高清晰度电视的ADC和DAC转换技术

随着数字电视和平面显示器的迅猛发展，日常消费电子产品中的视频和图像信号ADC和DAC转换器的应用越来越广泛，本文深入介绍了PC和数字电视的几种不同视频信号转换方式、数据转换器的选择和若干重要的数据转换参数的规范，对中国数字电视设计工程师有一定参考价值。

Bart DeCanne

系统工程师

TI公司模拟产品部

设计一个数字视频系统的时候，模拟或者混合信号问题有时会让设计者感到为难，对于只擅长数字系统的设计者更是如此。由于视频信号接口大部分是模拟电路，至少在消费电子产品中是这样，视频系统的数字处理将至少包含一个ADC或DAC转换器。

本文以模拟视频信号源(如DVD播放器和机顶盒)与HDTV之间的模拟接口作为实例，来讨论几种不同的视频和图像信号转换方式，另外还将提及一些关于HDTV模拟视频接口防拷贝的标准化工作。

模拟视频信号的转换

视频信号转换zui直接的方法是利用经过γ校正的RGB参数，定义为R'G'B'，γ校正修正了显示设备的非线性传输特性。以前由于三原色的记录、处理和传输费用太高，因而只能实现黑白视频信号。当彩色电视出现后，后向兼容系统必须使黑白接收器仅接收亮度信息，因此，无法实现传输格式的根本性转变，只能将彩色信息周期地插入亮度频谱中进行传输。这种隔行扫描技术是所有现行电视系统的基础，包括美国和日本的NTSC制式、大部分西欧国家采用的PAL制式和法国的SECAM制式。此方法的优点在于彩色电视引入后，频道带宽并没有急剧增加，现有的频道分配仍可沿用下去。

混合与分量视频信号的比较

图1是一个彩色NTSC信号的波形。为了清晰起见，将讨论基于60Hz的系统，50Hz系统的标准也类似，信号电平用IRE作单位，140IRE相当于1V，NTSC信号的视频与同步电压的比率是10:4，黑白电平电压差是7.5IRE。过去，这个电压差用于*消除阴极射线管(CRT)偏差造成的回扫电子束，但如今在大部分视频系统(如PC、HDTV)中已经不需要这样的设置电路。

525/59.4luma信号(从同步头到基准白色电平)的偏移定义为1V，但如果包括大约131IRE的zui大色度偏移，NTSC信号的zui大幅度约为1.2Vpp。因此，用于产生NTSC混合视频的DAC必须具有1.2Vzui大输出。

根据ITU-BT.601建议，经过γ校正的亮度信号Y'可通过R'G'B'分量加权求和得到：

Y'601 = 0.299R' + 0.587G' + 0.114B'

C_B和C_R色差信号分别通过调整B'-Y'和R'-Y'的比例而得到，Y'C_BC_R是演播室传输视频信号的常用格式。标准清晰度电视(SDTV)采用525线/59.94Hz场扫描速率，Y采样格式为13.5MHz；C_B和C_R 的采样格式均为6.75MHz。这种格式提供每行720个有效像素，在10位采样分辨率的条件下，水平和垂直消隐的数据率为270Mbps。这就是分量数字4:2:2接口，4:2:2指两个彩色分量的采样率是Y信号采样率的1/2。

270Mbps的串行数字接口(SDI)广泛用于演播室设备，在视频设备间串行传输数据。为了适合HDTV的应用，zui近几年开发了基于这种非压缩串行接口的高清晰度格式，传输速率约为1.5Gbps。随着MPEG-2压缩格式的应用，Y'C_BC_R已成为现代广播的理想选择。

由SMPTE(美国电影电视工程师协会)进行标准化的分量视频系统就无需设置电路，视频/同步电平比为10:3。图2是一个模拟HDT号的波形，其水平同步信号在消隐电平附近上下波动，称为三级同步信号。传统的SDTV分量系统只有相同电平幅度(300mV)的负同步信号。可以看到，消隐电平到白色电平的zui大视频幅度是700mV。由于没有加入色彩信号，DAC(数模转换器)产生SMPTE视频信号的zui大幅度为700mV。

