數字梳狀濾波器

1、數字梳狀濾波器梳狀濾波對于畫面質量是非常重要的一個技術，因此我們有必要對其進行詳細刨析。那么具體什么是梳狀濾波器呢？這就要從源頭（信號源）開始講起了，一開始，接收視頻的Video端子是Composite端子（比如RF射頻接口和AV接口），它所能接收的信號叫Composite Video Signal，即混合視頻信號（也稱復合信號），什么意思呢？因為這個Composite（混合）信號包括了亮度（Luminance，用字母Y表示）和色度/彩度（Chrominace）兩方面的信號，視頻電路要做的工作就是Y/C進行分離處理，目前的梳狀濾波器是在保證圖像細節(jié)的情況下解決視頻信號亮色互竄的唯一方法，其內部

2、有許多按一定頻率間隔相同排列的通帶和阻帶，只讓某些特定頻率范圍的信號通過，因為其特性曲線象梳子一樣，故人們稱之為梳狀濾波器（CombFiltering）。梳狀濾波器一般由延時、加法器、減法器、帶通濾波器組成。對于靜止圖像，梳狀濾波在幀間進行，即三維梳狀濾波。對活動圖像，梳狀濾波在幀內進行，即二維梳狀濾波。高檔數字電視機采用行延遲的梳狀濾波器與帶通濾波器級聯(lián)，構成Y/C分離方案就可獲得滿意的圖像質量。使用梳狀濾波器能使圖像質量明顯提高。解決了色串亮及亮串色造成的干擾光點、干擾花紋；消除了色度正交分量U、V色差信號混迭造成的彩色邊緣蠕動；消除了亮、色鑲邊，消除了高頻信號的色彩錯誤和灰度值表示錯誤。

3、有一段時期國內很多工廠（為了節(jié)省成本）使用模擬的方式實現(xiàn)梳狀濾波器，實際上效果很不好，原因有兩個，一是延遲器件的帶寬很難保證，二是解決行相關性差問題的自適應電路很復雜。而在數字電路里，只要有足夠的存儲器，就可以保證足夠的延遲時間與信號帶寬，且復雜的自適應電路很容易集成在芯片中硬件固化。梳狀濾波器原理及發(fā)展歷史：梳狀濾波器采用頻譜間置技術，理論上可以保證亮度和色度的無失真分離。如果我們好好回顧一下梳狀濾波器的發(fā)展歷程，將對其有個清醒的認識。第一階段：采用頻率分離法將Y/C信號分開。這種方法是利用色度信號以副載波方式傳輸這一特點（PAL制副載波為4.43MHz，NTSC制副載波為3.58MHz），

4、用選頻電路將Y/C信號分開。內部由LC帶通濾波器和陷波器組成，將視頻信號通過一個中心頻率（fsc）為色度信號窄帶（比如PAL制式4.43MHz頻率副載波）帶通濾波器，取出色度信號。再將亮度信號經過一個中心頻率為色度信號副載波4.43MHZ的色度陷波器，吸收色度信號，從而得到亮度信號。這種方法簡單易行，采用元器件少且成本低，所以在早期彩電中應用得比較廣泛。但是，頻率分離方法存在著一些嚴重的問題：在亮度通道中，色度陷波器在吸收色度信號的同時也將該頻率范圍內亮度信號的部分頻率分量抑制掉了，這叫亮度信號的高頻分量丟失，從而影響了亮度信號的清晰度大家想想看，一段音樂哪怕再動聽高音丟了那還能聽嗎？同時，殘

5、余的色度信號也可能進入亮度通道而引起串色干擾，通常在屏幕出現(xiàn)彩色測試卡是最后兩條頻帶染色現(xiàn)象。在色度通道中，L.C色度帶通濾波器品質不高，取出色度信號，抑制亮度信號的同時，也把該頻率范圍內的亮度信號選出來了，高頻亮度信號經色度解調器被解調出來（屬于多余信號），使得一些細格子或條狀區(qū)域出現(xiàn)閃爍的彩色干擾。可見利用傳統(tǒng)的頻率分離方法根本不能將Y、C信號作出徹底分離，必然存在著：亮串色、色串亮”的干擾，使圖像質量難以令人滿意。事實上這種方法在彩電中的應用，會出現(xiàn)圖所示的影響。 左圖為普通電視畫面，右邊為內置梳狀濾波電路電視畫面第二階段：采用梳狀濾波器和頻譜分離法進行亮色分離。它是根據視頻信號頻譜交叉

