TWI323570B - Analog front end circuit and image processing device for video decoder - Google Patents

Description

1323570 玫、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關於顯示（display)系統，尤有關於一種使用 於視訊解碼器（video decoder)的類比前端電路（anal〇g fVont end circuit)與影像處理裝置。 【先前技術】 自從二十世紀以來’電視技術及其應用之發展證明了 其已成為人類生活及娛樂的重心，而近年來由於顯示技術 的進步，提供更大量的資訊及更細緻的影像已經成為電視 產業下一階段發展的方向《請參閱第i圖，第i圖中係顯 示一常見的電視系統及其視訊資料源之示意圖。於第i圖 中，視訊資料源系統11 〇係以類比訊號之形式將視訊資料 傳送至電視系統120，以播放視訊晝面，雖然現在已有純 數位格式之傳送介面問世，但是類比格式之傳送介面仍為 目前最為普遍之介面。 電視系統之視§fl資料源有許多種型式，諸如Dvd播 放機（DVD player )、數位機上盒（set t〇p b〇x )、乃至於 各種遊戲機（game console)等均為其例。一般而言視 訊資料源系統的組成元件當中，會包含有一視訊編碼 器（video encoder) 112，用來對影像資料進行編碼。接下 來’經過編碼後之數位訊號則會經由一數位/類比轉換器 (DAC ) 114轉換為類比訊號，並傳送出去。 而一電視系統120,諸如目前漸漸成為主流應用之液 晶電視（LCD TV )或是其他平面電視系統或數位電視系 6 1323570 統，則會透過一傳輸媒介（例如一纜線（邊))接收由視訊 資料源no戶斤傳送過來之類比訊號，透過一類比/數位轉換 器（adc) m將其轉換為數位格式，再由一視訊解碼器 (video decoder) 122對其進行解碣操作以利後續之影 像處理及播放。 視訊編碼格式有許多不同的類型，其中較常見的包括 如CVBS訊號格式、亮度彩度（Yc)訊號格式以及影像 色差（YPrPb)訊號格式等。因此，於視訊資料源系統ιι〇 及電視系統1 2〇之間用夾值择4目M ^ κ ^ 门用术得送視汛之類比傳輸介面也可分 成數種，例如：AV墙早公；m + 榀于；丨面，用來傳送CVBS格式之訊 號’· S端子介面，用來傳送YC格式之訊號；色差端子介 面用來傳送YPrPb格式之訊號。於上述各種訊號格式當 中’其中CVBS訊號、S端子中之γ訊號、以及色差端子 中之Y訊號中’除了包含有對應於影像f訊之成分之外， 其均另包含有用來進行同步操作之同步訊號成分。 叙而。對於電視系統來說，其對於所傳送之類比 視訊訊號甲所包含之影像訊號成分的解析度均會有一定 程度之要求，以確保所播放出來的畫面品質，這代表類比 /數位轉換器124必須能夠支援一定數量之有效位元 (effective number of bits)。—般而言，類比/數位轉換器的 有效位兀數越高，表示視訊解碼器所解碼的影像畫質越 好。然而，受限於半導體製程中之電容及阻抗匹配等因 素類比/數位轉換器之有效位元數愈多，於設計時所需要 之複雜度及製造時所付出之成本亦會大幅地增加。 上述習知電視系統12〇中的類比/數位轉換器124，大 1323570 夕疋採用管線式（pipelined)類比/數位轉換器，而傳統上， 官線式類比/數位轉換器的取樣頻率fcLK為27MHz或 54MHz，有效位元數的範圍為8〜12個位元。由於本身的 架構的限制，管線式類比/數位轉換器是無法利用過取樣 (oversampling)技術來達到更高位元的解析度 (resolution)(例如每提高四倍取樣頻率就等效於增加—位 元的解析度）的目的，這是因為在沒有經過修正（trim)或校 φ 正（Cahbratl〇n)技巧的情形下，管線式類比/數位轉換器的 有效位元數（或解析度）一般係受限於製程所造成的電容不 匹配（mismatch)以及操作時電容的熱雜訊（therma丨n〇ise) 等因素，也就是說製程控制得越好、電容值越準，管線式 • 類比/數位轉換器的解析度才會越高。因此，對管線式類比 • /數位轉換器而言，要達到更高位元的解析度，正確的作法 疋必須使用校正技巧來克服電容不匹配的問題，但是，若 客觀％ i兄上無法使用校正技巧時，就必須另尋其他 • 、述問碭，以達到提高影像訊號之解析度與降低成本 的目的。 _ 【發明内容】 有^於上述問題，本發明之目的為提供一種類比前端 '路藉由t木用ς △類比/數位轉換器，來達到增加影 析度的目的。 ，丨為達成上述目的，本發明之類比前端電路用以接收 ^像類比訊號，並產生至少一數位訊號，該類比前 8 端電路包含一嵌位器’接收該影像類比訊號，並調整該影 像類比訊號的直流位準，以產生一重建訊號；一低通濾波 器’接收該重建訊號’濾除高頻雜訊之後，產生一濾波訊 號；一輸入緩衝器’用來緩衝該濾波訊號，以產生一緩衝 訊旒；以及一 Σ △ (sigma delta)類比/數位轉換器，包含 正、負兩個輸入端，其中一端接收該緩衝後訊號，另一端 接收一比較電壓，且該Σ △類比/數位轉換器根據一時脈訊 號’將正、負輸入端的電壓差轉換成該數位訊號。 本發明採用Σ △類比/數位轉換器之後，除了可以達到 更尚的解析位元之外，另一優點為配合過取樣技術的使 用，不但可以降低疊頻消除濾波器的階數，更進而降低類 比電路的面積與耗電。 热配合下列圖示、實施例之詳細說明及申請專利範 圍，將上述及本發明之其他目的與優點詳述於後。 【實施方式】 第2圖為依據本發明一實施例之影像處理裝置之架構 示意圖。 。參考第2圖，本發明之影像處理裝置2〇〇包含一輸入 單元280與一類比前端電路29〇。於本實施例中，視訊資 料源系統UG中的數位/類比轉換器114所輸出的影像類比 訊號，係透過一纜線先傳送至輸入單元28〇，再傳送至類 比前端電路290。其中，影像處理裝^ 係屬於電視系 統(圖未示)或其他視訊顯示系統的—部分，類比前端電路 290係設置在-視訊解碼器（圖未示）之中，而輪入單元· 9 i323570 係設置在一印刷電路板之上。 對於傳入輪入單元280的影像類比訊號而言，其視訊 訊號格式係為同時包含有影像資訊成分及同步訊號成分 者，如CVBS訊號、YC訊號、YPrPb訊號等，但是:發二 之應用並不以此為限，現存或將來發展出來之其他視訊格 式亦可適用於本發明之概念。以下’將以州扑訊號為例 作說明。影像處理裝置200接收三個影像類比訊號Y、pr、