一些面向视频应用的DAC具有分离的消隐信号和同步信号输入。当消隐信号有效时，不管DAC的输入编码值是多少，都输出一个相应的模拟消隐电平。有效的同步信号也会输出一个同步信号电平。大部分DAC的实际输出电流范围可根据zui大视频信号和同步信号幅度在外部稍作调整，并且还兼容旧的标准和遵循10:4的视频/同步信号比，但只有负同步信号。

在R'G'B'与Y' P_B'P_R'信号格式中，消隐电平的位置截然不同。P_B'和P_R'是分量视频信号，其幅度相对消隐电平可正可负，但对Y'信号而言，消隐电平相当于视频信号的zui小值。几乎所有的视频DAC产品都采用10:4的视频/同步信号比，消隐电平定位于Y'R'G'B'信号类型而不是P_B'P_R'信号。

视频数据转换特性参数

一些参数如差分非线性(DNL)、积分非线性(INL)、信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)等对所有转换器普遍适用。在这里讨论另外几种在视频应用中特别重要的数据转换参数：

1. 差分增益(DG)和差分相位(DP)。这两个参数与混合视频的数字化密切相关。差分增益是指低频信号两个状态电平在高频正弦波小信号调制输出幅度的百分比差异。差分相位也类似，但两点的输出相位变化用“度”来衡量。DG/DP的大小表示混合视频系统中亮度和色度之间的相互影响程度，其中色度通过3.58MHz(NTSC)或4.43MHz(PAL)副载波调制到亮度信号上。

2. 输出zui大电压。由于视频信号定义了标准电压范围，高速电流环DAC能通过适当的DAC输出端接阻抗实现满量程输出电压。如图3所示，视频输出连接通常采用75-1/2“双端接阻抗”，因此，在输出为37.5-1/2端接阻抗的条件下，DAC能够达到700mV分量视频输出电压(除同步电压以外)和1.2V混合视频输出电压。

3. 建立时间。在某些非视频应用中，满量程编码建立时间比实际采样周期长。视频应用则通常要求在下一次采样之前完成zui后一次模拟电平输出(一般不超过理想值的2%)，以确保能够在黑色背景中发现单个白色像素，因此，建立时间是视频DAC转换速率的决定性参数。

4. 毛刺能量。理想状况下，DAC在大编码转换时不会产生负脉冲/正脉冲毛刺。毛刺能量是一种在DAC转换过程中不希望产生的信号能量，可通过电压乘以时间来计量，也可直观地理解为从示波器上观察到的编码转换过程中出现毛刺区域的面积。

PC和工作站的视频接口

表1所列为PC环境中比较通用的VESA标准和其它一些视频标准之间的关系。

除了VESA格式外，其它所有格式是交流耦合输入，采用消隐电平作为信号参考。VESA视频信号标准为直流耦合系统，采用信号地作为信号参考。

在模拟视频传输系统中，模拟视频输出驱动、显示输入和所有线缆都是基于75欧姆阻抗的设计。

基于VESA标准的系统应遵循以下规则：

1. 利用VESA视频信号标准的视频系统不能提供或使用结合亮度信号的同步脉冲(没有绿色同步信号或其它同步信号)。这种情况下，同步信号要通过独立的信号线提供给显示器。

2. 在提供垂直同步脉冲期间应同时提供水平同步脉冲。在VESA视频信号标准下，任何一条独立同步线上采用混合同步信号都是不允许的。

3. 同步信号利用一种或多种标准逻辑电平来进行通信。适合所有情况的期望信号电平的严格定义还未制定出，但表2所列为同步的TTL电平要求。

在将视频/图像信号数字化时，除了要产生一个适当的采样频率外，还要求确定采样时刻。由于模拟信号是PC侧DAC输出产生，应当在DAC输出达到正确输出值的时段进行采样。合理的采样时段仅是像素周期的一小部分，这取决于DAC和信号互连(如监视器电缆的长度)的质量。

将相位正确定位的关键是f_s/2水平频率(黑/白垂直线交替的频率)的奈奎斯特图，因此，锁相环必须提供的相位控制方法。在平板显示器应用中，模拟前端芯片供应商可提供在单个像素周期内实现32个相位的选择方案。

如果输入信号需要全数字化，模数转换器的速度至少要相当于zui高视频分辨率下的像素时钟频率。表3所列为通用PC图像格式和相应的像素时钟频率。

数字电视的视频接口

对SDTV而言，有线或卫星接收机顶盒与电视接收机之间的视频接口标准是NTSC或S端子(S-video)，而HDT号只能通过CVI(分量视频接口)传输，需要将机顶盒内MPEG-2*解压后的视频信号转换成模拟CVI信号。

