視頻模擬前端(AFE)電路原理詳解

1、視頻模擬前端(AFE)電路原理詳解引言視頻模擬前端,是把模擬RGB、YPbPr、S-Video等模擬視頻信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換實現(xiàn)數(shù)字化。視頻模擬前端電路的實現(xiàn)主體是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。與普通的模擬前端電路不同,視頻模擬前端在ADCttT端還包括直流箝位恢復(fù)(DCrestoreclamp)、可編程增益放大器(PGA)、帶寬控制(bandwidthcontrol)、可編程直流偏置(offset)等功能模塊以保障輸入視頻信號調(diào)整到ADC俞入電平要求范圍內(nèi)，并減少AD噪聲、提高AD精度；同時采用自動黑電平補(bǔ)償(automaticblacklevelcompensation,ABLC)技術(shù)模塊以克服因器件

2、差異、溫飄等導(dǎo)致黑電平漂移,保障黑電平的一致。視頻模擬前端電路包含的模塊可參考圖1。下面對視頻模擬前端電路的實現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行分析與介紹。1箝位與偏置視頻信號級間連接必須采用交流耦合,用直流耦合連接兩個不同的電源很危險,這通常是安全規(guī)范所禁止的。視頻設(shè)備制造商通常對其設(shè)備輸入端采用交流耦合方式,而設(shè)備的輸出端使用直流耦合方式。當(dāng)信號采用交流耦合時,耦合電容存貯了(信號)平均值之和，以及信號源與負(fù)載之間的DC電勢差。圖2用來說明交流耦合對不同信號偏置點(diǎn)穩(wěn)定性的影響。視頻信號與脈沖波形類似,亮度、復(fù)合信號與RGB言號在黑色參考電平（0V）和帶有同步頭（-300mV）的最大值（+700mV）之間變化,如圖

3、3所示。視頻信號通過交流耦合后,偏置電壓會隨視頻內(nèi)容而變化（被稱為平均圖像電平或APL）,并會丟失亮度信息;圖像的黑電平（即同步電平）將不能固定在同一電平上,同步頭將隨圖像信號的內(nèi)容產(chǎn)生變化,導(dǎo)致同步頭的捕捉變得困難。需要有一個箝位電路將信號的一端箝置在一個參考電位上,使黑色電平保持為常數(shù),不隨視頻信號或同步頭幅度的變化而變化。為了不破壞圖像,箝位都在消隱期內(nèi)進(jìn)行。視頻信號在消隱期內(nèi),傳送的是黑電平,行同步信號在視頻信號消隱期內(nèi)。通過箝位電路是使視頻信號黑電平強(qiáng)制在某一預(yù)定電平,以實現(xiàn)直流偏置的恢復(fù)。簡單的箝位電路原理如圖4所示。當(dāng)輸入信號Vi負(fù)半周時,D導(dǎo)通,C充電至VC=（V+V1）,值左

4、負(fù)、右正,Vo=V1。當(dāng)輸入信號Vi正半周時,D斷開,Vo=VC+Vi（正半周）=2V+V1。不同的模擬視頻信號,各自黑電平的參考電平也不同。如電腦VGA俞出的模擬RGB言號與行場同步信號是分離的，RGB信號黑電平的參考電位為0V,信號白電平的參考電位約0.75V,即箝位電路把黑電平箝位在0V;而YPBP覬頻信號的Y分量信號還嵌入行場同步信號,其同步信號底部為地電平,黑電平的參考電位約0.3V,信號白電平的參考電位約1V,即箝位電路需要把黑電平箝位在0.3V。2可編程增益放大器模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD倘獲取廣泛白動態(tài)范圍，要求輸入信號的電平范圍調(diào)整到與ADC勺輸入電平范圍一致。如果不能容納輸入信號振幅以

5、便匹配和有效地利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器跨度,低輸入可能不能以足夠的分辨率數(shù)字化,高輸入可能會超出模數(shù)轉(zhuǎn)化器額定的界限，并且完全丟失。根據(jù)輸入信號幅度范圍及ADC的輸入幅度范圍,通過設(shè)置可編程增益放大器(PGA)的增益放大倍數(shù),充分發(fā)揮ADC勺精度,以獲取最優(yōu)的顯示對比度與亮度。3帶寬控制帶寬控制是通過一個抗混迭的低通濾波器,實現(xiàn)將輸入信號頻帶以外的信號濾除。在視頻模擬信號傳輸與處理過程中,各種高頻噪聲會引入到信號路徑,低通濾波是視頻模擬前端的關(guān)鍵組成部分,應(yīng)用于ADC1前,主要目的是濾除高于AD踩樣頻率一半的頻率分量,以降低高頻噪聲。當(dāng)信號頻率低于轉(zhuǎn)換器輸入級的帶寬時，ADC能可靠地轉(zhuǎn)換輸入信號的幅度及