Pb，並進行直流位準重建與類比數位轉換後，產生三個數 位訊號Dl、D2、D3。 由數位/類比轉換器114所輸出的影像類比訊號（γ、 Pr、Pb)，係利用電流源（Ιν1、Ιν2、Ιν3)等效，影像類比訊 號（Y、Pr、Pb)經由輸入單元280傳送至類比前端電路29〇 進行類比數位轉換工作。熟習影像處理技術者均應理解， 圖中的傳輸線於實作上也可以採用無線（如射頻天線等） 等各種已知或創新的方式實現之.於本實施例中，輸入單 元280於每一訊號傳輸路徑上分別設置一低階的低通濾波 器（281、282、283 )以濾除雜訊' 一終端（terminati〇n)電 阻（R12、R22、R32)(約75Ω )以避免訊號反射，以及 一父流耗合（AC coupling)電容（Cl、C2、C3 )以去除影像 類比訊號的直流位準。這是因為影像類比訊號（Y、Pr、pb) 經過長長的傳輸線傳輸之後，直流位準難免會飄，故首先 利用低通濾波器（281、282、283 )以濾除雜訊，再透過 終端電阻（R12、R22、R32)與交流耦合電容（Cl、C2、 C3 )以去除影像類比訊號的直流成分，最後再用嵌位器 !323570 (211、221、231)來重建影像類比訊號的直流位準。 根據本發明，類比前端電路29〇所包含的轉換電路之 數目等於其接收之影像類比訊號的數目，就本實施例而 吕，類比前端電路290包含三個相同的轉換電路21、22、 23以同時處理三個影像類比訊號γ、pr、pb，每一轉換電 路（21、22、23)包含一嵌位器（211、221、231)、一低階的 低通濾波器（214、224、234)、一輸入緩衝器（212 ' 222、 232)、以及一 ς △類比/數位轉換器（213、223、233)。 嵌位器（2 11、221、23 1)接收一影像類比訊號（γ、ρΓ、 Pb )並重建影像類比sfL號的直流位準，以產生一重建訊 號（E卜E2、E3)。低通濾波器（214、224 ' 234)接收該重建 訊號（El、E2、E3)，以濾除掉高頻訊號之後，產生一濾波 訊號（LI、L2、L3)。輸入緩衝器（212、222、232)則根據參 考電壓Vref同時將濾波訊號（li、L2、L3)與比較電壓 (Vcmpi、Vcmp2、Vcmp3)緩衝之後輸出。最後’ £ △類比/數 位轉換器（21 3、223、233)根據時脈訊號fCLK將兩個輸入端 的電壓差（例如（LI- Vcmpl))轉換成一數位訊號（di、D2、 D3 )。 類比前端電路290更包含一能隙電壓參考電路240與 一時脈產生器250。時脈產生器250提供一週期性的時脈 訊號fcLK給類比數位轉換器（213、223、233)作為取樣之 用。同時’能隙電壓參考電路240則產生一參考電壓％ef， 以提供至輸入緩衝器（212、222、232)用來調整增益（gair〇 與偏移電壓（offset voltage)，或者提供類比/數位轉換器 1323570 (213 223 233)用來調整全幅（fuU咖⑷電壓或偏 & 電流。 ^以下詳述本發明採用Σ △類比/數位轉換器，以及其可 搭配低階的低通濾波器之技術背景與原因。 一般而言，影像類比訊號的頻寬（bandwidth)約為 z傳統上ΣΔ類比/數位轉換器多使用於訊號頻寬較 窄（例如：音訊（audi。）頻寬約2GKHz、非同步數位用戶專 線㈣mmetric digital subscriber ，A·)頻寬約 2.2MHz)，但解析度要求較高（例如：音訊i6個位元、非 同步數位用戶專線13個位元）的應用，隨著類比電路設計 的進展，已經可以將ΣΔ類比/數位轉換器的頻寬增加到符 合視訊的應用’以避免管線式類比/數位轉換器之解析度受 限的缺點。就解析度而言’ Σ△類比/數位轉換器的特性是 不會像管線式類比/數位轉換器一樣受限於電容不匹配因 素實際上，Σ△類比/數位轉換器主要係受限於電路上的 雜訊因素，而雜訊是可以透過其本身所具有之過取樣與雜 泉整形（noise shaping)架構來加以排除的，因此，可輕易地 提高整體的解析度。 第3A圖顯示訊號頻寬為fs/2，取樣頻率為&時的雜 訊頻譜1 3B圖顯示訊號頻宽為V2，取樣頻率為邮 時的雜訊頻譜。 對一 n(n為正整數）位元解析度之類比/數位轉換器而 言，其量化雜訊功率為q2/12(q=最低有效位元（LSB))，若 在頻域上觀察此雜訊的特性’則根據取樣定理（咖沖％ 12 〆 1323570 theorem)其功率頻譜密度（p〇wer Spectruin densjty，psD)係

