便攜式視頻設備設計秘訣

引言

視頻設備現正朝著口袋尺寸的設計發展。移動電話、玩具、PDA和MP3播放器都在努力尋找機會，將電視和電影變成人們隨身的娛樂節目。消費者還希望回到家中能在電視機上播放視頻節目，因此，對驅動視頻電纜的需求也是關鍵所在。這種驅動電路在不使用時的能耗必須少。飛兆半導體最新推出的超小型視頻濾波同軸驅動器件FMS6151，在不使用時的電流消耗便少于250納安培。FMS6151備有視頻重建濾波器，能除去寄生信號以防止電視畫面出現摩爾紋。此外，堅固的同軸電纜驅動器件還能保護內部電路免受靜電釋放(ESD)破壞。ESD對便攜式應用的危害尤其嚴重。例如，拿著便攜式設備走過地毯并將其插接在電視機時會產生數千伏靜電。便攜式設備中的大規模集成電路由于結構密集，因此尤其容易受到破壞。本文將討論ESD防護問題、重建濾波器的重要性、視頻同軸電纜驅動電路，以及如何以消費電子產品可接受的價格，在占位尺寸為1 x 1．5mm的表面貼裝封裝中實現這種電路。

隨著視頻設備朝向口袋尺寸設計發展，傳統的OTA(無線)電視如今已經是可利用攝像機拍攝，然后在數字化領域進行記錄和編輯的系統。該電視通過衛星網絡發送到本地基站，添加當地的新聞和廣告內容。發送出來的信號通過OTA方式送到電視機，電視機將接收的信號轉換成用戶能看到的視頻圖像。

人們收看所謂傳統的電視節目是通過電纜、衛星、IPTV和DVD傳送，但DVD錄制過程包括幾個部驟，如對視頻進行過濾以滿足Nyquist定律的要求。貝爾實驗室(Bell Labs)的研究員Harry Nyquist曾提出一個現已得到證實的假設定律。Nyquist定律認為：視頻信息的速度快過時鐘頻率的兩倍時必須予以抑制，以防止輸出信號出現摩爾紋失真。過濾后，視頻被壓縮并錄制成母碟。母碟將被復制，成為人們所購買的DVD光盤。DVD播放機會“接收”視頻并將其顯示出來。光盤的數字視頻回播信號包含一些擾人的偽像，因此必須去掉，并且利用重建低通濾波器使得視頻更加流暢。

視頻世界正隨著移動電話、玩具、視頻游戲、PDA和MP3播放器而迅速發展，務求將電視和電影變成人們隨身的娛樂。這的確是“前所未有的視頻”。便攜式設備無疑是主流和日常必備。在移動環境收看視頻后，消費者希望回到家中也能在電視機上播放這些視頻。因此，驅動視頻電纜的電路非常重要。

然而，視頻質量的波動可以很大。同樣的移動設備可以在客廳的電視機上播放，但在臥室的電視卻不行。為什么會這樣?其中的差別在哪里?

視頻失真主要有三大類型：1)摩爾紋；2)圖像邊帶抖動；3)干擾頻帶。大多數失真都是以上兩種或三種現象的混合，下面將分別討論這三種視頻失真的后果和原因。

雖然視頻失真是個值得關注的問題，但移動設備所面對的災難性的問題，卻是拿著便攜式設備走過客廳的地毯就可能誘發致命的損壞，罪魁禍首就是靜電釋放(ESD)。我們走過地毯時也會產生擾人的靜電火花，這種火花對集成電路來說是致命的影響。以前的半導體工藝對ESD的承受能力較高，但便攜式設備中超高密度的系統級芯片(soC)卻特別易受ESD的破壞。隨著越來越多的電路和“電腦”被封裝到越來越小的SoC芯片中，ESD的破壞性也越來越大。雖然，1英寸(2．54cm)或更長的靜電火花在我們看來只是件不愉快的小事，但對導體間距以微米(百萬分之一米)計的Ic來說，這樣靜電火花便如同一道閃電。怎樣才能避免便攜式設備遭受ESD破壞呢?答案是在便攜式設備中的連接器和SoC之間采用較大的Ic保護器件。

