兼容所有格式的模拟前端设备可以同时处理视频和PC格式

PC/TV合一是消费电子产品发展的一个趋势，在该领域出现的技术标准比较多，因此，兼容多标准就成为了模拟前端器件必须解决的问题。本文从前端和后端全面讨论怎样才能使模拟前端能够同时处理视频和PC格式的信号，并给出了一个设计实例。

PC/TV合一技术已在许多显示产品中得到实现，例如具有TV输入接口的LCD PC监示器，或者用于网上冲浪的、与家庭PC相连的大屏幕TV。另外，用于技术交流的投影仪体积也小了许多，以至于它们通过临时的家庭娱乐设置能很容易地与DVD播放器连接起来。虽然同时持TV视频和PC输入对最终用户的作用是显而易见的，但硬件和软件设计师必须掌握大量现有的视频接口标准以及持这些标准的仪器才能有所作为。

在历史上，PC和TV格式基本上没有一点相同之处。视频信号主要通过无线传输，因此它是一种带宽有限的信号，常采用交织视频扫描的方法将黑白(灰度)和彩色(色度)信息以频率复用的方式生成某种复合视频信号。

在欧洲，复合视频的标准分二种，即欧洲的PAL、SECAM以及美国的NTSC。然而，开发用于点到点连接PC和监示器的图形信号是带宽有限的信号，这些信号由通过专用线承载的独立红绿蓝(RGB)分量以及视频同步信号组成。虽然PC图形信号的基本结构都是相同的，相互间不存在地区差异，但仍存在多种标准格式，包括传统的IBM和MAC图形格式。例如数字电视(DTV)，它采用YcbCr色彩空间技术(Y=亮度；Cb和Cr是色差信号)而不是RGB来实现分量，并采用非复合视频方式传送。同时DTV还使视频与传送格式得以相互独立；同一传送系统可以传送多种不同的视频格式，事实上地面(而非卫星)DTV所用的视频格式最多可达18种。

视频前端

1080I*720P普通高清晰度(HDTV)、480I标准清晰度(SDTV)和480P增强清晰度(EDTV)就是其中一些常见的格式。当前可以用来设计持所有格式的视频前端设备的芯片有很多种，如模拟输入视频复接器、(数字)视频解码芯片以及高速三维图形ADC模拟前端(AFE)。这些前端器件可以处理如下一些信号(图1)：

1．要设计一个接收多个视频源标准信号、并把它们转换成数字格式用于显示或能够进一步处理的模拟前端，需要用到多块芯片。视频源包括消费类视频、PC图形或高清晰度视频源。

a. CV: 同时包含亮度(Y)和副载波调制的色度(C)的复合视频(PAL/NTSC/SECAM)信号。NTSC用的彩色副载波频率是3.58MHz，PAL制式的彩色副载波频率是4.43MHz。

b. Y和C：S视频信号中的亮度分量和调制过的色度分量。Y和C由不同的信号承载，因此是CV+Y+C。

c. YcbCr或YUV：具有亮度和二种不同颜色信号(红色减去灰度，蓝色减去灰度)的分量视频信号，它们由三个独立信号承载。因此S视频中的C=副载波调制过的CbCR。U和V是在副载波调制前对应Cb和Cr的成比例分量。

目前实际的视频接口大多保留有模拟接口。所有基于TV的设备都需要模拟视频输入。最近的市场调查结果显示，有超过80%的台式电脑的平面监示器具有模拟接口。

所有要求视频和图形输入的显示设备都需要一个“双”前端。独立的AFE之所以必不可少是因为视频解码芯片中的前端ADC不能处理用于增强和高清晰度格式或PC图形(如表所示)的高取样率时钟。另外，需要一个独立的同步分离芯片来处理搭载视频同步信号嵌入了Y分量的格式，如所有分量型DTV格式和一些图形格式。如此复杂的原因在于，以往的同步分离芯片都是开发用于SDTV的同步格式，而不适合HDTV。而PC格式则将视频同步信号搭载于相互独立的Hsync和Vsync信号上。当所有格式数字化后，视频后端设备要么进行幅度调整和逐行扫描，就象平面显示器那样，要么进行视频存储设备中的视频压缩工作。

分离芯片的设计问题

AFE一方面会将图形信号数字化为RGB信号，另一方面会将分量视频转换为YcbCr(因为分量模拟视频接口采用YcbCr)。但不管是LCD显示器、CRT还是用于DLP投影设备的数字微镜像设备，所有显示器的内部显示电路用的都是RGB信号。因此数字后端设备必须检测视频源所用的色彩空间。如果有必要的话可以通过矩阵运算方式将视频格式转换成RGB格式。