6、的原理及梳狀濾波器的梳齒濾波頻率傳輸特性,以頻譜分離的方式分離出亮度和色度信號，這種新的分離方法使Y/C信號分離比較干凈徹底，從而大幅提高圖像清晰度。通常梳狀濾波器是由兩行延遲線、加法器、減法器等部分組成。事實上在大屏幕彩電中，又分為NTSC制Y/C分離和PAL制Y/C分離。例如對于NTSCM制式，我們假設相鄰兩行的視頻信號保持相關性以及延遲線無損耗，Y信號頻譜與C信號頻譜以fH/2間隔交替出現(xiàn)（fH表示行頻），副載波頻率fsc為227.5fH，如果設計一個梳狀濾波器電路，使V信號延時一行，再分別與未延時的信號進行加減。延時前后Y信號相位不變，而C信號相位相反。延時信號與直通信號在加法器中相加

7、后得到Y信號，即（YC）（YC）2Y，在減法器中相減則得到C信號，即（YC）（YC）2C。從梳狀濾波器幅頻特性曲線分析，Y頻譜落在加法器特性曲線峰點及減法器特性曲線谷點，所以比較徹底地使亮度信號與色度信號相互分離開來。 PAL梳狀濾波器Y/C分離，常稱之為二行分離法（也叫二元分離法）。它使用一個NTSC制信號或兩個PAL制信號行存儲器與帶通濾波器結合使用，組成垂直、水平二元帶通濾波器，基本結構原理如上圖所示，只是將1H延時線改為2H延時線。（這是因為NTSC制亮度信號、色度信號采用fH/2間置，而PAL制則采用fH/4間置（即副載頻fsc283.75fH25Hz283.75fH），因此PAL梳

8、狀濾波器Y/C分離電路要用2H延時線。）由亮度信號Y和色度信號C組成的復合全電視信號，一方面直接加到加法器與減法器的輸入端，稱為直通信號，同時經兩行延遲時間（2TH）使色度信號反相后得到的延遲信號（YC）也加到加法器和減法器的另一輸入端。在加法器中直通信號（YC）與延時信號（YC）相加得到亮度信號2Y；在減法器中直通信號（YC）與延時信號（YC）相減即得到色度信號C，達到亮色分離的目的。梳狀濾波器Y/C分離法的特點可歸納為：由于加法器輸出特性可選出亮度信號的高頻分量，不會造成高頻分量的丟失，并可將視頻帶寬全部加以利用，從而使圖像清晰度大大提高，同時在亮度通道中將色度信號抑制得比較徹底，不致于產

9、生殘留色度信號干擾。而減法器輸出中較好地抑制掉亮度信號，以最大傳輸系數選出色度信號C，并用帶通濾波器對殘留亮度信號作進一步衰減，解決了亮度信號對色度通道的串擾問題，從而提高了圖像質量。左右圖分別是標準電視信號測試有無梳狀濾波的拍攝畫面，看看亮色互竄畫面是多么“繽紛多彩”。上述分析結果是基于信號相關性的假設,可將色度信號與亮度信號較徹底分離而獲得較為理想的圖象質量。但實際的視頻信號并不是這樣理想的，即會出現(xiàn)非相關情況，如垂直方向有色度跳變，那么在此處直通信號與延遲信號中的Y、C分量不再相同，加法器與減法器便不能將C或Y分量完全對消，造成Y與C分離不徹底。如果不愿意看長篇大論的朋友直接看下面的表格

10、：表四：N制/PAL制梳狀濾波器的異同NTSC制式梳狀濾波器PAL制式梳狀濾波器延時1H2H直通信號YC延時后反相信號YC（注明：亮度信號Y不變，僅色度信號C反相）進入加法器（YC）（YC）2Y，解析出亮度信號進入減法器（YC）（YC）2C，解析出色度信號優(yōu)點能夠解決部分亮、色干擾問題，提高圖像質量缺點要求前后兩行信號要比較相似，即要求行相關性好。例如藍色的天空、黑沉的夜晚等靜止畫面圖像信號，其亮度信號和色度信號可在這種Y/C分離電路中徹底分離開來；但如果出現(xiàn)垂直方向有色度信號突變的不相關情況（即前一行信號與后一行信號不同，尤其是動態(tài)畫面），它會將其當成相交信號來處理，于是在加法器中不能完全抵