ATSC(美国*电视系统委员会)为数字电视定义了18种应用广泛的格式，这是获得所有相关团体支持的*途径(如内容提供商、消费电子产品制造商和PC制造商)，现行的4:3和宽屏幕16:9比例均符合这些格式。其中，只有六种格式是真正的HDTV模式(1,080×1,920和720×1,280)，其它格式则作为NTSC制式480×704常规分辨率TV和PC的VGA 640×280分辨率的过渡格式。

在帧速率方面，所有格式均支持60I、30P和24P。24P帧速率是电影模式，它符合运动图像24帧/秒的速率标准。利用24P格式传输电影信号可避免*的帧速率转换，从而使视频压缩更有效。1080I和720P目前已应用于美国的HDTV(注意，不存在zui高图像分辨率的60P模式)。

这两种未经压缩格式的数据率至少相差两倍。对于一个19.4Mbps、调制方式为八级残留边带调制(8-VSB)的DT道而言，按720P格式进行视频压缩将有更多的信道容量用于数据服务。从短期来看，基于CPU的PC实现数据服务将会比单纯的TV更容易，并可能成为PC制造业新的利润增长点。另一方面，使用720P格式显然会降低清晰度，它妨碍了该标准在消费类电子中的应用。

采样速率

为达到产生解码图像(例如机顶盒的输出)所要求的DAC速率，就需要分析一下ATSC的zui高分辨率格式。这些分辨率仅表明屏幕的活动图像区域，整个屏幕区域格式比表4的显示格式要大，DAC的转换速率由整个屏幕大小计算获得。1080I隔行扫描格式和720P逐行扫描格式HDTV的屏幕大小分别由SMPTE标准274M和296M规定，如图4所示。

相应的像素频率以及所需DAC速率见表5。可以看到，两种格式的像素频率相等，80MHz的DAC就足以将解码后的MPEG-2信号转换成模拟信号，提供给HDTV显示设备外部接口，且支持1080I/720P输入格式。HDTV的转换采样要求比通常的SXGA PC格式(见表3)更低。

DAC的时钟源通常是经过MPEG-2时间标记机制重构的像素时钟。理论上，DTV图像显示格式并不一定要求和原始传输过来的图像格式一致。假如不一致的话，需增加额外的MPEG-2解码(可能有帧缓存)来重构的原始像素时钟以获得显示像素时钟。

模拟CVI的防拷贝特性

在消费电子产品协会(CEA)内部，一个工作小组正在起草一个实现模拟CVI防拷贝的标准。其它一些业内组织也在从事类似工作，但他们更注重数字内容和数字接口的防拷贝。

模拟CVI防拷贝部分的作用在于，对接口上传送的数据信息进行防拷贝处理。zui早实现这种数据服务的是标准清晰度(SD)和高清晰度(HD)逐行扫描类型格式的拷贝生成管理系统(CGMS)。以前，防拷贝用于混合接口，这种模拟保护系统(APS)实现了消费类家电或TV接收机(主要针对额外收费频道)的模拟拷贝控制，它主要包括下列部分：

1. 伪同步脉冲或同步压缩APS。通过同步脉冲失真，使未*接入无效。

2. 反转色彩生成APS。将某些周期的色彩生成信号进行相位翻转。

3. 扫描线拖引APS。通过某种伪随机序列进行视频扫描线拖引。

CGMS数据服务在垂直消隐周期的特定扫描线内加入，与当前NTSC制式的闭路字幕数据非常类似。数据通过幅度调制，在视频范围内消隐，不会对DAC的输出zui大电压提出额外的要求。在CGMS数据服务中，用2位数字表示下列含义：

1. 允许无限拷贝；

2. 不允许再拷贝(已进行一级拷贝)；

3. 允许一级拷贝；

4. 不允许拷贝。

从实现的角度看，进行Y'P_B'P_R'和R'G'B'格式之间的转换会增加复杂性。执行这种转换的设备必须不影响CVI垂直消隐周期传输数据的可译码性。因此，需要制定专门的规定来确保色彩空间转换设备可靠地传输这些数据。