定義在區間（-fs/2〜fs/2)，大小為如#)Λ/5之均勻函數（如 第3Α圖所示）’其中fs為取樣頻率。若進行過取樣訊號處 理，亦即以較高之取樣頻率Kxfs對相同的頻帶匕之訊號 進行取樣（如第3B圖所示）時，對訊號而言其頻譜特性並未 改變，對量化雜訊而言其功率不變（因為n並沒有改變）， 但因取樣頻率相對於訊號頻寬變高，所以量化雜訊之功率 頻譜密度之高度下降（也就是噪音底層（n〇ise n〇〇r)下 降）。接著，若以數位低通濾波器對取樣後訊號進行處理， 則欲處理之訊號部份並未受影響，但卻有部份之量化雜訊 被濾除，因此，對整體而言訊號雜訊比（signai忧⑽ ratio’ SNR)提升造成有效位元數或解析度亦提高。結果， 以η位元解析度之類比/數位轉換器配合過取樣技術與低 通濾波（或疊頻消除濾波）處理而得到一解析度大於η位元 之類比/數位轉換器’例如：每提高四倍取樣頻率就等效於 增加一位元的解析度。 第3C圖顯示第3Β圖引進雜訊整形技術後的雜訊頻 雜訊整形技術的主要特色就是改變量化雜訊的能量 分布，使其盡量集中在高頻段（如第3C圖所示），如此— 來，取樣後訊號經過低通滤波（或疊頻消除據波）處理之 後’可將絕大部分之量化雜减除以提升訊號雜訊比，進 而提南解析度。因此’本發明透過Σ △類比/數位轉換器本 身所具有之過取樣與雜訊整形架構來排除雜訊以提高訊 13 1323570 號雜sfl比，進而提高整體的解析度，可輕易地提高整體的 解析度至大約1 5個位元。 從取樣頻率的角度來看，假設管線式類比/數位轉換器 與ΣΑ類比/數位轉換器的取樣頻率同樣為的情況下， 根據取樣定理，管線式類比/數位轉換器之輸入訊號的頻寬 必須小於或等於fCLK/2，至於Σ△類比/數位轉換器因其架 構中採用過取樣技術，故其輸入訊號的頻寬必須小於或等 於fCLK/(2xK) ’其中κ是一正整數，為過取樣的倍數。因 此，在取樣頻率同樣為fcLK的情況下，Σ△類比/數位轉換 器之輸入訊號的頻寬小於管線式類比/數位轉換器之輸入 訊號的頻寬。 另一方面’在習知類比前端電路中，管線式類比/數位 轉換器之岫級電路，通常都會搭配高階（high-order)的低通 ;慮波器或疊頻消除遽波器（anti_aliasing filter)以消除疊頻 或雜訊（下面再說明），然而，疊頻消除濾波器的階數越高， 滤波效果雖然越好，但成本越高。 第4A圖顯示訊號頻寬為fcLK/2，取樣頻率為fcLK的 類比/數位轉換器，所搭配的疊頻消除濾波器之頻率響應