其次，PC监示器具有线性传输特性，而传统的CRT电视机需要在较低幅度(黑色)区域进行过激励。其输入输出关系近似于一个幂函数：光输出=输入电压^r。

因此，当r大于1时(通常是2.5左右)这些设备就具有非线性传输特性。这样，图片的低亮度区域(接近黑色)得到压缩，而高亮度区域(接近白色)被放大。为了对此进行补偿，视频信号在传输前需要采用反伽马曲线进行强化。这一过程被称为伽马校正。与传统CRT显示器非线性特性相反，当所用显示器如大多数平面显示器具有线性传输特性(r=1)时，设计师势必要对视频信号进行“去伽马校正”。

最后需要关注的是视频输入同步和格式检测问题。因为目前的PC图形信号并不搭载自己的识别功能，AFE需要检测所要显示的图形格式，然后正确的初始化前端来校正取样频率和相位。

由于图形信号是阶梯状非带宽受限的信号，因此除了取样频率外，取样相位也非常重要。这样才能避免像素转换时的取样。

目前的AFE要求对输入格式进行外部检测(基于视频同步频率和像素分析)并只提供低等级的锁相环(PLL)频率/相位控制访问。它们不提供集成化的“自动锁相”算法。

这种视频检测和同步问题更困难之处在于，视频同步信号可以由多种途径运载，它们包括：大多数图形格式中的Hsync/Vsync、嵌入式复合视频同步信号甚至在专用线上传输的复合同步信号。因此系统需要检测视频/图形源所采用的同步方式，而这要取决于仍有待确定的视频格式!

对于模拟视频前端设 计来说，自动格式检测包括自动同步和相位控制，这可能是最重要的“系统级”问题。这是因为它直接影响显示器的性能和用户感观评价。任何人都希望这种比较昂贵的数字显示器能又快又方便地同步输入视频格式的变化，就像现有的多路同步CRT监示器那样。

值得注意的是模拟CRT显示器不需要模式检测。只要CRT监示器的偏转电路能跟上水平线率，监示器就能马上同步。另外，由于CRT是一种模拟显示器，因此无需根据监示器分辨率更改视频信号。

除了上面提到的三个问题外，另外还存在多个系统级的问题，它们是：用于PC图形的自动节电和唤醒功能，解码器中的视频输入标准检测，以及人工或自动检测到的活动视频输入的切换。

然后在模拟视频/图形前后端设备间还有大量的交互工作。根据当前芯片的应用情况可以知道，所有这些系统问题都需要主控制器的参与才能得到解决，因此硬件和软件设计师的设计任务将非常繁重。

后端处理

后端设备必须执行与前端有关的任务，如颜色空间转换和伽马校正。针对前端的取样频率和相位控制，系统CPU需要运行自动锁相算法。在标准和非标准视频源的情况下都应获得良好的视频图像质量。图像质量包括它的可视性(模糊和重影)以及水平、垂直和色彩锁定速度和稳定性。非标准视频源的信号比较弱，常带有噪声，如来自VCR、DVD播放器和视频游戏控制台的信号。弱信号是由于RF信号经过远距离传输过程的衰减引起的。VCR根据操作模式(正常播放或调整模式(暂停、快速前卷和后退))的不同可能会产生时基不稳定的信号。视频线频的偏离值最大可达正常值的5%，在垂直同步间隔、VCR头垂直同步间隔前，VCR头开关可能会产生达15ms的水平同步跳动。在调整模式中，每帧的线数也会变化正负5%，而且垂直同步信号可能会改变形状。所有这些现象都会给数字视频解码器带来巨大挑战。

此外，流行的产权保护功能，例如Macrovision技术，可能被加进视频信号中，这会给水平和颜色锁定以及自动增益调节带来更多的问题。解码器的前端通常会将输入视频信号钳位到参考电压，再执行自动增益控制(±6dB范围)和偏移调整，然后完成模数转换。但实际的视频解码工作是在数字域上完成的，因此必须取得正确的同步，并在压缩或放大的水平同步信号作用下得以保持。

前端的非线特性会引起特别的杂散频率，在解码器的亮度或色度输出中表现为跳动波形，而非线性的直流特性会在类似阶梯式的视频输入中表现为不自然的量化效应。信道间以及模拟与数字域间的串扰也会使显示的图像产生重影。