6、頻率。當(dāng)輸入信號頻率高于ADC采樣頻率的一半時,幅度信息仍將保留,但信號的頻率將發(fā)生失真。A/D的轉(zhuǎn)換處理將改變高于AD睬樣頻率一半值的信號頻率分量。此類改變及混疊將使得低于采樣率一半的頻率分量以及高于采樣率一半的信號分量之間的差異無法辨別。圖5顯示了這一混疊的概念。通過低通濾波器,把高于fs/2的頻率濾掉,消除混疊的干擾。低通濾波的設(shè)計參數(shù)對視頻A/D系統(tǒng)的性能來說很關(guān)鍵。頻點(diǎn)設(shè)計過大,達(dá)不到濾波效果;頻點(diǎn)設(shè)計過小,降低圖像的銳利度因為在視頻信號變化的邊緣,由于電平的跳變沿陡峭,有較多的諧波,濾波器把超出頻點(diǎn)的高頻諧波濾除,即電平的跳變沿變平滑,體現(xiàn)為圖像的銳利度變低,有不聚焦的視覺效果。4

7、自動AD或正視頻模擬前端電路的器件離散性造成增益GAIN和偏置OFFSE不是固定的,所以每臺機(jī)器的GAIN和OFFSE在生產(chǎn)時者B要單獨(dú)調(diào)節(jié)。最終目的是使信號輸入為最暗時，ADC輸出值為0x00;當(dāng)輸入信號為最亮?xí)r,輸出值為0xFF。要設(shè)定準(zhǔn)確的GAIN和OFFSET二般采用自動AD或正方法,除了手動輸入信號圖譜外,通過軟件來自動完成。軟件實現(xiàn)過程如下:將輸入信號手動設(shè)置為全黑信號,由軟件從大到小調(diào)節(jié)OFFSETS存器，讀取后端ADC俞出的最小值，使其剛好等于0,以確定OFFSET再將輸入信號手動設(shè)置為全白信號,從小到大調(diào)節(jié)GAIN,讀取ADC俞出的最大值,使其剛好等于0xFF,以確定GAIN

8、值。將得到的值配置到箝位電路的偏置值OFFSETS及PGA勺增益值GAIN。通過自動ADCK正，可有效地把輸入視頻信號調(diào)整到ADC俞入電平的要求范圍內(nèi)，充分利用ADC勺精度，獲取最優(yōu)的對比度與亮度。一般情況下，如果不進(jìn)行ADC正，如R/G/B各ADC通道處理不一致,會造成偏色、色階缺少、畫面偏白等不良顯示效果。5 自動黑電平補(bǔ)償視頻模擬前端電路通過箝位、偏置、增益控制、ADC$準(zhǔn)，能使輸入黑電平時ADC俞出為0x00,輸入白電平時ADC輸出為0xFF,基本能發(fā)揮ADC的精度,獲取最優(yōu)的視頻對比度與亮度。但受溫度影響，ADC編碼輸出會因溫度變化產(chǎn)生漂移而導(dǎo)致偏差,通過人工持續(xù)進(jìn)行校準(zhǔn),并不是一個可行的方法。利用自動黑電平補(bǔ)償(ABLC)功能模塊可自動消除漂移導(dǎo)致的ADC俞出偏差。ABLC的實現(xiàn)是一個環(huán)回回路，類似箝位電路的工作原理,視頻信號在消隱期內(nèi)傳送的是黑電平,通過實時檢測在此期間ADC俞出的數(shù)值，計算此數(shù)值與期待的最小值之間的偏差，產(chǎn)生黑電平補(bǔ)償值，通過DACJ巴偏差值轉(zhuǎn)換為模擬量，環(huán)回到ADC勺輸入端，作為模擬視頻信號的偏置量,自動抵消漂移導(dǎo)致的ADC輸出偏差。6 結(jié)論視頻模擬前端(AFE)對于最終圖像質(zhì)量