧同步和时钟提取帧同步和时钟提取 所有分量视频AFE要求某类同步处理，但复杂性和多功能性有很大的变化。 在SDTV应用中，同步提取是在整个复合视频信息在AFE中数字化后在数字域中完成 的，因为所有信号都同步于27MHz时钟，因而允许像同步分割、梳状滤波等功能可以高清晰度视频模拟前端：远不止高清晰度视频模拟前端：远不止ADC
16、8 在数字域中更高效地实现。这意味着，对于像新思公司提供的集成了SDTV视频AFE 的SoC来说，实际上同步处理不在IP内部执行，而是在随后的数字电路中完成。 另一方面，HDTV和PC图形应用要求大量的同步处理工作，其中包括从模拟信号中提 取像素速率时钟、分离水平和垂直同步信息、场检测、滑行(确保PLL在通常两帧间 缺少水平同步时保持准确的输出频率)。 对于大多数先进的高清应用来说， 区分真实 同步信息和数据缺陷(如内容保护或隐藏式标题)的能力也是必须具备的。虽然大多 数IP供应商在AFE中不包含任何种类的同步处理功能， 但新思公司的Designware视频 AFE包含上述所有同步功能，包括可编程滤波器、去毛刺电路等。 图8给出了包含有滤波和去毛刺功能的新思公司同步处理器框图， 这些功能极大地改 善了总体视频AFE功能，因此可以处理质量低于工业标准的同步信号。 图图8 8：包含线路锁定：包含线路锁定PLLPLL、同步分离和其它功能的完整的同步处理器、同步分