在討論視頻失真前，先制定一些基礎規矩。要獲得最好的畫面質量，別忽視一些基本的東西，而且在傳輸通道上的每個環節都得倍加小心。這不僅包括正確的Nyquist濾波，還有清潔良好的電源和接地。人們通常都會假設擁有良好的電源和接地，但如果視頻信號在傳送通道的任何地方受到污染，以后就無法恢復。飛兆半導體提供有數以萬計的不同部件，用于實現清潔良好的電源和接地。包括：AC／DC和DC／DC功率開關控制器、LDO調壓器、電池充電器、開關、邏輯電路、二極管、晶體管、運算放大器、RF放大器及接口器件。所有這些都是些基本的東西，卻不能夠忽略，正如在建造房屋時不能夠忽視牢固地基的興建。飛兆半導體還提供有助于延長電池壽命的先進功率負載管理產品IntelliMAXTM，以及能節省線材和降低RFI(射頻干擾)的信號串行和解串處理器件Mi c roSerDes。飛兆半導體更具有超小型便攜式視頻濾波驅動IC FMS6151，該芯片尺寸很小，只有1x1．5x0．5毫米。實際上，它小得要用放大鏡才看得清楚。仔細看會發現表面上有6個金點，即芯片的接腳連接端。FMS6151在睡眠狀態時只消耗0．25微安的電流，在工作時能承受12kV的ESD電壓。它采用濾波器來重建視頻信號，并將信號通過75歐姆的同軸電纜傳送到電視機。但為何需要濾波呢?這需要稍作解釋。

濾波可以清除視頻中帶寬以外的噪聲成分。噪聲之于視頻類似雜草之干農夫：都該鏟除。即使是一朵美麗的玫瑰，如生長在麥田里也是農夫眼中的雜草。這種視頻雜草或垃圾也是種類繁多且五彩繽紛。前面提到過幾種視頻失真：摩爾紋、圖像邊帶抖動和干擾頻帶。圖1所示為視頻重建濾波器的作用?？梢娮笊辖怯心M電壓紋，底部的負脈沖為行同步信號，中間部分為視頻信號。頂部的放大圈顯示的是模數(A／D)轉換器的采樣點。在每個采樣點，濾波器記錄對應的采樣數字值，且不同采樣時刻間的電位差別可以忽略。圖下部的放大圈所示為數模(D／A)轉換器的輸出，由一系列小臺階構成。這些臺階的過渡極陡，且邊沿有擾動。臺階面代表采樣點間的維持電壓，必須通過重建濾波器進行平滑處理，這樣輸出信號才能接近持續變化的模擬輸入信號。

圖1右上角給出了D／A轉換器的輸出頻譜。所需的視頻在0F05 MHz之間。Nyquist的限制為采樣頻率的一半。那些“臺階”的高頻雜訊集中在27MHz附近。圖1底部所示為使用重建濾波器濾掉雜波的效果及圖像信號頻帶。當說到用濾波器濾掉視頻信號中的某些東西，實際上是指將視頻失真減少到肉眼所不能看見的水平。

磚墻式濾波器有理論上完美的通頻帶(讓所有好東西通過)，同時能將抑止頻帶徹底濾掉(拒絕所有壞東西)，而且通頻帶和抑止頻帶間的過渡瞬間完成。這種磚墻式濾波器純粹是理論性的，實際上無法實現。類似磚墻式濾波器的價格昂貴，帶三段均衡的廣播7級濾波器售價超過100美元。廣播級和用戶級應用的差別在于對視頻進行編解碼處理的次數。

舉例說，廣播級編輯系統從許多源(如攝像機和采用不同編碼器的錄像資料)接收視頻。編輯過程可能會包括多次生成操作和特技效果的處理(涉及多次編解碼)。最后，編輯好的輸出將被送到網絡上，通過衛星和微波發送到電視臺(涉及更多次編解碼)。電視臺在發送視頻前還會添加某些特技效果、廣告內容、新聞和臺徽(涉及的編解碼次數更多)。

然而，在用戶級應用中，視頻由一兩個編解碼器進行處理的次數有限，例如，視頻在機頂盒或DVD中處理一次，然后在電視機中又一次。

經驗表明，在涉及多次編解碼的廣播級應用中，圖像和采樣信號至少衰減1％(－40dB)；而只涉及一到兩次編解碼的用戶級應用中，圖像和時鐘信號至少衰減10％(－20dB)。這樣就有可能做出實用且價格可接受的用戶級濾波器。給定類型濾波器的品質因子(FOM)反映該類濾波器的復雜程度，稱之為“級數”或“極數”。簡單說，級數越高，通頻帶向兩邊下彎的程度越小(即頻率響應更平直)，通頻帶到抑止頻帶的過渡越陡。典型的用戶級視頻濾波器為3級(極)至6級(極)。