11、消色度信號，造成Y/C分離不徹底，仍出現(xiàn)色點干擾。我們看到，PAL制梳狀濾波器比N制梳狀濾波器要略微復雜一些，不過不管怎么說，既然還有不足之處，那仍然需要做改進，所以梳狀濾波器技術繼續(xù)發(fā)展。第三階段：（模擬式）動態(tài)梳狀濾波器模擬動態(tài)梳狀濾波器結構如圖所示。它由兩個延時線（PAL為2H延時線，NTSC為1H延時線）、三個帶通濾波器、垂直相關性檢測電路、加法器、減法器等組成。就PAL制彩色信號而言，要對在動態(tài)梳狀濾波器中直通信號（YC）、延遲兩行時間信號（YC）、延遲四行時間信號（YC）這三行信號進行垂直方向上的圖像相關性檢測，產生一個所需的彩色信號。所謂相關性檢測，實際上是檢測場與場之間相關性的

12、強弱，一般采用的是場差法或低通場差法，即對兩場中各對應像素逐點相減并求和，以該值大小作為圖像動態(tài)情況的描述。模擬動態(tài)梳狀濾波器克服了普通梳狀濾波器的缺點，改善了活動圖像信號Y/C分離效果，從而進一步提高了圖像質量。區(qū)別普通梳狀濾波器動態(tài)梳狀濾波器相關性檢測無有水平方向梳狀濾波有有，效果更好垂直方向梳狀濾波無有動態(tài)畫面Y/C分離無有成本一般設計復雜，成本較高這是90年底初的技術，當時的大屏幕進口彩電，如29寸的東芝、松下中均采用了此種梳狀濾波器。第四階段：動態(tài)數字式梳狀濾波器。上述的模擬動態(tài)梳狀濾波器Y/C分離電路，雖然能有效解決活動圖像信號的Y/C分離問題，但對單制式信號Y/C分離要用6個調節(jié)

13、點，若要適應PAL、NTSC制Y/C信號分離，則需12個調節(jié)點，這樣就存在調整繁雜的問題，如此多的調節(jié)點在生產中難以保證質量，況且批量生產會成為難題。于是，人們研制出更為先進的、精密的數字式動態(tài)梳狀濾波器。數字式動態(tài)梳狀濾波器Y/C分離電路如下圖所示。它主要由五塊IC封裝一起組成厚膜電路，即由A/D變換器CXD1176Q、延遲線CXK12022、數字式動態(tài)梳狀濾波器CXD2011Q及D/A變換器CXD1177Q組成，與時鐘信號發(fā)生器配合完成Y/C分離。新型三行數字化梳狀濾波器結構圖它是利用三行彩色信號來完成垂直方向的相關檢測，僅提取所需要的彩色信號，從而克服了模擬梳狀濾波器的缺點，使圖象的水平

14、清晰度從350線一舉提高到450線以上！首先，全電視信號進來后，由模數轉換器（ADC）轉換成8bit的數字式信號，我們看上圖中下半部分是典型的鎖相環(huán)路，用于產生四倍于色副載波振蕩取樣頻率，作為數字Y/C分離電路的時鐘（這部分是一典型的時鐘信號發(fā)生器），對PAL制為17.73MHZ，對NTSC制為14.32MHZ。數字化后的視頻信號送入動態(tài)梳狀濾波器，在動態(tài)梳狀濾波器中進行數字式動態(tài)梳狀濾波Y/C分離，原理與前述大同小異，只是前、中、后三行視頻信號經過色帶通濾波處理后再進入邏輯運算電路。此電路中，每相鄰的兩行信號相減后都可取出色度信號C，而將此C信號再與中間一行視頻信號（YC）相加，則抵消了C信

15、號而分離出Y信號。8bit數字亮度信號Y和數字色度信號C分別送入數模變換器（DAC），經其轉換后輸出模擬Y信號和C信號，分離效果極徹底且無需作任何調整，所以是效果較好，廣泛應用的Y/C分離電路。筆者手頭有一份長虹經典2919PK的電路圖，里面對梳狀電路的原理講解（信號流程）非常透徹，將來有機會再與各位同好共同探討。值得注意的是，在邏輯運算器中，仍然有一個垂直相關電路，用來比較判別三行信號的差別，當三行信號差別較大時，說明圖像內容在垂直方向發(fā)生了變化，電路即進行運算，其運算過程是：先前兩行信號進行運算取最小值，再對后兩行信號進行運算并取最小值，然后把兩個最小值進行比較取出大者；用同樣方法取出此三