2．当进行NTSC视频解码时，灰度与色度分离度不够会引起错误的色彩效应(见垂直线)。同时，错误的亮度值也会使色彩条之间的水平边界上出现讨厌的缓慢垂直移动点。

3．采用先进的具有数字梳状滤波的视频解码器能极大的改善灰度与色度的分离度。在此，高频线上没有出现可视的错误颜色，而且错误灰度值也大大减小了。

对于标准视频源来说，低像素的时钟抖动是取得清晰、明亮、轮廓鲜明图像的关键。线锁式视频解码器采用水平锁相环(PLL)将取样或像素时钟锁定于输入源的水平同步信号。较大的时间常数和小于1.0的迟滞系数可以获得小的抖动值，并使噪声免疫性能最佳。对于VCR来说，较小的时间常数和较大的迟滞系数可以提高对同步跳动的快速反应能力，但会产生较大的时钟抖动。

颜色解调质量也取决于时钟抖动值。输入的色度脉冲是一个非常稳定的参考频率，在VCR中它是由晶振产生的。只有稳定的本地颜色振荡频率才能确保正确的颜色解调。如果本地颜色振荡器变化范围大太的话，图像中会出现闪烁的颜色和水平色度条纹。非标准视频信号会减弱水平、垂直和颜色锁定功能。所引入的噪声会使同步和色度脉冲波形失真，从而增加色度的检测和锁定难度。即使勉强锁定，噪声也会导致更大的时钟抖动，从而降低锁定质量。这时图像中就可能出现重影和颜色拖尾现象。衡量的标准是观察失锁时的信噪比，-10dB是比较好的值。

解码器的梳状滤波器会分离输入复合视频信号中的灰度和色度分量。二维和三维滤波器是比较常见的。二维梳状滤波器对每条线上的像素取平均值，并适配到输入信号中的灰度和色度值。三维梳状滤波器对每一帧的像素取平均值，而且必须与画面动感相适应。不正确的灰度/色度分离会使图像产生无法预料的重影问题。

在色度带宽内的灰度频率解调后会表现为图像中的假彩色。测试图案如垂直的黑白线以及同心圆有助于评估梳状滤波器的串色抑制性能。而在灰度信道中输出的色度信号会在图像中产生爬行的点状重影。

包含水平颜色条边界的测试图案可以用来评估梳状滤波器对串入灰度信号的抑制性能。噪声和时钟抖动也会影响梳状滤波器的性能。

应用实例

图2是梳状滤波器关闭后NTSC测试图案中出现的错误颜色和重影。假色效应(串色)在高频垂直线区域是非常明显的。高频灰度信号出现在颜色副载频周围，当只使用简单的陷波滤波器(也称为色度陷波器)分离两者时，解码器会错误地将其解码为色度信号。图3是用TI TVP5145视频解码器中的梳状滤波器处理的结果。图中可以看出灰度与色度(没有假色)的分离很完美，并且从色度信息中错误解调出的虚假灰度信号也得到了很大的抑制。将图1中所示的几个独立芯片集成起来可以简单地形成“全功能”视频解码/模拟图形前端。另外，还应集成一个视频解码模块以分离用于分量视频和图形输入的三个ADC信道，这样就可以持所有常用的PC格式和HDTV。这种通用前端要能处理分量视频或图形输入(YcbCr和RGB)二者的颜色空间，并完成两者之间的转换，以便为下一个设备提供统一的输出接口。此外，嵌入式控制器可以实现许多系统功能，如格式检测、可靠的同步分离和时序产生。

TVP5200就是这样一种可以处理“所有格式”的通用前端。在这个器件上，嵌入式RISC CPU的实际功能可以通过主机接口下载微代码从而在上电时完成配置。利用165MHz的高速ADC通道，该器件可以持表格中所有的图形/视频格式，最多可至60Hz时的UXGA。另外还有一个独立的10位ADC通道执行标准和非标准视频信号的高质量复合视频解码，包括Macrovision编码过的视频信号。

作者简介：

Bart DeCanne是德州仪器公司混合信号视频部门的系统工程师和战略市场经理。他曾获得比利时Ghent State大学MSEE和奥斯汀德州大学的MBA。他的电子邮件是：b-decanne@ti.com。

Karl Renner是TI混合信号视频部门的高级系统工程师。他拥有Southern Methodis大学颁发的电?工程博士学位。他的电子邮件是：k-renner@ti.com。

Peter Chang是TI混合信号视频部门的首席技术顾问。他拥有台湾清华大学的电子工程学士和佛罗里达大学电子工程硕士学位。他的电子邮件是：w-chang1@ti.com。

作者衷心感谢Li Zhang在捕获视频图像方面提供的帮助。

作者：

Bart DeCanne

Karl Renner

Peter Chang

王剑

德州仪器公司