那么，為何不簡單地采用3級分立式濾波器呢?這里有三個相互關聯的原因。首先，還記得IC的大敵ESD嗎?典型SoC芯片的ESD額定電壓只有幾百伏。FMS6151由于采用了大型穩固的模擬Ic工藝技術，因此其ESD額定電壓達到12000伏。其次是物理尺寸問題。分立的電感、電容、額外的晶體管，以及ESD~．極管和連接這些元件的跡線，通常都比FMS615l大。第三個原因是制造中的人為出錯，以及在生產測試中找出這些錯誤的能力。

圖2說明將部件小數點只搞錯一位就會產生的問題。通常，表面貼裝電容的卷軸上都有這個數值，格式為一個兩位數加一個因子，但元件上并無標記。因此，270pF的電容卷軸會標記成271，27pF的電容卷軸會標記成270。這就很容易及很平常在板卡上發現錯裝的元件。如果錯誤使視頻圖像質量大幅下降，可能無法通過最后的功能測試。如果電容大于設計的要求值，就可能出現這種情況。相反，若電容小于設計的要求值，就可能可以混過最終測試。這是因為系統的其余部分實際上就是用戶家里的電視機。我們曾說過同樣的移動設備可能在客廳的電視上可用，但在臥室的電視上就不行了。因此會問：“為什么會這樣?差別在哪里?”

圖2所示為整個系統及三種可能的視頻失真。這里整個系統不僅包括移動設備，而且包括用于觀看的電視機。變數之一是兩個視頻濾波器的質量。圖3的右上角給出了便攜式設備輸出的頻譜。注意采樣時鐘信號和圖像邊帶的高度(幅度)較大。圖3左邊以圖示方式給出了復雜的數學公式，描述當忽略Nyquist效應時A／D轉換處理產生的和頻及差頻。接著左上角的圖，頻率圖在Nyquist頻率處被折疊，在采樣時鐘頻率處再次被折疊。這種頻率折迭一直延續至圖的左中部。最后，左下部的圖給出了圖像邊帶與基帶視頻混合的詳情。右下部的頻譜圖描述了視頻和垃圾信號(雜草)，以及新的圖像頻帶中包含的垃圾信號。這種垃圾一旦存在，視頻信號便沒法修復。

圖2反復出現的三種視頻失真為摩爾紋、圖像邊帶抖動和干擾頻帶。摩爾干涉是由兩個采樣頻率信號問的拍頻信號(低頻差額)引起的干擾紋，有點類似于透過兩層相互間有輕微轉動錯位的紗窗看到的景象。圖像邊帶抖動失真會使圖像中那些本來靜止的邊沿看起來好象在動。高頻邊沿在瞬間產生圖像頻率，具體點說，就是當基帶中含有高頻成分時，才會有圖像出現。該圖像可能加強也可能削弱原來的邊沿，因為其相位不確定。而且，濾波過程中任何抖動都會被放大，使得邊沿看起來在抖動。最后，第三種視頻失真是因某一雜訊信號的調制而導致的頻帶干擾。雜訊有可能來自計算機的時鐘信號、數據信號的串擾，又或是便攜式設備或電視機內的音頻串擾。此外，視頻同軸電纜接地不良也會讓來自鄰近設備(如無繩電話、微波爐、WiFi接入點、移動電話、CB波段對講機等)無線電波串入，調制圖像信號。

分立元件濾波器容易產生組裝錯誤，因而不能通過最終的生產測試。這些錯誤會導致銷售出去的移動設備需要返工，因為它在一些電視上能用，在另一些電視則不能。飛兆半導體采用高速度、全自動的測試系統，百分百地檢測測試每個FMS6151視頻濾波器的帶通頻率。

結語

飛兆半導體提供數以萬計的產品為便攜式設計的各個方面帶來協助。FMS6151超便攜式濾波驅動電路能夠解決便攜式視頻設備所面對的問題。由于體積小，因此能安裝于空間狹小的手機中及在電視機上安全地顯示視頻圖像。其強大的ESD承受能力可保護手機中密集且敏感的“電腦”。而5階視頻重建濾波器可輸出清潔和流暢的視頻信號，防止出現摩爾紋失真。FMS6151并能完全地驅動和匹配75歐姆同軸電纜阻抗，還可選配輸出耦合模塊(尺寸最小、使用最多的配置是直接DC耦合)，從而進一步縮減尺寸。FMS6151能夠節省電池能量，在同軸驅動電路工作時電流消耗很小(FMS6151在睡眠狀態時只消耗0．25安的電流，大約等同于在板卡上留下一個指紋印所需的電流)。