16、行信號中相鄰兩行信號中的最大值，然后把兩個最大值再作比較并取小者。最后把上述最小值中的大者和最大值中的小者平均后輸出，此平均值應能代表相鄰三行信號中的變化趨勢，使輸出接近于未來的狀態(tài)。這就是數字式動態(tài)梳狀濾波器的工作特點，多次比較和平均的結果，使數據非常精確，從而保證了分離效果，所以認為它是一種先進的Y/C信號分離電路。說到這兒，我們不僅想起顯卡的AA全屏抗鋸齒技術，不和梳狀濾波有異曲同工之妙？技術的發(fā)展是能智能判斷以求最少的代價得到最準確的結果。小知識：為什么很多電視機宣傳單里號稱有梳狀濾波器（N制），而沒有PAL制？很簡單：因為單一制梳狀濾波器成本低啊，PAL制梳狀濾波雖然不復雜，但是卻不

17、能與N制濾波電路共用，因此勢必增加成本。我們收看的電視節(jié)目一般是PAL制，所以沒有PAL制的電視機就像MX440SE用64bitDDR顯存一樣，屬于低成本的產品，不推薦購買。還有我不理解的是為什么有的廠家吝惜得連這種對畫質起至關重要作用的電路都要省掉，要知道一個普通的梳狀濾波器僅僅價值3.5美元??！存儲三個層面，比較并進行分割，東芝飛視采用的技術目前專用的梳狀濾波器已經越來越少了，因為獨立數字梳狀濾波器成本不菲，而且只能匹配模擬的彩色解碼電路，我們知道一個好的電路，從頭到腳不能存在瓶頸，否則效果會大打折扣這就是單獨做萬金油般全能梳狀濾波器不劃算的地方，所以最新的數字電路解決方案是將數字化彩色解

18、碼芯片和數字梳狀濾波器集成，至于做成單芯片還是多芯片具體要看廠商的設計功力了。常見的梳狀濾波器有2D和3D之分，2D之中又有兩行、三行、五行之分，它們具備不同的自適應效果，成本和價格差距很大。最后我們總結成如下幾點，以方便大家觀看：1、目前最先進的梳狀濾波器是3D數字式梳狀濾波器，它能夠從空間（2D）、時間（第三維方向）將每組畫面的亮度及色度信號精確地分離，有效消除影響信號中的雜波、斑點、色彩重疊現(xiàn)象，使畫面更加清晰。2、較好的梳狀濾波器必須是雙制式梳狀濾波器尤其是對國內消費者來說；3、數字梳狀濾波器有不同的自適應算法，因此各家效果也不同。但視頻存貯能力（相當于顯卡的顯示緩存）越大，視頻處理芯

19、片越精密，算法越復雜其Y/C分離效果越好。梳狀濾波器等級普通兩行梳狀濾波器動態(tài)模擬梳狀濾波器三行動態(tài)數字梳狀濾波器（N制）五行動態(tài)數字梳狀濾波器（P制）N制智能梳狀數字濾波器3D數字梳狀濾波器清晰度350線400線450線480線500520線直觀看圖辨優(yōu)劣：好，理論歸理論，實際歸實際，那么梳狀濾波器對哪些畫面更敏感呢？我們來看看下面的電視信號測試圖：豎直線條疏密相間，還有各種同心圓最能看出畫面清晰度和亮色串擾問題，不過這種電視標準信號發(fā)生碟片可真不好弄。筆者手頭只有一張低清晰度版本的，只能說明部分問題。左右分別為無Y/C分離和3D梳狀濾波畫面，是不是大不一樣？DPTV-DX的實際效果圖，梳狀

20、濾波還是很干凈的。這張圖是Trident官方提供的資料，梳狀濾波效果很明顯。其實呢大商場里比比皆是的實際演示碟很容易說明問題，關鍵是很多人不了解應該在哪些場景下進行判斷：我們注意上圖色塊交界處合，垂直線條處的細節(jié)是最容易出現(xiàn)問題的地方。大面積色塊交界處，所有有細小豎直或者橫向條紋的畫面細節(jié)、畫面上的文本處，都是梳狀濾波器大顯身手的地方。梳狀濾波器將亮色分離得更徹底，使畫面更清晰、純凈和細膩完美?？催@種縱橫交錯的高樓大廈最能看出電視畫面的好壞，比較差的（比如普通隔行無三行梳狀濾波）電視機在這種地方原形畢露，模糊且閃爍得厲害。再舉一個例子當更能說明問題，看小包中間的豎直條紋是否清晰，好的梳狀濾波器能有效去除亮度、色度串擾及色彩斑點。還有一個地方很說明問題，就是有大片郁郁蔥蔥的綠色植物時的電視畫面我不會騙你的，在這個地方是考驗電視機真功夫的地方。上面是舉例說明梳狀濾波器對哪些畫面有影響，下面是相同畫面的對比。例一：通過籃子的篾條可以很明顯地看出，普通梳狀