圖。第4B圖所示訊號頻寬為fcLK/(2xK)，取樣頻率為fcLK 的類比/數位轉換器，所搭配的疊頻消除濾波器之頻率響應 圖。 參考第1圖與第4A圖，根據取樣定理，當管線式類 比/數位轉換器的取樣頻率等於fCLK時，訊號的頻寬必須小 於或等於fCLK/2，此時，電路上搭配的疊頻消除濾波器（第

14 1圖未不）的響應需要比較陡峭’也就是疊頻消除濾波器 所需的階數比較高（通常第4A圖中所搭配的疊頻消除濾波 器的階數m与3·5)。相對的，當Σ△類比/數位轉換器進行 過取樣訊號處理時’參考第2圖與第48圖，因為訊號頻 π與取樣頻率上的疊頻相距比較遠，所以電路上搭配的疊 頻消除濾波器的響應就不必太陡峭，也就是低通濾波器或 疊頻4除濾波器（214 ' 224、234、281、282、283)所需的 階數可以比較低（例如第4Β圖中疊頻消除濾波器所需的階 數1-2)，甚至在輸入單元28〇中的疊頻消除濾波器 (281、282、283)也不需設置（因此在第2圖中以虛線表示）。 因此，使用Σ△類比/數位轉換器除了可以達到更高的 解析位το之外，另一優點為配合過取樣技術的使用，不但 可以降低疊頻消除濾波器的階數，更進而降低類比電路的 面積與耗電。 以上雖以貫施例說明本發明，但並不因此限定本發明 之範圍，只要不脫離本發明之要旨，該行業者可進行各種 變形或變更。 【圖式簡單說明】 第1圖中係顯不一常見的電視系統及其視訊資料源之 示意圖。 第2圖為本發明影像處理裝置之架構示意圖。 第3A圖顯示訊號頻寬為fs/2 ’取樣頻率為匕時的雜 訊頻譜。 第3B圆顯示訊號頻寬為fs/2，取樣頻率為Kxfs時的 15 1323570 雜訊頻譜。 第3C圖顯示第3B圖引進雜訊整形技術後的雜訊頻 譜。 第4A圖顯示訊號頻寬為fCLK/2，取樣頻率為的 類比/數位轉換器，所搭配的疊頻消除濾波器之頻率響應 圖。

第4B圖所示訊號頻寬為fCLK/(2xK)，取樣頻率為fCLK 的類比/數位轉換器，所搭配的疊頻消除濾波器之頻率響應 圖。 圖號說明： 110視訊資料源系統 112視訊編碼器 114數位/類比轉換器 120電視系統 122視訊解碼器 124類比/數位轉換器 200影像處理裝置 21、22、23轉換電路 211、 22 1、23 1 礙位器 212、 222、232輸入緩衝器 214 ' 224、234 ' 281、282、283 低通濾波器 240能隙電壓參考電路 250時脈產生器 280輸入單元 16 1323570 290類比前端電路 213、223、23 3 Σ △類比/數位轉換器

Claims (1)

1323570 拾、申請專利範圍： 1. 一種類比前端電路，用以接收至少一影像類比訊號，並產生至少 一數位訊號，該類比前端電路包含至少一轉換電路，每一轉換電 路包含： 一嵌位器，用來調整該影像類比訊號的直流位準，以產 . 生一重建訊號； 一低通濾波器，接收該重建訊號，濾除高頻雜訊之後，產生一 濾波訊號； # 一輸入緩衝器，用來緩衝該濾波訊號，以產生一緩衝訊號；以 及 一 Σ△類比/數位轉換器，包含正、負兩個輸入端，其中一端 接收該緩衝訊號，另一端接收一比較電壓，且該Σ△類比 /數位轉換器係根據一時脈訊號，將正、負輸入端的電壓 . 差轉換成該數位訊號。 2. 如申請專利範圍第1項所述之類比前端電路，係設置於一 視訊解碼器之中，並包含一個、或二個、或三個該轉 φ 換電路。 3. 如申請專利範圍第1項所述之類比前端電路，其中該低通 濾波器的階數為一階或二階。 4. 如申請專利範圍第1項所述之類比前端電路，更包含： 一能隙電壓參考電路，係產生一參考電壓，以提供給該Σ△類 比/數位轉換器與該輸入緩衝器；以及 一時脈產生器，用以產生該時脈訊號。 18 1323570 5.—種影像處理裝置，用以處理由一視訊資料源系統饋入之至少一 影像類比訊號，並產生至少一數位訊號，該影像處理裝置包含： 一輸入單元，用以傳輸該些影像類比訊號，該輸入單元設有一 接地端；以及 一類比前端電路，係電氣連接該輸入單元，該類比前端電路包 - 含至少一轉換電路，每一轉換電路包含： . 一嵌位器，用來調整該影像類比訊號的直流位準，以產 生一重建訊號； • 一第一低通濾波器，接收該重建訊號，濾除高頻雜訊之 後，產生一第一濾波訊號； 一輸入緩衝器，用來緩衝該第一濾波訊號，以產生一緩衝 訊號；以及 ' 一 Σ △類比/數位轉換器，包含正、負兩個輸入端，其中一端接收 該緩衝訊號，另一端接收一比較電壓，且該Σ△類比 /數位轉換器係根據一時脈訊號，將正、負輸入端的 電壓差轉換成該數位訊號。。 • 6.如申請專利範圍第5項所述之影像處理裝置，其中該類比 前端電路係設置於一視訊解碼器之中，並包含一個、或 二個、或三個該轉換電路。 7. 如申請專利範圍第5項所述之影像處理裝置，其中該第一 低通慮波器的階數為一階或二階。 8. 如申請專利範圍第5項所述之影像處理裝置，其中該輸入 單元的每一影像類比訊號傳輸路徑中，均包含一第二低通濾波 器，係接收該影像類比訊號，並濾除高頻雜訊之後，產生一第 19 1323570 二濾波訊號，再饋入至該嵌位器。 9. 如申請專利範圍第8項所述之影像處理裝置，其中該第二 低通濾波器的階數為一階或二階。 10. 如申請專利範圍第5項所述之影像處理裝置，其中該輸入 單元係設置於一印刷電路板之上。 - 11.如申請專利範圍第5項所述之影像處理裝置，其中該類比 . 前端電路更包含： 一能隙電壓參考電路，係產生一參考電壓，以提供給該Σ △類 # 比/數位轉換器與該輸入緩衝器；以及 一時脈產生器，用以產生該時脈訊號。 12. —種類比前端電路，包含： 一嵌位器，用來調整一類比訊號的直流位準，以產生一重建 ' 訊號； - 一低通濾波器，接收該重建訊號，濾除高頻雜訊之後，產生 一渡波訊號； 一輸入緩衝器，用來緩衝該滤波訊號，以產生一緩衝訊號； Φ 以及 一 Σ △類比/數位轉換器，包含正、負兩個輸入端，其中一端 接收該緩衝訊號，另一端接收一比較電壓，且該Σ△類比 /數位轉換器係根據一時脈訊號，將正、負輸入端的電壓 差轉換成一數位訊號。 13. 如申請專利範圍第12項所述之類比前端電路，係設置於一 視訊解碼器之中。 20 1323570 14. 如申請專利範圍第12項所述之類比前端電路其中該低 通濾波器的階數為一階或二階。 15. 如申凊專利範圍第12項所述之類比前端電路，更包含： 一能隙電壓參考電路，係產生一參考電壓，以提供給該Σ△類 比/數位轉換器與該輸入緩衝器；以及 一時脈產生器’用以產生該時脈訊號。